砂村集中開采區邊坡修復加固對客運專線鐵路安全影響分析

朱樹念

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

砂村集中開采區邊坡修復加固對客運專線鐵路安全影響分析

朱樹念

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

開采區邊坡穩定性、邊坡修復加固工程施工中產生的振動對客運專線鐵路線路設施及運營安全產生不利影響，施工過程中產生的落石也可能影響鐵路設施及高速列車的安全。結合工程地質、水文地質條件及客運專線鐵路與開采區設計資料，分析砂村集中開采區西側邊坡排險修復加固工程對附近通過的客運專線鐵路安全的影響，為邊坡排險修復加固工程建設及客運專線鐵路安全運營提供依據。

客運專線鐵路 邊坡穩定性 邊坡修復加固 振動 安全影響分析

寧(南京)杭(杭州)客運專線為設計速度目標值350 km/h的高速鐵路，軌道類型為無砟，對路基、橋梁等軌下構筑物變形控制要求十分嚴格[1]，軌道結構的高平順性，高穩定性是保證列車高速、安全、平穩與舒適運行的必要條件。線路DK211+900～DK212+477.13段從砂村集中開采區西側經過，距開采邊界11～420m。開采區邊坡穩定性、邊坡修復加固工程施工中產生的振動對客運專線鐵路線路及設施產生不利影響，邊坡修復加固施工過程中產生的落石也可能影響鐵路設施及高速列車的安全。

1 工程概況

DK210+900～DK211+517段為隧道，隧道襯砌為鋼筋混凝土結構，隧道結構外部輪廓寬約15.8 m，洞內凈高約10 m。DK211+517～DK211+885.07、DK212+029.52～DK212+477.13段為路基，路堤地段基床表層采用級配碎石填筑，厚0.4 m，基床底層采用A、B組填料填筑，厚2.3 m，基床以下路堤本體填料采用A、B、C組粗粒土填料填筑，填高3～7 m，邊坡坡率1∶1.5，地基采用挖除換填處理；路塹地段采用路堤式路塹形式，邊坡坡率1∶1.25～1∶1.5。DK211+885.07～DK212+029.52段為橋梁，梁跨為32 m，除2號墩采用樁基礎外，其余墩臺基礎均采用擴大基礎，樁基礎樁端持力層為弱風化凝灰巖，擴大基礎基底為強風化凝灰巖。

德清縣洛舍鎮砂村集中開采區位于德清縣城東北方向，東側為洛武公路，南西側臨近既有寧杭客運專線鐵路，北側以德清縣與吳興區行政界線為界，水平投影總面積為487.2萬m2，西側邊坡水平總投影面積約45萬m2。開采邊界距寧杭客運專線鐵路11～420 m。開采區邊坡整體最大高差約90 m，局部已形成較為規整的邊坡，臺階高差10 m左右，臺階坡面角45°左右，但大部分區域尚未排險修復到位，孤峰、陰山坎、一面坡、臺階高差過大、臺階坡面角超過60°的區域比比皆是，且坡面上存在諸多不良地質現象，主要有崩塌、危巖、危石等，坡面上堆積有大量的松散堆積物，受振動及降雨影響極易引發次生災害[2]。

設計方案中開采區采用分區排險修復加固治理方案。距寧杭客運專線310 m范圍以內區域邊坡修復加固采用人工清理為主，局部輔以機械平整、削坡，310 m范圍以外采用機械結合人工清理的方式，西側邊坡坡腳采用擋土墻支擋防護處理，排險修復加固完成后施做截排水溝[2]。

寧杭客運專線鐵路與砂村集中開采區平面位置見圖1。

2 工程地質及水文地質條件

2.1 寧杭客運專線鐵路

(1)工程地質條件

寧杭客運專線鐵路DK210+900～DK212+477.13段位于剝蝕丘陵及丘間谷地區，地勢起伏較大，地層從上至下為第四系坡洪積粉質黏土、角礫土，殘坡積含礫粉質黏土，下伏基巖為奧陶系上統文昌組砂巖，局部為燕山期侵入花崗巖，第四系覆蓋層厚2～7.5 m。

(2)水文地質條件

DK211+650～DK211+800附近線路下方為磨子塢水庫，水深1.4～3.8 m。地表水主要為雨季地面流水及磨子塢水庫水，地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，地下水水位埋深約0.6～5.1 m，受大氣降水影響，不發育。

2.2 砂村集中開采區

圖1 寧杭客運專線鐵路與砂村集中開采區平面

(1)工程地質條件

開采區屬浙北杭嘉湖平原殘丘地貌，地形為北西—南東向延伸的山梁，區內最高點為治理區北西側的鳳凰山山頂，海拔高程+166 m，最低點為北東側原業達礦區，海拔高程約+3.5 m，最大相對高差為162.5 m，自然坡度20°～40°。

區域內地層主要有奧陶系上統及燕山期侵入巖，第四系覆蓋層，地層巖性分述如下：①第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質黏土夾碎石，灰黃色、褐黃色，硬塑，主要分布在山坡表層，厚1～5 m不等。②奧陶系上統砂巖，全—弱風化，層狀構造，節理裂隙較發育，巖體產狀79°～87°∠29°～33°。③燕山期花崗巖，強風化—弱風化，巖體較完整，發育兩組節理，節理面產狀為165°∠73°，76°∠26°。

(2)水文地質條件

地下水根據含水組地層巖性、地下水的賦存條件、地下水水動力性質，可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。①松散巖類孔隙水：主要賦存于第四系殘坡積、坡洪積層中，區內近地表有平均厚1～5 m的第四系覆蓋層，巖性為含碎石粉質黏土，膠結密實，因此殘坡積、坡洪積層中富水性差，含水量少，孔隙潛水貧乏。②基巖裂隙水：基巖裂隙水主要由風化帶網狀裂隙水和構造裂隙水組成。風化帶網狀裂隙水的富水性由巖性、地形地貌、風化程度及風化帶厚度及植被發育程度等因素決定，構造裂隙水主要賦存于構造裂隙中，受構造的力學性質及裂隙的連通性影響。現場觀察節理裂隙面無明顯滲水點，亦無泉眼等，基巖裂隙水貧乏。

3 主要危險及有害因素辨識

按照安全生產管理的特點和專業劃分習慣，參照相關標準、規范[3，4]，經現場調研、檢查，并采用類比的方法，辨識砂村集中開采區西側邊坡排險修復加固過程中可能影響寧杭客運專線鐵路安全的誘導性因素、致害物及傷害方式。

3.1 坍塌

可能產生坍塌的主要方面有：①根據設計資料及現場調查情況，西側邊坡砂巖層面傾向開挖臨空面，且傾角小于邊坡角，排險修復加固施工時局部可能發生順層滑動；②西側自然山坡覆蓋層較薄，且自然山坡坡度較陡，局部地段呈陡壁狀，排險修復加固施工時山體表層可能發生溜坍；③西側自然山坡局部地段呈陡壁狀，基巖裸露，且節理裂隙發育，排險修復加固施工時巖體可能發生崩塌。

3.2 振動危害

振動危害是指機械作業過程中產生的振動有害效應對周邊環境及人員產生的危害。寧杭客運專線鐵路距離開采區西側邊坡較近，根據設計資料，采用機械施工最近處距離寧杭客運專線鐵路不足50 m，施工時，振動危害事故的后果可能使既有寧杭客運專線鐵路設備、設施受到破壞。

3.3 物體打擊

在生產過程中，由于作業環境和管理等原因，可能出現物體打擊等危險、有害因素。發生物體打擊的原因主要有：①巖堆過高，巖石滾落傷人或損壞設施設備；②邊坡浮石沒有及時處理；③臺階出現傘巖，采裝時滾落砸壞設備和傷人。開采區西側邊坡存在危巖、危石，施工過程中可能產生落石，造成人員傷亡、設備損壞及鐵路既有設施損壞，危及既有鐵路行車安全。

落石病害影響寧杭客運專線鐵路范圍主要是鳳凰山隧道及隧道杭州端范圍路基，此范圍自然山坡植被較發育，施工期間如及時對開采區坡頂孤石、危巖危石及時清理，則可避免落石病害產生，消除對既有寧杭客運專線鐵路的影響。

3.4 重大危險源辨識

《關于開展重大危險源監督管理工作的指導意見》(安監管協調字[2004]56號)附錄1中規定了重大危險源申報范圍和申報標準。砂村集中開采區排險修復加固尚未開始施工，還沒有使用上述危險物品，目前不存在重大危險源。在后期的生產過程中，如使用的危險物品數量超過重大危險源臨界量，則應主動申報重大危險源，并按重大危險源要求實施管理。

4 安全影響分析方法選擇

安全影響分析與評價采用定性與定量相結合的方法，定性方法為預先危險性分析法，定量方法為邊坡穩定性分析法和類薩道夫經驗公式法。

4.1 預先危險性分析法

預先危險分析法(簡稱PHA)是在進行某項工程活動(包括設計、施工、生產、維修等)之前，對系統存在的各種危險因素(類別、分布)，出現條件和事故可能造成的后果進行宏觀、概率分析的系統安全分析方法。該方法是一種定性評價方法，其目的是早期發現系統的潛在危險因素，確定系統的危險性等級和危險度，提出相應的防范措施，防止這些危險因素發展成為事故，避免考慮不周所造成的損失。

按危險、有害因素導致的事故及危險(危害)程度，將危險、有害因素劃分為四個危險等級，等級越高，危險性就越大。危險有害因素分級見表1。

表1 危險、有害因素分級

4.2 邊坡穩定性分析法

邊坡的穩定性受多種因素的影響，可分為內部因素和外部因素。內部因素包括巖土性質、地質構造、巖土結構、水的作用、地震作用、地應力和殘余應力等，外部因素包括工程荷載條件、振動、斜坡形態以及風化作用、臨空條件、氣候條件和地表植被發育等[5]。邊坡穩定性分析的方法主要有工程地質類比分析法、極限平衡計算法等[6]，其目的在于根據地質條件確定合理的邊坡容許坡度和高度。

采用極限平衡計算法GEO-SLOPE極限平衡有限元軟件，根據設計剖面圖資料，對邊坡整體穩定性進行分析計算。通過計算分析確定邊坡最不利潛在滑動面，根據最不利潛在滑動面與寧杭客運專線鐵路的位置關系，判斷邊坡失穩破壞是否會對既有寧杭客運專線鐵路產生不利影響。

4.3 類薩道夫經驗公式法

分析評價機械振動對不同類型建構筑物、設施設備和其他保護對象的影響，是一個尚需深入研究的問題。參照《爆破安全規程》中爆破振動影響計算方法[7]，根據國內有關振動對建筑物影響的研究成果[8-10]，采用類薩道夫經驗公式法計算機械振動對寧杭客運專線鐵路的安全影響。

《爆破安全規程》中規定爆破振動影響應采用不同的安全判據和允許標準。一般建筑物破壞的判據有：安全距離、質點振動速度、加速度、位移、動應變、能量及破壞指數等。參照國內工程實踐經驗，認為用質點振動速度作為判據較為合適。各類建構筑物的安全允許振速見表2。

表2 爆破震動安全允許振速

注：(1)表中質點振動速度為三分量中的最大值；振動頻率為主振頻率。(2)頻率范圍根據現場實測波形確定或按如下數據選取：硐室爆破f<20 Hz；露天深孔爆破f=10～60 Hz；露天淺孔爆破f=40～100 Hz；地下深孔爆破f=30～100 Hz；地下淺孔爆破f=60～300 Hz；(3)爆破振動監測應同時測定質點振動相互垂直的三個分量。

機械振動產生地震沖擊波向外傳播，導致地表、地下建構筑物產生振動，考慮到其破壞過程是一個累積損傷過程，一旦受振物體抗破壞能力降低，承載力弱化到一定程度，就可能產生振動破壞。開采區西側邊坡排險修復加固工程中主要為機械施工對寧杭客運專線鐵路路基結構、橋梁結構、隧道結構的振動破壞。寧杭客運專線鐵路不同于普通受振物體或被保護對象，分析評價時允許質點振速取較安全的數值作為安全振速判別標準。

砂村集中開采區排險修復加固施工時寧杭客運專線鐵路路基結構、橋梁結構、隧道結構的基礎質點振動速度采用類薩道夫斯基經驗公式計算

式中V——保護對象所在地質點振動速度；

R——質點至振源的距離/m；

Q——振源能量/(t·m)；

m——系數，一般取0.5；

K、α——與振源至計算保護對象間的地形、地質等條件有關的系數和振動地震波衰減指數，可按表3選取，或通過現場試驗確定。

根據工程設計資料，考慮本項目工程地質條件、水文地質條件等諸多地質因素，并結合現場調查情況，選取K=250、α=1.8。根據施工設備參數，機械振動頻率為7.5 Hz；錘總重量為2.565 t，沖程按1.5 m，則振動能量Q=2.565×1.5=3.85 t·m。

表3 不同巖性的K、α值

5 開采區邊坡排險修復加固對鐵路安全影響分析及評價

5.1 預先危險性分析評價

根據工程地質、水文地質條件及客運專線鐵路與開采區設計資料，結合現場調查情況，參照危險有害因素分級表(表1)，預先危險性分析評價結果見表4。

表4 生產單元預先危險分析

5.2 邊坡穩定性安全影響分析評價

根據最不利位置處的剖面圖資料及設計參數(剖面圖位置及對應分區見圖1)，采用GEO-SLOPE極限平衡有限元軟件對砂村集中開采區西側邊坡整體穩定性進行分析計算，代表性剖面計算結果見圖2～圖7。

圖2 A-A′剖面設計邊坡整體穩定性分析計算結果(最不利潛在滑動面)

圖3 A-A′剖面設計邊坡整體穩定性分析計算結果(另一組不利潛在滑動面，順層面)

圖4 B-B′剖面設計邊坡整體穩定性分析計算結果(最不利潛在滑動面)

①寧杭客運專線鐵路鳳凰山隧道范圍影響區(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ區)：從圖5、圖6、圖7計算結果可知，若集中開采區設計邊坡發生整體性失穩，不利的潛在滑動面在坡頂處距寧杭客運專線鐵路水平距離大于100 m，距離較遠，對寧杭客運專線鐵路隧道結構無不利影響。

②寧杭客運專線鐵路鳳凰山隧道杭州端與鳳凰大橋南京端之間影響區(Ⅰ-2、Ⅲ區)：從圖4計算結果可知，如集中開采區設計邊坡發生整體性失穩，最不利的潛在滑動面在坡頂處距寧杭客運專線鐵路水平距離大于60 m，對寧杭客運專線鐵路路基結構無不利影響。但此段邊坡以土質邊坡為主，設計時建議考慮邊坡防護與加固，防止特殊條件下邊坡產生牽引式破壞，避免對寧杭客運專線鐵路產生不利影響。

圖5 C-C′剖面設計邊坡整體穩定性分析計算結果(最不利潛在滑動面)

圖6 C-C′剖面設計邊坡整體穩定性分析計算結果(另一組不利潛在滑動面，順層面)

圖7 D-D′剖面設計邊坡整體穩定性分析計算結果(最不利潛在滑動面)

③寧杭客運專線鐵路鳳凰大橋南京端與跨寧杭高速公路特大橋之間影響區(Ⅰ-3、Ⅳ、Ⅴ區)：對于Ⅳ區，從圖2、圖3計算結果可知，如集中開采區設計邊坡發生整體性失穩，不利的潛在滑動面在坡頂處距寧杭客運專線鐵路路基坡腳水平距離最近處約8 m，距離較近；設計方案中此區保留現狀，并嚴禁進行人工清理、機械開挖。考慮到此段范圍設計邊坡為巖質邊坡，如嚴格按設計方案施工，不對現狀邊坡進行擾動和破壞，并采取合理有效的措施對坡面進行加固防護處理，則對寧杭客運專線鐵路路基結構的影響較小。對于Ⅰ-3、Ⅴ區，無邊坡穩定性問題，主要為機械施工振動對寧杭客運專線鐵路可能有不利影響。

5.3 類薩道夫經驗公式法分析評價

用質點振動速度作為判據，根據表2中的安全允許振速，參照國內工程實踐經驗，路基、橋梁、隧道及其他附屬設施安全允許振速取3 cm/s。無砟軌道以水電站中心控制室設備安全允許振速0.5 cm/s為安全參數要求，可計算出振動安全允許距離，計算結果見表5。

表5 類薩道夫經驗公式法計算振動安全允許距離

①寧杭客運專線鐵路鳳凰山隧道范圍影響區(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ區)：根據設計資料，集中開采區機械施工距寧杭客運專線鐵路水平距離為120～420 m之間，大于振動安全允許距離，因此振動對寧杭客運專線鐵路無不利影響。

②寧杭客運專線鐵路鳳凰山隧道杭州端與鳳凰大橋南京端之間影響區(Ⅰ-2、Ⅲ區)：根據設計資料，集中開采區設計邊坡距寧杭客運專線鐵路最近約70 m，采用人工清理方式，局部輔以機械清理，但未明確機械清理的具體范圍。此段范圍寧杭客運專線鐵路為路基形式，根據表5計算結果，建議可能產生振動危害的機械設備施工距寧杭客運專線鐵路路基坡腳的安全距離建議按62 m考慮。

③寧杭客運專線鐵路鳳凰大橋南京端與跨寧杭高速公路特大橋之間影響區(Ⅰ-3、Ⅳ、Ⅴ區)：Ⅳ區采用人工清理方式，無振動影響。Ⅰ-3區距寧杭客運專線鐵路最近處約50 m，根據設計資料，以人工清理為主，輔以機械清理，建議可能產生振動危害的機械設備施工距寧杭客運專線鐵路路基坡腳的安全距離按62 m考慮。Ⅴ區為平整回填區，無振動影響。

④表5中計算公式參照國內打樁振動及強夯地震效應的測試研究成果，施工期間可進行工藝性試驗，現場確定振動安全允許距離。

6 結論

(1)根據砂村集中開采區西側邊坡穩定性分析計算結果可知，設計邊坡整體穩定性問題對寧杭客運專線鐵路線路及設施無不利影響。

(2)根據類薩道夫經驗公式計算結果，建議振動允許安全距離暫按62 m考慮，即考慮振動影響，建議按62 m的安全施工距離考慮。在此范圍內可能存在振動危害的機械設備施工前應通過現場工藝性試驗確定振動安全允許距離。

(3)砂村集中開采區邊坡排險修復加固正式施工前應針對影響寧杭客運專線鐵路范圍編制專門的施工組織方案，并報寧杭客運專線鐵路運營管理單位審批，審批后方可正式施工，并嚴格按審批后的施工組織方案規范施工。充分考慮定性、定量評價中的評價結論和提出的建議措施，則該排險修復加固工程的各種主要危險有害因素能得到有效的控制，對寧杭客運專線鐵路線路及設施的危險有害程度能達到I級受控程度。

[1] TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S]

[2] 王樹槐，童家琨，伍勇，等.德清縣洛舍鎮砂村集中開采區西側邊坡排險修復加固設計[R].湖州：浙江省核工業二六二大隊，2013

[3] GB/T13861—2009生產過程危險和有害因素分類與代碼[S]

[4] GB18218—2009重大危險源辨識[S]

[5] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[6] GB50330—2002建筑邊坡工程技術規范[S]

[7] GB6722—2011爆破安全規程[S]

[8] 姚道平，張藝峰，謝志招，等.打樁振動對建筑物影響評價方法探討[J].世界地震工程，2008，24(4):142-147

[9] 吳鐵生.打樁振動效應觀測及振動指標探討[J].高原地震，2004，16(1):40-44

[10]趙繼光，蔡業青.強夯地震效應的測試研究[J].廣東公路交通，2001，68(2):13-17

SafetyandEffectAnalysisofRepairingandStrengtheningtheSlopeofShacunConcentrationExploitationAreaonPassengerDedicatedRailway

ZHU Shu-nian

2014-08-27

朱樹念(1980—)，男，碩士，高級工程師。

1672-7479(2014)06-0028-06

U49； U216

： A