成昆鐵路K295泥石流災害特征分析及治理對策研究

劉 科, 李云鵬, 酈亞軍, 羅 實, 譚 鋼, 陳夕童, 邱敏捷, 姚中山

(1. 中鐵二院成都勘察設計研究院有限責任公司, 四川 成都 610031; 2. 中國鐵路成都局集團有限公司, 四川 成都 610082)

0 引言

山區鐵路跨越不同的水文、地質單元,其結合部往往是地質、地形較復雜的區域,環境脆弱,通常是泥石流災害發育的區域[1]。近年來,隨著極端氣候頻發,山區鐵路沿線泥石流暴發頻率有增加的趨勢。特別是西南地區川、滇等地震影響區內的山區鐵路,受地震影響,物源豐富且泥石流暴發臨界降雨量降低,致泥石流災害頻發[2-3]。

針對泥石流對運營鐵路的影響及防治措施,目前有較多學者進行了研究。張俊德等[4]研究了南疆鐵路K230段凍土區滑坡泥石流特征及成因,提出支擋、疏排、保溫等綜合整治措施。王金生[5]研究了蘭渝鐵路岷縣境內的泥石流不良地質分布及形成機制、條件,提出了超前預注漿、管排引流、固結灌漿等具體工程措施。穆成林[6]研究了成昆線K494～K727段沿線泥石流分布情況并評價了其對鐵路的危害程度,提出工程防治與生物防治等思路。李朝安等[7]以泥石流流域實時降雨量、物源區土體降雨入滲深度、次聲信息、溝道泥位4個參數作為關鍵參數,建立了山區鐵路沿線泥石流災害的預警系統并應用于現場。穆成林等[8]研究了成昆鐵路瀘沽至西昌段位于安寧河大斷裂帶影響范圍內泥石流的發育特征、形成機制以及發展趨勢。然而,現有研究多集中于對泥石流自身的分析與防治,針對運營鐵路本身的防護研究較少,且措施相對單一。

本文以成昆鐵路K295+378發生的特大型泥石流災害整治工程為背景,首次采用拱圈預制拼裝技術,在運營鐵路橫穿泥石流溝谷區以新建明洞跨越的方式實現災害整治。

1 工程背景

成昆鐵路峨攀段為時速80 km的單線電氣化鐵路,發生泥石流災害的K295+364.07～+421.64段57.57 m位于尼日—蘇雄區間,該段線路位于曲線半徑為450 m的小半徑圓曲線上,包括兩端隧道洞口段路基和黑西洛中橋,黑西洛中橋(見圖1)為跨徑32 m的簡支梁橋,橋梁全長43.96 m,橋下凈空約6 m,設有過水斷面面積約為150 m2的排水槽。

圖1 破壞前的黑西洛中橋Fig. 1 Heixiluo middle bridge before destruction

2020年8月30日19:05,黑西洛溝發生特大泥石流災害,沖毀成昆線上的黑西洛中橋(見圖2),掩埋并淤堵了大老姆坪隧道出口和黑西洛隧道進口間的全部線路,堰塞體阻斷了尼日河,并毀壞了下游公路和大量民房,造成重大經濟損失和嚴重社會影響。

圖2 泥石流毀壞橋梁Fig. 2 Bridge damaged by debris flow

2 泥石流活動特征分析

2.1 災害總體情況

黑西洛溝首次爆發的特大型泥石流,溝域總體分上、下2段(見圖3)。1)泥石流在上段溝谷引發,由于溝谷狹窄、縱坡較陡、物源豐富,在極端強降雨條件下形成高動能泥石流,沿途沖切溝谷和岸坡坍塌。2)泥石流通過下段第2、3亞段2級緩坡平臺(上游的堆積區和流通區),雖有消能阻緩作用,淤積部分泥石流物質,但大部分通過緩坡平臺繼續沖向下游;在古丘和第2亞段前沿沖切,形成最深達100 m的下切深溝,岸坡大規模坍塌,體積約180萬m3,為泥石流進一步增加了物源區;泥石流在第2亞段前沿形成物質和能量的疊加,加速沖向下游; 通過第1亞段(下段流通區)時,由于坡降較大、溝谷狹窄,形成高動能、特大流量的泥石流沖向鐵路、毀壞橋梁、阻斷尼日河、掩埋村莊。

圖3 黑西洛溝泥石流溝谷全貌Fig. 3 Overview of debris flow gully in Heixiluo gully

2.2 規模等級及類型劃分

2.2.1 規模等級

黑西洛溝主溝長7.6 km,最大高差2 300 m,流域面積12.3 km2,主溝床總體坡降55.43%,兩側岸坡整體坡度35°～50°,物源動儲量達1 500萬m3,靜儲量達2 000萬m3。采用形態調查法計算泥石流峰值流量,此次泥石流在線路附近的過流斷面面積Wc=240 m2,泥石流流速vc=7 m/s,計算得峰值流量Qc=1 680 m3/s; 據現場實測三維模型分析,本次泥石流一次性沖出總量約350萬m3,歷時約1 h進入尼日河或堆積在路線附近,溝內塊石最大粒徑達15 m。符合T/CAGHP006—2018《泥石流災害防治工程勘查規范》(見表1): 一次沖出固體物質量在50萬m3或峰值流量在200 m3/s以上,因而黑西洛溝泥石流規模等級為特大型泥石流。

2.2.2 類型劃分

參考T/CAGHP006—2018《泥石流災害防治工程勘查規范》,黑西洛溝泥石流類型確定如下: 1)按水源成因分類,因是在充分的前期降雨和局部極端強降雨的激發下形成,屬暴雨型泥石流。2)按物源成因分類,因坡面侵蝕、溝谷沖切和溝兩側岸坡的坍滑體提供了泥石流形成的主要物源,固體物質多集中于溝道及附近,在一定水動力條件下形成泥石流; 同時,由于溝谷物源豐富,溝兩側滑坡和堆積體較多,一旦滑坡體和堆積體失穩后,將轉化為崩滑型泥石流,固體物質主要由滑坡崩塌等重力侵蝕提供,甚至有形成局部堰塞湖可能,因此屬于坡面侵蝕+崩滑混合型泥石流。3)按集水區地貌特征分類,以流域為周界,受溝谷地形限制,屬于典型的溝谷型泥石流。4)按流體性質分類,則可劃分為黏性泥石流。

計算該泥石流不同降雨頻率下流速、流量等特征值,如表1所示。

表1 泥石流特征值計算表Table 1 Calculation of characteristic values of debris flow

2.3 分區描述

圖4示出了黑西洛溝泥石流的縱坡分區,包含形成區、流通區和堆積區。

圖4 黑西洛溝泥石流縱坡剖面Fig. 4 Longitudinal profile of debris flow in Heixiluo gully

1)形成區(見圖5)位于溝上游“V”型溝谷區域,距溝口約5 km以上,形成區溝谷縱坡陡,支溝發育,匯水面積大,且兩岸分布大量坍塌體、支溝洪積扇、溝床堆積物、古泥石流垅崗等松散堆積體,為泥石流的形成提供了豐富的物源條件和地形條件。

圖5 黑西洛溝泥石流形成區Fig. 5 Formation area of debris flow in Heixiluo gully

2)流通區(見圖6)位于上段下游及下段區域,與上段部分堆積區重合,流通區長度約為4 km,縱坡10°～30°,呈陡-緩-陡的“臺階狀”,而溝谷橫剖面呈“V-U-V”型,兩岸邊坡坡度40°～50°,局部較緩,構造影響導致坡面大多分布崩坡積層和滑坡,盡管植被較發育,但暴雨作用下坡面表層松散土體和滑坡體復活,極易被沖刷至主溝內,為泥石流的形成進一步增加物源和水源。

圖6 黑西洛溝泥石流流通區Fig. 6 Circulation area of debris flow in Heixiluo gully

3)堆積區(見圖7)可分為2段: 第1段位于溝谷下段的第2、3亞段平臺上,2級平臺地形相對平緩開闊,上游的小規模泥石流到達該段后,迅速散開,泥水分離,固體物質不斷停留堆積,造成該段溝谷卵(碎)石夾漂(塊)石土層呈巨厚層狀,長期堆積形成了2級寬緩平臺;第2段位于黑西洛溝匯入尼日河的溝口區域,因堆積區物質堰塞阻斷尼日河谷,造成尼日河谷向左岸改道,但溝口仍位于凹岸側,粗大顆粒較多,無分選性。

圖7 黑西洛溝泥石流堆積區Fig. 7 Accumulation area of debris flow in Heixiluo gully

2.4 成因分析

通過前述黑西洛溝泥石流類型及區段劃分可知,爆發此次特大型泥石流災害的直接原因包括匯水面積大、溝谷縱坡陡、物源豐富和極端強降雨等。

1)從區域地質構造角度分析。黑西洛溝所在區域受王帽山斷層和東西向構造影響,斷層和構造共同點是以“北-北西”與“北-北東”走向輾轉反折的折線式延伸,其實質是構造運動近東西向水平擠壓并復合在古老隱伏追蹤斷層上的間接結果。強烈的地質構造作用造成區域內山體遭受侵蝕切割和局部下降堆積,巖體極破碎,溝谷及兩岸形成大量崩塌、滑坡、支溝洪積扇、溝床堆積物、古泥石流垅崗等松散堆積體。

2)從泥石流物源角度分析。黑西洛溝谷內堆積體巨厚,多大于50 m,在下段第1、2亞段沖切后的坡面陡坎最高達80 m,均為碎塊石土。因此,中部2級平臺區段溝內松散物質豐富,溝谷下段兩岸滑坡、巖堆和坍塌體規模大、數量多、穩定性差,上游區段溝谷兩側主要為崩坡積體,厚度不大,但數量多、塊徑大。

3)從地形地貌角度分析。黑西洛溝域面積約12.3 km2,已成型的支溝達20余條,造成溝內多處堆積體被集中沖蝕。溝谷縱坡呈陡-緩-陡的形態,兩側岸坡較陡,上游兩側岸坡失穩土體自坡頂沖下山坡,裹挾土石使得高位溜坍體發展成坡面型泥石流,兩側支溝多處泥石流和坍滑體匯聚疊加; 由于主溝縱坡陡,能量和物源不斷聚集,在上游區段形成了泥石流“龍頭”,形成后的高動能泥石流具有“流速快、動能大、沖切能力強”的特點,在沿途每一級陡坎處又增大了流速,加強了泥石流沿溝側及溝底的侵切能力; 而裹挾沿途松散堆積體加大了泥石流溝下半段溝底兩側土體臨空面,又降低了土體穩定性,進而引發泥石流溝兩側更多土石塊體垮塌,使泥石流規模、方量、動能、面積、寬度在短時內急劇增加,破壞力逐級增大,最終形成特大規模泥石流。

4)從自然降雨角度分析。極端強降雨具有直接激發作用。8月29日的特大暴雨,1 h雨量達135 mm、24 h雨量達419.4 mm,相應降雨頻率為1%,暴雨使得溝內巨厚層松散堆積物和兩側岸坡大面積堆積體充分浸泡呈飽水狀態,岸坡和溝谷內的松散堆積物的穩定性降至臨界點; 而8月30日一場雨量不大且歷時很短的降雨(11 h雨量18.7 mm)進一步激發形成了本次特大型泥石流。

2.5 危害程度及發展趨勢

根據T/CAGHP006—2018《泥石流災害防治工程勘查規范》,結合黑西洛溝堆積扇大小、尼日河河道變化、泥石流補給長度、松散物儲量、松散體變形量大小及暴雨強度指標,綜合判定黑西洛溝泥石流活動強度為“很強”,災害嚴重性為“極嚴重”,如表2所示。同時,由于黑西洛溝此次爆發的高動能泥石流對溝床和岸坡的強烈沖切形成了多處且穩定性極差的陡峻邊坡,且坡面均以松散堆積體為主,加之高差達100 m,具備形成大型—特大型泥石流的物質和地形條件; 其次,此次泥石流的爆發使該溝的泥石流再次進入旺盛期,在發生強降雨的條件下可能再次形成大型—特大型溝谷型泥石流。

表2 黑西洛溝泥石流活動強度判別表Table 2 Identification of activity intensity of debris flow in Heixiluo gully

3 治理對策

綜合8月30日泥石流災害情況分析,黑西洛溝上游發生泥石流的各種要素較齊全,極易再次形成泥石流,極端強降雨后短時間內再次爆發特大型泥石流的可能性極大,因此必須采取徹底整治措施,杜絕再次對鐵路造成破壞。

1)災害發生后,考慮到快速搶通線路需要,該段采用路基形式恢復列車運行(見圖8),即在清除黑西洛中橋兩端橋臺間泥石流堆積體后,采用重型碾壓機壓實地基,并設置0.5～1.0 m厚的鋼筋混凝土板作為路基基礎。其中,近兩側橋臺端混凝土底板厚0.5 m,溝心15 m范圍底板厚1 m,混凝土板上設置6根φ150 cm鋼筋混凝土管作為排水設施,基床采用土工格柵加固,分層填筑,同時對鐵路靠山側兩側斜坡不穩定體采用堆壓等防護措施。

圖8 臨時路基過渡Fig. 8 Temporary roadbed transition

2)在永久治理對策方面,單純的泥石流治理重在切斷泥石流物源或水源等形成泥石流的必要條件,而該工程治理的目的是確保鐵路線不受泥石流的再次破壞。從源頭大范圍徹底整治泥石流或將鐵路進行線路改移是可供選擇的2種主要治理方案。但考慮到泥石流匯集區域范圍大,短時間內徹底整治極為困難,且泥石流的沖擊力巨大,采用切斷源頭治理、逐級抵抗泥石流的消能治理思路勢必導致造價高昂且時間跨度長;同時,由于線路傍山行走且泥石流上游距離較長,若進行鐵路線路改移,則只能往山體內部改線,將形成一長段新建隧道,對既有線影響范圍較長,治理工期難以保障且投資巨大。因此,綜合各種因素,遵循“以疏為主、兼顧防護”的治理思路,即重在疏導隔離泥石流; 同時,兼顧對既有鐵路的永久防護功能,設置主要由明洞、洞頂渡槽、攔石壩、導流墻、急流槽等組成的組合措施與結構[9-13],對該段57.57 m范圍被泥石流掩埋的鐵路明線段采用明洞方式進行過渡連接,組合結構見圖9—11。

圖9 組合結構平面示意圖(單位: m)Fig. 9 Schematic plan of composite structure (unit: m)

圖10 組合結構斷面示意圖(單位: cm)Fig. 10 Schematic of composite structure cross-section (unit: cm)

圖11 組合結構實圖Fig. 11 Photograph of composite structure

受既有鐵路設施控制及工程地質條件限制,明洞采用直邊墻-無仰拱結構型式,樁基筏板基礎,明洞頂上設置泥石流渡槽。為利于泥石流排導,在上游靠山側明洞結構以外設置攔石壩,壩后回填土石至渡槽溝底面,壩頂及回填土石上方設導流墻,導流墻基礎采用樁基托梁基礎;靠河側明洞結構以外設急流槽,急流槽基底采用φ76 mm鋼花管注漿加固。

3.1 明洞結構設計

3.1.1 明洞主體結構

新建明洞工程的拱圈襯砌結構通常結合襯砌內模板臺車采用現澆方法施工,如蘭新第二雙線鐵路拼裝式防風明洞工程[14]、鐵科院京沈客專星火樞紐鐵科試車線預制裝配式明洞等工程[15]均采用特制的襯砌模板臺車再配合龍門吊或吊車進行拱圈拼裝。但在運營鐵路線上采用常規襯砌模板臺車進行拱圈混凝土澆筑施工勢必需要拆除凈空范圍內的接觸網高壓帶電線纜、接觸網立柱等既有設施; 同時,模板臺車勢必長時間占據凈空并中斷鐵路列車運行,對運營繁忙的線路將造成極大影響。對于鐵路運營部門來說,在非緊急特殊情況無法采用常規襯砌模板臺車方案;若為了不影響鐵路運營而采用天窗時間進行施工,其工期則無法保證,幾乎不具備可行性。因此,尋求一種既不影響或微影響列車正常運行,又能解決明洞快速施工的技術方案,是該工程需首要解決的技術問題,也是面臨的最大挑戰。

綜合分析襯砌模板臺車現澆、小模板現澆等施工方法的利弊與可行性,以及施工現場大型吊機進出與操作的條件,經過多方案比選,設計創新采用明洞拱圈預制拼裝技術,即將明洞拱圈結構進行場內分節段預制、運抵現場進行拼裝的技術方案。同時,考慮到本段明洞位于小半徑圓曲線之上、明洞拱圈內外側存在弧長不一致問題,為此,在矩形截面拱圈節段兩側創新設置20 cm寬的上、下翼緣板結構,在現場拼裝時通過調節上、下翼緣板交叉寬度,巧妙消除曲線內外側弧長差,如圖12和圖13所示。

圖12 明洞襯砌橫斷面(單位: cm)Fig. 12 Cross-section of open-cut tunnel lining (unit: cm)

(a) 拱圈節段立面

(b) 拱圈節段平面

(c) 拱圈節段橫斷面圖13 明洞拱圈尺寸(單位: cm)Fig. 13 Size of open-cut arch ring (unit: cm)

3.1.2 結構連接設計

節點連接即預制拱圈節段之間、拱圈節段與現澆邊墻之間的連接設計是明洞結構受力的薄弱環節。因本明洞工程承擔荷載較大,包括泥石流沖擊或危巖落石沖擊,為保證承載結構的整體性,連接節點處需能同時傳遞軸力、剪力與彎矩,即節點固結。

1)拱圈節段連接(見圖14)。創新利用橋梁梁體結構的“濕接縫”原理將每一片拱圈節段連接為一個整體,即相鄰拱圈預制時在不同位置預留直徑不小于16 mm、環向間距@300 mm的閉環交叉連接鋼筋,采用微膨脹的細石混凝土進行填充,同時設置環向φ22 mm的加強鋼筋,新舊混凝土接觸面采用水泥基滲透結晶型防水涂料。

圖14 拱圈節段連接示意Fig. 14 Connection of arch ring segment

2)拱圈節段與邊墻連接。預制拱圈節段與現澆邊墻連接,創新采用“上、下拱座”結構來實現,即將整個明洞拱圈及邊墻區域視為“類拱橋”結構,分為拱圈、上拱座、下拱座以及邊墻。各結構通過先后澆筑預留的連接鋼筋加以連接,其中的“L”型下拱座可為預制好的拱圈吊裝提供支撐點,如圖15和圖16所示。

圖15 拱座結構Fig. 15 Schematic of arch structure

圖16 拱座節點連接細部圖(單位: mm)Fig. 16 Detail of arch joint connection (unit: mm)

3.1.3 結構防排水

考慮到與現澆拱圈襯砌施工縫防水方法不同,拱圈環向施工縫宜結合預制拱圈的拼裝接縫防水聯合設置,采用“水泥基滲透結晶型防水涂料+聚硫密封膏嵌縫”防水措施;拱圈變形縫采用“外緣聚硫密封膏嵌縫+縫間聚乙烯硬質泡沫塑料板填充+中埋鋼邊橡膠止水帶+內緣聚硫密封膏嵌縫+縫間聚乙烯硬質泡沫塑料板填充”防水措施。邊墻處變形縫防水類似拱圈變形縫,但不設置中埋鋼邊橡膠止水帶?？紤]到新建明洞全部覆蓋明線段,因此原兩隧道洞門端墻連接,明洞與既有洞門端墻間的接縫按照拱圈的變形縫防水處理,并于靠近既有洞門端墻2 m范圍內明洞襯砌外緣設瀝青+1.5 mm的EVA防水板+水泥砂漿保護層防水。拱圈接縫段防水構造見圖17。

(a) 環向施工縫防水示意圖

(b) 環向變形縫防水示意圖

(c) 接縫防水結構實圖圖17 拱圈節段接縫防水構造Fig. 17 Waterproof structure of arch joint segments

3.2 泥石流疏導結構設計

3.2.1 洞頂渡槽

明洞頂部渡槽尺寸設計依賴于該溝槽的泥石流洪峰流量參數。依據表1得出降雨頻率為1%時的泥石流最大洪峰流量為1 114.6 m3/s?？紤]1.5的安全系數,渡槽設計時應滿足的最小洪峰流量為1 672 m3/s。結合地形及明洞布置,渡槽采用“V型束流槽”結構形式,總長27.8 m,設計泥深為7 m,中心寬度為27 m,槽身橫坡20%,設計流量為1 760 m3/s,滿足泥石流峰值流量要求。槽底處于長期受泥石流沖擊、沖刷以及摩擦狀態,為增加渡槽溝心耐磨性,于渡槽中心10 m范圍內嵌入式鋪設廢舊50 kg/m鋼軌作為滑床,鋼軌底面朝上,軌間距25 cm,如圖18和圖19所示。因渡槽與明洞主體結構間施工先后順序不同且渡槽縱坡較陡,存在結構整體滑移風險,為確保結構穩定,在渡槽底部與明洞頂部連接處設置4處抗滑槽,并設置連接鋼筋使之成為整體,利于結構受力,如圖20所示。

圖18 渡槽橫斷面(單位: m)Fig. 18 Cross-section of aqueduct (unit: m)

圖20 渡槽與明洞抗滑槽Fig. 20 Aqueduct and open-cut tunnel anti-slide channel

3.2.2 上游導流槽

為將上游可能再次發生的雜散泥石流流體進一步匯集,于明洞渡槽上游設置導流槽。導流槽一側順接明洞頂渡槽邊墻,另一側伸入兩側山體邊坡內。導流槽兩側擋墻底各設4片C35鋼筋混凝土樁基托梁,托梁底部設直徑1.8 m的鉆孔樁。導流槽槽底設置1.0 m厚C25混凝土鋪砌(設上下2道鋼筋網片),底面水平,頂面設3%溝心坡度,混凝土鋪砌底設15 cm厚中粗砂,鋪砌底部的溝谷區采用土石材料填筑。但與明洞銜接處的導流槽底部回填深度達到近15 m,若采用常規土石回填,高填方體壓實不足或長期固結沉降極有可能引起導流槽不均勻沉降,產生裂縫導致水流下滲。因此,與明洞渡槽銜接30 m范圍導流槽底部回填區采用干砌片石(塊徑≥300 mm)作為基礎,如圖21所示。

圖21 溝谷上游導流槽斷面Fig. 21 Cross-section of upstream diversion channel in the gully

3.2.3 下游急流槽

急流槽與明洞頂部渡槽順接,槽底橫向10 m范圍設置間距為0.3 m的50 kg/m鋼軌滑床加強耐磨性。因所處位置屬“V”型溝谷內,利用挖出溝兩側高端的堆積物以回填溝心,整平后作為急流槽基礎,但未固結的堆積物承載力較低,可能引發急流槽不均勻沉降。故對本段線路中線右側11.65～52.65 m內地表采用φ76 mm鋼花管注漿加固,間距1.2 m×1.2 m(橫×縱),鋼花管最小長度3 m,伸入碎石土夾塊石(中密)以下不小于1 m,急流槽尾端處鋼花管伸入碎石土夾塊石(中密)層以下不小于10 m,見圖22。由于此種堆積層鉆孔易塌孔,故鋼花管采用跟管鉆進工藝,以利于成孔。

圖22 溝谷下游急流槽(單位: cm)Fig. 22 Gully downstream rapid flow trough (unit: cm)

3.3 施工方案

3.3.1 總體施工方案

考慮到本治理工程的特殊性,首先按照鄰近營業線、營業線施工,同步按照非鄰近營業線施工的原則執行。總體施工順序按照“場地整平及拱圈預制—降低接觸網承力索高度和接觸網防護—施作內外側樁基—筏板—分節灌注明洞外內邊墻混凝土—吊裝拱圈結構(由小里程往大里程)—接觸網遷改與過渡—吊裝剩余拱圈結構—施作明洞背后防排水系統—明洞內邊墻背后回填—明洞上方渡槽—導流槽—急流槽—各部分土石回填”執行。

3.3.2 明洞拱圈預制

明洞拱圈通常按照工廠化預制模式制作,但考慮到該工程在偏遠山區,公路交通運輸不便,若采用軌道運輸則調度組織工作繁重,因此,結合現場地形地貌,在沖溝下游河灘地設置1座拱圈節段露天預制場,占地面積1 500 m2。選擇的預制場地基整體穩固,預制前對場地進行必要的整平、碾壓和硬化。本段明洞共計46塊拱圈節段,為加快拱圈預制速度,預制場內設12個預制臺座,并采用定型鋼模板,可同時進行4批次拱圈預制。為盡可能減小結構提前受力,采用平臥預制法。拱圈預制示意圖和現場圖分別如圖23和圖24所示。

圖23 預制臺座(單位: cm)Fig. 23 Prefabricated pedestal (unit: cm)

(a)(b)圖24 拱圈預制現場圖Fig. 24 Prefabrication of arch rings

3.3.3 明洞拱圈吊裝施工

單個拱圈節段跨度達9.55 m,節段混凝土方量達9.22 m3,質量達23 t,因拱圈節段屬細長型拱形梁,吊點設置位置應能使梁體每一個截面上下部應力相對均勻,不至因出現過大集中應力而產生裂縫,故在節段1/4、3/4處各預埋2處φ32 mm螺紋鋼吊環(見圖25)。預制完成待混凝土強度達到設計要求后進行試吊裝,以檢測吊點施工質量,以防正式吊裝時出現事故。

圖25 拱圈節段吊環布置(單位: cm)Fig. 25 Arrangement of lifting rings for arch ring segments (unit: cm)

該項目明洞一側具備相對開闊位置,故可直接采用汽車吊裝。為不妨礙列車運行,利用天窗期吊裝明洞拱圈節段,單個天窗期封鎖時長為230 min;從小里程開始往大里程吊裝,每次施工吊裝3～4塊,46塊拱圈節段連續15個天窗期可完成全部節段吊裝。當施工至K295+397附近時在線路左側拱圈內側合適位置設置化學錨栓,并連接遷改接觸網立柱; 待接觸網遷改后,繼續往大里程吊裝直至完成全部吊裝作業,見圖26。

(a)(b)圖26 拱圈吊裝施工Fig. 26 Arch ring lifting construction

4 結論與建議

4.1 結論

1)成昆線K295發生的特大型泥石流同時具有“暴雨型泥石流”“坡面侵蝕+崩滑混合型”“溝谷型泥石流”“黏性泥石流”等綜合特征,其直接形成原因包括匯水面積大、溝谷縱坡陡、物源豐富和極端強降雨等,災害嚴重性為極嚴重等級,且具備再次形成大型—特大型溝谷型泥石流的可能性,因此必須進行整治。

2)基于成昆線K295泥石流整治工程中創新采用的明洞拱圈預制拼裝技術是其在國內既有鐵路的首次應用。從實際實施效果來看,明洞拱圈預制拼裝工法是一種高效安全的施工工法,不僅減少了施工作業和鐵路運輸之間的干擾,還縮短工期1/2以上; 拱圈預制和下部結構施工同步進行,變串聯施工為并聯施工,且46塊拱圈吊裝施工僅耗時15個天窗,相比拱圈現澆施工無需占道作業,節約50個天窗以上,施工效率遠高于現澆施工,為既有線類似泥石流或崩塌落石災害治理提供了較完善的解決方案。

4.2 建議

明洞拱圈預制拼裝技術在既有鐵路崩塌落石增設防護設施上具有良好的應用前景,如何采用更經濟合理的設計方案和施工措施是后續研究的重點; 尤其針對道路狹窄不具備大型吊裝設備進場的條件下,采用何種有軌運輸及拼裝設備,以及采用明洞拱圈、邊墻全預制拼裝技術方面是進一步研究的方向。