山区铁路高陡路基边坡绿色防护研究

王 祥

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

在山区修建铁路,不可避免地要开挖山体,形成大量人工边坡。 这些人造边坡破坏了原有岩土体的结构和植被生长条件,带来边坡稳定、水土流失、植被恢复等一系列问题,对建成后线路的安全运营、水土保持、生态环境保护等造成不利影响。

近年来,部分学者开展铁路路基边坡的绿色防护设计。 李英杰论述胶新铁路绿色通道方案构思与实践[1];周诗广等对我国铁路绿色通道提出了建议[2];姜益民对平原地区普速铁路绿色通道设计进行探讨[3];郭浏卉等结合铁路绿色防护特点和环境,提出铁路路基绿色防护的区划方案[4];柯尧等进行南宁至广州高速铁路的绿色通道设计研究[5-6];王成青认为铁路绿色通道建设应根据工点类型选择绿化形式[7-8];杨栋林等研究树种配置等绿色防护问题[9];刘向东探讨秦沈高铁路基的边坡防护问题[10];田召圣分析目前高速铁路绿色通道建设中存在的问题[11];刘瀚舒研究高速铁路站区景观绿化问题[12];宣立华采用生态袋及钢绳格栅网对京张高铁1 ∶1.25 较缓的岩质路堑边坡进行绿色防护,认为锚拉式绿色防护结构经济效益显著[13];郝进京结合向莆铁路岩渣高路堤工程,提出多元加筋柔性排水绿色生态护坡技术[14];蔡德钩等针对不同坡率进行纤维结构团粒喷播生态防护技术的适用性研究[15-16];吕宋等基于层次分析原理,提出铁路路基边坡生态防护效果评价方法[17];刘晓光等认为边坡绿化是当前铁路工程的工作要点之一[18-19]。

不难看出,以往研究多集中在绿色通道以及缓边坡的绿色防护方面,对于高陡路基边坡,如坡率陡于1 ∶1 时,还缺乏有效的绿色防护方案。 在福建花岗岩地区,水土流失较严重,如何有效进行路基边坡的绿色防护设计,值得进行深入研究。 为此,在赣龙扩能铁路长汀南站、河田站开展了大型原位路基工程绿色防护试验研究,以期实现高陡边坡和花岗岩边坡的绿色防护。

1 工程概况

赣州至龙岩铁路扩能改造工程位于江西省东南部、福建省西南部,西起江西省赣州市,东至福建省龙岩市。 经过江西的赣南和福建的闽西地区,横穿闽赣边界的武夷山脉,两侧地势差异较大,地面高程为50~1 200 m,自然坡度一般为35°~45°,局部达到60°~70°,地形地貌、地质条件十分复杂,为典型的复杂山区铁路。 该线为国铁I 级双线铁路,设计时速200 km,正线长250 km,路基工程长约54 km,占线路总长度的21.6%[20]。 高陡边坡工点地形地貌见图1。

图1 高陡边坡工点地形地貌

区内各种软硬岩广泛分布,危岩落石、滑坡、岩堆、放射性、瓦斯等不良地质体发育。 工程沿线地层岩性复杂多变,岩体破碎,边坡开挖后易失去稳定。 另外,沿线岩浆岩侵入也造成了较严重的水土流失,如何实现山区高陡路基边坡的绿色防护是工程修建的突出问题。

2 绿色防护应用研究

2.1 常规绿色防护设计

绿色防护设计一般遵循应因地制宜、安全可靠、经济适用和植物防护与工程防护措施综合应用的原则,达到恢复自然景观、与周边环境和谐的效果。

国内边坡绿色防护形式较多,可大致分为3 类:喷播绿化(包括液压喷播和客土喷播)、植生带(毯)法、植生袋法。 不同的边坡绿色防护技术适应条件也不尽相同,但绝大多数边坡绿色防护技术仅适用于缓边坡(小于45°),采用常规的植被方法即可。 常用的绿色护坡方法有:挂三维网喷播植草绿化,挖沟植草绿化、植草皮护坡、有机基材喷播植草绿化等。

2.2 花岗岩路基边坡绿色防护设计

全线花岗岩地段长度约90 km,局部地段自然山体有较严重的水土流失,面积超过80%。 根据既有赣龙线病害调查,采用香根草防护的部分路堤地段,由于雨水冲刷,坡面产生了浅层溜坍;而采用骨架护坡的地段,也有部分地段发生了水土流失的病害。

在广泛调研的基础上,在河田车站开展了椰纤维网边坡生态防护试验,建立现场监测系统,对边坡的植被生长、水土流失等情况进行监测,以验证设计的合理性。

椰纤维网植被护坡技术在国外已有较多的应用,是一项国际公认的生态环保水土保持绿化产品。 与其他常用的边坡植物防护方式相比,椰纤维网护坡技术具有适应不规则坡面、保水和抗雨水冲刷能力强、养护成本低、保土作用明显、可自然降解为有机肥料等优点。

河田车站花岗岩全风化层厚度大于30 m,路堤本体采用风化花岗岩,全风化花岗岩路堑边坡最高21 m,车站内路堤及路堑边坡均采用椰纤维网生态防护技术。

路堤椰纤维网生态防护见图2。 路堤椰纤维网生态防护由有机基材、椰纤维网、草等组成。 有机基材的主要成份是:活性黏性种植土、椰粉砖、玻璃纤维、粘合剂和保水剂。 基材喷射厚度8~10 cm,基材中的黏性红土、椰粉砖、营养土的比例为8 ∶1 ∶1(体积比)。1 m3基材中外加材料含量:玻璃纤维0.9 kg,稻草纤维10 kg,粘合剂150 g,复合肥10 kg。 喷播草籽选用根系发达茎矮叶茂并适于本地区成活的多年生草种,喷播草籽含量≮30 g/m2。

图2 路堤边坡椰纤维网生态防护(单位:m)

路堑边坡椰纤维网生态防护由锚杆、防护网、有机基材、椰纤维网、草、排水设施等组成。 坡面每隔10 m设1 条混凝土排水槽,(上与坡顶镶边相接,下与平台截水沟相连)。 其中,锚杆采用ϕ20 mm 的HRB335 级钢筋,长锚杆和短锚杆呈梅花形交替布置,锚杆间距1 m,长锚杆长1.5 m,短锚杆长0.8 m。 孔内灌注M30 水泥砂浆。 防护网采用ϕ2.6 mm 机编高镀锌铁丝网,网目尺寸8 cm×12 cm,挂网幅边采用ϕ2.2 mm铁丝绑扎,防护网采用镀锌绑丝或砼垫块固定。

在基质喷播施工完成后,将椰纤维网从坡顶向下铺设,采用U 形钉以50 cm 间距予以固定。 椰纤维网铺设完成后,采用喷浆机进行液压喷播草种,将含有草籽、粘着剂、肥料、保水剂、绿色颜料、纤维素以及有机物质和水等配制而成的黏性浆体直接喷送至边坡坡面。

根据现场试验,在边坡没有植被覆盖时,椰纤维网抗雨水冲刷径流速度为3 m/s,可以抵抗大雨的冲刷;植物生长茂盛时,能抵抗冲刷的径流速度达6 m/s。

该工点路基边坡采用椰纤维网生态防护的绿化效果明显。 喷播草籽后的草种成活率大于90%,坡面植物覆盖率达95%,绿化效果好。 边坡植被逐步形成与周边环境协调一致的原生态环境景观效果,达到了预期的目标,成型后的椰纤维网生态防护见图3。

图3 成型后的椰纤维网生态防护

本试验工点路基边坡椰纤维网生态防护与“C25 混凝土拱形截水骨架+空心砖内植草防护”的综合单价基本相当(约109 元/m2),但采用椰纤维网生态防护技术可减少骨架、空心砖等混凝土圬工约2 000 m3,增加边坡生态防护面积约4 225 m2,在当今“双碳”的背景下,具有较好的应用前景。

2.3 新型绿色支档防护设计

为实现桩板结构无法绿化的难题,在长汀南车站应用预加固桩前框架锚杆绿色边坡支挡结构、桩间土钉绿色边坡防护结构,成功实现了高陡边坡工程支挡与绿色防护结构的有机结合。

生态袋边坡绿色防护一般采用堆叠法施工,适用于坡度小于45°的边坡,且厚层基材也无法直接应用于陡路基边坡。 因此,为了保证生态袋和厚层基材能够在陡边坡中实现稳定,不产生坍塌或倾倒、滑动破坏等,需要对生态袋和厚层基材进行改进。

长汀南车站主要位于丘陵区,地势起伏较大,自然坡度10°~20°,相对高差30~50 m。 地表均为第四系地层,厚0~3.5 m;下伏侏罗系粉砂岩,全-弱风化,全风化层厚2.5~19 m,强风化层厚25~40 m,节理裂隙发育,岩体较破碎。 路堑深度达30 m,处于强-全风化粉砂岩中。

(1)预加固桩前框架锚杆绿色边坡防护结构

预加固桩前框架锚杆绿色边坡防护结构主要应用在最下一级路堑边坡,采用“预加固桩前框架锚杆+改进的厚层基材(或改进的生态袋)”绿色边坡防护结构,上级边坡采用“预应力锚索和框架锚杆+绿色防护”,典型横断面见图4。

图4 预加固桩前框架锚杆绿色边坡防护结构典型横断面

桩身截面尺寸为1.75 m×2.0 m,桩长为16 m,桩与桩间距均为9.0 m,桩间距比一般抗滑桩大,有利于节省投资。 桩身采用C35 钢筋混凝土。 框架锚杆墙纵向间距3.0 m,竖向间距3.0 m,边坡坡率1 ∶0.5。锚杆采用ϕ32 mm 的高强度精轧螺纹钢,下倾角15°,锚杆长度均为9 m(其中锚固段长4 m),锚杆钻孔ϕ110 mm,锚杆孔内灌注M35 水泥砂浆,框架锚杆为边坡绿色防护提供良好空间,采用厚层基材或生态袋绿色防护体系进行绿化。

由于边坡较陡,基材表层采用短锚杆固定三维固土网垫防护。 垂直坡面锚杆采用ϕ16 mm 的HRB335 级钢筋,筋长3.0 m,锚杆钻孔ϕ50 mm,深3.0 m,间距2.5 m×2.8 m(纵向×竖向),锚孔的孔轴方向垂直于开挖面,锚固深2.80 m,孔内灌注M30 水泥砂浆。 当采用生态袋绿色防护体系时,生态袋采用短锚杆联合高强土工格栅加固防护。

预加固桩间距为普通加固桩的1.5~2 倍,可降低工程造价(300~500)万元/km,其工程造价略低于普通桩间板或桩间挡墙。

(2)桩间土钉绿色边坡防护结构

桩间土钉绿色边坡防护结构主要应用在最下一级路堑边坡,采用“加固桩间土钉+改进生态袋(或改进厚层基材)”绿色边坡防护结构,上级边坡采用“预应力锚索和框架锚杆+绿色防护”,典型横断面见图5。

图5 桩间土钉绿色边坡防护结构典型横断面

加固桩桩身截面尺寸为2.5 m×2.75 m,桩长为18 m,桩与桩间距均为6.0 m,桩身采用C35 钢筋混凝土。 桩间锚杆长7 m,下倾角10°。 纵向、竖向间距为1.2 m。 钉材采用ϕ28 mm 的HRB400 钢筋,土钉钻孔ϕ90 mm。

土钉坡面采用喷植厚层基材护坡时,由于边坡较陡,基材表层采用短锚杆固定三维固土网垫防护。 三维固土网垫铺设时,采用3.5 m(横向)×9.0 m(竖向)的三维固土网垫。

三维固土网垫用垂直坡面锚杆和横向固定钢筋固定,垂直坡面锚杆采用ϕ16 mm 的HRB335 级钢筋,筋长3.0 m,锚杆钻孔ϕ50 mm,深3.0 m,间距3.2 m×3.0 m。 锚孔的孔轴方向垂直于开挖面,锚固深2.80 m,孔内灌注M30 水泥砂浆。 当采用生态袋绿色防护体系时,生态袋采用短锚杆加高强土工格栅加固防护。

桩间土钉绿色边坡防护结构比拱形截水骨架内客土撒播草籽、栽种灌木的防护型式节省工期,施工方便,圬工量小,降低工程造价100 万元/km。

2.4 效果评价

为了研究防护效果,进行土体深层位移、桩后土压力、锚杆应力应变等现场监测,累计监测时间450 d。典型监测横断面见图6。

图6 典型断面监测元件布置

由深层测斜监测结果可知,边坡变形一般为20 mm 左右,最大为35 mm,边坡变形较小,且边坡深层位移已经收敛,表明边坡支挡结构能够保证边坡稳定。

土压力监测曲线见图7。 总体上土压力不大,在77~127 kPa 之间,接近主动土压力值,竖向分布形态接近梯形。

图7 DK162+100 监测断面土压力变化曲线

由图7 可知,中部锚杆比上部和下部锚杆受力大,上部锚杆受力最小,与设计情况一致。 格构锚杆受力一般为20~90 kN,总体上小于设计值,为设计值的1/2~1/7,说明预加固桩土拱效应明显,减小了桩前框架锚杆受力,且锚杆有较大的安全储备。

典型锚索应力变化曲线见图8。 由图8 可知,第二级缓边坡(1 ∶1.25)中的锚索受力一般在20~35 kN,锚索受力较小。 第一级复合锚索墙除DK162+225 断面中部锚索受力为120 kN,与设计锚固力108 kN 相当外,其他部位锚索锚固力监测值均较小,为30~50 kN,为设计值的1/3~1/2。 说明复合锚索墙边坡较为稳定,未产生较大荷载。

图8 DK162+225 断面锚索应力变化曲线

改进的生态袋防护效果见图9。 改进的生态袋、改进的厚层基材路基边坡植物覆盖率大于85%。

图9 改进的生态袋绿色防护效果

通车7 年以来,试验工点路基边坡经历了福建省内多次台风和连续集中强降雨的考验,边坡现状稳定,对于同类边坡工程防护具有良好的示范效应。

3 结论

(1)在铁路花岗岩路基边坡防护中应用椰纤维网生态防护技术,可有效防止水土流失,解决花岗岩路基边坡水土保持及边坡绿化问题,并形成部级工法。

(2)采用大间距预加固桩后置的形式,桩前采用框架锚杆联合基材(生态袋),可以满足全坡面绿色防护的要求;通过土钉联合表层短锚杆三维固土网垫固定的基材(生态袋),可实现抗滑桩之间的绿色防护。

(3)采用椰纤维网生态防护的草种成活率超过90%,坡面植物覆盖率达95%以上;采用改进的生态袋、厚层基材路基边坡植物覆盖率大于85%,绿化效果较好。