既有沪昆铁路水城至六盘水区间危岩落石整治方案研究

曾 诚, 周关学, 孙梦雨

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031；2.四川外国语大学成都学院，四川成都 611844)

1 工程概况

安顺至六盘水铁路在水城站接轨后利用既有沪昆铁路水城至六盘水区间进入六盘水站。水城至六盘水区间沪昆下行线基本傍山修建，以路堤和半填半挖路基为主，右侧为路堑高陡边坡，铁路左侧临近城市[1]。

由于既有沪昆铁路水城至六盘水区间下行线为上世纪60年代修建的原贵昆铁路，设计标准低，区间危岩落石危害严重，对危岩落石的整治方案制约着安六铁路是否能按期开通至六盘水站。

2 区间内危岩落石发育情况

根据现场调查，沪昆下行线K242+580～K243+420危石工点由于右侧边坡高陡，危石分布多，对行车安全影响较大。具体情况如下。

该段位于水城断陷盆地边缘，地形陡峻，坡面高程1 801～2 025 m，自然坡度40 °～70 °，山脊与铁路高差约224 m，距离铁路约200 m，为单面坡，斜坡长、陡峭。基岩为石炭系中统黄龙群(C2hn)灰岩，中厚层状，弱风化层，岩层走向与线路近于垂直，倾角51 °，表层溶蚀严重，石笋、石芽发育，受断层影响，节理裂隙发育，节理呈张开状，岩体较破碎，受节理切割，坡面分布有危岩、落石。坡面植被茂密，底部多为杂木树，中部为杂草，有浅层覆盖土，无放牧及耕种。

3 区间危岩落石整治方案研究

根据前述地形、地质条件及K242+580～K243+420段危岩落石情况，对地面横坡较缓，高度较低的K242+758～K242+960段修建桩板拦石墙，并在拦石墙上方设置1道被动网，由于K242+960～K243+330段地形陡峻，采用拦石墙、落石槽、主被动防护网等综合防治方案防护效果难以保证，故K242+960～K243+330.58段采用新建370.58 m棚洞防护方案，增设棚洞防护范围及桩板拦石墙如图1所示。

图1 增设棚洞方案示意

对于在既有线上修建棚洞的方案，结合棚洞所采用的材料不同，本次方案分别研究了钢筋混凝土棚洞、柔性钢结构棚洞和波纹板棚洞三个方案，具体方案研究情况如下。

3.1 钢筋混凝土棚洞方案

方案概况：该方案在沪昆下行线K242+960～K243+330.58段增设钢筋混凝土棚洞，全长370.58 m。内侧(靠山侧)结构为重力式挡土墙，外侧结构由立柱和纵梁组成，立柱纵向间距5.45 m，截面尺寸0.8 m×0.8 m；立柱基础采用桩基础，桩长14～24 m。纵梁采用现浇，截面尺寸0.8 m(宽)×1.0 m(高)，与立柱连接处加腋。顶梁采用预制的钢筋混凝土T形梁及现浇钢筋混凝土横顶梁。钢筋混凝土棚洞方案典型断面如图2、图3所示。

图2 钢筋混凝土棚洞方案典型横断面

图3 钢筋混凝土棚洞方案外墙纵断面

钢筋混凝土棚洞工程施工工序：(1)施工准备(含接触网、缆线迁改)；(2)挖孔桩施工；(3)立柱及纵梁施工；(4)内边墙；(5)横顶梁及纵梁施工；(6)T梁预制；(7)T梁架设；(8)回填及防水层施工。

施工组织及工期：钢筋加工厂及临时材料堆放场设置在K243+100线路左侧耕地上，拆除临街房屋即可打通运输通道，施工材料从人民路运至临时材料堆放场，然后垂直提升至线路上，最后转运至施工工点。钢筋混凝土棚洞方案施工工期7个月[2]。

工程投资：钢筋混凝土棚洞工程投资2 334万元。

3.2 柔性钢结构棚洞方案

方案概况：该方案在沪昆下行线K242+960～K243+330.58段增设柔性钢结构棚洞，全长370.58 m。棚洞以型钢框架作为承载体，以柔性网作为防撞体。结构主要组成部件包括：钢拱架、撑杆、φ18钢丝绳、消能器、环形网、双绞六边形网及支座等。环向钢拱架采用H400型钢，纵向间距3.0 m；撑杆采用φ114×4钢管。棚洞内侧基础采用条形基础，截面尺寸1.0 m×1.5 m；外侧基础采用桩基托梁，桩基间距6 m，托梁断面尺寸1.0 m×1.5 m。柔性钢结构棚洞方案如图4、图5所示。

图4 柔性钢结构棚洞方案典型横断面

图5 柔性钢结构棚洞方案轴测图

柔性钢结构棚洞工程施工工序：(1)施工准备(含接触网、缆线迁改)；(2)挖孔桩施工；(3)托梁施工；(4)钢架安装及格栅网铺设；(5)废旧轮胎回填。

施工组织及工期：场地布置及材料运输方式同钢筋混凝土棚洞，柔性钢结构棚洞方案施工工期5个月。

工程投资：柔性钢结构棚洞工程投资3 353万元。

3.3 波纹板棚洞

方案概况：该方案在沪昆下行线K242+960～K243+330.68段增设波纹板棚洞，全长370.68 m。棚洞以波纹板作为防撞体和承载体，波纹板波高300 mm，波距110 mm，壁厚8 mm，材质采用Q345B，板片间采用高强螺栓连接，接缝处及螺栓孔采用封缝胶进行防水处理。棚洞内侧基础采用条形基础，截面尺寸1.0 m×1.5 m；外侧基础采用桩基托梁，桩基间距6 m，托梁断面尺寸1.0 m×1.5 m。波纹板棚洞方案如图6、图7所示。

图6 波纹板棚洞方案典型横断面

图7 波纹板棚洞方案示意

波纹板棚洞工程施工工序：(1)接触网拆除及缆线迁改、挖孔桩及托梁施工同柔性钢结构棚洞；(2)纹板拼装；(3)旧轮胎回填。

施工组织及工期：场地布置及材料运输方式同钢筋混凝土棚洞，波纹板结构棚洞方案施工工期6个月。

工程投资：波纹板棚洞工程投资2 982万元。

3.4 棚洞方案比选

钢筋混凝土棚洞、柔性钢结构棚洞、波纹板棚洞三个方案各方案的优缺点比较如下。

从施工工期分析：柔性钢结构棚洞方案和波纹板棚洞方案可采取工厂化制作，装配式施工，能节省时间，满足按期建成通车要求；钢筋混凝土棚洞方案通过合理的施工组织亦能满足按期建成通车的要求。

从防护危岩落石的效果分析：钢筋混凝土棚洞防危岩落石能力相对较强，而柔性钢结构棚洞、波纹板棚洞防危岩落石防护能力相对较弱，特别是波纹板棚洞一般在大于200 kJ能级的危岩落石作用下就可能发生向外侧整体倾倒。

从运营维护上分析：钢筋混凝土棚洞后期运营维护工作量小，柔性钢结构棚洞、波纹板棚洞需要定期检修，对螺栓连接进行检查，运营维护工作量相对较大。

从工程投资分析：钢筋混凝土棚洞较柔性钢结构棚洞方案、波纹板棚洞方案投资较省。

从运营安全分析：各方案均能基本满足运营安全需要，钢筋混凝土棚洞可靠性相对最高，柔性钢结构棚洞方案居中，波纹板棚洞方案相对较低。

综上所述，波纹板棚洞方案工期虽然能满足要求，但其仅能抵御小于200 kJ能级的危岩落石作用，而本处危岩落石分布位置高，下落动能大，因此不宜采用。钢筋混凝土棚洞方案虽然施工工期较柔性钢结构棚洞方案稍长，亦能满足按期建成通车的要求，且比柔性钢结构棚洞方案投资少、后期运营维护工作量小、抗危岩落石能力强。

因此，对该段修建棚洞方案推荐采用钢筋混凝土棚洞方案。

4 钢筋混凝土棚洞设计概况

4.1 棚洞限界设计

本线按旅客列车设计行车速度100 km/h并通行双层集装箱，同时为满足棚洞段接触网与路基段接触网衔接要求，本棚洞距内轨顶面净高为7.7 m，内轮廓横向净宽按6.7 m设计。

4.2 棚洞洞身结构设计

(1)K242+960～K243+330.58路基段增设棚洞，每三跨一个单元，共计17个单元，一个单元长21.78 m。棚洞纵断面布置详见图8～图10。

图8 钢筋混凝土棚洞外墙纵断面(2个单元)

图9 钢筋混凝土棚洞典型横断面1

图10 钢筋混凝土棚洞典型横断面2

(2)棚洞线路左侧结构由立柱和纵梁组成，立柱纵向间距5.45 m，截面尺寸0.8 m×0.8 m；立柱基础采用桩基础，桩长14～24 m。纵梁采用现浇，截面尺寸0.8 m(宽)×1.0 m(高)，与立柱连接处加腋。顶梁采用预制的钢筋混凝土T形梁及现浇钢筋混凝土横顶梁。T型梁间的缝采用半干硬性细石混凝土填塞。

(3)棚洞线路右侧(靠山侧)内墙为混凝土挡墙，其中K242+979～K243+289段内边墙结构为重力式挡土墙，挡土墙露空处采用C20片石混凝土回填密实，其余段内边墙结构为衡重式挡土墙，挡土墙衡重台下部露空处采用C20片石混凝土回填密实，上部采用1 m厚C25混凝土缓冲层+夯填土石回填形成落石槽。

5 结束语

结合既有沪昆铁路水城至六盘水区间地形、地质条件及危岩落石情况，综合考虑施工工期、防护落石效果、运营维护难易程度、工程投资等因素，对水城至六盘水区间危岩落石整治研究了钢筋混凝土棚洞、柔性钢结构棚洞和波纹板棚洞，其中波纹板棚洞方案抵御危岩落石能力较钢筋混凝土棚洞方案及柔性钢结构棚洞方案都相对较弱，然而本区间危岩落石较为发育，安全可靠度低，因此不宜使用；钢筋混凝土棚洞方案虽然施工工期较柔性钢结构棚洞方案稍长，但亦能满足按期建成通车的要求，且比柔性钢结构棚洞方案投资少、后期运营维护工作量小、抗危岩落石能力强，故经过综合方案比选选取钢筋混凝土棚洞方案作为推荐方案。