某高速公路落石災(zāi)害成因分析及防護(hù)方案選擇

梁洋德

摘要：文章以某高速公路路外山體落石防護(hù)工程為實(shí)例，分析危巖災(zāi)害的成因并調(diào)查了潛在破壞模式，比較了各類落石防護(hù)措施的優(yōu)缺點(diǎn)，提出采用多道超高能級被動防護(hù)網(wǎng)對大動能落石進(jìn)行攔截防護(hù)，屬國內(nèi)公路行業(yè)首次使用超高能級被動防護(hù)網(wǎng)，為同類工程提供參考。

關(guān)鍵詞：高速公路;危巖;落石防護(hù);超高能級被動防護(hù)網(wǎng)

0 引言

隨著極端天氣的頻發(fā)，近年來高速公路危巖崩塌病害呈增長趨勢，體現(xiàn)出大體積、高落點(diǎn)、大沖積動能等特點(diǎn)[ 1]。目前危巖防治措施主要有清除、錨固、支撐、截排水以及柔性防護(hù)等措施[ 2]。針對病害項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇合適的防護(hù)形式可起到節(jié)約成本、縮短施工周期的作用。針對公路最常用的柔性防護(hù)措施以主動防護(hù)網(wǎng)及被動防護(hù)網(wǎng)兩種落石防護(hù)形式為主，目前國內(nèi)市場上常見的被動防護(hù)網(wǎng)防護(hù)能級最大僅達(dá)到3 000 kJ[3]，無法很好地?cái)r截落點(diǎn)位置高、危巖質(zhì)量大，具備大的沖擊動能落石[4]。

1 項(xiàng)目概況

2020-06-03 8時許，廣西某高速公路發(fā)生路外山體落石并侵入高速公路，造成兩輛貨車受損，兩名人員輕傷，高速公路雙幅交通中斷。根據(jù)現(xiàn)場初步調(diào)查，最大落石體積為（3×3×5）m 3，重約126 t，影響區(qū)域約為（50×26）m 2。落石點(diǎn)高度距高速公路路面約148 m，巖性為中風(fēng)化灰?guī)r，落石在公路上的第一落點(diǎn)為上行線應(yīng)急車道中部，經(jīng)過彈跳橫穿高速公路中央分隔帶撞至下行線兩輛貨車后停止。

本次路外山體落石區(qū)屬溶蝕峰叢地貌，相對高差約260 m，地形上陡下緩，中部近于直立。山體表層大部分區(qū)域被植被覆蓋，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，隙間充填黏性土。危巖體區(qū)域巖性為二疊系下統(tǒng)棲霞階灰?guī)r（P1q），落石點(diǎn)距高速公路路面高差約148 m。落石點(diǎn)上部為山體鞍部形成的沖溝，走向?yàn)?0°～50°NE，直對落石點(diǎn)，落石點(diǎn)巖層產(chǎn)狀為350°～354°NW∠65°～70°，與公路邊坡呈順層關(guān)系。

2 病害情況調(diào)查及成因分析

經(jīng)調(diào)查，對高速公路威脅較大的危巖區(qū)如下頁圖1所示，其中W1區(qū)域巖體破碎，并受沖溝匯水沖刷，加之已發(fā)生過嚴(yán)重災(zāi)害，威脅等級最大，W2、W3區(qū)威脅等級相對較小，三個區(qū)域表面積共計(jì)約39 000 m 2。

根據(jù)廣西壯族自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)《危巖防治工程技術(shù)規(guī)范》（DB45/1696-2018），本危巖區(qū)屬高位危巖，潛在破壞形式有：滑移式、墜落式、傾倒式。單塊危巖體積在3～40 m 3不等[ 5]。

根據(jù)對W1區(qū)已崩塌危巖體附近的調(diào)查，風(fēng)險(xiǎn)較大的三處危巖分別為W1-1、W1-2、W1-3。危巖W1-1較為破碎，單塊最大體積約10 m 3，可能發(fā)生的破壞形式為滑移式和傾倒式。危巖W1-2巖體裂隙發(fā)育，隙間充填物已掏空，裂隙張開5～30 cm不等，單塊最大體積約20 m 3，潛在破壞形式為滑移式或墜落式。危巖W1-3巖體裂隙充填物已掏空，最大張開約30 cm，單塊體最大體積約25 m 3，潛在破壞形式為滑移式或墜落式。

經(jīng)分析判斷，誘發(fā)本次病害產(chǎn)生的內(nèi)因有：（1）病害區(qū)位于都安-馬山大斷裂影響區(qū)，受構(gòu)造影響，巖體裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，是巖體變形破壞的潛在影響因素;（2）病害區(qū)地層屬喀斯特地貌，巖性為灰?guī)r，屬可溶性巖，暴露在大氣環(huán)境中溶蝕作用明顯，對產(chǎn)生落石災(zāi)害起到促進(jìn)作用。

誘發(fā)本次病害產(chǎn)生的外因有：

（1）大氣降水。降水沿裂隙入滲，與可溶性巖反應(yīng)，促進(jìn)巖溶發(fā)育，使得山體巖塊間裂隙不斷張開，同時雨水下滲所產(chǎn)生的靜水壓力嚴(yán)重影響危巖體的穩(wěn)定性，加速危巖的變形破壞。同時落石點(diǎn)位于沖溝出口處，動水壓力促進(jìn)了危巖的破壞。

（2）生物作用，病害區(qū)山體植被覆蓋率超過90%，主要以低矮灌木為主，植物根系沿裂隙生長，其劈裂作用促進(jìn)裂隙張開，嚴(yán)重破壞巖體的整體穩(wěn)定性，且植物根系所釋放出的酸性物質(zhì)又加速了可溶性巖的溶蝕作用。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)方案比選

常用的危巖防治方案主要有：清除工程（人工清除、爆破清除）、支撐工程（墻撐、柱撐）、錨固工程（錨桿（索））、排水工程、柔性防護(hù)網(wǎng)工程（被動防護(hù)網(wǎng)、引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)、柔性攔石墻等）。針對本項(xiàng)目的特點(diǎn)，從有效性、施工難易程度、施工周期、施工安全性、美觀及環(huán)境保護(hù)、交通管制、投資、后期維護(hù)要求等方面對這五種方案進(jìn)行比較。

（1）有效性

清除工程能有效清除表層危巖，但在清除表層危巖后易產(chǎn)生新的臨空面，不能完全消除威脅。而采用支撐技術(shù)時，危巖體下部應(yīng)具有相對平緩且一定寬度的空間，下伏巖體較完整、較堅(jiān)硬且處于穩(wěn)定狀態(tài)，地基承載力應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。本項(xiàng)目屬高位危巖，不具備大范圍實(shí)施支撐工程的條件。錨固工程適合于體量較大的危巖，本項(xiàng)目危巖體受構(gòu)造及溶蝕的影響，巖體破碎，大小程度不一，無法有效消除危巖體的威脅，工程量大。對本項(xiàng)目來說，相對有效的截排水方案主要為掛網(wǎng)噴射混凝土封閉坡面并充填裂隙。而柔性防護(hù)工程中被動防護(hù)網(wǎng)及引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)或攔石墻可有效降低落石的能量并攔截落石，降低危巖體對公路通行安全的威脅。

（2）施工難易程度

由于山體高差較大，坡面較陡，進(jìn)行清除工程施工時需要使用大量的腳手架一類的臨時輔助措施，施工難度大。對于支撐工程無論是小范圍柱撐還是墻撐需要面臨很大體量的混凝土遠(yuǎn)距離高處泵送的問題，施工困難。錨固工程則面臨需要在坡面進(jìn)行施工，使用大量的腳手架一類的臨時輔助措施，同時表層植被對施工效率也有一定影響的問題。截排水工程同樣面臨在坡面進(jìn)行施工，需要使用大量的腳手架一類的臨時輔助措施，同時還需要考慮高壓力泵送混凝土進(jìn)行噴射的問題。而柔性防護(hù)工程可在山體下部低位進(jìn)行施工，場地條件較好，并且安裝技術(shù)成熟，施工便捷簡單。

（3）施工周期

針對本項(xiàng)目來說，清除工程、支撐工程、錨固工程以及截排水工程由于涉及高位施工，要做大量的準(zhǔn)備工作及前期防護(hù)工作，同時潛在危巖區(qū)域面積較大，因此施工周期長。而柔性防護(hù)工程在低位施工，只需要針對受保護(hù)的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行防護(hù)，施工周期短。

（4）施工安全性

清除工程在本項(xiàng)目的條件下安全風(fēng)險(xiǎn)較大，需要考慮落石對高速公路通行造成的威脅，施工過程中人工開鑿或爆破所產(chǎn)生的振動可能誘發(fā)臨近危巖的破壞，有較大安全隱患。支撐工程也需要考慮工人高空作業(yè)安全，需要防止人、物的墜落，施工安全性中等。錨固工程成孔作業(yè)時，可能因振動誘發(fā)危巖破壞，有較大的安全隱患，施工安全性低。截排水工程同樣需要考慮高空作業(yè)防止人、物墜落，施工安全性中等。柔性防護(hù)工程僅需要考慮在防護(hù)工程施工期間出現(xiàn)的次生落石災(zāi)害，經(jīng)判斷發(fā)生概率較低，安全風(fēng)險(xiǎn)低，施工安全性高。

[HJ1.55mm]

（5）美觀及環(huán)境保護(hù)

本項(xiàng)目在采用清除工程時需要大面積清除表面植被，清出來的新臨空面美觀度不足，環(huán)境保護(hù)效果差。采用支撐工程同樣需要清除大量的表層植被，新形成的混凝土結(jié)構(gòu)造成“建筑白色污染”，美觀及環(huán)境保護(hù)效果差。錨固工程則需要一定的清表以及采用格梁或者噴射混凝土等坡面防護(hù)措施，美觀及環(huán)境保護(hù)效果差。截排水工程同樣需要需大面積清除表面植被，并噴混凝土覆蓋，美觀及環(huán)境保護(hù)效果差。而柔性防護(hù)工程支擋結(jié)構(gòu)占地空間小，清表面積少，完工后可恢復(fù)植被，不需要破壞山體，美觀及環(huán)境保護(hù)效果好。

（6）交通管制需求

由于本項(xiàng)目臨近高速公路，對高速公路通行及交通管制要求也是方案比選應(yīng)考慮的內(nèi)容。清除工程作業(yè)期間需要進(jìn)行交通管制，以防清理下來的危巖體滾落至高速公路，危及行車安全，在爆破等危險(xiǎn)情況下可能需要進(jìn)行雙向封閉。支撐工程在路外施工，可不需要進(jìn)行交通管制或有條件的進(jìn)行防護(hù)性的管制通行。錨固工程與截排水工程在作業(yè)期間可能存在掉塊等危險(xiǎn)，需要進(jìn)行交通管制。而柔性防護(hù)工程施工位置位于路外低位山坡坡面上，可不需要進(jìn)行交通管制或有條件的管制通行。

（7）投資

經(jīng)初步測算清除工程、支撐工程、錨固工程、截排水工程的投資是柔性防護(hù)工程投資的2～5倍。

（8）后期維護(hù)需求

清除工程形成新的臨空面后需要定期進(jìn)行監(jiān)測，必要的時候需要補(bǔ)充清除或在坡底設(shè)置攔石防護(hù)措施。支撐工程、錨固工程、截排水工程形成后穩(wěn)定性較好，維護(hù)需求低。柔性防護(hù)工程需定期處理攔截危巖，若防護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損毀須進(jìn)行修補(bǔ)更換。

綜上比較，柔性防護(hù)工程針對本工程盡量不擾動或者侵占路外山體的情況下，在有效性、施工難易程度、施工周期、施工安全性、美觀及環(huán)境保護(hù)、交通管制、投資九個方面較其余四種防護(hù)方案更具優(yōu)勢。

3.2 設(shè)計(jì)方案

最終防護(hù)方案為在核心區(qū)道路邊溝外側(cè)10 m處坡面布設(shè)兩道5 000 kJ能級的被動防護(hù)網(wǎng)，每道被動防護(hù)網(wǎng)間距10 m，次級防護(hù)區(qū)采用3 000 kJ能級的被動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，次級防護(hù)2區(qū)風(fēng)險(xiǎn)性較小，坡面朝路外傾斜，可不設(shè)防護(hù)網(wǎng)。該方案能抵御目前核心區(qū)調(diào)查到的位于距路面高差約140 m，體積約25 m 3的最大體量危巖體，沖擊點(diǎn)沖擊動能達(dá)的9 538.24 kJ的沖擊。詳見圖2～3。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目自施工單位進(jìn)場至完工僅耗時45 d，從災(zāi)害發(fā)生導(dǎo)致道路中斷到恢復(fù)雙向通行僅用了三個月時間，獲得良好的社會及經(jīng)濟(jì)效益。其中對病害成因的精準(zhǔn)分析、潛在災(zāi)害的調(diào)查及詳盡的防治方案比選在其中起到關(guān)鍵作用。同時本項(xiàng)目是國內(nèi)公路行業(yè)首次使用5 000 kJ超高能級被動防護(hù)網(wǎng)，在路外用地受到局限的情況下，能很好地?cái)r截大體積、大沖擊能的落石，保護(hù)道路通行安全，具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、安全性等優(yōu)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)、施工及檢測方面國內(nèi)規(guī)范仍存在較大的空白。本項(xiàng)目的實(shí)施為超高能級被動防護(hù)網(wǎng)在國內(nèi)的應(yīng)用提供了參考，也為提升我國落石防護(hù)領(lǐng)域產(chǎn)品品質(zhì)作出重要貢獻(xiàn)。

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