石太线路基边坡危岩落石整治方案研究

郭书云

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,太原 030013)

石太线路基边坡危岩落石整治方案研究

郭书云

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,太原 030013)

石太线危岩落石病害地段经常有危石坠落至线路,严重威胁行车安全。通过综合比较各种整治危岩落石的工程措施,最终确定因地制宜的安设高强度金属柔性防护网进行病害整治。并通过对一处典型病害工点进行三维激光扫描、落石轨迹模拟分析、落石最大速度和动能计算等研究,详细阐述金属柔性防护网的合理选型以及防护方案确定的方法。

石太线；危岩落石；柔性防护网系统；病害整治

1 概述

石太线北京铁路局管段东起石家庄枢纽，线路沿绵河、桃河向西延伸，经河北省石家庄市、获鹿县、井陉县，山西省平定县、阳泉市，至北京铁路局管界赛鱼车站，线路全长 117 km。

沿线路基病害概况：北京局管内病害以危岩落石为主。

危岩落石病害地段，山体岩石风化严重，节理裂隙发育，经常有危石坠落至道床，砸毁供电设备，严重威胁行车安全。每逢雨季和春融季节，情况更为严重。工务段多次进行扫石治理，均收效甚微，且清理风化严重的危石并不能从根本上治理病害，故需进行针对性的治理。

2 防护系统比较

伴随着人们对环境保护程度的重新认识，过去那种毫无生命的灰色景观正在逐步退出历史舞台，取而代之的是大量新型防护产品出现在传统的边坡防护领域。人们要求经过改造后的人工边坡即要稳定，又要美观。

与传统的典型圬工结构相比，柔性防护网系统SNS(Safety Netting System)不仅能起到以圬工为代表的传统边坡防护的效果，更能满足对坡面地质灾害防治的新技术的基本要求。同时SNS系统具有圬工结构无法比拟的优点。

(1)柔性防护网系统SNS的安装施工对既有线的运营影响小，避免了传统圬工防护工程施工时，因基础、坡面开挖等造成的山坡稳定性破坏和影响既有线安全行车等问题。

(2)柔性防护网系统SNS各部件的安装采用积木式的安装方法，具有安装简单、施工期短、劳力投入少、施工场地要求低等特点。尤其在山区等复杂地形条件下，很好地解决了传统防护措施施工困难、进度缓慢等突出问题。

(3)柔性防护网系统SNS采用的高强度金属材料，具有易铺展性和抗冲击性的特点，可以非常好地适应各类边坡坡面的防护。通过定型化设计，实现了系统产品的标准化和最优化，便于工程质量的控制。

(4)柔性防护网系统SNS将工程治理与环境保护融为一体，保护了原有植被的生长条件，并提供了人工绿化的条件。与传统圬工边坡防护后，毫无生命的灰色景观形成了鲜明对比。

(5)柔性防护网系统SNS利用技术成熟的金属涂层防腐技术，确保系统较长的寿命，一般可达40～60年。必要时只需更换少量部件即能延长使用寿命。

3 石太线某工点边坡落石整治

3.1 防护区域图

需要边坡防护的工点全貌见图1。

图1 石太线某工点边坡全貌

3.2 工程地质概况

既有线右侧为悬崖峭壁，地形陡峻，山体最大高度120余m，岩性为奥陶系石灰岩，中厚层-厚层，产状平缓，受风化作用影响，表层节理裂隙发育，结构破碎，存在危岩落石不良地质，其直径0.5～1.5 m，对行车安全构成严重威胁，为工务段一级防护点。

3.3 三维激光扫描

由于危岩落石的分析计算都是以工点横断面为基础进行的。所以横断面测量的精度，直接影响危岩落石的轨迹分析以及其他参数的计算结果。而对于陡崖险峻、复杂的路堑边坡，传统的全站仪法、GPS RTK法、水准仪绳尺法、经纬仪视距法等测量方法，无法实施或不能满足边坡危岩落石分析所需的精度要求。故本次采用三维激光扫描的测量方法，对所研究分析的路堑边坡坡面进行详细和精确的测量。三维激光扫描影像图见图2～图4。

图2 三维激光扫描测绘影像结果1

图3 三维激光扫描测绘影像结果2

图4 三维激光扫描测绘影像结果3

3.4 计算分析

(1)计算断面

本次选取典型断面进行模拟计算分析，根据前述的边坡工程地质调查和三维激光扫描测绘结果，岩体主要为石灰岩，陡崖的局部地段有少量植被覆盖，计算断面几乎无植被覆盖，故不考虑覆盖植被影响，在铁路路基处为碎石。计算断面如图5所示(计算依据三维激光扫描影像解译生成)。

图5 计算断面

(2)计算参数

根据前述的边坡工程地质调查岩层风化和节理裂隙的发育情况，计算参数如表1所示。

表1 计算参数

模拟计算时，根据现场调查情况综合判断，选取最大的落石方量为1.5 m3，危岩体密度2 500 kg/m3，因此模拟计算的落石质量为3 750 kg。落石的形状根据现场踏勘和偏于保守的角度考虑为近于圆形落石(倾倒破坏形成的块石多为多面体或者楔形体， 较难在下落时滚动)。同样处于偏保守的考虑，模拟分析时未考虑落石可能摔碎、破裂的情况。

另外，在计算时考虑了落石在下落过程中的滚动。同时，模拟分析时认为，落石的质量只对落石的运动能量有影响，对落石的路径、抛射距离无影响。落石下落时，都是从静止状态下落，落石初速度水平和垂直方向均设为0 m/s。

(3)落石轨迹模拟

根据现场实际地质条件和危岩发育情况，假定危岩分布处于陡崖中上部，软件计算分析出落石下落轨迹如图6所示。

图6 落石下落模拟轨迹

模拟计算共进行了100次落石模拟，根据模拟分析结果，在距坡脚15 m处，只有1落石穿过，即落石到达距坡脚15 m处的概率为1%。在距坡脚13、11、 9、7、5 m处的落石概率分别为9%、38%、45%、65%、82%，需要说明的是距坡脚较近处的落石概率包含了较远处的概率。从图6中可见，落石主要落在距坡脚5 ～11 m处的位置。

通过计算表明，由于边坡较陡近于直立，且边坡较高，落石下落和再次弹起都刚好砸在铁路上，严重危及列车运行安全。

(4)落石最大速度计算

经过软件计算，从图7可以看出，落石可能的最大速度为51.4 m/s。

图7 落石运动速度包络线

(5)落石最大动能计算

经过软件计算，从图8可以看出，落石可能的最大动能为333.7 kJ。

图8 落石动能包络线

3.5 分析结论

根据模拟计算的结果，落石在一定的情况下，可以滚落到距坡脚最远15 m处，其概率为1%。落石落在距坡脚5 ～11 m的概率最大。所有落石的落点都严重威胁到铁路列车运行的安全，并且由于坡陡且高，落石下落时的速度和动能都相对较大，危害相当严重。因此必须对该边坡进行危岩落石的防护整治。

3.6 确定防护方案

首先，清除陡崖部分危岩。在陡崖地段部分危岩已接近失稳的临界状态，可将此部分孤石清除。考虑到边坡高陡，此处边坡高度达120余m，且近直立，如采用主动防护措施施工难度较大，且存在落石包裹的后期维护问题；如坡脚单独采用被动防护网，危岩落石具有较大的速度和动能，坡脚被动防护措施难以保证铁路行车的安全。综上分析，采用新型的主、被动防护网相结合的防护网系统(窗帘式防护系统)。

3.7 窗帘式防护系统防护原理

窗帘式防护系统是运用引导的理念，通过防护网的引导、约束和阻滞作用，将危岩体控制在窗帘式网内，利用斜坡表面自然摩擦消能，从而使落石沿山体坡面向下运动的速度和轨迹受到控制，使其保持在合理的范围之内，并最终进入预先设定的落石收集区(堆积区)。从而达到对边坡进行防护的目的。它同时具有主动网和被动网的优点，又很好地克服了主动网与被动网存在的缺点，具有防护效果好、后期维护简单、施工期短等特点。

4 结语

早期的很多铁路线路，受当时选线理念、施工技术水平、国家经济实力等综合因素的影响，很多路堑的边坡非常陡而且高，并且缺少防护措施。路基边坡的危岩落石病害在既有老线中是比较普遍的。

针对危岩落石工点，主、被动防护网防护是常用措施，但大都没有严格按照标准化设计流程开展设计，特别是存在危岩调查不详细、缺乏滚石运动轨迹、能量分析，被动防护网型号选择及设置位置确定依据不充分等问题，多根据经验设置防护网。

三维扫描技术精度高，效率高，可以方便地截取典型断面进行重点落石分析，某些防护网专业机构已采用。国外考察结果表明窗帘式防护网在欧洲、日本已有较多应用，但我国还是主要局限于主、被动防护网，特别是某些地形条件特殊适合采用窗帘式防护网的工点而没有采用，近几年少数防护网企业正在对这种产品进行宣传推广。三维扫描技术、窗帘式防护网产品在危岩落石整治中应进一步推广应用。

通过对石太线某处危岩落石病害工点整治的研究和总结，详细阐述了整治危岩落石病害的分析步骤和方法，以及依据分析计算的结果，因地制宜地选取柔性防护网系统中的窗帘式防护系统。限于篇幅，对窗帘式柔性防护网系统仅介绍了其防护的原理，本文的研究方法与结果对于其他铁路及公路危岩落石病害的防护和整治都有较好的借鉴作用。

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Research on Treatment Scheme of Perilous Rocks and Falling Rocks for Protecting Subgrade Slope of Shijiazhuang-Taiyuan Railway

GUO Shu-yun

(Taiyuan Design Institute, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Taiyuan 030013, China)

In the perilous rocks and falling rocks zones along Shijiazhuang-Taiyuan Railway, there are often perilous rocks falling to the railway line, posing a threat to the operation safety of railway. For this reason, by comparison with various treatment measures of perilous rocks and falling rocks, and by adjusting measures to local condition, the flexible metal safety netting system (SNS) was employed to resist the falling rocks. Furthermore, in combination with the research for a typical rock-falling worksite on several issues such as three-dimensional laser scanning, simulation analysis of falling rock’s trace, calculation of maximum velocity and kinetic energy of falling rocks, etc., the paper illustrated how to reasonably select the SNS and how to determine the protection scheme.

Shijiazhuang-Taiyuan Railway; perilous rocks and falling rocks; flexible metal safety netting system; disease treatment

2013-07-05；

：2013-07-18

郭书云(1982—)，男，工程师，2004年毕业于石家庄铁道学

院铁道工程专业，工学学士，E-mail：43114545@qq.com。

1004-2954(2014)02-0004-04

U213.1+5

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.02.002