危巖落石棚洞-攔石墻新型組合結構防護措施研究

賀鵬

1.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），西安710043；2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院），西安710043

隨著我國高速鐵路的快速發展，交通干線逐漸向山區延伸，落石災害越來越突出，時常危及鐵路行車安全。攔石墻是一種常見的危巖落石被動防護措施，其為剛性攔截結構物，可阻止大的落石侵入鐵路限界，是使用最廣泛的一種防護措施。孫新坡等［1］基于離散元方法對崩塌災害進行了數值模擬，得出沖擊動力響應與攔石墻高度、崩塌體運動距離、崩塌體內部塊石摩擦因數、坡腳與攔石墻間的緩沖區距離均有關系。鄧力源等［2］研究了廢舊輪胎在新型柔性攔石墻中的應用。曾永紅等［3］采用落石分析軟件分析危巖落石滾落軌跡及能量分布，為攔石墻的建造提供了理論依據。唐紅梅［4］分析了半剛性樁板結構攔石墻傳力機理，并概化為落石→堤→樁及板→地基的傳力過程，建立了落石沖擊力及在土堤內擴散的計算方法，為攔石墻的設計提供了參考。Peila等［5］通過足尺試驗對高塑性黏土攔石墻進行了研究，并與傳統防護攔石墻進行了對比驗證。

棚洞結構同樣屬于被動防護系統。鑒于棚洞本身即為隧道結構一部分，其在隧道受落石威脅地段是首選被動防護方式。棚洞可直接保護被保護對象，并縮短線路長度通過落石威脅區，但投資比攔石墻大，后期維保需要停車。康翔杰等［6］針對混凝土的沖擊破壞，對混凝土動態破壞面進行了研究，引入了破壞面修正系數，為落石沖擊棚洞的數值仿真模型提供了借鑒意義。劉成清等［7］基于能量法建立了被動柔性棚洞各個構件的耗能計算原理公式，為柔性棚洞的設計及防護能級的判定提供了理論依據。何思明等［8-10］對棚洞進行了較為系統的研究，基于接觸理論推導出了落石對棚洞沖擊壓力的計算公式，得出了回彈恢復系數以及回彈規律。王玉鎖等［11-12］利用數值模擬對落石沖擊拱形明洞的動力響應進行了研究，并對其進行了室內縮尺模型試驗，提出了拱形明洞的可靠度設計方法。柳春等［13］提出了SPH-FEM耦合數值模擬算法，提高了落石沖擊棚洞動力響應計算效率。Kishi等［14］利用原型試驗對滾石沖擊砂墊層棚洞的動力響應進行了研究。Delhomme等［15］提出了在棚洞混凝土頂板和棚洞梁之間加入金屬耗能器的設計理念，解決了棚洞填土層自重大、緩沖能力有限的問題。

棚洞和攔石墻各有優點，但對兩者結合的防護措施鮮有報道。本文結合黔張常（黔江—張家界—常德）鐵路張家界禾家村車站，在既有單線棚洞的基礎上，為了滿足站場擴線需求而又不影響鐵路的正常運行，通過結合攔石墻和棚洞結構各自優點，提出一種新型棚洞-攔石墻組合結構，并對其穩定性進行驗證，以期運用于落石防護區的棚洞改造和站場擴線等場地狹小地段。

1 工程概況

黔張常鐵路位于湘西北、鄂西南和渝東南交界地帶，線路自渝懷鐵路黔江站引出東行，途經重慶市、湖北省、湖南省，正線長336.3 km。沿線地形起伏較大，巖壁陡峻，基巖出露，地層為第四系全新統坡積粉質黏土、細角礫土，全新統及上更新統沖積粉質黏土、細（粗）圓礫土，下伏基巖為志留系下統龍馬溪組頁巖夾砂巖。地質災害突出，其中危巖落石對線路的危害較為嚴重。

本文工點位于張家界禾家村車站內，地貌屬低山山麓及澧水寬谷區，山坡坡度較陡，植被茂密。為了防止危巖落石，確保行車安全，運營部門曾增設了137 m長的單線棚洞防護措施。但由于禾家村車站站場擴線，由單線鐵路擴線成八股道，既有單線棚洞已經滿足不了危巖落石防護寬度及范圍的需求。為了不影響鐵路的正常運行，同時克服場地狹小的限制，亟待提出新的解決方式。既有棚洞防護措施見圖1。

圖1 既有單線棚洞

2 危巖落石運動路徑的模擬

2.1 參數介紹

考慮到該段由區間擴場增加股道，防護范圍進一步增加。為確定可能的落石滾落范圍，采取激光三維掃描技術獲取邊坡三維模型，截取邊坡斷面，通過落石分析軟件對未施加任何防護措施情況下的落石運動軌跡進行模擬分析。三維激光掃描成果以及截取的典型斷面見圖2。

圖2 三維激光掃描成果及計算典型斷面

采用RocFall軟件對落石的運動軌跡進行數值模擬。參考既有焦柳線長期運營監測到的落石大小數據，落石半徑選為0.5 m以確定軌跡及沖擊能量。根據坡面特征及文獻［16］建議的恢復系數選取范圍（表1），輸入邊坡的法向恢復系數、切向恢復系數以及摩擦角三種參數即可進行計算。由于本工程邊坡主要是強風化硬巖表面且上覆植被，故選取法向恢復系數0.35，切向恢復系數0.88，摩擦角30°；鐵路線水平面主要是松散碎石路面，選取法向恢復系數0.25，切向恢復系數0.60，摩擦角30°。落石在斷面頂部下落，水平初速度、豎向初速度均為0，跌落統計次數為500次。

表1 文獻[16]建議恢復系數的選取范圍

2.2 模擬結果

本文截取了5個典型斷面，由于每個斷面在軟件中的運動軌跡相似，故只選取了斷面1在RocFall軟件中的落石運動軌跡示意。在未施加任何防護措施的情況下，落石的運動軌跡見圖3。

圖3 斷面1落石運動軌跡

由圖3可知：因坡面比較崎嶇造成落石在坡面上多次碰撞反彈，且由于在靠近邊坡底部的位置有一個高136.21 m，與水平線近似54°的陡崖，造成落石彈跳以后最終以一個較高的高度落下，并運動至邊坡底部，在鐵路線路水平面上發生反彈后最終停留在鐵路線路面上。因此，危巖落石存在隨時侵入鐵路線路的可能，威脅鐵路列車正常安全運行。

經過對5個典型斷面的模擬計算，可以得到落石在整個軌跡中最大沖擊能量。斷面1—斷面5最大沖擊能量包絡線見圖4。可知：5個斷面的沖擊能量曲線變化趨勢大致相同，在上部陡崖（橫坐標0左側）附近具有最大沖擊能量；落石在邊坡頂部發生滾落過程中產生的最大沖擊能量為2 300 kJ，發生在斷面2上部陡崖附近；落石運動至鐵路路線（橫坐標0右側）附近時，沖擊能量為800～1 800 kJ，仍然具有較大的沖擊能量，落石存在侵入鐵路所在區域的可能性，有必要在邊坡底部施加防護措施以減小落石的沖擊能量。

圖4 斷面1—斷面5落石最大沖擊能量包絡線

3 落石防護方案

根據現場危巖落石情況調查并結合5個典型斷面落石模擬分析結果，可以得出該里程段坡面本身及危巖落石情況復雜，危巖落石危害程度巨大。為了加強防護，工程中已經在邊坡坡面鋪設了一層簾式防護網，并于山體坡麓處和棚洞頂部適當位置設置一道柔性被動防護網。采用的簾式網為50 mm×60 mm網狀結構，被動網為φ50 mm網狀結構。簾式網、被動網均為網狀結構，仍存在小于網眼尺寸零星落石墜落的可能，且網式防護結構長期處于野外自然環境下，養護維修不便，并存在破損導致落石漏網的隱患。

考慮新建禾家村車站為焦柳鐵路、黔張常鐵路兩場并場，共設八股道的規模，結合列車開行方案等因素，為確保鐵路能夠正常運行，又能克服場地狹小的限制，保證結構體系布設的靈活性以及場地適宜性，采用在既有單線棚洞結構頂部加設新型攔石墻形成棚洞-攔石墻組合結構的防護方案。

棚洞-攔石墻組合結構分為上、下兩層結構，下部結構利用原既有單線棚洞，上部結構采用錨索肋板式攔石墻結構，錨索通過橫向肋板墻錨固在邊坡中。錨索肋板式攔石墻沿線路縱向每隔3.5～5.5 m設置橫向肋板一道，肋板厚度0.6 m，肋板內設置2道錨索，攔石墻面板沿線路縱向貫通設置，厚度0.8 m，面板每2跨設置一道橫向伸縮縫，縫寬2 cm，縫內填塞瀝青麻筋。棚洞-攔石墻組合結構下部既有棚洞的頂板上方鋪設0.5 m厚填土緩沖層。設計的棚洞-攔石墻組合結構方案如圖5所示。

圖5 棚洞-攔石墻新型組合結構設計方案

4 穩定性驗算

在傳統重力式攔石墻穩定性計算基礎上，結合棚洞-攔石墻新型組合結構，提出了該結構穩定性計算方法。以其中一跨作為計算單元，對其穩定性進行驗證。新建錨索肋板式攔石墻上部結構高度為8 500 mm，攔石墻寬度為800 mm，混凝土（C35）的軸心抗壓強度設計值為16.7 N/mm2，縱筋（HRB400）屈服強度標準值為400 N/mm2，保護層厚度為40 mm，縱筋間距為200 mm，縱筋計算截面面積為4.909 cm2。

4.1 抗滑動穩定性驗算

棚洞-攔石墻組合結構抗滑動穩定性是指作用于該結構的最大可能的抗滑力與實際滑動力之比，用抗滑動穩定系數Kc表示。棚洞-攔石墻主要受攔石墻肋板重力G1、攔石墻面板重力G2、落石對墻體的沖擊力P、上錨索拉力Ps1及下錨索拉力Ps2的作用。假設落石沖擊荷載P作用到攔石墻面板頂部，此時該結構最容易傾倒。棚洞-攔石墻組合結構抗滑動穩定性受力如圖6所示。其中α為錨索傾斜角。

圖6 棚洞-攔石墻新型組合結構抗滑動受力示意

經過受力分析，攔石墻沿基底的抗滑動穩定系數Kc計算式為

式中：∑N為作用于基底上的總垂直力，kN；f為攔石墻基底與下部棚洞摩擦因數；Ps1x、Ps2x分別為上下錨索拉力的水平分力，kN；Ps1y、Ps2y分別為上下錨索拉力的垂直分力，kN。

參考重力式攔石墻抗滑動穩定系數臨界值，棚洞-攔石墻組合結構抗滑動穩定系數Kc不應小于1.3。

α=11.5°的錨索能夠承受的拉力值Ps1=Ps2=8 544 kN。由于邊坡上方已經施加簾式防護網，并于山體坡麓處和棚洞頂部適當位置設置了一道柔性被動防護網，為了規避小于網眼的零星落石墜落，參考網眼結構大小，結合實際情況，取落石半徑為0.25 m。由于本文落石直接沖擊攔石墻水泥混凝土面板，因此，參考文獻［17］對落石直接沖擊鋼筋混凝土棚洞板動力響應的研究結果，取0.25 m半徑落石以20 m/s直接沖擊棚洞板時最大沖擊力為5.5×103kN，以驗證棚洞-攔石墻的穩定性。經計算可以得出Kc=7.54，大于安全系數臨界值1.3，說明棚洞-攔石墻組合結構滿足抗滑動穩定性要求。

4.2 抗傾覆穩定性驗算

棚洞-攔石墻組合結構抗傾覆穩定性受力如圖7所示。

圖7 棚洞-攔石墻組合結構抗傾覆受力示意

經過受力分析，攔石墻抗傾覆穩定系數K0計算式為

式中：∑My為穩定力系對攔石墻面板右墻趾總力矩；∑M0為傾覆力系對攔石墻面板右墻趾總力矩；ZPs1x、ZPs2x分別為上下錨索水平受力力臂；ZG1、ZG2分別為攔石墻肋板墻、面板墻重力力臂；ZP為落石沖擊力力臂。

參考重力式攔石墻抗傾覆穩定系數臨界值，棚洞-攔石墻組合結構抗傾覆穩定系數K0不應小于1.6。

經計算可得K0=3.86，遠大于1.6，說明棚洞-攔石墻組合結構滿足抗傾覆穩定性要求。

經過驗算，落石沖擊棚洞-攔石墻面板最不利位置時，棚洞-攔石墻組合結構穩定性仍然比較高，能夠滿足穩定性要求。同時，在既有棚洞上方修建攔石墻結構，增加了攔石墻的有效高度，可以解決落石跨越問題。棚洞-攔石墻組合結構現場實況見圖8。

圖8 棚洞-攔石墻組合結構現場實況

5 結論

1）棚洞-攔石墻新型組合結構是一種可以直接在既有棚洞上修筑攔石墻的有效建設方案，結合了兩者各自的優點，且不影響鐵路正常運營。

2）棚洞-攔石墻新型組合結構安全穩定系數較高，能夠抵抗落石對其沖擊作用。

3）在既有棚洞上方修建攔石墻結構，能夠增加攔石墻的有效高度，解決落石跨越問題。棚洞-攔石墻組合結構能夠為其他棚洞改造和場地狹小的站場擴線問題提供借鑒。