巖質路塹邊坡綠色防護技術在京張高鐵的應用研究

宣立華

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

目前巖質邊坡生態防護技術在鐵路、高速公路、城市建設等領域應用較為廣泛。蘆建國[1]等總結概括了TBS技術，三維植被網，客土噴播，土工格室植草，噴混植草等18種生態護坡的形式、施工工藝、使用范圍及優缺點，提出在邊坡工程建設中，應對生態效果及自然植被的恢復給予考慮，并根據不同地區、不同降雨量等氣候條件選擇適合的生態防護技術；譚遠發[2]針對鐵路路基邊坡綠色防護技術的發展現狀，提出了液壓噴播植草護坡、土工合成材料與植草綜合防護、OH液植草護坡、行栽香根草護坡、蜂巢式網格植草護坡及噴混植生護坡技術的工程造價及使用范圍，以寶蘭鐵路、京九鐵路及長荊鐵路路基邊坡綠色防護工程為實例，詳細介紹了設計參數指標及防護效果。石貞峰[3]等在宜萬鐵路巖質邊坡防護中采用了噴混植生技術，該技術可以起到對巖石邊坡生態進行修復的作用，是巖石邊坡工程防護與生態綠化并重的新技術，能使植物在短時間內快速生長覆蓋；洪偉[4]等以噴混植生技術取代傳統的噴錨防護、片石護坡防護等圬工防護措施，快速改善了建設場地的生態環境，美化了工程景觀；倪海滿[5]提出綠色混凝土生態防護技術，通過巖質邊坡表面再造植物生存土壤環境，實現巖質邊坡綠化的目的，既能有效的保護巖體，又能達到綠化環境的效果；葉彩娟[6]在青藏鐵路安多車站路基邊坡綠色防護工程生態袋護坡研究中，通過對一定時間袋體植物的生長記錄、生態袋袋體強度及結構穩定性的研究，發現植物根系可以穿透袋體進入工程的基層土壤中，實現永久穩定邊坡的作用。

1 工程概況

1.1 線路概況

京張高鐵位于北京市西北、河北省北部境內，東起北京市，途經北京市海淀、昌平兩區和延慶縣，由延慶縣康莊鎮入河北省境內，跨官廳水庫，經懷來縣、下花園區、宣化區，西迄張家口市，呈東西走向。技術標準為350 km/h無砟軌道鐵路。

1.2 場地概況

DK72+275～DK72+445段巖質路塹生態與景觀試驗段位于八達嶺5A級國家風景區內，地勢相對較高，海拔高程560 m左右，群峰疊嶂，地勢險要，試驗段路塹邊坡最大高度為38 m，場地周圍山體植被茂密，主要以松、柏樹為主。

1.3 自然氣候特征

場地位于北京市延慶區大浮坨村東，屬暖溫帶大陸性半濕潤-半干旱氣候，受季風影響，春季干旱多風、秋季秋高氣爽、夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥，四季分明，多年平均氣溫9.5℃，最冷月平均氣溫-8℃，平均風速2.1 m/s；多年平均降雨量431.8 mm，年最大降雨量624.5 mm。

1.4 地層巖性

場地工程范圍內主要為白堊系下統熔結角礫凝灰巖，強-弱風化，紫紅色，強-弱風化狀態，節理不發育，巖體總體上較完整，節理走向多與線路方向大角度相交，傾角近垂直，且未發現貫通性張節理，不存在傾向線路的結構面。

1.5 水文地質條件

受大氣降水及地表徑流的補給，場地內地下水形式主要為基巖裂隙水，對混凝土無侵蝕。

2 路塹邊坡設計方案

2.1 混凝土結構客土植生防護方案

路塹坡腳設置樁板墻收坡，樁截面為2.0 m×2.25 m，樁間距6 m，樁長12 m，懸臂段長6 m。樁頂以上邊坡按高度每8 m分級，邊坡坡率為1∶1.25，每級之間設置2.0 m平臺，平臺上設置截水溝。坡面采用錨桿框架梁防護，縱梁間距3.6 m，橫梁間距4.0 m，梁體截面0.5 m×0.6 m，格梁內為客土植草。

2.2 邊坡綠色防護技術方案

(1)綠色防護技術

鐵路路基邊坡綠色防護技術無論是生態(植生)袋固土，還是土工材料輔助噴播再造土壤技術，其技術核心均為如何重建植物生長所需的土壤環境，還要兼具良好的抗沖刷能力及耐久性。目前，工程建設中主要采用的新技術、新工藝有:三維網植草技術[7]、土工格室生態防護[8]、噴混植生[9]、三維植被墊[10]、三維土工網墊植草[11]，三聯生態護坡[12]、三維生態護坡[13-14]等。

(2)錨拉式巖質邊坡綠色防護技術

設計思路源于生態袋固土技術理論，結合工程的地質條件、氣候特征等因素，提出錨拉式巖質邊坡綠色防護技術，核心結構主要由采錨桿、鍍鋅立體鋼絲網、生態袋、鋼繩格柵網、灌木及灌溉設備構成。結構設計見圖1、圖2。

①邊坡錨桿加固

采用主錨桿加固邊坡[15-16]，錨桿直徑、錨固深度及沿坡面布置間距根據路塹邊坡巖層結構面傾向，節理裂隙，風化程度等因素綜合確定。該生態試驗段選用錨桿直徑為32 mm，錨桿長度為9.0 m，錨桿設計錨固力為130 kN。

②邊坡錨桿加固

在錨桿錨頭封閉前，邊坡坡面鋪設立體鋼絲網(網孔間距5 cm)。

③錨桿外露部分封閉

為防止滲水造成外露部分錨桿腐蝕，喪失強度，需要對其進行封閉。首先將預制好的鋼護筒(直徑30 cm)對中套入錨桿(嵌入坡面不小于8 cm)；然后于鋼護筒內灌入C30混凝土；待混凝土強度達到設計強度的70%時，于外側鋪設錨墊板(厚4 mm)，并采用雙面焊對錨桿與錨墊板進行焊接；錨墊板外側焊接部分采用C30混凝土進行封閉。

圖1 錨拉式巖質邊坡綠色防護技術設計

圖2 坡面結構加強設計

④碼砌生態袋

生態袋以聚丙烯為主要原料，其規格為830 mm×440 mm，袋體常用成型規格為600 mm×330 mm×150 mm，其質量≥120 g/m2，力學參數及等效孔徑指標:縱向≥4.5 kN/m、橫向≥4.5 kN/m、斷裂延伸率≥52%，抗破強力≥120 N，CBR頂破強力≥800 N，等效孔徑O/95為0.07～0.20 mm，其抗紫外線能力應不低于80%@500 hrs，即規定強度的紫外線光照500 h，抗拉強度保持率不低于80%。

袋體填充時，采用的填充料必須和添加物均勻拌和，并且應保證裝滿裝實，及時封住袋口。碼砌時應從最低點開始縱向鋪設，并且確保第一層生態袋鋪設在剛性結構上，采用砂漿、黏合劑或錨釘等材料固定。每層生態袋內側局部坡面坑凹處采用黏性土填充并夯實。兩層袋體間對稱騎縫處設置聯結扣，使聯結扣位于該生態袋的中腹，再將該生態袋夯實，使聯結扣的棘爪能有效穿透生態袋，確保牢固聯結，形成整體穩定結構，碼砌示意見圖3，現場實施情況見圖4。

圖3 袋體碼砌示意

圖4 生態袋碼砌現場照片

⑤鋼繩格柵網加固

碼砌完畢后，為避免個別袋體破壞造成整體坡面垮塌，整個袋體坡面均采用GPS2型主動網結構中的鋼繩格柵網加固[17]。該網的鋼絲繩直徑為14 mm，采用高熱鍍鋅處理，在抗腐蝕及耐久性方面均比同類產品有大幅提高。

⑥種植灌木

生態袋袋體坡面形成后，采用扦插方式種植灌木，可選用喜光，稍耐蔭，耐干旱、耐瘠薄、耐寒冷，地區適應性強的衛矛與金葉女貞，以綠籬形式“品”字形種植，每平方米種植13～16株。

⑦灌溉系統

為確保植物生長效果，保證綠色生態路塹邊坡在鐵路全壽命周期內的安全穩定，實現綠色防護技術的防沖刷功能，配套設置了智能灌溉養護系統，系統主要由氣象站、電磁閥、傳感器、智能噴頭、無線采集控制器和控制系統組成。其主要工作原理是利用傳感器和氣象站采集空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、風向、風速、雨量、氣壓等氣象數據，同時對土壤墑情進行實時監測，出現異常情況可自動報警。

系統還可以自動保存各類氣象數據，將多種歷史數據進行統計對比，分析預測未來土壤墑情和氣象變化，方便管理者使用。可設定土壤濕度或土壤溫度閾值，根據傳感器和氣象站提供的各類數據，到達閾值自動開啟電磁閥，超出閾值即關閉，實現智能灌溉。使用者還可通過無線采集控制器接收和發送信息，利用手機APP遠程控制電磁閥開關，實現智能噴灌，現場情況見圖5。

圖5 噴灌系統現場照片

3 經濟技術分析

該試驗段長度170 m，路塹邊坡坡面防護面積1 197 m2。

(1)巖質路塹邊坡采用框架梁客土植草結構防護，每片格梁沿坡面高12.81 m，沿線路方向長7.18 m，邊坡需要設置22片格梁，單片格梁鋼筋混凝土圬工為10.59 m3，消耗鋼筋混凝土233 m3；格梁兩側骨架護坡C25混凝土186 m3，投資約42.3萬元。

(2)錨拉式綠色防護技術增加生態袋652個，投資約11.8萬元；袋體外側鋼繩格柵網設計面積為1 197 m2，投資為25.1萬元。

錨拉式綠色防護技術投資合計為36.9萬元，與傳統的框架梁防護結構相比，不但大幅度減少了混凝土圬工的消耗量，按本項目地材料價進行投資估算分析，可節省投資5.4萬元，平均每平方米節約44.8元(見表1)。

表1 投資估算對比

綠色防護試驗段投資分析中骨架護坡C25混凝土及框架梁C35鋼筋混凝土材料指標引用京張高鐵招標合同清單價格，因試驗段所處北京市境內，混凝土價格率高于其它地段，其原因有兩個:

①北京市域范圍內，因受環保要求限制，無法設置混凝土拌和站，京張高鐵工程設計批復中，北京市混凝土均需由河北省遠運至現場，混凝土運輸成本較高是造成骨架及框架梁結構單價指標高的一個重要因素。

②骨架及框架梁施工過程中坡面開挖產生的棄土無法就近處理，需要遠運至位于河北境內的棄土場，棄土運距一般大于25 km，骨架及框架梁輔助施工措施投入高是造成混凝土單價高的另一個原因。