南崇铁路危岩落石特征及整治措施研究

莫雁冰

(广西南崇铁路有限责任公司,广西 崇左 530022)

0 引言

高速铁路为线性工程,其跨越区域大、穿越地貌、地质单元多样,工程建设复杂[1]。广西山区铁路工程区域通常边坡陡峭、岩体破碎、竖向节理发育、植被覆盖较少,勘察人员到达困难而使界定危岩落石的难度大,准确度及精确度受到影响,以致于建设阶段防护措施的选择不合理。为减少危岩落石对铁路施工及运营安全的威胁,本文依托新建南宁至崇左铁路(以下简称南崇铁路),针对具体地段地形地貌特征及危岩落石发育特点,采取有效的综合整治措施,从而达到减灾目的。

1 工程概况

1.1 项目简介

南崇铁路是南宁至凭祥城际铁路的重要组成部分,是我国通向东盟国家的国际通道,是广西壮族自治区全额投资建设的第一条高速铁路。项目于2018年12月全面开工,2022年12月开通运营。正线全长119.3 km,设计速度为250 km/h。

1.2 项目地质简况及危岩特征

南崇铁路位于广西西南部,线路经过区间分别属于南宁盆地及剥蚀低山丘陵地貌、溶蚀平原地貌、剥蚀丘陵地貌、溶蚀孤峰平原地貌,高程在70～300 m。

全线碳酸盐岩地段长82 km,占线路总长的69%,沿线主要是弱风化灰岩、白云岩,竖向节理发育,坡面陡峻且表面植被稀疏,危岩呈张开状态广泛分布,坡脚多落石,对线路主要造成危岩落石的危害为不稳定孤石顺坡滚落、滑落[2]。局部路段陡崖坡面多为临空危岩、表面岩体受多组结构面切割成块体状,易大范围塌落危石而危及线路。

2 危岩落石整治思路及原则

2.1 总体思路

2.1.1 从选线角度源头降低风险原则

南崇铁路危岩落石严重,选线设计以贯彻“地质选线”原则,尽量绕避大规模崩塌地段,从源头降低风险。在铁路线位选定前把危岩落石作为突出因素考虑,在线路多发、频发和集中发育的危岩落石区以及风险控制困难的危岩落石区,从选线角度最大限度地绕避以降低风险。

2.1.2 精准勘探提升风险控制精准度原则

该隧道洞口危岩落石危害问题突出,采取综合勘探手段,结合现场调查、勘探或无人机探测等方法,逐点查明落实高陡边仰坡节理、裂隙发育和山体斜坡危岩落石的分布范围、高度、规模和危害程度,从而研判和评估危岩落石风险程度,提升风险控制措施和危岩落石防治方案精准度。

2.2 综合整治原则

南崇铁路危岩落石整治原则总体分为清除危岩或加固、支顶、嵌补危岩、拦截和引导落石、设置和接长明洞等防治原则,降低危岩落石风险。

2.2.1 清除危岩原则

(1)路基坡面上、临近桥梁的坡面节理发育大、有零星落石以及可能产生大块径岩体掉落岩石,应予以清除。

(2)隧道洞口上方坡面存在对铁路工程影响大的高位大块径危岩体(>2 t),应予以清除。

2.2.2 加固、支顶、嵌补危岩原则

(1)坡面存在局部不稳定岩体,难以清除或清方引起自然坡面植被破坏面积较大时,应采取支顶、嵌补、锚固等可靠的加固措施。

(2)危岩体清方可能引发更大范围的危岩松动等次生风险时,不得清除,应采取锚杆或锚索等可靠的加固措施。

(3)坡面发育深层节理、可能产生大块径岩体掉落的,清理难度大则应进行锚固。

2.2.3 拦截和引导落石原则

在危岩落石清除与加固措施基础上,结合地形条件、坡面植被覆盖、落石轨迹分析结果等因素,采取帘式网、主动网、被动网、拦石墙、落石槽等一种或若干种措施进行联合防护。通过消能引导拦截设施改变冲击方向来消除对线路影响。

2.2.4 明棚洞设置及长度确定原则

若危岩体难以得到有效清除与加固,在隧道洞外有设置较缓平台条件时,采取设置或接长明棚洞进行综合防护。

目前铁路一般利用Rockfall软件分析落石的运动轨迹、弹跳高度和冲击能量,据此提出综合防护措施[3]。项目结合现场调查和勘测得到的地形地貌、落石块径、危岩高度等因素,选取最危险地面线,设定落石等效直径和高度,通过软件模拟仿真,推算落石可能的运动轨迹、弹跳高度、冲击动能等关键设计参数,从而确定设置或接长明棚洞的范围和方式等。

该隧道各参数图形如图1～4所示。

图3 最大弹跳高度包络曲线图

图4 最大冲击能量包络曲线图

3 危岩落石综合整治流程

在危岩落石设计阶段联合铁路局相关管理部门根据现场实施情况现场勘查危岩落石工点,综合线路上方危岩体的高度、分布、危岩块径、危岩规模、山体坡度、植被覆盖等情况,充分考虑机械设备搬运、吊装、作业平台设置等施工因素,通过研究危岩落石清除与加固的必要性及可行性来选定整治方案,并结合方案实施的难易程度设定整治流程,依次确定采取清除、加固、加强明棚洞、拦截引导等合理稳妥的单一或综合整治措施。

若在线路上方分布大规模危岩体,可能发生较大规模崩塌造成毁灭性后果的,且危岩落石隐患无法消除时则采取改线绕避方案。

南崇铁路危岩落石整治流程如图5所示。

图5 落石整治流程图

4 危岩落石综合整治措施方案及效果

2019年5月至2021年5月,项目各参建方在危岩落石设计阶段联合铁路局相关管理部门对南崇铁路存在危岩落石地段涉及7段路基、7段桥梁、8座隧道进出口及浅埋段工点37处,危岩落石整治点37处,多批次对危岩落石点进行现场核查,并研定对采用清除、加固、加强明棚洞、拦截引导等适用范围和使用情形,形成各批次综合整治方案,从而对全线危岩落石整治实施进行整体性全过程把控,确保在铁路开通前一次性通过危岩落石验收。

4.1 清除

全线采用清除危岩落石情形是:在清除难度较小,坡面上堆积落石的多危岩体、峰丛、孤峰地貌区高陡山体表面的高位危岩体以及极可能对铁路运营危害大的危岩体,通过对危岩体的彻底清除来消除落石风险。

4.2 加固

全线根据危岩体坡面发育节理、表层岩体破碎、风化剥落和危岩体积程度采取了锚索(锚杆)加固、锚网喷加固、支顶、嵌补加固来有效降低危岩落石风险。

(1)锚索(锚杆)加固。发育深层节理、可能产生大块径岩体掉落的,采用清除方案难以清除时,采取稳妥的锚索(锚杆)加固措施稳定大块径岩体。

(2)锚网喷加固。表层岩体破碎、风化剥落严重的,采取清除表层破碎围岩措施后仍难以清除的,采取锚网喷加固等措施保证岩体稳定。

(3)支顶、嵌补加固。对于小块径危岩,在进行了充分的研究论证后不进行清除,而是采取支顶、嵌补危岩的防护措施。

某桥梁线路左侧综合整治方案为:清除危岩体+边坡侧面支顶、嵌补+第四、五边坡主动网+边坡锚网喷+第一台阶被动网,如图6所示。

4.3 设置和接长明棚洞

在隧道进出口处受危岩落石影响地段为剥蚀丘陵或溶蚀孤峰、隧道洞外具备设置平台时,采用设置和接长明棚洞防护。

某隧道出口线路右侧综合整治方案为:接长明棚洞+张口式帘式网+被动网,如图7所示。

图7 某隧道出口线路右侧综合整治效果图

4.4 拦截引导

在路基、桥梁或隧道进出口设置接长明棚洞等措施,但未能彻底清除危岩落石隐患时,可综合考虑柔性防护网和刚性结构拦截引导消能除患。

某隧道进口线路右侧综合拦截引导整治方案为:线路右侧张口式帘式网+被动网+拦石墙及刚性格栅,如图8所示。

图8 某隧道进口线路右侧综合拦截引导整治效果图

4.4.1 柔性防护网拦截引导

全线柔性防护网拦截引导采用主动网(危岩体稳固系统)、被动网(落石拦截系统)和帘式网(落石引导系统)。

4.4.1.1 主动网防护

全线采用主动网防护的情形是:节理、裂隙不发育的弱风化硬质岩且整体稳定的路堑边坡防护;局部存在大块径危岩孤石坡面;坡表岩体完整性较好或锚杆锚固条件较好的坡面;边坡高度不大(一般≤20 m);地表起伏不大的自然边坡;开挖平整、岩体完整性较好或挂网喷混凝土支护后的人工边坡等。主动网防护通过全坡面安装锚杆系统加固作用,对坡体起到较好的稳定加固作用。

4.4.1.2 被动网防护

全线采用被动网防护的情形是:节理、裂隙发育且整体稳定的岩质边坡或松散块石土质边坡;坡表岩体完整性较好仅局部存在零星分布块石;坡度中缓的高边坡(≤45°)、高度>20 m的高缓边坡;坡表起伏小且坡度较缓的边坡等。被动网防护采用柔性结构实现截停落石、避免落石上线,避免下方主体结构遭受破坏,缓冲落石运动降低能量,减少对下方遮盖结构(明洞或棚洞)或拦挡结构(拦石墙)的冲击。

4.4.1.3 帘式网防护

全线采用帘式网防护的情形是:节理、裂隙发育且整体稳定的岩质边坡或表层为松散碎石土和碎石块等堆积物形成的边坡;可能出现崩塌落石为主的整体稳定岩石边坡;坡表岩体破碎或局部存在块石边坡;锚固条件差,不宜大量安设锚杆坡面;高陡边坡;对于坡度近直立且高差较大的岩质边坡等。帘式网防护采用系统锚杆安装数量少,施工扰动较小,能实现对高能级危岩落石防护,将落石引导至坡脚,方便及时清理维护。

4.4.2 刚性结构拦截引导

全线刚性结构拦截引导主要采用拦石墙与落石槽综合设置进行防护,部分隧道洞口拦石墙顶部设置了刚性格栅防护网。刚性结构拦截引导有效实现截停落石、避免落石上线,避免下方主体结构遭受破坏,缓冲落石运动降低能量,减少对下方遮盖结构(明洞或棚洞)或拦挡结构(拦石墙)的冲击。

5 结语

通过在建设阶段与运营管养部门开展联合动态、分批次阶段现场勘查,获得准确翔实的地形地貌等情况,在此基础上开展充分分析和评价,研定危岩落石整治方案,南崇铁路最终主要采用了清除危石、加固危石、设置及接长明棚洞、设置拦截和引导危石的柔性或刚性防护等综合整治措施有效降低危岩落石风险,做到整治措施可行、经济、技术合理,为类似地质条件的铁路危岩落石整治提供借鉴。