南崇鐵路危巖落石特征及整治措施研究

莫雁冰

(廣西南崇鐵路有限責任公司,廣西 崇左 530022)

0 引言

高速鐵路為線性工程,其跨越區域大、穿越地貌、地質單元多樣,工程建設復雜[1]。廣西山區鐵路工程區域通常邊坡陡峭、巖體破碎、豎向節理發育、植被覆蓋較少,勘察人員到達困難而使界定危巖落石的難度大,準確度及精確度受到影響,以致于建設階段防護措施的選擇不合理。為減少危巖落石對鐵路施工及運營安全的威脅,本文依托新建南寧至崇左鐵路(以下簡稱南崇鐵路),針對具體地段地形地貌特征及危巖落石發育特點,采取有效的綜合整治措施,從而達到減災目的。

1 工程概況

1.1 項目簡介

南崇鐵路是南寧至憑祥城際鐵路的重要組成部分,是我國通向東盟國家的國際通道,是廣西壯族自治區全額投資建設的第一條高速鐵路。項目于2018年12月全面開工,2022年12月開通運營。正線全長119.3 km,設計速度為250 km/h。

1.2 項目地質簡況及危巖特征

南崇鐵路位于廣西西南部,線路經過區間分別屬于南寧盆地及剝蝕低山丘陵地貌、溶蝕平原地貌、剝蝕丘陵地貌、溶蝕孤峰平原地貌,高程在70～300 m。

全線碳酸鹽巖地段長82 km,占線路總長的69%,沿線主要是弱風化灰巖、白云巖,豎向節理發育,坡面陡峻且表面植被稀疏,危巖呈張開狀態廣泛分布,坡腳多落石,對線路主要造成危巖落石的危害為不穩定孤石順坡滾落、滑落[2]。局部路段陡崖坡面多為臨空危巖、表面巖體受多組結構面切割成塊體狀,易大范圍塌落危石而危及線路。

2 危巖落石整治思路及原則

2.1 總體思路

2.1.1 從選線角度源頭降低風險原則

南崇鐵路危巖落石嚴重,選線設計以貫徹“地質選線”原則,盡量繞避大規模崩塌地段,從源頭降低風險。在鐵路線位選定前把危巖落石作為突出因素考慮,在線路多發、頻發和集中發育的危巖落石區以及風險控制困難的危巖落石區,從選線角度最大限度地繞避以降低風險。

2.1.2 精準勘探提升風險控制精準度原則

該隧道洞口危巖落石危害問題突出,采取綜合勘探手段,結合現場調查、勘探或無人機探測等方法,逐點查明落實高陡邊仰坡節理、裂隙發育和山體斜坡危巖落石的分布范圍、高度、規模和危害程度,從而研判和評估危巖落石風險程度,提升風險控制措施和危巖落石防治方案精準度。

2.2 綜合整治原則

南崇鐵路危巖落石整治原則總體分為清除危巖或加固、支頂、嵌補危巖、攔截和引導落石、設置和接長明洞等防治原則,降低危巖落石風險。

2.2.1 清除危巖原則

(1)路基坡面上、臨近橋梁的坡面節理發育大、有零星落石以及可能產生大塊徑巖體掉落巖石,應予以清除。

(2)隧道洞口上方坡面存在對鐵路工程影響大的高位大塊徑危巖體(>2 t),應予以清除。

2.2.2 加固、支頂、嵌補危巖原則

(1)坡面存在局部不穩定巖體,難以清除或清方引起自然坡面植被破壞面積較大時,應采取支頂、嵌補、錨固等可靠的加固措施。

(2)危巖體清方可能引發更大范圍的危巖松動等次生風險時,不得清除,應采取錨桿或錨索等可靠的加固措施。

(3)坡面發育深層節理、可能產生大塊徑巖體掉落的,清理難度大則應進行錨固。

2.2.3 攔截和引導落石原則

在危巖落石清除與加固措施基礎上,結合地形條件、坡面植被覆蓋、落石軌跡分析結果等因素,采取簾式網、主動網、被動網、攔石墻、落石槽等一種或若干種措施進行聯合防護。通過消能引導攔截設施改變沖擊方向來消除對線路影響。

2.2.4 明棚洞設置及長度確定原則

若危巖體難以得到有效清除與加固,在隧道洞外有設置較緩平臺條件時,采取設置或接長明棚洞進行綜合防護。

目前鐵路一般利用Rockfall軟件分析落石的運動軌跡、彈跳高度和沖擊能量,據此提出綜合防護措施[3]。項目結合現場調查和勘測得到的地形地貌、落石塊徑、危巖高度等因素,選取最危險地面線,設定落石等效直徑和高度,通過軟件模擬仿真,推算落石可能的運動軌跡、彈跳高度、沖擊動能等關鍵設計參數,從而確定設置或接長明棚洞的范圍和方式等。

該隧道各參數圖形如圖1～4所示。

圖3 最大彈跳高度包絡曲線圖

圖4 最大沖擊能量包絡曲線圖

3 危巖落石綜合整治流程

在危巖落石設計階段聯合鐵路局相關管理部門根據現場實施情況現場勘查危巖落石工點,綜合線路上方危巖體的高度、分布、危巖塊徑、危巖規模、山體坡度、植被覆蓋等情況,充分考慮機械設備搬運、吊裝、作業平臺設置等施工因素,通過研究危巖落石清除與加固的必要性及可行性來選定整治方案,并結合方案實施的難易程度設定整治流程,依次確定采取清除、加固、加強明棚洞、攔截引導等合理穩妥的單一或綜合整治措施。

若在線路上方分布大規模危巖體,可能發生較大規模崩塌造成毀滅性后果的,且危巖落石隱患無法消除時則采取改線繞避方案。

南崇鐵路危巖落石整治流程如圖5所示。

圖5 落石整治流程圖

4 危巖落石綜合整治措施方案及效果

2019年5月至2021年5月,項目各參建方在危巖落石設計階段聯合鐵路局相關管理部門對南崇鐵路存在危巖落石地段涉及7段路基、7段橋梁、8座隧道進出口及淺埋段工點37處,危巖落石整治點37處,多批次對危巖落石點進行現場核查,并研定對采用清除、加固、加強明棚洞、攔截引導等適用范圍和使用情形,形成各批次綜合整治方案,從而對全線危巖落石整治實施進行整體性全過程把控,確保在鐵路開通前一次性通過危巖落石驗收。

4.1 清除

全線采用清除危巖落石情形是:在清除難度較小,坡面上堆積落石的多危巖體、峰叢、孤峰地貌區高陡山體表面的高位危巖體以及極可能對鐵路運營危害大的危巖體,通過對危巖體的徹底清除來消除落石風險。

4.2 加固

全線根據危巖體坡面發育節理、表層巖體破碎、風化剝落和危巖體積程度采取了錨索(錨桿)加固、錨網噴加固、支頂、嵌補加固來有效降低危巖落石風險。

(1)錨索(錨桿)加固。發育深層節理、可能產生大塊徑巖體掉落的,采用清除方案難以清除時,采取穩妥的錨索(錨桿)加固措施穩定大塊徑巖體。

(2)錨網噴加固。表層巖體破碎、風化剝落嚴重的,采取清除表層破碎圍巖措施后仍難以清除的,采取錨網噴加固等措施保證巖體穩定。

(3)支頂、嵌補加固。對于小塊徑危巖,在進行了充分的研究論證后不進行清除,而是采取支頂、嵌補危巖的防護措施。

某橋梁線路左側綜合整治方案為:清除危巖體+邊坡側面支頂、嵌補+第四、五邊坡主動網+邊坡錨網噴+第一臺階被動網,如圖6所示。

4.3 設置和接長明棚洞

在隧道進出口處受危巖落石影響地段為剝蝕丘陵或溶蝕孤峰、隧道洞外具備設置平臺時,采用設置和接長明棚洞防護。

某隧道出口線路右側綜合整治方案為:接長明棚洞+張口式簾式網+被動網,如圖7所示。

圖7 某隧道出口線路右側綜合整治效果圖

4.4 攔截引導

在路基、橋梁或隧道進出口設置接長明棚洞等措施,但未能徹底清除危巖落石隱患時,可綜合考慮柔性防護網和剛性結構攔截引導消能除患。

某隧道進口線路右側綜合攔截引導整治方案為:線路右側張口式簾式網+被動網+攔石墻及剛性格柵,如圖8所示。

圖8 某隧道進口線路右側綜合攔截引導整治效果圖

4.4.1 柔性防護網攔截引導

全線柔性防護網攔截引導采用主動網(危巖體穩固系統)、被動網(落石攔截系統)和簾式網(落石引導系統)。

4.4.1.1 主動網防護

全線采用主動網防護的情形是:節理、裂隙不發育的弱風化硬質巖且整體穩定的路塹邊坡防護;局部存在大塊徑危巖孤石坡面;坡表巖體完整性較好或錨桿錨固條件較好的坡面;邊坡高度不大(一般≤20 m);地表起伏不大的自然邊坡;開挖平整、巖體完整性較好或掛網噴混凝土支護后的人工邊坡等。主動網防護通過全坡面安裝錨桿系統加固作用,對坡體起到較好的穩定加固作用。

4.4.1.2 被動網防護

全線采用被動網防護的情形是:節理、裂隙發育且整體穩定的巖質邊坡或松散塊石土質邊坡;坡表巖體完整性較好僅局部存在零星分布塊石;坡度中緩的高邊坡(≤45°)、高度>20 m的高緩邊坡;坡表起伏小且坡度較緩的邊坡等。被動網防護采用柔性結構實現截停落石、避免落石上線,避免下方主體結構遭受破壞,緩沖落石運動降低能量,減少對下方遮蓋結構(明洞或棚洞)或攔擋結構(攔石墻)的沖擊。

4.4.1.3 簾式網防護

全線采用簾式網防護的情形是:節理、裂隙發育且整體穩定的巖質邊坡或表層為松散碎石土和碎石塊等堆積物形成的邊坡;可能出現崩塌落石為主的整體穩定巖石邊坡;坡表巖體破碎或局部存在塊石邊坡;錨固條件差,不宜大量安設錨桿坡面;高陡邊坡;對于坡度近直立且高差較大的巖質邊坡等。簾式網防護采用系統錨桿安裝數量少,施工擾動較小,能實現對高能級危巖落石防護,將落石引導至坡腳,方便及時清理維護。

4.4.2 剛性結構攔截引導

全線剛性結構攔截引導主要采用攔石墻與落石槽綜合設置進行防護,部分隧道洞口攔石墻頂部設置了剛性格柵防護網。剛性結構攔截引導有效實現截停落石、避免落石上線,避免下方主體結構遭受破壞,緩沖落石運動降低能量,減少對下方遮蓋結構(明洞或棚洞)或攔擋結構(攔石墻)的沖擊。

5 結語

通過在建設階段與運營管養部門開展聯合動態、分批次階段現場勘查,獲得準確翔實的地形地貌等情況,在此基礎上開展充分分析和評價,研定危巖落石整治方案,南崇鐵路最終主要采用了清除危石、加固危石、設置及接長明棚洞、設置攔截和引導危石的柔性或剛性防護等綜合整治措施有效降低危巖落石風險,做到整治措施可行、經濟、技術合理,為類似地質條件的鐵路危巖落石整治提供借鑒。