危岩落石棚洞-拦石墙新型组合结构防护措施研究

贺鹏

1.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），西安710043；2.轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院），西安710043

随着我国高速铁路的快速发展，交通干线逐渐向山区延伸，落石灾害越来越突出，时常危及铁路行车安全。拦石墙是一种常见的危岩落石被动防护措施，其为刚性拦截结构物，可阻止大的落石侵入铁路限界，是使用最广泛的一种防护措施。孙新坡等［1］基于离散元方法对崩塌灾害进行了数值模拟，得出冲击动力响应与拦石墙高度、崩塌体运动距离、崩塌体内部块石摩擦因数、坡脚与拦石墙间的缓冲区距离均有关系。邓力源等［2］研究了废旧轮胎在新型柔性拦石墙中的应用。曾永红等［3］采用落石分析软件分析危岩落石滚落轨迹及能量分布，为拦石墙的建造提供了理论依据。唐红梅［4］分析了半刚性桩板结构拦石墙传力机理，并概化为落石→堤→桩及板→地基的传力过程，建立了落石冲击力及在土堤内扩散的计算方法，为拦石墙的设计提供了参考。Peila等［5］通过足尺试验对高塑性黏土拦石墙进行了研究，并与传统防护拦石墙进行了对比验证。

棚洞结构同样属于被动防护系统。鉴于棚洞本身即为隧道结构一部分，其在隧道受落石威胁地段是首选被动防护方式。棚洞可直接保护被保护对象，并缩短线路长度通过落石威胁区，但投资比拦石墙大，后期维保需要停车。康翔杰等［6］针对混凝土的冲击破坏，对混凝土动态破坏面进行了研究，引入了破坏面修正系数，为落石冲击棚洞的数值仿真模型提供了借鉴意义。刘成清等［7］基于能量法建立了被动柔性棚洞各个构件的耗能计算原理公式，为柔性棚洞的设计及防护能级的判定提供了理论依据。何思明等［8-10］对棚洞进行了较为系统的研究，基于接触理论推导出了落石对棚洞冲击压力的计算公式，得出了回弹恢复系数以及回弹规律。王玉锁等［11-12］利用数值模拟对落石冲击拱形明洞的动力响应进行了研究，并对其进行了室内缩尺模型试验，提出了拱形明洞的可靠度设计方法。柳春等［13］提出了SPH-FEM耦合数值模拟算法，提高了落石冲击棚洞动力响应计算效率。Kishi等［14］利用原型试验对滚石冲击砂垫层棚洞的动力响应进行了研究。Delhomme等［15］提出了在棚洞混凝土顶板和棚洞梁之间加入金属耗能器的设计理念，解决了棚洞填土层自重大、缓冲能力有限的问题。

棚洞和拦石墙各有优点，但对两者结合的防护措施鲜有报道。本文结合黔张常（黔江—张家界—常德）铁路张家界禾家村车站，在既有单线棚洞的基础上，为了满足站场扩线需求而又不影响铁路的正常运行，通过结合拦石墙和棚洞结构各自优点，提出一种新型棚洞-拦石墙组合结构，并对其稳定性进行验证，以期运用于落石防护区的棚洞改造和站场扩线等场地狭小地段。

1 工程概况

黔张常铁路位于湘西北、鄂西南和渝东南交界地带，线路自渝怀铁路黔江站引出东行，途经重庆市、湖北省、湖南省，正线长336.3 km。沿线地形起伏较大，岩壁陡峻，基岩出露，地层为第四系全新统坡积粉质黏土、细角砾土，全新统及上更新统冲积粉质黏土、细（粗）圆砾土，下伏基岩为志留系下统龙马溪组页岩夹砂岩。地质灾害突出，其中危岩落石对线路的危害较为严重。

本文工点位于张家界禾家村车站内，地貌属低山山麓及澧水宽谷区，山坡坡度较陡，植被茂密。为了防止危岩落石，确保行车安全，运营部门曾增设了137 m长的单线棚洞防护措施。但由于禾家村车站站场扩线，由单线铁路扩线成八股道，既有单线棚洞已经满足不了危岩落石防护宽度及范围的需求。为了不影响铁路的正常运行，同时克服场地狭小的限制，亟待提出新的解决方式。既有棚洞防护措施见图1。

图1 既有单线棚洞

2 危岩落石运动路径的模拟

2.1 参数介绍

考虑到该段由区间扩场增加股道，防护范围进一步增加。为确定可能的落石滚落范围，采取激光三维扫描技术获取边坡三维模型，截取边坡断面，通过落石分析软件对未施加任何防护措施情况下的落石运动轨迹进行模拟分析。三维激光扫描成果以及截取的典型断面见图2。

图2 三维激光扫描成果及计算典型断面

采用RocFall软件对落石的运动轨迹进行数值模拟。参考既有焦柳线长期运营监测到的落石大小数据，落石半径选为0.5 m以确定轨迹及冲击能量。根据坡面特征及文献［16］建议的恢复系数选取范围（表1），输入边坡的法向恢复系数、切向恢复系数以及摩擦角三种参数即可进行计算。由于本工程边坡主要是强风化硬岩表面且上覆植被，故选取法向恢复系数0.35，切向恢复系数0.88，摩擦角30°；铁路线水平面主要是松散碎石路面，选取法向恢复系数0.25，切向恢复系数0.60，摩擦角30°。落石在断面顶部下落，水平初速度、竖向初速度均为0，跌落统计次数为500次。

表1 文献[16]建议恢复系数的选取范围

2.2 模拟结果

本文截取了5个典型断面，由于每个断面在软件中的运动轨迹相似，故只选取了断面1在RocFall软件中的落石运动轨迹示意。在未施加任何防护措施的情况下，落石的运动轨迹见图3。

图3 断面1落石运动轨迹

由图3可知：因坡面比较崎岖造成落石在坡面上多次碰撞反弹，且由于在靠近边坡底部的位置有一个高136.21 m，与水平线近似54°的陡崖，造成落石弹跳以后最终以一个较高的高度落下，并运动至边坡底部，在铁路线路水平面上发生反弹后最终停留在铁路线路面上。因此，危岩落石存在随时侵入铁路线路的可能，威胁铁路列车正常安全运行。

经过对5个典型断面的模拟计算，可以得到落石在整个轨迹中最大冲击能量。断面1—断面5最大冲击能量包络线见图4。可知：5个断面的冲击能量曲线变化趋势大致相同，在上部陡崖（横坐标0左侧）附近具有最大冲击能量；落石在边坡顶部发生滚落过程中产生的最大冲击能量为2 300 kJ，发生在断面2上部陡崖附近；落石运动至铁路路线（横坐标0右侧）附近时，冲击能量为800～1 800 kJ，仍然具有较大的冲击能量，落石存在侵入铁路所在区域的可能性，有必要在边坡底部施加防护措施以减小落石的冲击能量。

图4 断面1—断面5落石最大冲击能量包络线

3 落石防护方案

根据现场危岩落石情况调查并结合5个典型断面落石模拟分析结果，可以得出该里程段坡面本身及危岩落石情况复杂，危岩落石危害程度巨大。为了加强防护，工程中已经在边坡坡面铺设了一层帘式防护网，并于山体坡麓处和棚洞顶部适当位置设置一道柔性被动防护网。采用的帘式网为50 mm×60 mm网状结构，被动网为φ50 mm网状结构。帘式网、被动网均为网状结构，仍存在小于网眼尺寸零星落石坠落的可能，且网式防护结构长期处于野外自然环境下，养护维修不便，并存在破损导致落石漏网的隐患。

考虑新建禾家村车站为焦柳铁路、黔张常铁路两场并场，共设八股道的规模，结合列车开行方案等因素，为确保铁路能够正常运行，又能克服场地狭小的限制，保证结构体系布设的灵活性以及场地适宜性，采用在既有单线棚洞结构顶部加设新型拦石墙形成棚洞-拦石墙组合结构的防护方案。

棚洞-拦石墙组合结构分为上、下两层结构，下部结构利用原既有单线棚洞，上部结构采用锚索肋板式拦石墙结构，锚索通过横向肋板墙锚固在边坡中。锚索肋板式拦石墙沿线路纵向每隔3.5～5.5 m设置横向肋板一道，肋板厚度0.6 m，肋板内设置2道锚索，拦石墙面板沿线路纵向贯通设置，厚度0.8 m，面板每2跨设置一道横向伸缩缝，缝宽2 cm，缝内填塞沥青麻筋。棚洞-拦石墙组合结构下部既有棚洞的顶板上方铺设0.5 m厚填土缓冲层。设计的棚洞-拦石墙组合结构方案如图5所示。

图5 棚洞-拦石墙新型组合结构设计方案

4 稳定性验算

在传统重力式拦石墙稳定性计算基础上，结合棚洞-拦石墙新型组合结构，提出了该结构稳定性计算方法。以其中一跨作为计算单元，对其稳定性进行验证。新建锚索肋板式拦石墙上部结构高度为8 500 mm，拦石墙宽度为800 mm，混凝土（C35）的轴心抗压强度设计值为16.7 N/mm2，纵筋（HRB400）屈服强度标准值为400 N/mm2，保护层厚度为40 mm，纵筋间距为200 mm，纵筋计算截面面积为4.909 cm2。

4.1 抗滑动稳定性验算

棚洞-拦石墙组合结构抗滑动稳定性是指作用于该结构的最大可能的抗滑力与实际滑动力之比，用抗滑动稳定系数Kc表示。棚洞-拦石墙主要受拦石墙肋板重力G1、拦石墙面板重力G2、落石对墙体的冲击力P、上锚索拉力Ps1及下锚索拉力Ps2的作用。假设落石冲击荷载P作用到拦石墙面板顶部，此时该结构最容易倾倒。棚洞-拦石墙组合结构抗滑动稳定性受力如图6所示。其中α为锚索倾斜角。

图6 棚洞-拦石墙新型组合结构抗滑动受力示意

经过受力分析，拦石墙沿基底的抗滑动稳定系数Kc计算式为

式中：∑N为作用于基底上的总垂直力，kN；f为拦石墙基底与下部棚洞摩擦因数；Ps1x、Ps2x分别为上下锚索拉力的水平分力，kN；Ps1y、Ps2y分别为上下锚索拉力的垂直分力，kN。

参考重力式拦石墙抗滑动稳定系数临界值，棚洞-拦石墙组合结构抗滑动稳定系数Kc不应小于1.3。

α=11.5°的锚索能够承受的拉力值Ps1=Ps2=8 544 kN。由于边坡上方已经施加帘式防护网，并于山体坡麓处和棚洞顶部适当位置设置了一道柔性被动防护网，为了规避小于网眼的零星落石坠落，参考网眼结构大小，结合实际情况，取落石半径为0.25 m。由于本文落石直接冲击拦石墙水泥混凝土面板，因此，参考文献［17］对落石直接冲击钢筋混凝土棚洞板动力响应的研究结果，取0.25 m半径落石以20 m/s直接冲击棚洞板时最大冲击力为5.5×103kN，以验证棚洞-拦石墙的稳定性。经计算可以得出Kc=7.54，大于安全系数临界值1.3，说明棚洞-拦石墙组合结构满足抗滑动稳定性要求。

4.2 抗倾覆稳定性验算

棚洞-拦石墙组合结构抗倾覆稳定性受力如图7所示。

图7 棚洞-拦石墙组合结构抗倾覆受力示意

经过受力分析，拦石墙抗倾覆稳定系数K0计算式为

式中：∑My为稳定力系对拦石墙面板右墙趾总力矩；∑M0为倾覆力系对拦石墙面板右墙趾总力矩；ZPs1x、ZPs2x分别为上下锚索水平受力力臂；ZG1、ZG2分别为拦石墙肋板墙、面板墙重力力臂；ZP为落石冲击力力臂。

参考重力式拦石墙抗倾覆稳定系数临界值，棚洞-拦石墙组合结构抗倾覆稳定系数K0不应小于1.6。

经计算可得K0=3.86，远大于1.6，说明棚洞-拦石墙组合结构满足抗倾覆稳定性要求。

经过验算，落石冲击棚洞-拦石墙面板最不利位置时，棚洞-拦石墙组合结构稳定性仍然比较高，能够满足稳定性要求。同时，在既有棚洞上方修建拦石墙结构，增加了拦石墙的有效高度，可以解决落石跨越问题。棚洞-拦石墙组合结构现场实况见图8。

图8 棚洞-拦石墙组合结构现场实况

5 结论

1）棚洞-拦石墙新型组合结构是一种可以直接在既有棚洞上修筑拦石墙的有效建设方案，结合了两者各自的优点，且不影响铁路正常运营。

2）棚洞-拦石墙新型组合结构安全稳定系数较高，能够抵抗落石对其冲击作用。

3）在既有棚洞上方修建拦石墙结构，能够增加拦石墙的有效高度，解决落石跨越问题。棚洞-拦石墙组合结构能够为其他棚洞改造和场地狭小的站场扩线问题提供借鉴。