GPI巖質(zhì)邊坡植被再造技術(shù)在京張高速鐵路中的應(yīng)用

張世杰

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

1 概述

我國高速鐵路路基邊坡一般參照TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》及通路（2015）4401?Ⅰ《鐵路工程建設(shè)通用參考圖-鐵路路基邊坡防護(hù)（一般地區(qū)）》等文件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常采用骨架護(hù)坡［1］、實(shí)體護(hù)坡（墻）［2］、錨桿框架梁［3］等混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合植物的防護(hù)形式，結(jié)構(gòu)混凝土圬工占比偏大，與生態(tài)文明建設(shè)要求存在一定差距，同時(shí)厚重的混凝土結(jié)構(gòu)也存在優(yōu)化的空間。在保證路基邊坡持久穩(wěn)定的前提下，采用合適的綠色植物生態(tài)防護(hù)方法是當(dāng)前高速鐵路路基工程亟待解決的問題。

在鐵路、高速公路、城市建設(shè)等領(lǐng)域常用的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)有噴播植草防護(hù)、噴混植生、掛網(wǎng)噴綠化混凝土、植生袋、截水骨架護(hù)坡等。宣立華［4］介紹了京張高速鐵路中通過錨桿、鋼絲網(wǎng)及鋼繩格柵網(wǎng)對(duì)生態(tài)袋進(jìn)行加固的防護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)了在巖質(zhì)邊坡固定植物生長基質(zhì)，不僅提高了邊坡抗沖刷能力，還大幅降低了成本。楊凡成［5］通過植草混凝土綠化方法在內(nèi)昆鐵路的應(yīng)用，比較了不同基質(zhì)材料的構(gòu)成與性能及施工方法，施工2年后混凝土性能指標(biāo)及恢復(fù)效果良好。王元［6］使用鐵絲網(wǎng)增加固土效果的TBS 植生技術(shù)，構(gòu)建的植被可通過根系對(duì)基底和坡面進(jìn)行加固，從而達(dá)到與植被壽命一致的長期坡面修復(fù)效果。劉本同等［7］在2004 年介紹和分析了我國巖質(zhì)邊坡植被修復(fù)的主要護(hù)坡類型并指出應(yīng)加強(qiáng)錨固，基質(zhì)配制、植物選擇也影響坡面恢復(fù)效果，土壤自身的物理、化學(xué)性質(zhì)影響著噴播基質(zhì)的穩(wěn)定性。王麗等［8］研究了土壤保水劑含量對(duì)噴播基質(zhì)的抗沖性能的影響，保水劑含量控制在0.3%以下時(shí)可提高土壤基質(zhì)結(jié)構(gòu)。

京張高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，東起北京市，途經(jīng)北京市海淀、昌平兩區(qū)和延慶縣，由延慶縣康莊鎮(zhèn)入河北省境內(nèi)，跨官廳水庫，經(jīng)懷來縣、下花園區(qū)、宣化區(qū)，西迄張家口市，呈東西走向。京張高速鐵路按照常規(guī)巖質(zhì)路塹邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，受環(huán)保要求限制，北京市域范圍內(nèi)無法設(shè)置混凝土拌和站，混凝土須由河北省遠(yuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場，同時(shí)坡面開挖產(chǎn)生的棄土無法就近處理，須運(yùn)至位于河北境內(nèi)的棄土場。這造成混凝土材料單價(jià)較高，采用骨架護(hù)坡、實(shí)體護(hù)坡（墻）及錨桿框架梁結(jié)構(gòu)無經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。巖質(zhì)路塹邊坡位于八達(dá)嶺長城5A 級(jí)國家風(fēng)景區(qū)內(nèi)，周邊自然山體植被茂密，生態(tài)環(huán)境條件較好，鐵路路基邊坡采用大體積混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)，與周圍自然環(huán)境反差巨大。

選取DK72+275—DK72+445 段巖質(zhì)路塹為試驗(yàn)工點(diǎn)。針對(duì)該工點(diǎn)所處地理位置環(huán)境生態(tài)保護(hù)要求高的特點(diǎn)，綜合考慮水文、工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)邊坡坡率為1∶1.0，根據(jù)邊坡基巖節(jié)理裂隙及其他結(jié)構(gòu)面特點(diǎn)，擬定邊坡采用錨桿加固［9］，確保邊坡的整體穩(wěn)定性滿足要求；坡面選擇無圬工或少圬工的生態(tài)綠色柔性結(jié)構(gòu)防護(hù)。在總結(jié)其他綠色生態(tài)防護(hù)技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合邊坡加固穩(wěn)定計(jì)算理論，首次提出了GPI巖質(zhì)邊坡植被再造技術(shù)（Geosynthetics?Plant?Intelligence ecological rock slope protection system，簡稱GPI技術(shù)）。

2 試驗(yàn)工點(diǎn)場地條件

DK72+275—DK72+445 深路塹工點(diǎn)位于北京市延慶區(qū)，屬暖溫帶大陸性半濕潤-半干旱氣候，受季風(fēng)影響，四季分明，多年平均氣溫9.5 ℃，最冷月平均氣溫-8 ℃，平均風(fēng)速2.1 m∕s；多年平均降雨量431.8 mm，年最大降雨量624.5 mm。場地周圍山體植被茂密，喬木以松、柏樹為主，陽坡灌叢以荊條、白羊草為主，陰坡灌叢以平榛、胡枝子、繡線菊為主。

路塹中心最大挖深為38 m，地層巖性主要為白堊系下統(tǒng)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r，紫紅色，強(qiáng)～弱風(fēng)化狀態(tài)，節(jié)理不發(fā)育，巖體總體上較完整，節(jié)理走向多與線路方向大角度相交，傾角近垂直，且未發(fā)現(xiàn)貫通性張節(jié)理，不存在傾向線路的結(jié)構(gòu)面，地質(zhì)條件較好。場地內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水，靠大氣降水及地表徑流補(bǔ)給，對(duì)混凝土無侵蝕。

3 GPI巖質(zhì)邊坡植被再造技術(shù)

GPI技術(shù)以坡面整體加固、新型土工材料固土、土壤改良（活化）技術(shù)、坡面抗侵蝕技術(shù)、植被建群方法和邊坡變形監(jiān)測、綠植養(yǎng)護(hù)為主要技術(shù)路線，形成了“支護(hù)-固土-植被護(hù)坡（灌木建群）-監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)”一體化的綠色生態(tài)防護(hù)技術(shù)，主要適用于硬質(zhì)巖邊坡綠色生態(tài)防護(hù)工程，見圖1。

圖1 GPI巖質(zhì)邊坡植被再造技術(shù)示意

3.1 GPI核心技術(shù)

3.1.1 坡面表層輔助固土材料

所選用的輔助固土材料為ANE?Ⅳ整體式U 形鋼釘焊接型土工格室［10-12］，高度10 cm，格室片橫向抗拉強(qiáng)度≥20 kN∕m，對(duì)應(yīng)延伸率≤15%，格室片縱向抗拉強(qiáng)度≥120 kN∕m，對(duì)應(yīng)延伸率≤15%；格室片連接處的斷裂拉力≥120 kN∕m，連接處連接件的抗剪切力≥120 kN∕m。格室采用U 形鋼釘焊接編織，U 形鋼釘須做鍍鋅防腐蝕處理，格室張拉到位時(shí)每一個(gè)U 形鋼釘均為一個(gè)剛性支撐點(diǎn)。土工格室鋪設(shè)時(shí)應(yīng)貼緊坡面并固定好，保證格室完全打開呈正方形，與立體三維網(wǎng)及輔錨桿聯(lián)合使用在坡面進(jìn)行固土。

3.1.2 基質(zhì)層

基質(zhì)層主要包括種植土、熱處理土壤改良木質(zhì)纖維、黏結(jié)劑和微生物菌劑ANE?Ⅰ。熱處理木質(zhì)纖維和黏結(jié)劑可提高基質(zhì)層的抗剪強(qiáng)度和附著力；ANE?Ⅰ產(chǎn)品中有機(jī)質(zhì)含量≥60%，不含任何有害化學(xué)物質(zhì)，無毒副作用。具體用量見表1。

表1 坡面每1 m3添加劑用量

3.1.3 土壤活化層及微生物菌劑

土壤活化層主要含熱處理土壤改良木質(zhì)纖維和微生物菌劑ANE?Ⅱ，ANE?Ⅲ。ANE?Ⅱ產(chǎn)品中有效活菌數(shù)≥5 億∕g，不含任何化學(xué)有害物質(zhì)，無毒副作用。ANE?Ⅲ產(chǎn)品中有效活菌數(shù)≥0.2 億∕g，且富含具有固氮、解磷、釋鉀等功能的有效活性菌，能提高化肥、復(fù)合肥的利用率，改良土壤，增強(qiáng)植物抗性。坡面熱處理土壤改良木質(zhì)纖維用量為200～500 g∕m2，ANE?Ⅱ和ANE?Ⅲ基質(zhì)材料用量為20 g∕m2。

3.1.4 灌草復(fù)合植物群落選型和配置

邊坡生態(tài)修復(fù)是在人工干預(yù)下采用工程手段快速恢復(fù)植被，植被生態(tài)修復(fù)［13-14］技術(shù)設(shè)計(jì)需要遵循幾個(gè)原則：生態(tài)性與景觀性原則、安全性與經(jīng)濟(jì)性原則及鄉(xiāng)土性與種苗易獲取性原則。灌木和草本播種量計(jì)算式為

式中：W為植物種子的播種量，g∕m2；G為期望的植株密度，株∕m2；Q為種子千粒質(zhì)量，g；T為含種子層的基質(zhì)層（土壤）厚度校正率，取1；C為立地條件校正率，取0.8～0.9；D為施工期間發(fā)芽率的校正率，取0.7～0.9；P為種子純度，%；R為種子發(fā)芽率，%。

本工點(diǎn)邊坡植物選型及配比方案見表2。灌木種子須預(yù)處理。

表2 植物選型及配比方案

3.1.5 抗侵蝕防護(hù)層

抗侵蝕防護(hù)層主要成分是100%可生物降解的熱處理木質(zhì)纖維，混合植物種子均勻覆蓋于坡面，防止水土流失，材料用量為350～500 g∕m2。強(qiáng)度指標(biāo)要求為噴附完成后2 h可以抵抗強(qiáng)度為125 mm∕h特大暴雨沖刷。

3.1.6 監(jiān)測及智能養(yǎng)護(hù)

實(shí)時(shí)采集生態(tài)護(hù)坡工程的土壤含水率、坡面位移等數(shù)據(jù)，為安全和管理提供決策依據(jù)。

3.2 GPI技術(shù)施工工序

GPI 技術(shù)施工工序如下：生態(tài)環(huán)境取樣分析→坡面整體加固→坡面平整、清理→整體式U 形鋼釘焊接型土工格室、金屬網(wǎng)聯(lián)合鋪設(shè)→錨桿固定→有效種植土層（土壤基質(zhì)層）構(gòu)建→土壤活化層構(gòu)建→選取植物種類并確定物種配比方案→智能養(yǎng)護(hù)設(shè)備安裝、調(diào)試→抗侵蝕防護(hù)層和植被群落建植→自動(dòng)化邊坡變形監(jiān)測設(shè)備安裝、調(diào)試→養(yǎng)護(hù)、群落結(jié)構(gòu)調(diào)整→工程效果標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)。

3.2.1 坡面整體加固、清理及整平

按設(shè)計(jì)邊坡分級(jí)高度及坡率刷坡后，采用直徑32 mm HRB400 鋼筋錨桿加固，錨桿長度為9.0 m，錨桿設(shè)計(jì)錨固力為130 kN。主錨桿施工完畢后，為防止?jié)B水造成外露部分錨桿腐蝕，喪失強(qiáng)度，需要對(duì)其進(jìn)行封閉。同時(shí)將坡面碎石、浮土等影響工程施工的雜物清除，并對(duì)坡面超挖部分進(jìn)行嵌補(bǔ)。

3.2.2 土工格室、金屬網(wǎng)聯(lián)合鋪設(shè)并固定

邊坡鋪設(shè)土工格室和立體鋼絲網(wǎng)時(shí)，需要通過直徑14 mm 的HRB400鋼筋輔錨桿將格室及鋼絲網(wǎng)連接固定，輔錨桿長度0.8 m，輔錨桿間距0.6 m，沿坡面分別于上、中、下設(shè)置3排。

3.2.3 構(gòu)建有效種植土層

采用噴播機(jī)將種植土、保水劑、黏結(jié)劑、ANE?Ⅰ基質(zhì)材料、熱處理木質(zhì)纖維混合后噴附于坡面上作為基質(zhì)層的基底，使每個(gè)格室均勻填充土壤［15?16］。

3.2.4 構(gòu)建土壤活化層

噴附ANE?Ⅱ，ANE?Ⅲ和熱處理木質(zhì)纖維組成的褐色土壤活化層。噴附前應(yīng)進(jìn)行噴附壓力測試和管口出料量測試。噴附時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行工程設(shè)計(jì)與施工方案的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

3.2.5 抗侵蝕防護(hù)及植被群落建植

含有種子的抗侵蝕木質(zhì)纖維層噴附在坡面上，噴附時(shí)需保證噴附厚度均勻，坡面無遺漏。

3.2.6 監(jiān)測設(shè)備安裝及養(yǎng)護(hù)

坡面噴附作業(yè)完成后，安裝無線變形及土壤墑情監(jiān)測設(shè)備，24 h實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，確保養(yǎng)護(hù)期內(nèi)坡面以下0～5 cm 相對(duì)飽和含水率不低于25%，土工格室和金屬網(wǎng)表面位移不得超過1 cm。及時(shí)覆蓋養(yǎng)護(hù)布進(jìn)行保護(hù)。養(yǎng)護(hù)布為親水型，沿重疊處壓牢固，避免被風(fēng)刮開，并澆水養(yǎng)護(hù)。

3.3 GPI工程主要驗(yàn)收指標(biāo)

工程完成后第二年，對(duì)主要指標(biāo)進(jìn)行檢測，完成工程驗(yàn)收。主要驗(yàn)收指標(biāo)見表3。

表3 GPI工程主要驗(yàn)收指標(biāo)

有機(jī)質(zhì)、相對(duì)飽和含水率、酸性磷酸酶活性、堿性磷酸酶活性、植生層位移均由坡面以下0～5 cm 土層取樣測量。

4 GPI巖坡植被再造技術(shù)應(yīng)用效果

自2018 年生長季盛期（8 月）至2019 年生長季初期（6 月），對(duì)京張高速鐵路DK72+275—DK72+445 巖質(zhì)深路塹工點(diǎn)采用GPI技術(shù)防護(hù)的路塹邊坡植被生長情況進(jìn)行持續(xù)觀測統(tǒng)計(jì)，并對(duì)坡面植被恢復(fù)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。在坡面隨機(jī)選取3 個(gè)1 m×1 m 的樣地，以物種數(shù)目（N）以及各植物種的平均高度（Hi）、平均蓋度（Co）。本文主要計(jì)算了重要值（IV）、Patrick 豐富度指數(shù)（P）和Shannon?Wiener 多樣性指數(shù)（H'）來表征坡面植被變化情況。其中，重要值（IV）的計(jì)算公式為

式中：RHI為相對(duì)高度，%；RCO為相對(duì)蓋度，%；

式中，∑Hi為樣方中所有種群的平均高度之和，mm。Patrick豐富度指數(shù)P計(jì)算公式為

式中：S為樣地內(nèi)物種數(shù)目。

Shannon?Wiener多樣性指數(shù)H'計(jì)算公式為式中：Pi為相對(duì)蓋度、相對(duì)密度等，本文用綜合特征量（植物的重要值與樣地總的重要值的比值）代替，mm。

2018年、2019年坡面植被計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 2018年、2019年坡面植被計(jì)算參數(shù)

由表4 可知：2019 年較2018 年坡面優(yōu)勢植物種數(shù)量有所減少，由原來的6 種降至3 種，但草木犀一直占據(jù)主導(dǎo)地位，說明該坡面立地條件最適宜草木犀生長。2 年間該坡面的多樣性也有所降低，P和H'分別由15 降至8，2.64 降至1.97，說明在該坡面植物正在進(jìn)行劇烈的演替，不適宜在此環(huán)境生長的植物正逐漸被淘汰。因此在坡面生態(tài)修復(fù)過程中，必須科學(xué)地選配植物種，避免坡面植物浪費(fèi)和養(yǎng)分消耗，合理選擇植物種類對(duì)于降低工程造價(jià)和快速達(dá)到穩(wěn)定的植被生態(tài)系統(tǒng)均有益處。

5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

京張高速鐵路DK72+275—DK72+445 巖質(zhì)深路塹，工點(diǎn)長度170 m，采用GPI 巖質(zhì)邊坡植被再造技術(shù)防護(hù)的邊坡面積為1 542 m2。以框架格梁結(jié)構(gòu)為例與GPI技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析：

1）框架梁內(nèi)空心磚客土植草結(jié)構(gòu)防護(hù)，每片格梁沿坡面高11.31 m，沿線路方向長7.18 m，邊坡需要設(shè)置22 片格梁，單片格梁鋼筋混凝土圬工為10.8 m3，消耗鋼筋混凝土237.6 m3；框架梁內(nèi)空心磚與結(jié)構(gòu)鑲邊及基礎(chǔ)C25混凝土196 m3，投資約39.9萬元。

2）GPI 巖質(zhì)邊坡植被再造技術(shù)土工格室、立體鋼絲網(wǎng)、基質(zhì)層、土壤活化層等材料1 542 m2，投資約為33.2萬元。

GPI巖質(zhì)邊坡植被再造技術(shù)與傳統(tǒng)的框架梁防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，不但大幅度減少了混凝土圬工的消耗量，按本項(xiàng)目地材料價(jià)進(jìn)行投資估算分析，可節(jié)省投資6.7 萬元，平均節(jié)約43.5 元∕m2，工程量及投資估算見表5。

表5 工程量及投資估算對(duì)比

6 結(jié)語

GPI 巖質(zhì)邊坡植被再造技術(shù)在京張高速鐵路DK72 路塹邊坡建設(shè)中取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，通過實(shí)踐對(duì)比具有較高的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢。巖質(zhì)路塹邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，路塹邊坡整體采用錨桿加固、坡面構(gòu)建植物種植基層，結(jié)合植物群落綜合選型，配以坡面監(jiān)測及植物養(yǎng)護(hù)方法，本文可以為今后的高速鐵路建設(shè)中，巖質(zhì)邊坡生態(tài)綠色防護(hù)提供一定的參考。