EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用

朱宏伟，蔡德钩，史存林

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

受地理位置及地质条件的影响，我国许多铁路线路走行于山谷之间。为保证线路的安全运营，山区铁路在设计期间或后期的运营维护中多采用棚洞或明洞来防护山坡落石或边坡坍塌。但在有些线路中，由于地形陡峻、交通不便、施工条件恶劣，工地附近无法就地取土，且外运土方受道路交通限制变得十分困难。在既有线的养护维修中这种矛盾尤为突出。

EPS板是由可发性聚苯乙烯珠粒经加热发泡后在模具中成型而制得的闭孔结构轻质板材，具有质轻、吸水率低、耐水、耐老化、耐低温、易加工、价廉质优等特点。由于EPS板密度可低至20 kg/m3，因此即使车辆无法通行的路段，人工搬运也非常容易实现。同时，洞顶填充物的改变明显降低了施工风险和难度，一定程度上可加快进度，缩短工期。从上世纪90年代起国内就开始将EPS板应用于明洞等工程的洞顶回填中，但是对于穿越高陡山区、有落石危险的线路来说，单纯的EPS板不能很好地分散冲击荷载。西康铁路在落石防护改造工程中采用了一种创新的方法，使用“EPS板+钢筋混凝土板+表层砂土”的复合结构取代传统的回填土，取得了良好效果。

1 工程概况

西康铁路白沙滩隧道进口紧接乾佑河桥，该桥中心里程K165+686，为(7×32+1×24)m预应力混凝土T形梁桥。线路左侧紧邻陡峻山坡，因山体石灰岩裸露，风化破碎严重，在降雨和地震作用下易发生落石，影响行车安全。如图1所示。西安铁路局将此段列为重点监控地段，长期派职工看守，特别是在汛期列为I级防控地点，设置守机联控，每年看守等费用达35万元。

图1 白沙滩隧道进口

工程地质情况:该段线路位于西康线东坪—青铜关区间，沿线地质条件复杂，出露的地层主要为侏罗系砂岩、泥岩、砾岩，夹层为页岩，侏罗系中、下统含1～2层煤系。沿线两岸山高谷深，水流湍急。白沙滩隧道进口里程K165+815，隧道外进口仰坡及左侧堑坡高约100 m，其后上方缓坡山体高约30 m。仰坡坡比1∶0.2 ～1∶0.8，左堑坡比 1∶0.1，大部为裸露的石灰岩，岩石呈中厚片状、薄片状直立构造，片体间隙较大，风化严重;岩石间隙中长有小乔木，局部有覆盖土层的坡面长有灌木及杂草，植物根劈作用显著，如图2所示。在距轨面16～100 m范围内仰坡及左侧堑坡存在大量破碎危石群及孤危岩块，在风化、根劈、降雨等因素的综合作用下造成危岩底部悬空，极易发生崩塌落石，严重危及下部桥梁设备及行车安全。

图2 隧道进口上方岩石裸露、破碎

地震动参数:根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)，该地段地震基本烈度Ⅳ度，本路段可不设防。待整治路段区域内未发现断层。

气候:白沙滩隧道位于秦岭南麓秦巴山地，属于北凉亚热带向暖温带过渡地段，年均气温12.2℃，年降水量800～1 000 mm。

2 方案比选

根据现场调研，受到落石威胁较为严重的是紧邻隧道进口约20 m范围内的线路，主要涵盖乾佑河桥的最后一跨。进行整治方案比选时，拟定了3个方案。

方案1:线路改线

在此段病害范围内，崩塌落石仅在局部发生，影响线路长度较小，如果改线则投资费用十分巨大，且给运营调度增加很多困难，因此该方案被排除。

方案2:安装主被动防护网

虽然主动防护网能加固边坡表层的破碎岩石，被动防护网也可拦截部分山体落石，但风化如此严重且地势较高的破碎山体，一旦产生较大体积的落石，主被动防护网难以保证线路安全。

方案3:轻质填料棚洞+被动防护网

拟在落石影响严重的路段增设高柱棚洞，棚洞顶部采用EPS板复合结构抵抗落石冲击。顶部结构从上到下分别为碎石土、钢筋混凝土现浇层、EPS板、防水层、T梁。棚洞下部采用桩加高柱托梁结构。同时，在棚洞靠山一侧高于洞顶的位置埋设被动式防护网，高柱外包EPS板，减轻侧向落石对结构的危害。

综合考虑各方面因素，方案3具有良好的可行性，原因如下:

1)我国EPS材料经过多年的发展，已经形成了完整的工业生产能力和自主的规范体系，材料性能稳定，货源充足，可以依据客户需求加工定制多种规格型号的产品，完全可以满足本次工程的需要，并能一次加工成所需厚度，减少现场连接工序，缩短施工周期。

2)本次落石防护整治工程施工条件十分不利。线路走行于高陡山岭中，地形陡峻，乾佑河绕山而过，工地附近无法就地取土，且外运土方受交通限制变得十分困难;洞顶回填土不能使用大型工程机械，只能靠小型设备进行碾压作业，相当耗费时间;施工时间受天窗制约，作业时间十分有限。而采用方案3的新型棚洞结构，其位于桥面以下的桩基及墩柱施工不受天窗制约，洞顶的T梁、EPS板均可以预制成型后利用天窗时间在现场进行吊装，同时减少了洞顶回填土方量，极大地节省了施工时间，也给施工组织提供了很大便利。

3)采用EPS板代替明洞或棚洞顶部的填土，在国外应用已经非常广泛。日本在防落石的棚洞结构中，广泛采用了EPS材料，把其作为轻型缓冲填料，以吸收冲击能量和减少结构重量。国内通过室内试验和太岚线扫石车站近20年的工程应用实践，充分表明其承载能力和抗冲击能力均大于填土材料，完全可以替代洞顶填土。

因此，方案3所采用的新型棚洞结构在技术上是可行的。该方案具有方便运输和施工、工期较短的特点，对于既有线改造来说，具有明显的经济效益和社会效益。

3 设计方案

3.1 EPS板复合结构抗冲击荷载试验

冲击试验表明，纯EPS板不能很好地分散落石冲击力，为此研究出“上覆砂土+钢筋混凝土板+EPS板”的复合结构来替代传统的洞顶填土。该结构为三层复合结构，上层铺设一定厚度的起缓冲作用的砂土，中间层设置20 cm厚钢筋混凝土板，使冲击力均匀向下传递，最下层设置50 cm厚EPS板材(20 kg/m3)。砂土层有吸收冲击力和分散荷载的效果，钢筋混凝土板进一步分散荷载，EPS板可以吸收冲击力，整个复合结构可以很好地将冲击荷载转化为均布荷载，保护棚洞结构不受落石破坏。

为了验证复合结构对棚洞的保护作用，日本进行了抗冲击试验。将重锤从高空自由落体砸落在EPS抗冲击复合结构、单层EPS板结构及单层砂土上，测试这三种结构所受到的荷载，比较这三种结构对冲击力的缓冲效果。经试验验证，当使用2 t重锤从20 m高度自由落下，经过砂土、钢筋混凝土板、EPS板后，传递到下方结构物的最大应力为0.4 MPa，抗冲击荷载效果明显优于单层砂土或单层EPS板结构，试验结果如表1所示。

由表1可知，采用EPS板复合结构代替洞顶回填土，洞顶的冲击动应力仅为传统填土方案的10%左右，这将大大减少棚洞的设计荷载，有利于降低工程总体造价。

表1 不同缓冲层结构荷载分散试验结果

3.2 设计方案

本项目设计原则:棚洞结构设计以挠度控制为主，挠度≤5 mm。防排水遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，采用切实可靠的工程措施，保障结构物和设备正常使用和行车安全。

根据现场的地形地质条件，勘察选定在K165+794.095—K165+815.295段增设21.35 m棚洞工程，其中棚洞左侧(邻近山坡一侧)靠近隧道的8 m采用重力式挡土墙作为承重结构，其余部分采用高柱棚洞形式。棚洞顶部采用EPS板抗冲击复合结构，顶部结构层从上往下依次为:30 cm厚碎石土、20 cm厚钢筋混凝土现浇层、50 cm厚EPS板、防水层(甲种防水层，铺设250 g/m2的无纺土工布)、90 cm高T梁。在棚洞上方的边坡上设置被动式防护网，在立柱上外包20 cm厚EPS板材，减轻侧向落石对结构的危害。在棚洞靠山一侧立柱外加挂密目钢筋网，防止落石侧向落入轨道。棚洞上部结构如图3所示。

图3 棚洞上部结构

为节约工期，T梁采用吊装安装。在洞顶左侧纵梁上设置凹槽，T梁一端搁置在凹槽中，另一端安置在右侧纵梁上。在防水层铺好后施作EPS板，然后整体浇注钢筋混凝土板，在工作缝处断开。新建棚洞与既有隧道联接处设5 mm施工缝。在纵梁设工作缝处该跨不设纵联，在挡墙处不设纵联。

防排水措施:棚洞左侧重力式挡土墙8 m范围内设置天沟，拦截雨水;棚洞顶部结构采用2%的坡率，向线路右方倾斜。盲沟、防排水工程及排水管等材料性能指标应符合图纸《贰隧(02)0066》的要求。

4 结语

西康线白沙滩隧道进口落石防护工程经比选采用了“轻质填料棚洞+被动防护网”方案，其“表层砂土+钢筋混凝土板+EPS板”的洞顶结构不仅减少了土方运输及碾压工作量，而且减小了棚洞的设计荷载，有利于工程的优化设计。具体表现在以下几个方面:

1)试验表明，EPS板复合结构可以使棚洞受到的冲击应力减小到单独采用回填土情况下的10%左右，不仅减轻了结构自重，而且大大减少了棚洞的设计荷载，有利于降低工程造价。

2)白沙滩隧道进口紧接乾佑河大桥，工点附近无土方来源，土方需远程运输后垂直提升到洞顶进行回填，且碾压只能靠人工辅助小型设备，工效很低。EPS板复合结构减少了回填土方量，且EPS板可以预制成型后一次性铺设，有利于缩短工期。

3)采用的“轻质填料棚洞+被动防护网”方案适合于白沙滩隧道进口特殊的地形条件，预制T梁通过吊装安装，对既有线运营干扰较少，施工组织较为便利。

4)对于既有线抢险、维修等工程，早日开通意义重大。EPS板抗冲击复合结构是一项创新技术，该技术的应用会明显降低施工风险和难度，加快进度，缩短工期，具有良好的推广价值。

［1］赵清俊，王怀忠.“EPS”材料在落石防护工程中的应用［J］.铁道建筑，1995(1):20-23.

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