关于铁路路堑边坡区域地质灾害防治的思考

 
【关 键 字】 铁路  区域地质灾害  路堑边坡
【摘    要】 区域地质灾害是铁路工程建设和运营不可避免的工程难题。通过介绍南广铁路梧州段路堑边坡区域地质灾害防治的基本情况、项目地质灾害危险性评估成果以及相关区域地质灾害防治研究现状,分析从区域地质灾害防治角度开展铁路路堑边坡设计的重要性和必要性,提出将区域地质灾害防治贯穿路堑边坡工程整个寿命周期的观点,从设计、施工、运营维护的角度指出区域地质灾害防治的基本思路。
 
高速铁路建设以来,路基地基处理、填料质量、工后沉降控制及其施工组织安排等得到了各方的高度重视,路堤边坡发生病害的现象基本得以消除,但对路堑边坡相对重视不够,特别是工程条件比较复杂或容易发生崩塌、工程滑坡等区域地质灾害地段。尽管业界已经认识到,在勘察设计阶段如何尽量降低不良地质对工程的影响,对铁路工程的施工及运营安全具有非常重要的意义[1];在不良地质时宜“地质选线”比选线路方案时对地质因素考虑最多[2];有关人员针对川藏铁路选线问题指出在调查拟建川藏铁路沿线主要地质灾害及分析其特征的基础上,从地质角度研究其选线原则[3],但是,对于区域地质灾害潜在风险的预防未引起足够的重视。南广铁路桂平至肇庆段,尤其是梧州段路堑边坡工程施工中发生的区域地质灾害就非常典型,从区域地质灾害防治的角度对铁路路堑边坡设计方案进行思考和总结,对工程建设、运营维护和所在地区类似工程建设将具有重要的意义。
 
1 工程概况
 
南宁至广州高速铁路跨越桂、粤两省区,是《国家铁路中长期规划》的重要项目之一,是广州至昆明高速铁路通道的组成部分,是连接我国西南与华南的快捷大通道。项目于2009年全面开工,于2014年12月26日建成并开通运营,取得了良好的社会经济效益,已经成为两广地区的经济大动脉。其中桂平至肇庆东段地貌以低山丘陵、低丘台地和山间谷地为主,总体地势是西北高东南低;属典型的亚热带季风气候,年平均气温21℃左右,年降雨量1300~1700 mm,最大日降雨量200~270 mm;地震动峰值加速度0.05g,反应谱特征周期为0.35 s,基本烈度为Ⅵ度;出露地层从新至老分别为第四系、白垩系、三叠系、石炭系、泥盆系、志留系、奥陶系、寒武系,出露地层岩性以紫红色粉砂岩、全风化花岗岩为主,上覆薄层含砾黏性土,侵入岩以酸性岩为主,风化强烈,风化壳厚达数十米,符合软岩在工程环境各种因素作用下,呈现软弱或松散破碎的自然性状产生显著变形或流动[4]的特性,属于软质岩层或土层;不良地质主要有崩塌(图1)、滑坡和坡面泥石流等;地下水以第四系孔隙(潜)水为主,靠大气降水和地表水补给,季节性变化大。全段线路总长284.92 km,路基工程长116.25 km,占40.8%,其中深路堑(边坡高度大于15 m )61处,长7.66 km,最深边坡高度达49.5 m,顺层边坡47处,长8.72 km。深路堑和顺层边坡主要分布在梧州市藤县、苍梧县境内,路堑边坡支护工程是南广铁路梧州境内的重点和难点工程。
 
 
图1 梧州境内既有崩塌灾害
1.1 原设计方案
 
(1)对于非顺层软质岩及土质边坡,当边坡高度不超过20 m时,分级设置M7.5浆砌片石拱型截水骨架护坡,级高按10 m控制,坡率为1∶1.25;当边坡高度大于20 m时,在坡底设一级重力式或桩板式挡土墙,墙高控制在8 m,其上分级设置M7.5浆砌片石拱型截水骨架护坡,级高按10 m控制,坡率1∶1.25~1∶1.5;对地质条件较差的边坡,采用加锚杆(长6~12 m)的混凝土框架代替M7.5浆砌片石骨架;分级平台宽度2 m,用M7.5浆砌片石封闭并设置截水沟;骨架护坡主骨架厚0.6 m,间距3.0 m,骨架内植草及灌木;堑顶外5 m设C25混凝土预制梯形天沟。
 
(2)对于顺层边坡,当岩层走向与线路走向夹角大于40°时,原则上不考虑顺层影响,按一般路堑设计,边坡放缓一级并适当加强边坡防护;对于无软弱夹层硬质岩边坡,当岩层视倾角小于15°时,也不考虑顺层的影响,按一般路堑设计;当岩层视倾角大于35°时,采用顺层清方;当岩层视倾角介于15°~35°时,根据顺层清方量及岩层间软弱夹层情况采取抗滑或预加固措施。
 
1.2 地质灾害情况
 
工程开工后,路基土石方集中安排在2009~2010年的旱季施工,至2010年雨季之前,路堑边坡开挖及上边坡防护施工基本完成,但绿色植物防护体系及永久性排水系统尚未形成。雨季来临后,梧州地区成型的路堑边坡普遍发生了崩塌及工程滑坡等地质灾害,相邻的广东云浮地区虽然也存在路堑高边坡,但并未发生同类灾害。崩塌主要表现为一、二级边坡表层及骨架的下切滑塌(图2),滑坡主要表现为线路右侧顺层滑塌(图3),甚至出现破坏桩或挡土墙的情况。至2010年9月,累计发生明显的崩塌9处、工程滑坡6处。调查发现,同期梧州境内南梧高速公路、马梧高速公路既有路堑边坡也发生了类似灾害。经分析,发生地质灾害的地层主要是白垩系下统粉砂岩地层或寒武系全风化花岗岩地层,虽然存在局部边坡开挖工艺不合理、绿色防护及排水系统没有及时形成等诱发因素,但强降雨及特有的地层岩性和地质构造是主要原因,表现出明显的地域特征。
 
 
图2 边坡下切滑塌
 
图3 工程滑坡
1.3 补强设计情况
 
2010年10月,经对全段路堑边坡地质灾害进行排查、补充勘察和研究,对梧州段路堑边坡设计制定了补强措施,结合大锚杆(长度8 m)加固路堑顺层边坡,施工工艺简单,可与锚固桩等措施配合使用,对地形、地质条件的适应性强[5]的特点,主要采用了分层稳定施工及坡脚的预加固处理[6]技术。
 
(1)对于非顺层软质岩及土质路堑边坡,在坡底设一级重力式挡土墙,墙高控制在8 m,新设挡墙高度控制在5 m,墙顶和墙底均设4.0 m宽平台,用M7.5浆砌片石封闭,上级边坡坡率1∶1. 5~1∶1.75,分级高度按10 m控制,部分工点为8 m或6 m,一级与二级边坡采用加锚杆(长12 m)的混凝土框架防护,三级及以上边坡采用M7.5浆砌片石拱型截水骨架防护,其余措施同原设计。详见图4。
 
 
图4 非顺层软质岩及土质边坡补强设计横断面(单位:m)
(2)对于顺层边坡:按滑坡检算边坡稳定性,滑体抗剪强度指标取c=10 kPa、φ=12°~18°。根据检算结果,一般情况下设一级重力式或桩板式挡土墙,个别工点采用了预应力锚索桩,墙高按8 m控制,墙顶设4.0~10 m宽平台,用M7.5浆砌片石封闭,上级边坡坡率1∶1. 5~1∶2,分级高度按8 m控制,一级与二级边坡采用加锚杆(长12 m)的混凝土框架防护,三级及以上边坡采用M7.5浆砌片石拱型截水骨架防护,在桩顶墙顶设位移观测点进行观测,在框架及平台上设边坡变形观测桩;其余措施同原设计;详见图5。
 
 
图5 顺层边坡支护补强设计横断面(单位:m)
1.4 运营后边坡状况
 
按照上述补强方案,梧州段路基边坡支护工程于2011年底基本完成,于2013年底通过静态验收,于2014年4月开始初期运营,截至目前已经过4个雨季考验。2015年底排查表明路堑边坡支挡结构未发现变形及开裂的现象,边坡也未发生崩塌灾害,零星存在骨架断裂、外鼓,平台和排水沟不均匀沉降等现象。总体上边坡保持稳定。在施工组织设计时靠前安排路堑边坡支护工程施工,根据区域地质灾害的发生情况及时采取补强整治措施,对于预防区域性地质灾害起到了重要作用。
 
2 地质灾害评价情况
 
区域地质灾害评价是指在一定的面积范围内,根据区域地质条件背景,地质灾害触发因素及人类活动状况,对区域地质灾害发生的空间、时间和可能造成的危害、损失所做出的各种分析与判断[7]。南广铁路于2007年启动项目前期工作,在可行性研究阶段开展了地质灾害危险性评估工作。评估成果明确地指出了梧州地区地质灾害的区域特征并预测了铁路边坡发生地质灾害的风险,但未引起重视。
 
2.1 地质灾害总体评价
 
通过对线路两侧各1 000 m的区域进行调查,在基本查明环境地质条件、现状地质灾害发育特征的基础上,对地质灾害的危险性进行评估。评估结果表明,南广铁路桂平至肇庆段所在区域地质环境条件复杂程度属于复杂类型,地质灾害危险性评估级别属于一级。
 
2.2 区域地质灾害特征[8]
 
评估报告指出,评估区地质灾害主要为崩塌和滑坡。调查共发现崩塌60处(土质49处,岩质11处),滑坡31处,集中分布在桂平市以及梧州市藤县及苍梧县。崩塌主要分布于白垩系粉砂岩夹页岩、泥岩中及地形坡度在50°~70°的边坡上,以滑移式破坏为主,由不适当的边坡开挖(人为因素,18处)和自然因素(降雨、地形、地层岩性,42处)引发,降雨与崩塌的发生有着非常密切的关系。滑坡发生在中山、低山丘陵间,主要分布在梧州境内,其引发因素以人类工程活动不适当的行为因素、自然因素兼而有之。
 
评估报告预测,铁路工程挖方高度小于10 m的路段,地质灾害以小型滑坡、崩塌为主,崩塌、滑坡体积30~3 000 m3,危害程度小,危险性小;挖方高度10~15 m(土质或软岩边坡)、15~20 m(硬质岩边坡)的路段,亦以小型滑坡、崩塌为主,崩塌、滑坡体积一般为30~3 000 m3,但在顺层地段可能会出现中型滑坡,体积大于10万m3,危害程度小~中等,危险性小~中等;挖方高度大于15 m路段,以中小型滑坡、崩塌为主,但在顺层地段若不采取适宜的坡率和可靠的支护措施,可能会出现大型滑坡,危险性中等~大。
 
2.3 地质灾害防治措施及建议
 
对于某一特定区域而言,地质灾害往往具有群发性和若干灾种伴生性两个基本特征。充分认识地质灾害的区域性规律,对于地质灾害的预测分析、危险性评价、防治决策都将起到重要作用。地质灾害的区域性规律是一种宏观规律,掌握了这一规律,将使我们在地质灾害防治工作中决策更合理、评价更科学、治理更有效[9]。结合地质灾害评估结论,可对南广铁路梧州段崩塌及滑坡地质灾害防治提出以下措施及建议。
 
(1)对于软岩或全风化地层,铁路选线应尽量避免高填深挖,避免“剥山皮”,路堑边坡高度一般控制在15 m以内,边坡采用台阶式,并根据实际情况选择合理的坡率、边坡高度或平台宽度。
 
(2)陡坡地段采用支挡措施。可根据技术经济比较采取挡土墙、抗滑桩、锚拉桩和预应力锚索等加固措施,有效降低边坡高度。当边坡的下滑力很大时,多采用抗滑桩和预应力锚索;当边坡较高较陡时,宜选用预应力锚索加固。对于顺层优先采用清方方案,其次采用预应力锚固等抗滑措施。施工中要严格遵循“分级开挖、分级支护”的原则。
 
(3)边坡采用窗式护面墙以及拱形骨架、人字骨架等嵌固边坡植物防护方式;对上部强风化岩质边坡可采用坡面锚索加固,下部中风化及弱风化砂岩边坡采用锚网喷护;对于坡顶或坡面水采取截水沟和平台水沟将水截住排出。
 
(4)对边坡失稳危险性较大的边坡,在施工及运营初期进行变形监测和预警。
 
这些措施和建议若得到采纳,区域地质灾害的防治就更为主动和有效。
 
3 梧州地区地质灾害预防研究
 
广西梧州市是典型的山城,是地质灾害的易发地区,城区内的临山地段每逢雨季都有不同规模的崩塌、滑坡等地质灾害发生,尤其是 2006 年 6 月 8 日,梧州市遭受了40年以来的最大暴雨袭击,引发了点多面广、危害性极大的崩塌、滑坡、坡面泥石流等地质灾害[10]。6月 8日这 一 天,全市区共发生地质灾238处,其中滑坡138处,崩塌36处,坡面泥石流64处[11],造成了巨大的损失。近年来,广西壮族自治区和梧州市国土、交通等有关部门对于梧州市区的地质灾害的认识和预防也组织开展了大量的研究和工程实践工作。针对梧州市出露的地层及其岩性特点,李桃等通过对收集到的梧州市100多个地质灾害治理工程实例的数据进行统计分析,得出了梧州市砂岩( 碎屑岩 )和花岗岩两种地区滑坡体地质灾害治理设计有关参数的推荐值,为今后梧州市及类似地区的滑坡治理提供参考[12];陈赞颐等通过建立砂岩和花岗岩两个滑坡岩土模型,结合梧州市滑坡实际情况分析指出,在滑坡推力小于1 000 kN/m时,使用抗滑桩更经济。当滑坡推力超过1 000 kN/m时,桩锚结构优势会逐步明显。用同样尺寸的剖面计算,花岗岩地区的滑坡推力都高于砂岩地区;在等量滑坡推力作用下,花岗岩地区的抗滑桩嵌固段比砂岩地区长, 即花岗岩地区的抗滑桩造价更高。当滑坡推力在3 000 kN/m左右甚至更高的时候,在使用锚索的情况下桩径大都超过了3 m,可考虑设置双排抗滑桩[13]。上述意见基本与补强设计原则相符。可见,对于不熟悉梧州市区域地质特征的设计、施工等单位,收集和借鉴区域地质灾害防治研究成果和工程经验具有重要意义。
 
4 结论
 
通常情况下,由于受环境(生产活动、降雨等)的影响较大,区域地质灾害的危害性具有不确定性,铁路选线应尽量绕避区域地质灾害。不可避免要穿越不良地质区时,要结合地质灾害危险性评价成果,全面查清这些灾害的分布和危害,深入研究其特征,进而提出切实可行的防治措施[14],应将区域地质灾害的防治贯穿铁路路堑边坡支护工程的整个寿命周期,从勘察设计之初,就应主动采取措施将其危害控制在可接受范围之内。基本思路如下。
 
(1)项目地质灾害危险性评估报告及业内区域地质灾害防治研究成果和工程案例对于区域地质灾害的认识和预防具有重要的参考和借鉴意见。比如,从区域上对滑坡进行风险评价、实施风险管理已经成为滑坡灾害防治领域的共识[15]。设计、施工以及运营部门要予以高度重视。
 
(2)路堑边坡支护设计应优先从区域地质灾害防治角度考虑,设计部门要有针对性提出勘察方案和工程措施,并提出施工要求及运营期维护方案。
 
(3)施工组织设计时要靠前安排路堑边坡支护工程,以尽早形成排水体系和防护体系并经受完整雨季的考验,使得地质灾害尽可能在施工期得到整治。
 
(4)运营期间要制定巡查及维修制度,并严格执行。同时,易发生区域地质灾害区段通常存在交通不便、地形起伏、气候恶劣的情况,运营期人工监测或预警的难度比较大,有必要研究依托现代信息技术的边坡变形观测及地质灾害预警系统。
 
参考文献:
 
[1] 王祥.赣龙铁路扩能改造主要工程不良地质问题及其工程措施[J].铁道标准设计,2012(11):31-34.
 
[2] 彭学理.宜万铁路复杂不良地质地段线路设计方案比选[J].铁道标准设计,2010(8):37-41.
 
[3] 宋章,张广泽,蒋良文,等.川藏铁路主要地质灾害特征及地质选线探析[J].铁道标准设计,2016(1):14-19.
 
[4] 林育梁.软岩工程力学若干理论问题的探讨[J].岩土力学与工程学报,1999(6):690-693.
 
[5] 吕保良.锚杆加固顺层路堑高边坡技术研究[J].中外建筑,2013(4):125.
 
[6] 李海光.南昆线软质岩深路堑高边坡的施工设计[J].铁道标准设计,1996(1):8-9.
 
[7] 黄润秋,向喜琼,巨能攀.我国区域地质灾害评价的现状及问题[J].地质通报,2004(11):1078-1082.
 
[8] 广西水文地质工程地质勘察院.新建铁路南宁至广州线广西境内段建设项目地质灾害危险性评估报告[R].南宁:南广铁路有限责任公司,2008.
 
[9] 陈奇,李智毅,石怀伦.区域地质灾害危险性评价的思路与基本方法[J].地质力学学报,2004(1):71-75.
 
[10]韦佳,韦善初,黄海龙.梧州市滑坡地质灾害防治工程问题的探讨[J].南方国土资源,2007(8):43-47.
 
[11]刘昶.梧州市区地质灾害特征及防治建议[J].南方国土资源,2007(6):33-35.
 
[12]李桃,王明晓,王举平.梧州市滑坡治理有关参数推荐值[J].南方国土资源,2010(5):36-38.
 
[13]陈赞颐,赵宁,范秋雁.梧州市滑坡治理工程桩锚支护设计优化探讨[J].红水河,2010(3):131-135.
 
[14]付新平.石武客运专线石郑段地质灾害特征与工程防治措施[J].铁道标准设计,2010(9):28-31.
 
[15]黄润秋,向喜琼,巨能攀.我国区域地质灾害评价的现状及问题[J].地质通报,2004(11):1078-1082.
 
收稿日期:2016-03-25; 修回日期:2016-04-18
 
作者简介:王先龙(1974—),男,高级工程师,1997年毕业于西南交通大学土木工程学院铁道工程专业,工程硕士,主要从事铁路建设管理及路基工程设计与研究工作。
文章编号:1004-2954(2016)07-0047-04
 
中图分类号:U213.1+3
 
文献标识码:A  
 
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.011
 
Reflection on Regional Geological Disaster Prevention of Railway Cutting Slope
 
WANG Xian-long
 
(Nanning-Guangzhou Railway Co., Ltd., Nanning 530022, China)
 
Abstract: Regional geological disaster is an inevitable problem in railway engineering construction and operation. With reference to the basic conditions in regional geological disaster prevention of the cutting slope and the project geological disaster risk assessment of Wuzhou section on Nanning~Guangzhou railway and the practices in geological disaster prevention of related regions, this paper analyzes the importance and necessity of cutting slope design in perspective of regional geological disaster prevention and control, puts forward the concept of continuing the regional geological disaster prevention throughout the whole project life, and points out the fundamentals of regional geological disaster prevention and control in the design, construction and maintenance.
 
Key words: Railway; Regional Geological disaster; Cutting slope
 
【来    源】 《铁道标准设计》 2016年第7期P47-51页

在线咨询
了解我们
网站介绍
经营许可
常见问题
联系我们
横格论文网联系方式
售前咨询:0311-85287508
夜间值班:0311-85525743
投诉电话:0311-85525743
授权服务
代理征稿
支付方式
工作日 8:00-22:00
经营许可
机构信用代码证
杂志社征稿授权
企业营业执照
银行开户许可证
其它
发表服务
在线投稿
征稿授权