客运专线桥梁危岩落石防护设计

周　维

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)

1　工程概况

沈丹客运专线戴家堡子特大桥位于本溪市南中低山区，与本溪隧道出口处相接。工点位于中低山及河谷地貌，地形起伏陡峭，大部山体基岩裸露。山体经风化剥蚀，多呈圆顶状，山脚多被长期坡面剥蚀和堆积形成的碎石所覆盖。桥梁小里程左侧分布有规模较大的高陡边坡，且边坡岩体结构较破碎，为危岩落石不良地质。经过现场实地调查分析，危岩分布及桥梁工点如图1所示。

图1　危岩落石不良地质分布

戴家堡子特大桥小里程桥台位置左侧山体危岩落石①区、②区,④为页岩，③区为侵入岩安山玢岩。由于岩层节理发育，风化较严重，在自身重力及雨水冲刷的相互作用下，表层强风化层发生崩塌落石，并在桥梁左侧A沟两侧形成危岩体区域。山顶B区域主要由填充在两侧页岩中间的岩脉构成，岩体节理发育在长期风化作用或列车荷载、爆破等人为扰动下，易沿结构面不利组合产生局部崩滑现象，由于该处垂直落距较高，一旦出现崩滑现象，其滚石可顺A沟或桥梁左侧山坡滚落。通过对桥梁附近调查，桥梁左侧山坡有碎石堆积区，判断为B区域落石堆积区。

沈丹客专线路位于山坡下方，距离山坡坡脚较近，危岩落石对桥梁结构及行车安全威胁较大，必须采取可靠的措施进行治理。

2　危岩落石防护治理措施

根据规范要求，对于可能发生大范围危岩、落石或大规模崩塌地段，线路应该在勘测阶段进行绕避。对中小型危岩、落石和崩塌地段，应根据病害类型及危害程度等采用遮蔽、拦截、清除、加固或综合处理等安全可靠的工程措施[1]。

目前，对于规模较小的危岩、落石处理措施大体可分为主动防护和被动防护两种类型体系。清坡、挂网锚喷、柔性主动防护网等属于主动防护体系，这种防护体系可以对较大面积范围的危岩体进行清除或加固防护，从源头杜绝危岩落石的发生，保证危岩体下方的结构安全，但采用清坡的方法容易对地形环境等造成影响，而采用大面积主动加固防护则在养护维修方面较为困难并且造价较高。落石平台、落石槽等以消能为主的工程措施，以及拦石墙、拦石堤、拦石栅、被动防护网等以拦截为主的工程措施属于被动防护体系，这种防护体系可以对危岩落石在运动中进拦截，并可以根据所防护工点的具体地形地貌进行灵活布置，针对性强，对环境影响较小，养护维修容易且造价较低。在实际工程中，一般可以根据工点的地形地貌及地质条件，采用多种防护措施进行综合整治。

本桥左侧山高坡陡，危岩落石来源区面积较大，若单独采用主动清除及加固防护措施，一则不能保证对所有危岩体进行彻底清除与加固；二则工程量较大。通过对本桥工点地形地质的综合研究发现，线路左侧山体半坡至坡脚处，即图1中①～④区及桥梁左侧边坡碎石堆积区，危岩体较为集中，岩体松散破碎，对下方线路结构及行车威胁较大，故对这范围内表层松散破碎的岩体应进行清除，对清理后的岩石坡面采用SNS主动拦石网进行加固。山顶B区内岩石危岩分布较零散，如危岩崩裂后碎石应沿桥梁左侧山坡翻滚而下，为避免落石对下方桥梁结构造成破坏，对落石运动路径采用SNS被动拦石网进行防护，被动拦石防护网设于山坡间碎石堆积区域上方。桥梁范围内左侧山坡危岩落石防护布置见图2。

图2　桥梁危岩落石防护设置

此外，本桥小里程桥台及1号墩距山坡坡脚较近，桥梁墩台高约10 m，危岩沿山坡滚落可能对桥梁墩台造成冲击破坏，为保证桥梁墩台结构安全，本桥设计时考虑在小里程桥台及1号墩原有表面外加设一层钢筋混凝土保护层，以确保危岩滚落冲击不会对桥梁墩台原主体结构造成破坏。通过上述三项措施的设置，不但可以对桥梁上方的危岩体进行防护整治，并且可以对桥梁墩台结构本身进行全面可靠的保护。

3　危岩落石防护结构设计

3.1　主动防护措施设计与施工工艺

针对沈丹客运专线戴家堡子特大桥小里程左侧山坡上集中危岩体区域，设计采用SNS主动防护网进行加固处理。SNS(Safety Netting System)主要工作原理是采用纵横交错的支撑绳与沿岩石面布置的锚杆相联结并进行预张拉，在支撑绳构成的网格内铺设一张钢丝绳网，每张钢丝绳网与四周支撑绳间用缝合绳缝合联结并拉紧，通过预张拉工艺使系统对坡面施以一定的法向预紧压力，从而提高表层岩土体的稳定性，尽可能地阻止崩塌落石的发生并将小部分落石限制在一定的空间内运动，同时，在钢绳网下铺设小网孔的格栅网，以阻止小尺寸岩块的塌落。[2]

施工工序及工艺要求如下：

①清除坡面防护区域内的浮土及浮石，对坡面进行必要的整修，尽量保证防护坡面的整齐。

②通过放线测量以确定锚杆孔位，并在每一孔位处凿不小于锚杆外露环套长度的凹坑，一般口径20 cm，深15 cm。

③按设计深度钻凿锚杆孔并清孔，孔深应比设计锚杆长度长5 cm以上，孔径不小于φ42；当受凿岩设备限制时，构成每根锚杆的两股钢绳可分别锚入两个孔径不小于φ35的锚孔内，形成人字形锚杆，两股钢绳间夹角为15°～30°，以达到同样的锚固效果。

④注浆并插入锚杆，采用不低于M20号的水泥砂浆，孔内应确保浆液饱满，在进行下一道工序前注浆体养护不少于三天。

⑤安装纵横向支撑绳，两端各用2～4个绳卡与锚杆外露环套固定连接，并用紧绳器张紧后固定。

⑥从上向下铺挂格栅网，格栅网间重叠宽度不小于10 cm，两张格栅网间的缝合以及格栅网与支撑绳间用φ1.2铁丝按1 m间距进行扎结。

3.2　被动防护结构设计与计算

针对山顶B区域的落石对线路的威胁，沿线路左侧山体半坡设置一道被动防护网，被动防护网的纵向长度可囊括落石的可能行进路径，对落石在途中进行有效拦截。与主动防护网相比，被动防护网所针对的落石随机性、突发性及不可预见性更大，故在设计时需要对落石的发生及可能进行合理的分析及研究，以确定被动防护网所选用的型号及参数。

(1)被动防护网吸能型号

被动防护网主要靠自身的吸能装置来承受落石冲击动能，落石质量、速度越大，其冲击动能越大，对结构的破坏性也越大，因此准确的判断落石的冲击能量，从而选择合适型号的被动防护网是设计的首要任务。

根据现场调查测量，本桥山顶至被动防护网设置位置处，高差约为65 m，水平距离约90 m，山体坡度较为均匀顺直，可以简化为单一斜坡进行计算，坡度角i=35°。本设计参考文献[3]中针对岩石在直线形坡落石速度的计算方法，确定落石冲击被动防护网的速度v

(1)

(2)

(2)被动防护网设置高度

落石一般沿斜坡翻滚、跳跃而下，被动防护网设计除了要考虑落石的冲击能量，还必须考虑防护网的设置高度，使防护网可以对腾越的落石进行拦截。

落石以滚动跳跃复合形式运动时，可以分析石块运动由于跳跃暂时脱离边坡的最大距离，而防护网的设置高度主要是求得落石在垂直方向上偏移斜坡的最大距离hmax。根据参考文献[3]中的计算公式

(3)

对于落石碰撞后的反射速度,参考文献[1]中落石与坡面的碰撞系数,本设计偏于安全，考虑选取落石反射速度v0=0.86vj，最终求得hmax=3.7 m。

通过以上计算求得了落石质心腾跃轨迹高度偏移坡面的最大距离hmax,实际工程中考虑到落石的随机与不确定性,被动防护网的设计高度在最高偏移值hmax的基础上再加1 m的安全值,近似取5 m。

3.3　桥墩台防护设计

通过对山坡及坡顶的危岩落石区域设置主动及被动防护网,基本能够拦截大块落石,保证坡下桥梁安全,但可能有一些细小碎石会通过防护网眼漏出。由于坡度较为陡峭,落差较大,即使小块碎石落下冲击桥梁墩台,也可能对桥梁墩台结构表面造成破坏,影响桥梁墩台的耐久性。为了保护桥梁坡下墩台,设计考虑对桥墩台加设钢筋混凝土保护层。

[1]TB10035—2006铁路特殊路基设计规范[S]

[2]阳友奎，贺咏梅.斜坡坡面地质灾害SNS柔性防护系统概论[J].地质灾害与环境保护 ，2000，11(2)

[3]蒋忠信，陈光曦，吴宗俭，等.中国山区道路灾害防治[M].重庆:重庆大学出版社，1996

[4]铁朝虎，徐远启，刘信勇.柔性防护网在石太铁路山体病害整治中的应用[J].路基工程，2011(2)

[5]铁建设(2009)172号铁路边坡防护及防排水工程设计补充规定[S]