砂村集中开采区边坡修复加固对客运专线铁路安全影响分析

朱树念

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

砂村集中开采区边坡修复加固对客运专线铁路安全影响分析

朱树念

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

开采区边坡稳定性、边坡修复加固工程施工中产生的振动对客运专线铁路线路设施及运营安全产生不利影响，施工过程中产生的落石也可能影响铁路设施及高速列车的安全。结合工程地质、水文地质条件及客运专线铁路与开采区设计资料，分析砂村集中开采区西侧边坡排险修复加固工程对附近通过的客运专线铁路安全的影响，为边坡排险修复加固工程建设及客运专线铁路安全运营提供依据。

客运专线铁路 边坡稳定性 边坡修复加固 振动 安全影响分析

宁(南京)杭(杭州)客运专线为设计速度目标值350 km/h的高速铁路，轨道类型为无砟，对路基、桥梁等轨下构筑物变形控制要求十分严格[1]，轨道结构的高平顺性，高稳定性是保证列车高速、安全、平稳与舒适运行的必要条件。线路DK211+900～DK212+477.13段从砂村集中开采区西侧经过，距开采边界11～420m。开采区边坡稳定性、边坡修复加固工程施工中产生的振动对客运专线铁路线路及设施产生不利影响，边坡修复加固施工过程中产生的落石也可能影响铁路设施及高速列车的安全。

1 工程概况

DK210+900～DK211+517段为隧道，隧道衬砌为钢筋混凝土结构，隧道结构外部轮廓宽约15.8 m，洞内净高约10 m。DK211+517～DK211+885.07、DK212+029.52～DK212+477.13段为路基，路堤地段基床表层采用级配碎石填筑，厚0.4 m，基床底层采用A、B组填料填筑，厚2.3 m，基床以下路堤本体填料采用A、B、C组粗粒土填料填筑，填高3～7 m，边坡坡率1∶1.5，地基采用挖除换填处理；路堑地段采用路堤式路堑形式，边坡坡率1∶1.25～1∶1.5。DK211+885.07～DK212+029.52段为桥梁，梁跨为32 m，除2号墩采用桩基础外，其余墩台基础均采用扩大基础，桩基础桩端持力层为弱风化凝灰岩，扩大基础基底为强风化凝灰岩。

德清县洛舍镇砂村集中开采区位于德清县城东北方向，东侧为洛武公路，南西侧临近既有宁杭客运专线铁路，北侧以德清县与吴兴区行政界线为界，水平投影总面积为487.2万m2，西侧边坡水平总投影面积约45万m2。开采边界距宁杭客运专线铁路11～420 m。开采区边坡整体最大高差约90 m，局部已形成较为规整的边坡，台阶高差10 m左右，台阶坡面角45°左右，但大部分区域尚未排险修复到位，孤峰、阴山坎、一面坡、台阶高差过大、台阶坡面角超过60°的区域比比皆是，且坡面上存在诸多不良地质现象，主要有崩塌、危岩、危石等，坡面上堆积有大量的松散堆积物，受振动及降雨影响极易引发次生灾害[2]。

设计方案中开采区采用分区排险修复加固治理方案。距宁杭客运专线310 m范围以内区域边坡修复加固采用人工清理为主，局部辅以机械平整、削坡，310 m范围以外采用机械结合人工清理的方式，西侧边坡坡脚采用挡土墙支挡防护处理，排险修复加固完成后施做截排水沟[2]。

宁杭客运专线铁路与砂村集中开采区平面位置见图1。

2 工程地质及水文地质条件

2.1 宁杭客运专线铁路

(1)工程地质条件

宁杭客运专线铁路DK210+900～DK212+477.13段位于剥蚀丘陵及丘间谷地区，地势起伏较大，地层从上至下为第四系坡洪积粉质黏土、角砾土，残坡积含砾粉质黏土，下伏基岩为奥陶系上统文昌组砂岩，局部为燕山期侵入花岗岩，第四系覆盖层厚2～7.5 m。

(2)水文地质条件

DK211+650～DK211+800附近线路下方为磨子坞水库，水深1.4～3.8 m。地表水主要为雨季地面流水及磨子坞水库水，地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，地下水水位埋深约0.6～5.1 m，受大气降水影响，不发育。

2.2 砂村集中开采区

图1 宁杭客运专线铁路与砂村集中开采区平面

(1)工程地质条件

开采区属浙北杭嘉湖平原残丘地貌，地形为北西—南东向延伸的山梁，区内最高点为治理区北西侧的凤凰山山顶，海拔高程+166 m，最低点为北东侧原业达矿区，海拔高程约+3.5 m，最大相对高差为162.5 m，自然坡度20°～40°。

区域内地层主要有奥陶系上统及燕山期侵入岩，第四系覆盖层，地层岩性分述如下：①第四系残坡积层(Qel+dl)粉质黏土夹碎石，灰黄色、褐黄色，硬塑，主要分布在山坡表层，厚1～5 m不等。②奥陶系上统砂岩，全—弱风化，层状构造，节理裂隙较发育，岩体产状79°～87°∠29°～33°。③燕山期花岗岩，强风化—弱风化，岩体较完整，发育两组节理，节理面产状为165°∠73°，76°∠26°。

(2)水文地质条件

地下水根据含水组地层岩性、地下水的赋存条件、地下水水动力性质，可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。①松散岩类孔隙水：主要赋存于第四系残坡积、坡洪积层中，区内近地表有平均厚1～5 m的第四系覆盖层，岩性为含碎石粉质黏土，胶结密实，因此残坡积、坡洪积层中富水性差，含水量少，孔隙潜水贫乏。②基岩裂隙水：基岩裂隙水主要由风化带网状裂隙水和构造裂隙水组成。风化带网状裂隙水的富水性由岩性、地形地貌、风化程度及风化带厚度及植被发育程度等因素决定，构造裂隙水主要赋存于构造裂隙中，受构造的力学性质及裂隙的连通性影响。现场观察节理裂隙面无明显渗水点，亦无泉眼等，基岩裂隙水贫乏。

3 主要危险及有害因素辨识

按照安全生产管理的特点和专业划分习惯，参照相关标准、规范[3，4]，经现场调研、检查，并采用类比的方法，辨识砂村集中开采区西侧边坡排险修复加固过程中可能影响宁杭客运专线铁路安全的诱导性因素、致害物及伤害方式。

3.1 坍塌

可能产生坍塌的主要方面有：①根据设计资料及现场调查情况，西侧边坡砂岩层面倾向开挖临空面，且倾角小于边坡角，排险修复加固施工时局部可能发生顺层滑动；②西侧自然山坡覆盖层较薄，且自然山坡坡度较陡，局部地段呈陡壁状，排险修复加固施工时山体表层可能发生溜坍；③西侧自然山坡局部地段呈陡壁状，基岩裸露，且节理裂隙发育，排险修复加固施工时岩体可能发生崩塌。

3.2 振动危害

振动危害是指机械作业过程中产生的振动有害效应对周边环境及人员产生的危害。宁杭客运专线铁路距离开采区西侧边坡较近，根据设计资料，采用机械施工最近处距离宁杭客运专线铁路不足50 m，施工时，振动危害事故的后果可能使既有宁杭客运专线铁路设备、设施受到破坏。

3.3 物体打击

在生产过程中，由于作业环境和管理等原因，可能出现物体打击等危险、有害因素。发生物体打击的原因主要有：①岩堆过高，岩石滚落伤人或损坏设施设备；②边坡浮石没有及时处理；③台阶出现伞岩，采装时滚落砸坏设备和伤人。开采区西侧边坡存在危岩、危石，施工过程中可能产生落石，造成人员伤亡、设备损坏及铁路既有设施损坏，危及既有铁路行车安全。

落石病害影响宁杭客运专线铁路范围主要是凤凰山隧道及隧道杭州端范围路基，此范围自然山坡植被较发育，施工期间如及时对开采区坡顶孤石、危岩危石及时清理，则可避免落石病害产生，消除对既有宁杭客运专线铁路的影响。

3.4 重大危险源辨识

《关于开展重大危险源监督管理工作的指导意见》(安监管协调字[2004]56号)附录1中规定了重大危险源申报范围和申报标准。砂村集中开采区排险修复加固尚未开始施工，还没有使用上述危险物品，目前不存在重大危险源。在后期的生产过程中，如使用的危险物品数量超过重大危险源临界量，则应主动申报重大危险源，并按重大危险源要求实施管理。

4 安全影响分析方法选择

安全影响分析与评价采用定性与定量相结合的方法，定性方法为预先危险性分析法，定量方法为边坡稳定性分析法和类萨道夫经验公式法。

4.1 预先危险性分析法

预先危险分析法(简称PHA)是在进行某项工程活动(包括设计、施工、生产、维修等)之前，对系统存在的各种危险因素(类别、分布)，出现条件和事故可能造成的后果进行宏观、概率分析的系统安全分析方法。该方法是一种定性评价方法，其目的是早期发现系统的潜在危险因素，确定系统的危险性等级和危险度，提出相应的防范措施，防止这些危险因素发展成为事故，避免考虑不周所造成的损失。

按危险、有害因素导致的事故及危险(危害)程度，将危险、有害因素划分为四个危险等级，等级越高，危险性就越大。危险有害因素分级见表1。

表1 危险、有害因素分级

4.2 边坡稳定性分析法

边坡的稳定性受多种因素的影响，可分为内部因素和外部因素。内部因素包括岩土性质、地质构造、岩土结构、水的作用、地震作用、地应力和残余应力等，外部因素包括工程荷载条件、振动、斜坡形态以及风化作用、临空条件、气候条件和地表植被发育等[5]。边坡稳定性分析的方法主要有工程地质类比分析法、极限平衡计算法等[6]，其目的在于根据地质条件确定合理的边坡容许坡度和高度。

采用极限平衡计算法GEO-SLOPE极限平衡有限元软件，根据设计剖面图资料，对边坡整体稳定性进行分析计算。通过计算分析确定边坡最不利潜在滑动面，根据最不利潜在滑动面与宁杭客运专线铁路的位置关系，判断边坡失稳破坏是否会对既有宁杭客运专线铁路产生不利影响。

4.3 类萨道夫经验公式法

分析评价机械振动对不同类型建构筑物、设施设备和其他保护对象的影响，是一个尚需深入研究的问题。参照《爆破安全规程》中爆破振动影响计算方法[7]，根据国内有关振动对建筑物影响的研究成果[8-10]，采用类萨道夫经验公式法计算机械振动对宁杭客运专线铁路的安全影响。

《爆破安全规程》中规定爆破振动影响应采用不同的安全判据和允许标准。一般建筑物破坏的判据有：安全距离、质点振动速度、加速度、位移、动应变、能量及破坏指数等。参照国内工程实践经验，认为用质点振动速度作为判据较为合适。各类建构筑物的安全允许振速见表2。

表2 爆破震动安全允许振速

注：(1)表中质点振动速度为三分量中的最大值；振动频率为主振频率。(2)频率范围根据现场实测波形确定或按如下数据选取：硐室爆破f<20 Hz；露天深孔爆破f=10～60 Hz；露天浅孔爆破f=40～100 Hz；地下深孔爆破f=30～100 Hz；地下浅孔爆破f=60～300 Hz；(3)爆破振动监测应同时测定质点振动相互垂直的三个分量。

机械振动产生地震冲击波向外传播，导致地表、地下建构筑物产生振动，考虑到其破坏过程是一个累积损伤过程，一旦受振物体抗破坏能力降低，承载力弱化到一定程度，就可能产生振动破坏。开采区西侧边坡排险修复加固工程中主要为机械施工对宁杭客运专线铁路路基结构、桥梁结构、隧道结构的振动破坏。宁杭客运专线铁路不同于普通受振物体或被保护对象，分析评价时允许质点振速取较安全的数值作为安全振速判别标准。

砂村集中开采区排险修复加固施工时宁杭客运专线铁路路基结构、桥梁结构、隧道结构的基础质点振动速度采用类萨道夫斯基经验公式计算

式中V——保护对象所在地质点振动速度；

R——质点至振源的距离/m；

Q——振源能量/(t·m)；

m——系数，一般取0.5；

K、α——与振源至计算保护对象间的地形、地质等条件有关的系数和振动地震波衰减指数，可按表3选取，或通过现场试验确定。

根据工程设计资料，考虑本项目工程地质条件、水文地质条件等诸多地质因素，并结合现场调查情况，选取K=250、α=1.8。根据施工设备参数，机械振动频率为7.5 Hz；锤总重量为2.565 t，冲程按1.5 m，则振动能量Q=2.565×1.5=3.85 t·m。

表3 不同岩性的K、α值

5 开采区边坡排险修复加固对铁路安全影响分析及评价

5.1 预先危险性分析评价

根据工程地质、水文地质条件及客运专线铁路与开采区设计资料，结合现场调查情况，参照危险有害因素分级表(表1)，预先危险性分析评价结果见表4。

表4 生产单元预先危险分析

5.2 边坡稳定性安全影响分析评价

根据最不利位置处的剖面图资料及设计参数(剖面图位置及对应分区见图1)，采用GEO-SLOPE极限平衡有限元软件对砂村集中开采区西侧边坡整体稳定性进行分析计算，代表性剖面计算结果见图2～图7。

图2 A-A′剖面设计边坡整体稳定性分析计算结果(最不利潜在滑动面)

图3 A-A′剖面设计边坡整体稳定性分析计算结果(另一组不利潜在滑动面，顺层面)

图4 B-B′剖面设计边坡整体稳定性分析计算结果(最不利潜在滑动面)

①宁杭客运专线铁路凤凰山隧道范围影响区(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ区)：从图5、图6、图7计算结果可知，若集中开采区设计边坡发生整体性失稳，不利的潜在滑动面在坡顶处距宁杭客运专线铁路水平距离大于100 m，距离较远，对宁杭客运专线铁路隧道结构无不利影响。

②宁杭客运专线铁路凤凰山隧道杭州端与凤凰大桥南京端之间影响区(Ⅰ-2、Ⅲ区)：从图4计算结果可知，如集中开采区设计边坡发生整体性失稳，最不利的潜在滑动面在坡顶处距宁杭客运专线铁路水平距离大于60 m，对宁杭客运专线铁路路基结构无不利影响。但此段边坡以土质边坡为主，设计时建议考虑边坡防护与加固，防止特殊条件下边坡产生牵引式破坏，避免对宁杭客运专线铁路产生不利影响。

图5 C-C′剖面设计边坡整体稳定性分析计算结果(最不利潜在滑动面)

图6 C-C′剖面设计边坡整体稳定性分析计算结果(另一组不利潜在滑动面，顺层面)

图7 D-D′剖面设计边坡整体稳定性分析计算结果(最不利潜在滑动面)

③宁杭客运专线铁路凤凰大桥南京端与跨宁杭高速公路特大桥之间影响区(Ⅰ-3、Ⅳ、Ⅴ区)：对于Ⅳ区，从图2、图3计算结果可知，如集中开采区设计边坡发生整体性失稳，不利的潜在滑动面在坡顶处距宁杭客运专线铁路路基坡脚水平距离最近处约8 m，距离较近；设计方案中此区保留现状，并严禁进行人工清理、机械开挖。考虑到此段范围设计边坡为岩质边坡，如严格按设计方案施工，不对现状边坡进行扰动和破坏，并采取合理有效的措施对坡面进行加固防护处理，则对宁杭客运专线铁路路基结构的影响较小。对于Ⅰ-3、Ⅴ区，无边坡稳定性问题，主要为机械施工振动对宁杭客运专线铁路可能有不利影响。

5.3 类萨道夫经验公式法分析评价

用质点振动速度作为判据，根据表2中的安全允许振速，参照国内工程实践经验，路基、桥梁、隧道及其他附属设施安全允许振速取3 cm/s。无砟轨道以水电站中心控制室设备安全允许振速0.5 cm/s为安全参数要求，可计算出振动安全允许距离，计算结果见表5。

表5 类萨道夫经验公式法计算振动安全允许距离

①宁杭客运专线铁路凤凰山隧道范围影响区(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ区)：根据设计资料，集中开采区机械施工距宁杭客运专线铁路水平距离为120～420 m之间，大于振动安全允许距离，因此振动对宁杭客运专线铁路无不利影响。

②宁杭客运专线铁路凤凰山隧道杭州端与凤凰大桥南京端之间影响区(Ⅰ-2、Ⅲ区)：根据设计资料，集中开采区设计边坡距宁杭客运专线铁路最近约70 m，采用人工清理方式，局部辅以机械清理，但未明确机械清理的具体范围。此段范围宁杭客运专线铁路为路基形式，根据表5计算结果，建议可能产生振动危害的机械设备施工距宁杭客运专线铁路路基坡脚的安全距离建议按62 m考虑。

③宁杭客运专线铁路凤凰大桥南京端与跨宁杭高速公路特大桥之间影响区(Ⅰ-3、Ⅳ、Ⅴ区)：Ⅳ区采用人工清理方式，无振动影响。Ⅰ-3区距宁杭客运专线铁路最近处约50 m，根据设计资料，以人工清理为主，辅以机械清理，建议可能产生振动危害的机械设备施工距宁杭客运专线铁路路基坡脚的安全距离按62 m考虑。Ⅴ区为平整回填区，无振动影响。

④表5中计算公式参照国内打桩振动及强夯地震效应的测试研究成果，施工期间可进行工艺性试验，现场确定振动安全允许距离。

6 结论

(1)根据砂村集中开采区西侧边坡稳定性分析计算结果可知，设计边坡整体稳定性问题对宁杭客运专线铁路线路及设施无不利影响。

(2)根据类萨道夫经验公式计算结果，建议振动允许安全距离暂按62 m考虑，即考虑振动影响，建议按62 m的安全施工距离考虑。在此范围内可能存在振动危害的机械设备施工前应通过现场工艺性试验确定振动安全允许距离。

(3)砂村集中开采区边坡排险修复加固正式施工前应针对影响宁杭客运专线铁路范围编制专门的施工组织方案，并报宁杭客运专线铁路运营管理单位审批，审批后方可正式施工，并严格按审批后的施工组织方案规范施工。充分考虑定性、定量评价中的评价结论和提出的建议措施，则该排险修复加固工程的各种主要危险有害因素能得到有效的控制，对宁杭客运专线铁路线路及设施的危险有害程度能达到I级受控程度。

[1] TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)[S]

[2] 王树槐，童家琨，伍勇，等.德清县洛舍镇砂村集中开采区西侧边坡排险修复加固设计[R].湖州：浙江省核工业二六二大队，2013

[3] GB/T13861—2009生产过程危险和有害因素分类与代码[S]

[4] GB18218—2009重大危险源辨识[S]

[5] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册(第四版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[6] GB50330—2002建筑边坡工程技术规范[S]

[7] GB6722—2011爆破安全规程[S]

[8] 姚道平，张艺峰，谢志招，等.打桩振动对建筑物影响评价方法探讨[J].世界地震工程，2008，24(4):142-147

[9] 吴铁生.打桩振动效应观测及振动指标探讨[J].高原地震，2004，16(1):40-44

[10]赵继光，蔡业青.强夯地震效应的测试研究[J].广东公路交通，2001，68(2):13-17

SafetyandEffectAnalysisofRepairingandStrengtheningtheSlopeofShacunConcentrationExploitationAreaonPassengerDedicatedRailway

ZHU Shu-nian

2014-08-27

朱树念(1980—)，男，硕士，高级工程师。

1672-7479(2014)06-0028-06

U49； U216

： A