山區鐵路高陡路基邊坡綠色防護研究

王 祥

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

在山區修建鐵路,不可避免地要開挖山體,形成大量人工邊坡。 這些人造邊坡破壞了原有巖土體的結構和植被生長條件,帶來邊坡穩定、水土流失、植被恢復等一系列問題,對建成后線路的安全運營、水土保持、生態環境保護等造成不利影響。

近年來,部分學者開展鐵路路基邊坡的綠色防護設計。 李英杰論述膠新鐵路綠色通道方案構思與實踐[1];周詩廣等對我國鐵路綠色通道提出了建議[2];姜益民對平原地區普速鐵路綠色通道設計進行探討[3];郭瀏卉等結合鐵路綠色防護特點和環境,提出鐵路路基綠色防護的區劃方案[4];柯堯等進行南寧至廣州高速鐵路的綠色通道設計研究[5-6];王成青認為鐵路綠色通道建設應根據工點類型選擇綠化形式[7-8];楊棟林等研究樹種配置等綠色防護問題[9];劉向東探討秦沈高鐵路基的邊坡防護問題[10];田召圣分析目前高速鐵路綠色通道建設中存在的問題[11];劉瀚舒研究高速鐵路站區景觀綠化問題[12];宣立華采用生態袋及鋼繩格柵網對京張高鐵1 ∶1.25 較緩的巖質路塹邊坡進行綠色防護,認為錨拉式綠色防護結構經濟效益顯著[13];郝進京結合向莆鐵路巖渣高路堤工程,提出多元加筋柔性排水綠色生態護坡技術[14];蔡德鉤等針對不同坡率進行纖維結構團粒噴播生態防護技術的適用性研究[15-16];呂宋等基于層次分析原理,提出鐵路路基邊坡生態防護效果評價方法[17];劉曉光等認為邊坡綠化是當前鐵路工程的工作要點之一[18-19]。

不難看出,以往研究多集中在綠色通道以及緩邊坡的綠色防護方面,對于高陡路基邊坡,如坡率陡于1 ∶1 時,還缺乏有效的綠色防護方案。 在福建花崗巖地區,水土流失較嚴重,如何有效進行路基邊坡的綠色防護設計,值得進行深入研究。 為此,在贛龍擴能鐵路長汀南站、河田站開展了大型原位路基工程綠色防護試驗研究,以期實現高陡邊坡和花崗巖邊坡的綠色防護。

1 工程概況

贛州至龍巖鐵路擴能改造工程位于江西省東南部、福建省西南部,西起江西省贛州市,東至福建省龍巖市。 經過江西的贛南和福建的閩西地區,橫穿閩贛邊界的武夷山脈,兩側地勢差異較大,地面高程為50~1 200 m,自然坡度一般為35°~45°,局部達到60°~70°,地形地貌、地質條件十分復雜,為典型的復雜山區鐵路。 該線為國鐵I 級雙線鐵路,設計時速200 km,正線長250 km,路基工程長約54 km,占線路總長度的21.6%[20]。 高陡邊坡工點地形地貌見圖1。

圖1 高陡邊坡工點地形地貌

區內各種軟硬巖廣泛分布,危巖落石、滑坡、巖堆、放射性、瓦斯等不良地質體發育。 工程沿線地層巖性復雜多變,巖體破碎,邊坡開挖后易失去穩定。 另外,沿線巖漿巖侵入也造成了較嚴重的水土流失,如何實現山區高陡路基邊坡的綠色防護是工程修建的突出問題。

2 綠色防護應用研究

2.1 常規綠色防護設計

綠色防護設計一般遵循應因地制宜、安全可靠、經濟適用和植物防護與工程防護措施綜合應用的原則,達到恢復自然景觀、與周邊環境和諧的效果。

國內邊坡綠色防護形式較多,可大致分為3 類:噴播綠化(包括液壓噴播和客土噴播)、植生帶(毯)法、植生袋法。 不同的邊坡綠色防護技術適應條件也不盡相同,但絕大多數邊坡綠色防護技術僅適用于緩邊坡(小于45°),采用常規的植被方法即可。 常用的綠色護坡方法有:掛三維網噴播植草綠化,挖溝植草綠化、植草皮護坡、有機基材噴播植草綠化等。

2.2 花崗巖路基邊坡綠色防護設計

全線花崗巖地段長度約90 km,局部地段自然山體有較嚴重的水土流失,面積超過80%。 根據既有贛龍線病害調查,采用香根草防護的部分路堤地段,由于雨水沖刷,坡面產生了淺層溜坍;而采用骨架護坡的地段,也有部分地段發生了水土流失的病害。

在廣泛調研的基礎上,在河田車站開展了椰纖維網邊坡生態防護試驗,建立現場監測系統,對邊坡的植被生長、水土流失等情況進行監測,以驗證設計的合理性。

椰纖維網植被護坡技術在國外已有較多的應用,是一項國際公認的生態環保水土保持綠化產品。 與其他常用的邊坡植物防護方式相比,椰纖維網護坡技術具有適應不規則坡面、保水和抗雨水沖刷能力強、養護成本低、保土作用明顯、可自然降解為有機肥料等優點。

河田車站花崗巖全風化層厚度大于30 m,路堤本體采用風化花崗巖,全風化花崗巖路塹邊坡最高21 m,車站內路堤及路塹邊坡均采用椰纖維網生態防護技術。

路堤椰纖維網生態防護見圖2。 路堤椰纖維網生態防護由有機基材、椰纖維網、草等組成。 有機基材的主要成份是:活性黏性種植土、椰粉磚、玻璃纖維、粘合劑和保水劑。 基材噴射厚度8~10 cm,基材中的黏性紅土、椰粉磚、營養土的比例為8 ∶1 ∶1(體積比)。1 m3基材中外加材料含量:玻璃纖維0.9 kg,稻草纖維10 kg,粘合劑150 g,復合肥10 kg。 噴播草籽選用根系發達莖矮葉茂并適于本地區成活的多年生草種,噴播草籽含量≮30 g/m2。

圖2 路堤邊坡椰纖維網生態防護(單位:m)

路塹邊坡椰纖維網生態防護由錨桿、防護網、有機基材、椰纖維網、草、排水設施等組成。 坡面每隔10 m設1 條混凝土排水槽,(上與坡頂鑲邊相接,下與平臺截水溝相連)。 其中,錨桿采用?20 mm 的HRB335 級鋼筋,長錨桿和短錨桿呈梅花形交替布置,錨桿間距1 m,長錨桿長1.5 m,短錨桿長0.8 m。 孔內灌注M30 水泥砂漿。 防護網采用?2.6 mm 機編高鍍鋅鐵絲網,網目尺寸8 cm×12 cm,掛網幅邊采用?2.2 mm鐵絲綁扎,防護網采用鍍鋅綁絲或砼墊塊固定。

在基質噴播施工完成后,將椰纖維網從坡頂向下鋪設,采用U 形釘以50 cm 間距予以固定。 椰纖維網鋪設完成后,采用噴漿機進行液壓噴播草種,將含有草籽、粘著劑、肥料、保水劑、綠色顏料、纖維素以及有機物質和水等配制而成的黏性漿體直接噴送至邊坡坡面。

根據現場試驗,在邊坡沒有植被覆蓋時,椰纖維網抗雨水沖刷徑流速度為3 m/s,可以抵抗大雨的沖刷;植物生長茂盛時,能抵抗沖刷的徑流速度達6 m/s。

該工點路基邊坡采用椰纖維網生態防護的綠化效果明顯。 噴播草籽后的草種成活率大于90%,坡面植物覆蓋率達95%,綠化效果好。 邊坡植被逐步形成與周邊環境協調一致的原生態環境景觀效果,達到了預期的目標,成型后的椰纖維網生態防護見圖3。

圖3 成型后的椰纖維網生態防護

本試驗工點路基邊坡椰纖維網生態防護與“C25 混凝土拱形截水骨架+空心磚內植草防護”的綜合單價基本相當(約109 元/m2),但采用椰纖維網生態防護技術可減少骨架、空心磚等混凝土圬工約2 000 m3,增加邊坡生態防護面積約4 225 m2,在當今“雙碳”的背景下,具有較好的應用前景。

2.3 新型綠色支檔防護設計

為實現樁板結構無法綠化的難題,在長汀南車站應用預加固樁前框架錨桿綠色邊坡支擋結構、樁間土釘綠色邊坡防護結構,成功實現了高陡邊坡工程支擋與綠色防護結構的有機結合。

生態袋邊坡綠色防護一般采用堆疊法施工,適用于坡度小于45°的邊坡,且厚層基材也無法直接應用于陡路基邊坡。 因此,為了保證生態袋和厚層基材能夠在陡邊坡中實現穩定,不產生坍塌或傾倒、滑動破壞等,需要對生態袋和厚層基材進行改進。

長汀南車站主要位于丘陵區,地勢起伏較大,自然坡度10°~20°,相對高差30~50 m。 地表均為第四系地層,厚0~3.5 m;下伏侏羅系粉砂巖,全-弱風化,全風化層厚2.5~19 m,強風化層厚25~40 m,節理裂隙發育,巖體較破碎。 路塹深度達30 m,處于強-全風化粉砂巖中。

(1)預加固樁前框架錨桿綠色邊坡防護結構

預加固樁前框架錨桿綠色邊坡防護結構主要應用在最下一級路塹邊坡,采用“預加固樁前框架錨桿+改進的厚層基材(或改進的生態袋)”綠色邊坡防護結構,上級邊坡采用“預應力錨索和框架錨桿+綠色防護”,典型橫斷面見圖4。

圖4 預加固樁前框架錨桿綠色邊坡防護結構典型橫斷面

樁身截面尺寸為1.75 m×2.0 m,樁長為16 m,樁與樁間距均為9.0 m,樁間距比一般抗滑樁大,有利于節省投資。 樁身采用C35 鋼筋混凝土。 框架錨桿墻縱向間距3.0 m,豎向間距3.0 m,邊坡坡率1 ∶0.5。錨桿采用?32 mm 的高強度精軋螺紋鋼,下傾角15°,錨桿長度均為9 m(其中錨固段長4 m),錨桿鉆孔?110 mm,錨桿孔內灌注M35 水泥砂漿,框架錨桿為邊坡綠色防護提供良好空間,采用厚層基材或生態袋綠色防護體系進行綠化。

由于邊坡較陡,基材表層采用短錨桿固定三維固土網墊防護。 垂直坡面錨桿采用?16 mm 的HRB335 級鋼筋,筋長3.0 m,錨桿鉆孔?50 mm,深3.0 m,間距2.5 m×2.8 m(縱向×豎向),錨孔的孔軸方向垂直于開挖面,錨固深2.80 m,孔內灌注M30 水泥砂漿。 當采用生態袋綠色防護體系時,生態袋采用短錨桿聯合高強土工格柵加固防護。

預加固樁間距為普通加固樁的1.5~2 倍,可降低工程造價(300~500)萬元/km,其工程造價略低于普通樁間板或樁間擋墻。

(2)樁間土釘綠色邊坡防護結構

樁間土釘綠色邊坡防護結構主要應用在最下一級路塹邊坡,采用“加固樁間土釘+改進生態袋(或改進厚層基材)”綠色邊坡防護結構,上級邊坡采用“預應力錨索和框架錨桿+綠色防護”,典型橫斷面見圖5。

圖5 樁間土釘綠色邊坡防護結構典型橫斷面

加固樁樁身截面尺寸為2.5 m×2.75 m,樁長為18 m,樁與樁間距均為6.0 m,樁身采用C35 鋼筋混凝土。 樁間錨桿長7 m,下傾角10°。 縱向、豎向間距為1.2 m。 釘材采用?28 mm 的HRB400 鋼筋,土釘鉆孔?90 mm。

土釘坡面采用噴植厚層基材護坡時,由于邊坡較陡,基材表層采用短錨桿固定三維固土網墊防護。 三維固土網墊鋪設時,采用3.5 m(橫向)×9.0 m(豎向)的三維固土網墊。

三維固土網墊用垂直坡面錨桿和橫向固定鋼筋固定,垂直坡面錨桿采用?16 mm 的HRB335 級鋼筋,筋長3.0 m,錨桿鉆孔?50 mm,深3.0 m,間距3.2 m×3.0 m。 錨孔的孔軸方向垂直于開挖面,錨固深2.80 m,孔內灌注M30 水泥砂漿。 當采用生態袋綠色防護體系時,生態袋采用短錨桿加高強土工格柵加固防護。

樁間土釘綠色邊坡防護結構比拱形截水骨架內客土撒播草籽、栽種灌木的防護型式節省工期,施工方便,圬工量小,降低工程造價100 萬元/km。

2.4 效果評價

為了研究防護效果,進行土體深層位移、樁后土壓力、錨桿應力應變等現場監測,累計監測時間450 d。典型監測橫斷面見圖6。

圖6 典型斷面監測元件布置

由深層測斜監測結果可知,邊坡變形一般為20 mm 左右,最大為35 mm,邊坡變形較小,且邊坡深層位移已經收斂,表明邊坡支擋結構能夠保證邊坡穩定。

土壓力監測曲線見圖7。 總體上土壓力不大,在77~127 kPa 之間,接近主動土壓力值,豎向分布形態接近梯形。

圖7 DK162+100 監測斷面土壓力變化曲線

由圖7 可知,中部錨桿比上部和下部錨桿受力大,上部錨桿受力最小,與設計情況一致。 格構錨桿受力一般為20~90 kN,總體上小于設計值,為設計值的1/2~1/7,說明預加固樁土拱效應明顯,減小了樁前框架錨桿受力,且錨桿有較大的安全儲備。

典型錨索應力變化曲線見圖8。 由圖8 可知,第二級緩邊坡(1 ∶1.25)中的錨索受力一般在20~35 kN,錨索受力較小。 第一級復合錨索墻除DK162+225 斷面中部錨索受力為120 kN,與設計錨固力108 kN 相當外,其他部位錨索錨固力監測值均較小,為30~50 kN,為設計值的1/3~1/2。 說明復合錨索墻邊坡較為穩定,未產生較大荷載。

圖8 DK162+225 斷面錨索應力變化曲線

改進的生態袋防護效果見圖9。 改進的生態袋、改進的厚層基材路基邊坡植物覆蓋率大于85%。

圖9 改進的生態袋綠色防護效果

通車7 年以來,試驗工點路基邊坡經歷了福建省內多次臺風和連續集中強降雨的考驗,邊坡現狀穩定,對于同類邊坡工程防護具有良好的示范效應。

3 結論

(1)在鐵路花崗巖路基邊坡防護中應用椰纖維網生態防護技術,可有效防止水土流失,解決花崗巖路基邊坡水土保持及邊坡綠化問題,并形成部級工法。

(2)采用大間距預加固樁后置的形式,樁前采用框架錨桿聯合基材(生態袋),可以滿足全坡面綠色防護的要求;通過土釘聯合表層短錨桿三維固土網墊固定的基材(生態袋),可實現抗滑樁之間的綠色防護。

(3)采用椰纖維網生態防護的草種成活率超過90%,坡面植物覆蓋率達95%以上;采用改進的生態袋、厚層基材路基邊坡植物覆蓋率大于85%,綠化效果較好。