GPI巖質邊坡植被再造技術在京張高速鐵路中的應用

張世杰

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

1 概述

我國高速鐵路路基邊坡一般參照TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》及通路（2015）4401?Ⅰ《鐵路工程建設通用參考圖-鐵路路基邊坡防護（一般地區）》等文件進行設計，通常采用骨架護坡［1］、實體護坡（墻）［2］、錨桿框架梁［3］等混凝土結構結合植物的防護形式，結構混凝土圬工占比偏大，與生態文明建設要求存在一定差距，同時厚重的混凝土結構也存在優化的空間。在保證路基邊坡持久穩定的前提下，采用合適的綠色植物生態防護方法是當前高速鐵路路基工程亟待解決的問題。

在鐵路、高速公路、城市建設等領域常用的邊坡生態防護技術有噴播植草防護、噴混植生、掛網噴綠化混凝土、植生袋、截水骨架護坡等。宣立華［4］介紹了京張高速鐵路中通過錨桿、鋼絲網及鋼繩格柵網對生態袋進行加固的防護體系，實現了在巖質邊坡固定植物生長基質，不僅提高了邊坡抗沖刷能力，還大幅降低了成本。楊凡成［5］通過植草混凝土綠化方法在內昆鐵路的應用，比較了不同基質材料的構成與性能及施工方法，施工2年后混凝土性能指標及恢復效果良好。王元［6］使用鐵絲網增加固土效果的TBS 植生技術，構建的植被可通過根系對基底和坡面進行加固，從而達到與植被壽命一致的長期坡面修復效果。劉本同等［7］在2004 年介紹和分析了我國巖質邊坡植被修復的主要護坡類型并指出應加強錨固，基質配制、植物選擇也影響坡面恢復效果，土壤自身的物理、化學性質影響著噴播基質的穩定性。王麗等［8］研究了土壤保水劑含量對噴播基質的抗沖性能的影響，保水劑含量控制在0.3%以下時可提高土壤基質結構。

京張高速鐵路設計時速350 km，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。京張高速鐵路按照常規巖質路塹邊坡防護結構進行設計，受環保要求限制，北京市域范圍內無法設置混凝土拌和站，混凝土須由河北省遠運至現場，同時坡面開挖產生的棄土無法就近處理，須運至位于河北境內的棄土場。這造成混凝土材料單價較高，采用骨架護坡、實體護坡（墻）及錨桿框架梁結構無經濟優勢。巖質路塹邊坡位于八達嶺長城5A 級國家風景區內，周邊自然山體植被茂密，生態環境條件較好，鐵路路基邊坡采用大體積混凝土結構防護，與周圍自然環境反差巨大。

選取DK72+275—DK72+445 段巖質路塹為試驗工點。針對該工點所處地理位置環境生態保護要求高的特點，綜合考慮水文、工程地質條件，設計邊坡坡率為1∶1.0，根據邊坡基巖節理裂隙及其他結構面特點，擬定邊坡采用錨桿加固［9］，確保邊坡的整體穩定性滿足要求；坡面選擇無圬工或少圬工的生態綠色柔性結構防護。在總結其他綠色生態防護技術優勢的基礎上，結合邊坡加固穩定計算理論，首次提出了GPI巖質邊坡植被再造技術（Geosynthetics?Plant?Intelligence ecological rock slope protection system，簡稱GPI技術）。

2 試驗工點場地條件

DK72+275—DK72+445 深路塹工點位于北京市延慶區，屬暖溫帶大陸性半濕潤-半干旱氣候，受季風影響，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。場地周圍山體植被茂密，喬木以松、柏樹為主，陽坡灌叢以荊條、白羊草為主，陰坡灌叢以平榛、胡枝子、繡線菊為主。

路塹中心最大挖深為38 m，地層巖性主要為白堊系下統熔結角礫凝灰巖，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，地質條件較好。場地內地下水主要為基巖裂隙水，靠大氣降水及地表徑流補給，對混凝土無侵蝕。

3 GPI巖質邊坡植被再造技術

GPI技術以坡面整體加固、新型土工材料固土、土壤改良（活化）技術、坡面抗侵蝕技術、植被建群方法和邊坡變形監測、綠植養護為主要技術路線，形成了“支護-固土-植被護坡（灌木建群）-監測、養護”一體化的綠色生態防護技術，主要適用于硬質巖邊坡綠色生態防護工程，見圖1。

圖1 GPI巖質邊坡植被再造技術示意

3.1 GPI核心技術

3.1.1 坡面表層輔助固土材料

所選用的輔助固土材料為ANE?Ⅳ整體式U 形鋼釘焊接型土工格室［10-12］，高度10 cm，格室片橫向抗拉強度≥20 kN∕m，對應延伸率≤15%，格室片縱向抗拉強度≥120 kN∕m，對應延伸率≤15%；格室片連接處的斷裂拉力≥120 kN∕m，連接處連接件的抗剪切力≥120 kN∕m。格室采用U 形鋼釘焊接編織，U 形鋼釘須做鍍鋅防腐蝕處理，格室張拉到位時每一個U 形鋼釘均為一個剛性支撐點。土工格室鋪設時應貼緊坡面并固定好，保證格室完全打開呈正方形，與立體三維網及輔錨桿聯合使用在坡面進行固土。

3.1.2 基質層

基質層主要包括種植土、熱處理土壤改良木質纖維、黏結劑和微生物菌劑ANE?Ⅰ。熱處理木質纖維和黏結劑可提高基質層的抗剪強度和附著力；ANE?Ⅰ產品中有機質含量≥60%，不含任何有害化學物質，無毒副作用。具體用量見表1。

表1 坡面每1 m3添加劑用量

3.1.3 土壤活化層及微生物菌劑

土壤活化層主要含熱處理土壤改良木質纖維和微生物菌劑ANE?Ⅱ，ANE?Ⅲ。ANE?Ⅱ產品中有效活菌數≥5 億∕g，不含任何化學有害物質，無毒副作用。ANE?Ⅲ產品中有效活菌數≥0.2 億∕g，且富含具有固氮、解磷、釋鉀等功能的有效活性菌，能提高化肥、復合肥的利用率，改良土壤，增強植物抗性。坡面熱處理土壤改良木質纖維用量為200～500 g∕m2，ANE?Ⅱ和ANE?Ⅲ基質材料用量為20 g∕m2。

3.1.4 灌草復合植物群落選型和配置

邊坡生態修復是在人工干預下采用工程手段快速恢復植被，植被生態修復［13-14］技術設計需要遵循幾個原則：生態性與景觀性原則、安全性與經濟性原則及鄉土性與種苗易獲取性原則。灌木和草本播種量計算式為

式中：W為植物種子的播種量，g∕m2；G為期望的植株密度，株∕m2；Q為種子千粒質量，g；T為含種子層的基質層（土壤）厚度校正率，取1；C為立地條件校正率，取0.8～0.9；D為施工期間發芽率的校正率，取0.7～0.9；P為種子純度，%；R為種子發芽率，%。

本工點邊坡植物選型及配比方案見表2。灌木種子須預處理。

表2 植物選型及配比方案

3.1.5 抗侵蝕防護層

抗侵蝕防護層主要成分是100%可生物降解的熱處理木質纖維，混合植物種子均勻覆蓋于坡面，防止水土流失，材料用量為350～500 g∕m2。強度指標要求為噴附完成后2 h可以抵抗強度為125 mm∕h特大暴雨沖刷。

3.1.6 監測及智能養護

實時采集生態護坡工程的土壤含水率、坡面位移等數據，為安全和管理提供決策依據。

3.2 GPI技術施工工序

GPI 技術施工工序如下：生態環境取樣分析→坡面整體加固→坡面平整、清理→整體式U 形鋼釘焊接型土工格室、金屬網聯合鋪設→錨桿固定→有效種植土層（土壤基質層）構建→土壤活化層構建→選取植物種類并確定物種配比方案→智能養護設備安裝、調試→抗侵蝕防護層和植被群落建植→自動化邊坡變形監測設備安裝、調試→養護、群落結構調整→工程效果標準化檢驗。

3.2.1 坡面整體加固、清理及整平

按設計邊坡分級高度及坡率刷坡后，采用直徑32 mm HRB400 鋼筋錨桿加固，錨桿長度為9.0 m，錨桿設計錨固力為130 kN。主錨桿施工完畢后，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。同時將坡面碎石、浮土等影響工程施工的雜物清除，并對坡面超挖部分進行嵌補。

3.2.2 土工格室、金屬網聯合鋪設并固定

邊坡鋪設土工格室和立體鋼絲網時，需要通過直徑14 mm 的HRB400鋼筋輔錨桿將格室及鋼絲網連接固定，輔錨桿長度0.8 m，輔錨桿間距0.6 m，沿坡面分別于上、中、下設置3排。

3.2.3 構建有效種植土層

采用噴播機將種植土、保水劑、黏結劑、ANE?Ⅰ基質材料、熱處理木質纖維混合后噴附于坡面上作為基質層的基底，使每個格室均勻填充土壤［15?16］。

3.2.4 構建土壤活化層

噴附ANE?Ⅱ，ANE?Ⅲ和熱處理木質纖維組成的褐色土壤活化層。噴附前應進行噴附壓力測試和管口出料量測試。噴附時應嚴格執行工程設計與施工方案的各項技術指標。

3.2.5 抗侵蝕防護及植被群落建植

含有種子的抗侵蝕木質纖維層噴附在坡面上，噴附時需保證噴附厚度均勻，坡面無遺漏。

3.2.6 監測設備安裝及養護

坡面噴附作業完成后，安裝無線變形及土壤墑情監測設備，24 h實時在線監控，確保養護期內坡面以下0～5 cm 相對飽和含水率不低于25%，土工格室和金屬網表面位移不得超過1 cm。及時覆蓋養護布進行保護。養護布為親水型，沿重疊處壓牢固，避免被風刮開，并澆水養護。

3.3 GPI工程主要驗收指標

工程完成后第二年，對主要指標進行檢測，完成工程驗收。主要驗收指標見表3。

表3 GPI工程主要驗收指標

有機質、相對飽和含水率、酸性磷酸酶活性、堿性磷酸酶活性、植生層位移均由坡面以下0～5 cm 土層取樣測量。

4 GPI巖坡植被再造技術應用效果

自2018 年生長季盛期（8 月）至2019 年生長季初期（6 月），對京張高速鐵路DK72+275—DK72+445 巖質深路塹工點采用GPI技術防護的路塹邊坡植被生長情況進行持續觀測統計，并對坡面植被恢復情況進行評價。在坡面隨機選取3 個1 m×1 m 的樣地，以物種數目（N）以及各植物種的平均高度（Hi）、平均蓋度（Co）。本文主要計算了重要值（IV）、Patrick 豐富度指數（P）和Shannon?Wiener 多樣性指數（H'）來表征坡面植被變化情況。其中，重要值（IV）的計算公式為

式中：RHI為相對高度，%；RCO為相對蓋度，%；

式中，∑Hi為樣方中所有種群的平均高度之和，mm。Patrick豐富度指數P計算公式為

式中：S為樣地內物種數目。

Shannon?Wiener多樣性指數H'計算公式為式中：Pi為相對蓋度、相對密度等，本文用綜合特征量（植物的重要值與樣地總的重要值的比值）代替，mm。

2018年、2019年坡面植被計算參數見表4。

表4 2018年、2019年坡面植被計算參數

由表4 可知：2019 年較2018 年坡面優勢植物種數量有所減少，由原來的6 種降至3 種，但草木犀一直占據主導地位，說明該坡面立地條件最適宜草木犀生長。2 年間該坡面的多樣性也有所降低，P和H'分別由15 降至8，2.64 降至1.97，說明在該坡面植物正在進行劇烈的演替，不適宜在此環境生長的植物正逐漸被淘汰。因此在坡面生態修復過程中，必須科學地選配植物種，避免坡面植物浪費和養分消耗，合理選擇植物種類對于降低工程造價和快速達到穩定的植被生態系統均有益處。

5 經濟技術分析

京張高速鐵路DK72+275—DK72+445 巖質深路塹，工點長度170 m，采用GPI 巖質邊坡植被再造技術防護的邊坡面積為1 542 m2。以框架格梁結構為例與GPI技術進行經濟性對比分析：

1）框架梁內空心磚客土植草結構防護，每片格梁沿坡面高11.31 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10.8 m3，消耗鋼筋混凝土237.6 m3；框架梁內空心磚與結構鑲邊及基礎C25混凝土196 m3，投資約39.9萬元。

2）GPI 巖質邊坡植被再造技術土工格室、立體鋼絲網、基質層、土壤活化層等材料1 542 m2，投資約為33.2萬元。

GPI巖質邊坡植被再造技術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6.7 萬元，平均節約43.5 元∕m2，工程量及投資估算見表5。

表5 工程量及投資估算對比

6 結語

GPI 巖質邊坡植被再造技術在京張高速鐵路DK72 路塹邊坡建設中取得了一定的經驗，通過實踐對比具有較高的經濟技術優勢。巖質路塹邊坡設計時，路塹邊坡整體采用錨桿加固、坡面構建植物種植基層，結合植物群落綜合選型，配以坡面監測及植物養護方法，本文可以為今后的高速鐵路建設中，巖質邊坡生態綠色防護提供一定的參考。