柔性防护和锚索综合治理危石

钟庆华

(浙江金温铁道开发有限公司,浙江温州 325000)

柔性防护和锚索综合治理危石

钟庆华

(浙江金温铁道开发有限公司,浙江温州 325000)

以金温线洞桥山危石区为例,阐述主动网和预应力锚索的作用机理。洞桥山危石区通过综合运用主动防护、被动防护和采用锚索锚固危石的综合治理,有效地保证了行车的安全。通过两年的观测,效果是显著的。

柔性防护;锚索;危石治理

一、金温线洞桥山危石区治理概况

金温线洞桥山危石区,岩体裸露,岩面破碎,坡度较陡,风化严重并有大块岩石剥落现象。在线路中心的右侧约2 m处有9块危石,大的一块约9 m×5 m,距洞桥山隧道洞门12 m。小的一块约6 m×4 m,距隧道洞门6 m,对行车构成很大的危害。

二、柔性防护系统

柔性防护系统是利用钢丝绳网为主要特征构件以覆盖和拦截两种基本形式来防护危岩和崩塌落石地质灾害的柔性安全防护系统技术。充分利用了柔性材料的易铺展性和高防冲击能力,能够较好地适应抗击集中荷载或高冲击荷载,柔性防护系统从防护原理和防护目的上,可以分为主动防护和被动防护系统两类。

(一)主动防护系统

主动防护系统是以钢丝绳网为主的各类柔性网覆盖或包裹在铁路两侧需防护的有潜在岩崩坡面上,以限制坡面岩土体的风化剥落或破坏以及危岩崩塌(加固作用),或者将落石控制在一定范围内运动(围护作用)。通过锚杆和支撑绳固定方式将钢丝网覆盖在具有潜在地质灾害的坡面上,从而实现坡面加固或限制崩塌落石运动范围。图1所示主动防护系统,其固定系统由锚杆和锚杆间的支撑绳构成(图2),通过固定在锚杆或支撑绳上并施以一定预张拉的钢丝绳网或格栅网,对整个边坡形成连续支撑,其预张拉作业使系统尽可能紧贴坡面并形成了阻止局部危岩移动或在细小位移后将其滞留于原位附近的预应力,从而达到主动防护(加固)的作用。系统传力的过程为“钢丝网→支撑绳→锚杆→稳定地层”。柔性特征使系统能承担较大的下滑力,并将局部集中下滑力向四周均匀传递以充分发挥整个系统的防护能力。

(二)滚动滑动模式(图3)

落石沿边坡的运动加速度a=g(sinβ-fcosβ),g为重力加速度,f为运动的摩擦系数。在t时刻的滚动滑动位移s,落石的速度V为:

式中v0为初始加速度。计算中若,则落石将因摩擦作用而停止。

图3 滚动滑动模式

(三)被动防护系统

被动防护系统(图4)是一种拦截和堆存岩质边坡崩塌落石的柔性金属栅栏,与拦石墙等建筑物的不同在于系统的柔性和强度足以吸收和分散传递预计的落石量并使系统受到的损伤最小。整个系统由钢丝绳、锚杆和支撑绳、减压环及柱四部分构成,系统的柔性主要来自钢丝绳、支撑绳和减压环等结构。

图4 被动防护系统示意图

(四)被动防护系统计算

对于坡面危石分布较广、体积较大或有岩堆分布以及坡面危、孤石分散难于清理的,可根据工地实际情况,考虑采用柔性防护的方法处理,即首先按照经验公式计算落石速度。

1.简单山坡

式中:ε为落石速度系数,与山坡的坡角α、植被、落石频率等因素有关。

上式适用于α>45°基岩外露的山坡;α45°大部长有灌木和杂草但树木稀疏按70%～80%折减;山坡植被茂密时按60%～70%折减。

2.折线型山坡(α=30～60o,Δ α>5,L>10)不适合取平均坡角时,

εj,Hj分别为第j段的速度系数和从终点算起的高度。

3.石块自堑顶以初速度V0滚落,落石点的速度为:

g为重力加速度;

根据落石速度,计算落石的冲击力或落石动能,合理选用了被动柔性防护的种类,根据山坡高度、坡度通过计算,合理地确定了被动防护的高度。使得金温铁路的危岩落石得到了较为彻底的整治。为行车安全提供了比较安全可靠的保证。

三、预应力锚索

(一)锚固的优化设计

危岩体的基本荷载有岩体自重W、降暴雨时缝内压力U、渗压力V等。危岩体的加固采用主动防护的方法,即在危岩体下部、中部和上部加锚固力,分别为KT1、KT2、KT3, F为危岩体的安全系数。在设计中通过调整锚固力角度,在设计要求的安全程度下,使总锚固力最小,来达到最优化的目的。即:

优化目标函数:总锚固力;

优化参数:锚固角度α1、α2、α3(分别为KT1、KT2、KT3与水平面的夹角)。

岩体安全系数设计要求:

正常情况下:F≥1.1

特殊荷载组合(考虑水压力等其它情况F需满足:最大锚固力≤[T]。根据极限平衡理论,安全系数):F≥1.0考虑施工方面原因。

式中:α为滑面倾角;φ为滑面摩擦角;c为黏聚力;L为危岩体厚度。

因此锚固优化设计的数学模型为:

目标函数:

4.非负条件:KT1≥0、KT2≥0、KT3≥0;

用单纯形法等可求出解。

锚固力的最优解不仅与锚索倾角有关,还与滑面倾角、滑面摩擦角等有关。为了避免危岩体的继续风化,可考虑并用挂网、喷射混凝土等方法作为锚固的辅助方法一并使用。

四、综合治理效果

洞桥山危石区通过综合运用主动防护、被动防护和采用锚索锚固危石的综合治理(见图5),有效地保证了行车的安全。现通过两年的观测,效果是显著的。

图5 主动防护、被动防护、锚索锚固危石的综合治理

[1]范宇洁,万胜武.预应力锚索有效锚固长度和极限抗拔力的计算[J].地下空间与工程学报,2006(4).

[2]傅建,彭爱华,晏国顺.浅析某电站锚索应力损失影响因素及对策[J].长江工程职业技术学院学报,2008 (4).

[3]蒋良潍,姚令侃,蒋忠信.冷竹关水电站开关站谷坡落石防护[J].地质灾害与环境保护,2002(4).

[4]章照宏.斜坡落石灾害及其SNS柔性防护[J].湖南交通科技,2006(1).

[5]贺咏梅,阳友奎.崩塌落石SNS柔性防护系统的设计选型与布置[J].公路,2001(11).

(责任编辑张佑法)

U213

A

1007-7111(2010)12-0121-02

2010-11-05

钟庆华(1975—),男,研究方向:路基防护。