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(zé)任公司,廣西 崇左 530022)

0 引言

高速鐵路為線性工程,其跨越區(qū)域大、穿越地貌、地質(zhì)單元多樣,工程建設(shè)復(fù)雜[1]。廣西山區(qū)鐵路工程區(qū)域通常邊坡陡峭、巖體破碎、豎向節(jié)理發(fā)育、植被覆蓋較少,勘察人員到達(dá)困難而使界定危巖落石的難度大,準(zhǔn)確度及精確度受到影響,以致于建設(shè)階段防護(hù)措施的選擇不合理。為減少危巖落石對(duì)鐵路施工及運(yùn)營(yíng)安全的威脅,本文依托新建南寧至崇左鐵路(以下簡(jiǎn)稱南崇鐵路),針對(duì)具體地段地形地貌特征及危巖落石發(fā)育特點(diǎn),采取有效的綜合整治措施,從而達(dá)到減災(zāi)目的。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)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(guó)通向東盟國(guó)家的國(guó)際通道,是廣西壯族自治區(qū)全額投資建設(shè)的第一條高速鐵路。項(xiàng)目于2018年12月全面開(kāi)工,2022年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。正線全長(zhǎng)119.3 km,設(shè)計(jì)速度為250 km/h。

1.2 項(xiàng)目地質(zhì)簡(jiǎn)況及危巖特征

南崇鐵路位于廣西西南部,線路經(jīng)過(guò)區(qū)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(zhǎng)82 km,占線路總長(zhǎng)的69%,沿線主要是弱風(fēng)化灰?guī)r、白云巖,豎向節(jié)理發(fā)育,坡面陡峻且表面植被稀疏,危巖呈張開(kāi)狀態(tài)廣泛分布,坡腳多落石,對(duì)線路主要造成危巖落石的危害為不穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)原則

南崇鐵路危巖落石嚴(yán)重,選線設(shè)計(jì)以貫徹“地質(zhì)選線”原則,盡量繞避大規(guī)模崩塌地段,從源頭降低風(fēng)險(xiǎn)。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(fā)、頻發(fā)和集中發(fā)育的危巖落石區(qū)以及風(fēng)險(xiǎn)控制困難的危巖落石區(qū),從選線角度最大限度地繞避以降低風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 精準(zhǔn)勘探提升風(fēng)險(xiǎn)控制精準(zhǔn)度原則

該隧道洞口危巖落石危害問(wèn)題突出,采取綜合勘探手段,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘探或無(wú)人機(jī)探測(cè)等方法,逐點(diǎn)查明落實(shí)高陡邊仰坡節(jié)理、裂隙發(fā)育和山體斜坡危巖落石的分布范圍、高度、規(guī)模和危害程度,從而研判和評(píng)估危巖落石風(fēng)險(xiǎn)程度,提升風(fēng)險(xiǎn)控制措施和危巖落石防治方案精準(zhǔn)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(bǔ)危巖、攔截和引導(dǎo)落石、設(shè)置和接長(zhǎng)明洞等防治原則,降低危巖落石風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 清除危巖原則

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

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

2.2.2 加固、支頂、嵌補(bǔ)危巖原則

(1)坡面存在局部不穩(wěn)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(shí),應(yīng)采取支頂、嵌補(bǔ)、錨固等可靠的加固措施。

(2)危巖體清方可能引發(fā)更大范圍的危巖松動(dòng)等次生風(fēng)險(xiǎn)時(shí),不得清除,應(yīng)采取錨桿或錨索等可靠的加固措施。

(3)坡面發(fā)育深層節(jié)理、可能產(chǎn)生大塊徑巖體掉落的,清理難度大則應(yīng)進(jìn)行錨固。

2.2.3 攔截和引導(dǎo)落石原則

在危巖落石清除與加固措施基礎(chǔ)上,結(jié)合地形條件、坡面植被覆蓋、落石軌跡分析結(jié)果等因素,采取簾式網(wǎng)、主動(dòng)網(wǎng)、被動(dòng)網(wǎng)、攔石墻、落石槽等一種或若干種措施進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)。通過(guò)消能引導(dǎo)攔截設(shè)施改變沖擊方向來(lái)消除對(duì)線路影響。

2.2.4 明棚洞設(shè)置及長(zhǎng)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(shè)置較緩平臺(tái)條件時(shí),采取設(shè)置或接長(zhǎng)明棚洞進(jìn)行綜合防護(hù)。

目前鐵路一般利用Rockfall軟件分析落石的運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度和沖擊能量,據(jù)此提出綜合防護(hù)措施[3]。項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和勘測(cè)得到的地形地貌、落石塊徑、危巖高度等因素,選取最危險(xiǎn)地面線,設(shè)定落石等效直徑和高度,通過(guò)軟件模擬仿真,推算落石可能的運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度、沖擊動(dòng)能等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù),從而確定設(shè)置或接長(zhǎng)明棚洞的范圍和方式等。

該隧道各參數(shù)圖形如圖1～4所示。

圖3 最大彈跳高度包絡(luò)曲線圖

圖4 最大沖擊能量包絡(luò)曲線圖

3 危巖落石綜合整治流程

在危巖落石設(shè)計(jì)階段聯(lián)合鐵路局相關(guān)管理部門根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況現(xiàn)場(chǎng)勘查危巖落石工點(diǎn),綜合線路上方危巖體的高度、分布、危巖塊徑、危巖規(guī)模、山體坡度、植被覆蓋等情況,充分考慮機(jī)械設(shè)備搬運(yùn)、吊裝、作業(yè)平臺(tái)設(shè)置等施工因素,通過(guò)研究危巖落石清除與加固的必要性及可行性來(lái)選定整治方案,并結(jié)合方案實(shí)施的難易程度設(shè)定整治流程,依次確定采取清除、加固、加強(qiáng)明棚洞、攔截引導(dǎo)等合理穩(wěn)妥的單一或綜合整治措施。

若在線路上方分布大規(guī)模危巖體,可能發(fā)生較大規(guī)模崩塌造成毀滅性后果的,且危巖落石隱患無(wú)法消除時(shí)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(xiàng)目各參建方在危巖落石設(shè)計(jì)階段聯(lián)合鐵路局相關(guān)管理部門對(duì)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(jìn)出口及淺埋段工點(diǎn)37處,危巖落石整治點(diǎn)37處,多批次對(duì)危巖落石點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查,并研定對(duì)采用清除、加固、加強(qiáng)明棚洞、攔截引導(dǎo)等適用范圍和使用情形,形成各批次綜合整治方案,從而對(duì)全線危巖落石整治實(shí)施進(jìn)行整體性全過(guò)程把控,確保在鐵路開(kāi)通前一次性通過(guò)危巖落石驗(yàn)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(qū)高陡山體表面的高位危巖體以及極可能對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)危害大的危巖體,通過(guò)對(duì)危巖體的徹底清除來(lái)消除落石風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 加固

全線根據(jù)危巖體坡面發(fā)育節(jié)理、表層巖體破碎、風(fēng)化剝落和危巖體積程度采取了錨索(錨桿)加固、錨網(wǎng)噴加固、支頂、嵌補(bǔ)加固來(lái)有效降低危巖落石風(fēng)險(xiǎn)。

(1)錨索(錨桿)加固。發(fā)育深層節(jié)理、可能產(chǎn)生大塊徑巖體掉落的,采用清除方案難以清除時(shí),采取穩(wěn)妥的錨索(錨桿)加固措施穩(wěn)定大塊徑巖體。

(2)錨網(wǎng)噴加固。表層巖體破碎、風(fēng)化剝落嚴(yán)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(wǎng)噴加固等措施保證巖體穩(wěn)定。

(3)支頂、嵌補(bǔ)加固。對(duì)于小塊徑危巖,在進(jìn)行了充分的研究論證后不進(jìn)行清除,而是采取支頂、嵌補(bǔ)危巖的防護(hù)措施。

某橋梁線路左側(cè)綜合整治方案為:清除危巖體+邊坡側(cè)面支頂、嵌補(bǔ)+第四、五邊坡主動(dòng)網(wǎng)+邊坡錨網(wǎng)噴+第一臺(tái)階被動(dòng)網(wǎng),如圖6所示。

4.3 設(shè)置和接長(zhǎng)明棚洞

在隧道進(jìn)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(shè)置平臺(tái)時(shí),采用設(shè)置和接長(zhǎng)明棚洞防護(hù)。

某隧道出口線路右側(cè)綜合整治方案為:接長(zhǎng)明棚洞+張口式簾式網(wǎng)+被動(dòng)網(wǎng),如圖7所示。

圖7 某隧道出口線路右側(cè)綜合整治效果圖

4.4 攔截引導(dǎo)

在路基、橋梁或隧道進(jìn)出口設(shè)置接長(zhǎng)明棚洞等措施,但未能徹底清除危巖落石隱患時(shí),可綜合考慮柔性防護(hù)網(wǎng)和剛性結(jié)構(gòu)攔截引導(dǎo)消能除患。

某隧道進(jìn)口線路右側(cè)綜合攔截引導(dǎo)整治方案為:線路右側(cè)張口式簾式網(wǎng)+被動(dòng)網(wǎng)+攔石墻及剛性格柵,如圖8所示。

圖8 某隧道進(jìn)口線路右側(cè)綜合攔截引導(dǎo)整治效果圖

4.4.1 柔性防護(hù)網(wǎng)攔截引導(dǎo)

全線柔性防護(hù)網(wǎng)攔截引導(dǎo)采用主動(dòng)網(wǎng)(危巖體穩(wěn)固系統(tǒng))、被動(dòng)網(wǎng)(落石攔截系統(tǒng))和簾式網(wǎng)(落石引導(dǎo)系統(tǒng))。

4.4.1.1 主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)

全線采用主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)的情形是:節(jié)理、裂隙不發(fā)育的弱風(fēng)化硬質(zhì)巖且整體穩(wěn)定的路塹邊坡防護(hù);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(kāi)挖平整、巖體完整性較好或掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)后的人工邊坡等。主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)通過(guò)全坡面安裝錨桿系統(tǒng)加固作用,對(duì)坡體起到較好的穩(wěn)定加固作用。

4.4.1.2 被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)

全線采用被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)的情形是:節(jié)理、裂隙發(fā)育且整體穩(wěn)定的巖質(zhì)邊坡或松散塊石土質(zhì)邊坡;坡表巖體完整性較好僅局部存在零星分布?jí)K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(dòng)網(wǎng)防護(hù)采用柔性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)截停落石、避免落石上線,避免下方主體結(jié)構(gòu)遭受破壞,緩沖落石運(yùn)動(dòng)降低能量,減少對(duì)下方遮蓋結(jié)構(gòu)(明洞或棚洞)或攔擋結(jié)構(gòu)(攔石墻)的沖擊。

4.4.1.3 簾式網(wǎng)防護(hù)

全線采用簾式網(wǎng)防護(hù)的情形是:節(jié)理、裂隙發(fā)育且整體穩(wěn)定的巖質(zhì)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(xiàn)崩塌落石為主的整體穩(wěn)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(shè)錨桿坡面;高陡邊坡;對(duì)于坡度近直立且高差較大的巖質(zhì)邊坡等。簾式網(wǎng)防護(hù)采用系統(tǒng)錨桿安裝數(shù)量少,施工擾動(dòng)較小,能實(shí)現(xiàn)對(duì)高能級(jí)危巖落石防護(hù),將落石引導(dǎo)至坡腳,方便及時(shí)清理維護(hù)。

4.4.2 剛性結(jié)構(gòu)攔截引導(dǎo)

全線剛性結(jié)構(gòu)攔截引導(dǎo)主要采用攔石墻與落石槽綜合設(shè)置進(jìn)行防護(hù),部分隧道洞口攔石墻頂部設(shè)置了剛性格柵防護(hù)網(wǎng)。剛性結(jié)構(gòu)攔截引導(dǎo)有效實(shí)現(xiàn)截停落石、避免落石上線,避免下方主體結(jié)構(gòu)遭受破壞,緩沖落石運(yùn)動(dòng)降低能量,減少對(duì)下方遮蓋結(jié)構(gòu)(明洞或棚洞)或攔擋結(jié)構(gòu)(攔石墻)的沖擊。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在建設(shè)階段與運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)部門開(kāi)展聯(lián)合動(dòng)態(tài)、分批次階段現(xiàn)場(chǎng)勘查,獲得準(zhǔn)確翔實(shí)的地形地貌等情況,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展充分分析和評(píng)價(jià),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(shè)置及接長(zhǎng)明棚洞、設(shè)置攔截和引導(dǎo)危石的柔性或剛性防護(hù)等綜合整治措施有效降低危巖落石風(fēng)險(xiǎn),做到整治措施可行、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合理,為類似地質(zhì)條件的鐵路危巖落石整治提供借鑒。