EPS板抗沖擊復(fù)合結(jié)構(gòu)在既有鐵路落石防護(hù)中的應(yīng)用

朱宏偉，蔡德鉤，史存林

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

受地理位置及地質(zhì)條件的影響，我國(guó)許多鐵路線路走行于山谷之間。為保證線路的安全運(yùn)營(yíng)，山區(qū)鐵路在設(shè)計(jì)期間或后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)中多采用棚洞或明洞來(lái)防護(hù)山坡落石或邊坡坍塌。但在有些線路中，由于地形陡峻、交通不便、施工條件惡劣，工地附近無(wú)法就地取土，且外運(yùn)土方受道路交通限制變得十分困難。在既有線的養(yǎng)護(hù)維修中這種矛盾尤為突出。

EPS板是由可發(fā)性聚苯乙烯珠粒經(jīng)加熱發(fā)泡后在模具中成型而制得的閉孔結(jié)構(gòu)輕質(zhì)板材，具有質(zhì)輕、吸水率低、耐水、耐老化、耐低溫、易加工、價(jià)廉質(zhì)優(yōu)等特點(diǎn)。由于EPS板密度可低至20 kg/m3，因此即使車輛無(wú)法通行的路段，人工搬運(yùn)也非常容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，洞頂填充物的改變明顯降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和難度，一定程度上可加快進(jìn)度，縮短工期。從上世紀(jì)90年代起國(guó)內(nèi)就開(kāi)始將EPS板應(yīng)用于明洞等工程的洞頂回填中，但是對(duì)于穿越高陡山區(qū)、有落石危險(xiǎn)的線路來(lái)說(shuō)，單純的EPS板不能很好地分散沖擊荷載。西康鐵路在落石防護(hù)改造工程中采用了一種創(chuàng)新的方法，使用“EPS板+鋼筋混凝土板+表層砂土”的復(fù)合結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的回填土，取得了良好效果。

1 工程概況

西康鐵路白沙灘隧道進(jìn)口緊接乾佑河橋，該橋中心里程K165+686，為(7×32+1×24)m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁橋。線路左側(cè)緊鄰陡峻山坡，因山體石灰?guī)r裸露，風(fēng)化破碎嚴(yán)重，在降雨和地震作用下易發(fā)生落石，影響行車安全。如圖1所示。西安鐵路局將此段列為重點(diǎn)監(jiān)控地段，長(zhǎng)期派職工看守，特別是在汛期列為I級(jí)防控地點(diǎn)，設(shè)置守機(jī)聯(lián)控，每年看守等費(fèi)用達(dá)35萬(wàn)元。

圖1 白沙灘隧道進(jìn)口

工程地質(zhì)情況:該段線路位于西康線東坪—青銅關(guān)區(qū)間，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，出露的地層主要為侏羅系砂巖、泥巖、礫巖，夾層為頁(yè)巖，侏羅系中、下統(tǒng)含1～2層煤系。沿線兩岸山高谷深，水流湍急。白沙灘隧道進(jìn)口里程K165+815，隧道外進(jìn)口仰坡及左側(cè)塹坡高約100 m，其后上方緩坡山體高約30 m。仰坡坡比1∶0.2 ～1∶0.8，左塹坡比 1∶0.1，大部為裸露的石灰?guī)r，巖石呈中厚片狀、薄片狀直立構(gòu)造，片體間隙較大，風(fēng)化嚴(yán)重;巖石間隙中長(zhǎng)有小喬木，局部有覆蓋土層的坡面長(zhǎng)有灌木及雜草，植物根劈作用顯著，如圖2所示。在距軌面16～100 m范圍內(nèi)仰坡及左側(cè)塹坡存在大量破碎危石群及孤危巖塊，在風(fēng)化、根劈、降雨等因素的綜合作用下造成危巖底部懸空，極易發(fā)生崩塌落石，嚴(yán)重危及下部橋梁設(shè)備及行車安全。

圖2 隧道進(jìn)口上方巖石裸露、破碎

地震動(dòng)參數(shù):根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，該地段地震基本烈度Ⅳ度，本路段可不設(shè)防。待整治路段區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層。

氣候:白沙灘隧道位于秦嶺南麓秦巴山地，屬于北涼亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡地段，年均氣溫12.2℃，年降水量800～1 000 mm。

2 方案比選

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，受到落石威脅較為嚴(yán)重的是緊鄰隧道進(jìn)口約20 m范圍內(nèi)的線路，主要涵蓋乾佑河橋的最后一跨。進(jìn)行整治方案比選時(shí)，擬定了3個(gè)方案。

方案1:線路改線

在此段病害范圍內(nèi)，崩塌落石僅在局部發(fā)生，影響線路長(zhǎng)度較小，如果改線則投資費(fèi)用十分巨大，且給運(yùn)營(yíng)調(diào)度增加很多困難，因此該方案被排除。

方案2:安裝主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

雖然主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)能加固邊坡表層的破碎巖石，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)也可攔截部分山體落石，但風(fēng)化如此嚴(yán)重且地勢(shì)較高的破碎山體，一旦產(chǎn)生較大體積的落石，主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)難以保證線路安全。

方案3:輕質(zhì)填料棚洞+被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

擬在落石影響嚴(yán)重的路段增設(shè)高柱棚洞，棚洞頂部采用EPS板復(fù)合結(jié)構(gòu)抵抗落石沖擊。頂部結(jié)構(gòu)從上到下分別為碎石土、鋼筋混凝土現(xiàn)澆層、EPS板、防水層、T梁。棚洞下部采用樁加高柱托梁結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在棚洞靠山一側(cè)高于洞頂?shù)奈恢寐裨O(shè)被動(dòng)式防護(hù)網(wǎng)，高柱外包EPS板，減輕側(cè)向落石對(duì)結(jié)構(gòu)的危害。

綜合考慮各方面因素，方案3具有良好的可行性，原因如下:

1)我國(guó)EPS材料經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了完整的工業(yè)生產(chǎn)能力和自主的規(guī)范體系，材料性能穩(wěn)定，貨源充足，可以依據(jù)客戶需求加工定制多種規(guī)格型號(hào)的產(chǎn)品，完全可以滿足本次工程的需要，并能一次加工成所需厚度，減少現(xiàn)場(chǎng)連接工序，縮短施工周期。

2)本次落石防護(hù)整治工程施工條件十分不利。線路走行于高陡山嶺中，地形陡峻，乾佑河繞山而過(guò)，工地附近無(wú)法就地取土，且外運(yùn)土方受交通限制變得十分困難;洞頂回填土不能使用大型工程機(jī)械，只能靠小型設(shè)備進(jìn)行碾壓作業(yè)，相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間;施工時(shí)間受天窗制約，作業(yè)時(shí)間十分有限。而采用方案3的新型棚洞結(jié)構(gòu)，其位于橋面以下的樁基及墩柱施工不受天窗制約，洞頂?shù)腡梁、EPS板均可以預(yù)制成型后利用天窗時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝，同時(shí)減少了洞頂回填土方量，極大地節(jié)省了施工時(shí)間，也給施工組織提供了很大便利。

3)采用EPS板代替明洞或棚洞頂部的填土，在國(guó)外應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。日本在防落石的棚洞結(jié)構(gòu)中，廣泛采用了EPS材料，把其作為輕型緩沖填料，以吸收沖擊能量和減少結(jié)構(gòu)重量。國(guó)內(nèi)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和太嵐線掃石車站近20年的工程應(yīng)用實(shí)踐，充分表明其承載能力和抗沖擊能力均大于填土材料，完全可以替代洞頂填土。

因此，方案3所采用的新型棚洞結(jié)構(gòu)在技術(shù)上是可行的。該方案具有方便運(yùn)輸和施工、工期較短的特點(diǎn)，對(duì)于既有線改造來(lái)說(shuō)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 EPS板復(fù)合結(jié)構(gòu)抗沖擊荷載試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)表明，純EPS板不能很好地分散落石沖擊力，為此研究出“上覆砂土+鋼筋混凝土板+EPS板”的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)替代傳統(tǒng)的洞頂填土。該結(jié)構(gòu)為三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，上層鋪設(shè)一定厚度的起緩沖作用的砂土，中間層設(shè)置20 cm厚鋼筋混凝土板，使沖擊力均勻向下傳遞，最下層設(shè)置50 cm厚EPS板材(20 kg/m3)。砂土層有吸收沖擊力和分散荷載的效果，鋼筋混凝土板進(jìn)一步分散荷載，EPS板可以吸收沖擊力，整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)可以很好地將沖擊荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載，保護(hù)棚洞結(jié)構(gòu)不受落石破壞。

為了驗(yàn)證復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)棚洞的保護(hù)作用，日本進(jìn)行了抗沖擊試驗(yàn)。將重錘從高空自由落體砸落在EPS抗沖擊復(fù)合結(jié)構(gòu)、單層EPS板結(jié)構(gòu)及單層砂土上，測(cè)試這三種結(jié)構(gòu)所受到的荷載，比較這三種結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊力的緩沖效果。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)使用2 t重錘從20 m高度自由落下，經(jīng)過(guò)砂土、鋼筋混凝土板、EPS板后，傳遞到下方結(jié)構(gòu)物的最大應(yīng)力為0.4 MPa，抗沖擊荷載效果明顯優(yōu)于單層砂土或單層EPS板結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，采用EPS板復(fù)合結(jié)構(gòu)代替洞頂回填土，洞頂?shù)臎_擊動(dòng)應(yīng)力僅為傳統(tǒng)填土方案的10%左右，這將大大減少棚洞的設(shè)計(jì)荷載，有利于降低工程總體造價(jià)。

表1 不同緩沖層結(jié)構(gòu)荷載分散試驗(yàn)結(jié)果

3.2 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則:棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以撓度控制為主，撓度≤5 mm。防排水遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，采用切實(shí)可靠的工程措施，保障結(jié)構(gòu)物和設(shè)備正常使用和行車安全。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地形地質(zhì)條件，勘察選定在K165+794.095—K165+815.295段增設(shè)21.35 m棚洞工程，其中棚洞左側(cè)(鄰近山坡一側(cè))靠近隧道的8 m采用重力式擋土墻作為承重結(jié)構(gòu)，其余部分采用高柱棚洞形式。棚洞頂部采用EPS板抗沖擊復(fù)合結(jié)構(gòu)，頂部結(jié)構(gòu)層從上往下依次為:30 cm厚碎石土、20 cm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆層、50 cm厚EPS板、防水層(甲種防水層，鋪設(shè)250 g/m2的無(wú)紡?fù)凉げ?、90 cm高T梁。在棚洞上方的邊坡上設(shè)置被動(dòng)式防護(hù)網(wǎng)，在立柱上外包20 cm厚EPS板材，減輕側(cè)向落石對(duì)結(jié)構(gòu)的危害。在棚洞靠山一側(cè)立柱外加掛密目鋼筋網(wǎng)，防止落石側(cè)向落入軌道。棚洞上部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 棚洞上部結(jié)構(gòu)

為節(jié)約工期，T梁采用吊裝安裝。在洞頂左側(cè)縱梁上設(shè)置凹槽，T梁一端擱置在凹槽中，另一端安置在右側(cè)縱梁上。在防水層鋪好后施作EPS板，然后整體澆注鋼筋混凝土板，在工作縫處斷開(kāi)。新建棚洞與既有隧道聯(lián)接處設(shè)5 mm施工縫。在縱梁設(shè)工作縫處該跨不設(shè)縱聯(lián)，在擋墻處不設(shè)縱聯(lián)。

防排水措施:棚洞左側(cè)重力式擋土墻8 m范圍內(nèi)設(shè)置天溝，攔截雨水;棚洞頂部結(jié)構(gòu)采用2%的坡率，向線路右方傾斜。盲溝、防排水工程及排水管等材料性能指標(biāo)應(yīng)符合圖紙《貳隧(02)0066》的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

西康線白沙灘隧道進(jìn)口落石防護(hù)工程經(jīng)比選采用了“輕質(zhì)填料棚洞+被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)”方案，其“表層砂土+鋼筋混凝土板+EPS板”的洞頂結(jié)構(gòu)不僅減少了土方運(yùn)輸及碾壓工作量，而且減小了棚洞的設(shè)計(jì)荷載，有利于工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)試驗(yàn)表明，EPS板復(fù)合結(jié)構(gòu)可以使棚洞受到的沖擊應(yīng)力減小到單獨(dú)采用回填土情況下的10%左右，不僅減輕了結(jié)構(gòu)自重，而且大大減少了棚洞的設(shè)計(jì)荷載，有利于降低工程造價(jià)。

2)白沙灘隧道進(jìn)口緊接乾佑河大橋，工點(diǎn)附近無(wú)土方來(lái)源，土方需遠(yuǎn)程運(yùn)輸后垂直提升到洞頂進(jìn)行回填，且碾壓只能靠人工輔助小型設(shè)備，工效很低。EPS板復(fù)合結(jié)構(gòu)減少了回填土方量，且EPS板可以預(yù)制成型后一次性鋪設(shè)，有利于縮短工期。

3)采用的“輕質(zhì)填料棚洞+被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)”方案適合于白沙灘隧道進(jìn)口特殊的地形條件，預(yù)制T梁通過(guò)吊裝安裝，對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)干擾較少，施工組織較為便利。

4)對(duì)于既有線搶險(xiǎn)、維修等工程，早日開(kāi)通意義重大。EPS板抗沖擊復(fù)合結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用會(huì)明顯降低施工風(fēng)險(xiǎn)和難度，加快進(jìn)度，縮短工期，具有良好的推廣價(jià)值。

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