危巖落石棚洞-攔石墻新型組合結(jié)構(gòu)防護(hù)措施研究

賀鵬

1.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安710043；2.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安710043

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，交通干線(xiàn)逐漸向山區(qū)延伸，落石災(zāi)害越來(lái)越突出，時(shí)常危及鐵路行車(chē)安全。攔石墻是一種常見(jiàn)的危巖落石被動(dòng)防護(hù)措施，其為剛性攔截結(jié)構(gòu)物，可阻止大的落石侵入鐵路限界，是使用最廣泛的一種防護(hù)措施。孫新坡等［1］基于離散元方法對(duì)崩塌災(zāi)害進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出沖擊動(dòng)力響應(yīng)與攔石墻高度、崩塌體運(yùn)動(dòng)距離、崩塌體內(nèi)部塊石摩擦因數(shù)、坡腳與攔石墻間的緩沖區(qū)距離均有關(guān)系。鄧力源等［2］研究了廢舊輪胎在新型柔性攔石墻中的應(yīng)用。曾永紅等［3］采用落石分析軟件分析危巖落石滾落軌跡及能量分布，為攔石墻的建造提供了理論依據(jù)。唐紅梅［4］分析了半剛性樁板結(jié)構(gòu)攔石墻傳力機(jī)理，并概化為落石→堤→樁及板→地基的傳力過(guò)程，建立了落石沖擊力及在土堤內(nèi)擴(kuò)散的計(jì)算方法，為攔石墻的設(shè)計(jì)提供了參考。Peila等［5］通過(guò)足尺試驗(yàn)對(duì)高塑性黏土攔石墻進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)防護(hù)攔石墻進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

棚洞結(jié)構(gòu)同樣屬于被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)。鑒于棚洞本身即為隧道結(jié)構(gòu)一部分，其在隧道受落石威脅地段是首選被動(dòng)防護(hù)方式。棚洞可直接保護(hù)被保護(hù)對(duì)象，并縮短線(xiàn)路長(zhǎng)度通過(guò)落石威脅區(qū)，但投資比攔石墻大，后期維保需要停車(chē)?？迪杞艿龋?］針對(duì)混凝土的沖擊破壞，對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)破壞面進(jìn)行了研究，引入了破壞面修正系數(shù)，為落石沖擊棚洞的數(shù)值仿真模型提供了借鑒意義。劉成清等［7］基于能量法建立了被動(dòng)柔性棚洞各個(gè)構(gòu)件的耗能計(jì)算原理公式，為柔性棚洞的設(shè)計(jì)及防護(hù)能級(jí)的判定提供了理論依據(jù)。何思明等［8-10］對(duì)棚洞進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，基于接觸理論推導(dǎo)出了落石對(duì)棚洞沖擊壓力的計(jì)算公式，得出了回彈恢復(fù)系數(shù)以及回彈規(guī)律。王玉鎖等［11-12］利用數(shù)值模擬對(duì)落石沖擊拱形明洞的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，并對(duì)其進(jìn)行了室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)，提出了拱形明洞的可靠度設(shè)計(jì)方法。柳春等［13］提出了SPH-FEM耦合數(shù)值模擬算法，提高了落石沖擊棚洞動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算效率。Kishi等［14］利用原型試驗(yàn)對(duì)滾石沖擊砂墊層棚洞的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。Delhomme等［15］提出了在棚洞混凝土頂板和棚洞梁之間加入金屬耗能器的設(shè)計(jì)理念，解決了棚洞填土層自重大、緩沖能力有限的問(wèn)題。

棚洞和攔石墻各有優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)兩者結(jié)合的防護(hù)措施鮮有報(bào)道。本文結(jié)合黔張常（黔江—張家界—常德）鐵路張家界禾家村車(chē)站，在既有單線(xiàn)棚洞的基礎(chǔ)上，為了滿(mǎn)足站場(chǎng)擴(kuò)線(xiàn)需求而又不影響鐵路的正常運(yùn)行，通過(guò)結(jié)合攔石墻和棚洞結(jié)構(gòu)各自?xún)?yōu)點(diǎn)，提出一種新型棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，以期運(yùn)用于落石防護(hù)區(qū)的棚洞改造和站場(chǎng)擴(kuò)線(xiàn)等場(chǎng)地狹小地段。

1 工程概況

黔張常鐵路位于湘西北、鄂西南和渝東南交界地帶，線(xiàn)路自渝懷鐵路黔江站引出東行，途經(jīng)重慶市、湖北省、湖南省，正線(xiàn)長(zhǎng)336.3 km。沿線(xiàn)地形起伏較大，巖壁陡峻，基巖出露，地層為第四系全新統(tǒng)坡積粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土，全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、細(xì)（粗）圓礫土，下伏基巖為志留系下統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖夾砂巖。地質(zhì)災(zāi)害突出，其中危巖落石對(duì)線(xiàn)路的危害較為嚴(yán)重。

本文工點(diǎn)位于張家界禾家村車(chē)站內(nèi)，地貌屬低山山麓及澧水寬谷區(qū)，山坡坡度較陡，植被茂密。為了防止危巖落石，確保行車(chē)安全，運(yùn)營(yíng)部門(mén)曾增設(shè)了137 m長(zhǎng)的單線(xiàn)棚洞防護(hù)措施。但由于禾家村車(chē)站站場(chǎng)擴(kuò)線(xiàn)，由單線(xiàn)鐵路擴(kuò)線(xiàn)成八股道，既有單線(xiàn)棚洞已經(jīng)滿(mǎn)足不了危巖落石防護(hù)寬度及范圍的需求。為了不影響鐵路的正常運(yùn)行，同時(shí)克服場(chǎng)地狹小的限制，亟待提出新的解決方式。既有棚洞防護(hù)措施見(jiàn)圖1。

圖1 既有單線(xiàn)棚洞

2 危巖落石運(yùn)動(dòng)路徑的模擬

2.1 參數(shù)介紹

考慮到該段由區(qū)間擴(kuò)場(chǎng)增加股道，防護(hù)范圍進(jìn)一步增加。為確定可能的落石滾落范圍，采取激光三維掃描技術(shù)獲取邊坡三維模型，截取邊坡斷面，通過(guò)落石分析軟件對(duì)未施加任何防護(hù)措施情況下的落石運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬分析。三維激光掃描成果以及截取的典型斷面見(jiàn)圖2。

圖2 三維激光掃描成果及計(jì)算典型斷面

采用RocFall軟件對(duì)落石的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬。參考既有焦柳線(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)到的落石大小數(shù)據(jù)，落石半徑選為0.5 m以確定軌跡及沖擊能量。根據(jù)坡面特征及文獻(xiàn)［16］建議的恢復(fù)系數(shù)選取范圍（表1），輸入邊坡的法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)以及摩擦角三種參數(shù)即可進(jìn)行計(jì)算。由于本工程邊坡主要是強(qiáng)風(fēng)化硬巖表面且上覆植被，故選取法向恢復(fù)系數(shù)0.35，切向恢復(fù)系數(shù)0.88，摩擦角30°；鐵路線(xiàn)水平面主要是松散碎石路面，選取法向恢復(fù)系數(shù)0.25，切向恢復(fù)系數(shù)0.60，摩擦角30°。落石在斷面頂部下落，水平初速度、豎向初速度均為0，跌落統(tǒng)計(jì)次數(shù)為500次。

表1 文獻(xiàn)[16]建議恢復(fù)系數(shù)的選取范圍

2.2 模擬結(jié)果

本文截取了5個(gè)典型斷面，由于每個(gè)斷面在軟件中的運(yùn)動(dòng)軌跡相似，故只選取了斷面1在RocFall軟件中的落石運(yùn)動(dòng)軌跡示意。在未施加任何防護(hù)措施的情況下，落石的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖3。

圖3 斷面1落石運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖3可知：因坡面比較崎嶇造成落石在坡面上多次碰撞反彈，且由于在靠近邊坡底部的位置有一個(gè)高136.21 m，與水平線(xiàn)近似54°的陡崖，造成落石彈跳以后最終以一個(gè)較高的高度落下，并運(yùn)動(dòng)至邊坡底部，在鐵路線(xiàn)路水平面上發(fā)生反彈后最終停留在鐵路線(xiàn)路面上。因此，危巖落石存在隨時(shí)侵入鐵路線(xiàn)路的可能，威脅鐵路列車(chē)正常安全運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)對(duì)5個(gè)典型斷面的模擬計(jì)算，可以得到落石在整個(gè)軌跡中最大沖擊能量。斷面1—斷面5最大沖擊能量包絡(luò)線(xiàn)見(jiàn)圖4?？芍?個(gè)斷面的沖擊能量曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大致相同，在上部陡崖（橫坐標(biāo)0左側(cè)）附近具有最大沖擊能量；落石在邊坡頂部發(fā)生滾落過(guò)程中產(chǎn)生的最大沖擊能量為2 300 kJ，發(fā)生在斷面2上部陡崖附近；落石運(yùn)動(dòng)至鐵路路線(xiàn)（橫坐標(biāo)0右側(cè)）附近時(shí)，沖擊能量為800～1 800 kJ，仍然具有較大的沖擊能量，落石存在侵入鐵路所在區(qū)域的可能性，有必要在邊坡底部施加防護(hù)措施以減小落石的沖擊能量。

圖4 斷面1—斷面5落石最大沖擊能量包絡(luò)線(xiàn)

3 落石防護(hù)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)危巖落石情況調(diào)查并結(jié)合5個(gè)典型斷面落石模擬分析結(jié)果，可以得出該里程段坡面本身及危巖落石情況復(fù)雜，危巖落石危害程度巨大。為了加強(qiáng)防護(hù)，工程中已經(jīng)在邊坡坡面鋪設(shè)了一層簾式防護(hù)網(wǎng)，并于山體坡麓處和棚洞頂部適當(dāng)位置設(shè)置一道柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。采用的簾式網(wǎng)為50 mm×60 mm網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，被動(dòng)網(wǎng)為φ50 mm網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。簾式網(wǎng)、被動(dòng)網(wǎng)均為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，仍存在小于網(wǎng)眼尺寸零星落石墜落的可能，且網(wǎng)式防護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于野外自然環(huán)境下，養(yǎng)護(hù)維修不便，并存在破損導(dǎo)致落石漏網(wǎng)的隱患。

考慮新建禾家村車(chē)站為焦柳鐵路、黔張常鐵路兩場(chǎng)并場(chǎng)，共設(shè)八股道的規(guī)模，結(jié)合列車(chē)開(kāi)行方案等因素，為確保鐵路能夠正常運(yùn)行，又能克服場(chǎng)地狹小的限制，保證結(jié)構(gòu)體系布設(shè)的靈活性以及場(chǎng)地適宜性，采用在既有單線(xiàn)棚洞結(jié)構(gòu)頂部加設(shè)新型攔石墻形成棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)的防護(hù)方案。

棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)分為上、下兩層結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)利用原既有單線(xiàn)棚洞，上部結(jié)構(gòu)采用錨索肋板式攔石墻結(jié)構(gòu)，錨索通過(guò)橫向肋板墻錨固在邊坡中。錨索肋板式攔石墻沿線(xiàn)路縱向每隔3.5～5.5 m設(shè)置橫向肋板一道，肋板厚度0.6 m，肋板內(nèi)設(shè)置2道錨索，攔石墻面板沿線(xiàn)路縱向貫通設(shè)置，厚度0.8 m，面板每2跨設(shè)置一道橫向伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)填塞瀝青麻筋。棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)下部既有棚洞的頂板上方鋪設(shè)0.5 m厚填土緩沖層。設(shè)計(jì)的棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。

圖5 棚洞-攔石墻新型組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

4 穩(wěn)定性驗(yàn)算

在傳統(tǒng)重力式攔石墻穩(wěn)定性計(jì)算基礎(chǔ)上，結(jié)合棚洞-攔石墻新型組合結(jié)構(gòu)，提出了該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算方法。以其中一跨作為計(jì)算單元，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。新建錨索肋板式攔石墻上部結(jié)構(gòu)高度為8 500 mm，攔石墻寬度為800 mm，混凝土（C35）的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為16.7 N/mm2，縱筋（HRB400）屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400 N/mm2，保護(hù)層厚度為40 mm，縱筋間距為200 mm，縱筋計(jì)算截面面積為4.909 cm2。

4.1 抗滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)抗滑動(dòng)穩(wěn)定性是指作用于該結(jié)構(gòu)的最大可能的抗滑力與實(shí)際滑動(dòng)力之比，用抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc表示。棚洞-攔石墻主要受攔石墻肋板重力G1、攔石墻面板重力G2、落石對(duì)墻體的沖擊力P、上錨索拉力Ps1及下錨索拉力Ps2的作用。假設(shè)落石沖擊荷載P作用到攔石墻面板頂部，此時(shí)該結(jié)構(gòu)最容易傾倒。棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)抗滑動(dòng)穩(wěn)定性受力如圖6所示。其中α為錨索傾斜角。

圖6 棚洞-攔石墻新型組合結(jié)構(gòu)抗滑動(dòng)受力示意

經(jīng)過(guò)受力分析，攔石墻沿基底的抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc計(jì)算式為

式中：∑N為作用于基底上的總垂直力，kN；f為攔石墻基底與下部棚洞摩擦因數(shù)；Ps1x、Ps2x分別為上下錨索拉力的水平分力，kN；Ps1y、Ps2y分別為上下錨索拉力的垂直分力，kN。

參考重力式攔石墻抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)臨界值，棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc不應(yīng)小于1.3。

α=11.5°的錨索能夠承受的拉力值Ps1=Ps2=8 544 kN。由于邊坡上方已經(jīng)施加簾式防護(hù)網(wǎng)，并于山體坡麓處和棚洞頂部適當(dāng)位置設(shè)置了一道柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，為了規(guī)避小于網(wǎng)眼的零星落石墜落，參考網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)大小，結(jié)合實(shí)際情況，取落石半徑為0.25 m。由于本文落石直接沖擊攔石墻水泥混凝土面板，因此，參考文獻(xiàn)［17］對(duì)落石直接沖擊鋼筋混凝土棚洞板動(dòng)力響應(yīng)的研究結(jié)果，取0.25 m半徑落石以20 m/s直接沖擊棚洞板時(shí)最大沖擊力為5.5×103kN，以驗(yàn)證棚洞-攔石墻的穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算可以得出Kc=7.54，大于安全系數(shù)臨界值1.3，說(shuō)明棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足抗滑動(dòng)穩(wěn)定性要求。

4.2 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性受力如圖7所示。

圖7 棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)抗傾覆受力示意

經(jīng)過(guò)受力分析，攔石墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0計(jì)算式為

式中：∑My為穩(wěn)定力系對(duì)攔石墻面板右墻趾總力矩；∑M0為傾覆力系對(duì)攔石墻面板右墻趾總力矩；ZPs1x、ZPs2x分別為上下錨索水平受力力臂；ZG1、ZG2分別為攔石墻肋板墻、面板墻重力力臂；ZP為落石沖擊力力臂。

參考重力式攔石墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)臨界值，棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0不應(yīng)小于1.6。

經(jīng)計(jì)算可得K0=3.86，遠(yuǎn)大于1.6，說(shuō)明棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足抗傾覆穩(wěn)定性要求。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，落石沖擊棚洞-攔石墻面板最不利位置時(shí)，棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍然比較高，能夠滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。同時(shí)，在既有棚洞上方修建攔石墻結(jié)構(gòu)，增加了攔石墻的有效高度，可以解決落石跨越問(wèn)題。棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況見(jiàn)圖8。

圖8 棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況

5 結(jié)論

1）棚洞-攔石墻新型組合結(jié)構(gòu)是一種可以直接在既有棚洞上修筑攔石墻的有效建設(shè)方案，結(jié)合了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，且不影響鐵路正常運(yùn)營(yíng)。

2）棚洞-攔石墻新型組合結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定系數(shù)較高，能夠抵抗落石對(duì)其沖擊作用。

3）在既有棚洞上方修建攔石墻結(jié)構(gòu)，能夠增加攔石墻的有效高度，解決落石跨越問(wèn)題。棚洞-攔石墻組合結(jié)構(gòu)能夠?yàn)槠渌锒锤脑旌蛨?chǎng)地狹小的站場(chǎng)擴(kuò)線(xiàn)問(wèn)題提供借鑒。