某高速公路落石災害成因分析及防護方案選擇

梁洋德

摘要：文章以某高速公路路外山體落石防護工程為實例，分析危巖災害的成因并調查了潛在破壞模式，比較了各類落石防護措施的優缺點，提出采用多道超高能級被動防護網對大動能落石進行攔截防護，屬國內公路行業首次使用超高能級被動防護網，為同類工程提供參考。

關鍵詞：高速公路;危巖;落石防護;超高能級被動防護網

0 引言

隨著極端天氣的頻發，近年來高速公路危巖崩塌病害呈增長趨勢，體現出大體積、高落點、大沖積動能等特點[ 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等措施[ 2]。針對病害項目特點，選擇合適的防護形式可起到節約成本、縮短施工周期的作用。針對公路最常用的柔性防護措施以主動防護網及被動防護網兩種落石防護形式為主，目前國內市場上常見的被動防護網防護能級最大僅達到3 000 kJ[3]，無法很好地攔截落點位置高、危巖質量大，具備大的沖擊動能落石[4]。

1 項目概況

2020-06-03 8時許，廣西某高速公路發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。根據現場初步調查，最大落石體積為（3×3×5）m 3，重約126 t，影響區域約為（50×26）m 2。落石點高度距高速公路路面約148 m，巖性為中風化灰巖，落石在公路上的第一落點為上行線應急車道中部，經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。山體表層大部分區域被植被覆蓋，巖體節理裂隙發育，隙間充填黏性土。危巖體區域巖性為二疊系下統棲霞階灰巖（P1q），落石點距高速公路路面高差約148 m。落石點上部為山體鞍部形成的沖溝，走向為40°～50°NE，直對落石點，落石點巖層產狀為350°～354°NW∠65°～70°，與公路邊坡呈順層關系。

2 病害情況調查及成因分析

經調查，對高速公路威脅較大的危巖區如下頁圖1所示，其中W1區域巖體破碎，并受沖溝匯水沖刷，加之已發生過嚴重災害，威脅等級最大，W2、W3區威脅等級相對較小，三個區域表面積共計約39 000 m 2。

根據廣西壯族自治區地方標準《危巖防治工程技術規范》（DB45/1696-2018），本危巖區屬高位危巖，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]。

根據對W1區已崩塌危巖體附近的調查，風險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，可能發生的破壞形式為滑移式和傾倒式。危巖W1-2巖體裂隙發育，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。

經分析判斷，誘發本次病害產生的內因有：（1）病害區位于都安-馬山大斷裂影響區，受構造影響，巖體裂隙發育，巖體完整性較差，是巖體變形破壞的潛在影響因素;（2）病害區地層屬喀斯特地貌，巖性為灰巖，屬可溶性巖，暴露在大氣環境中溶蝕作用明顯，對產生落石災害起到促進作用。

誘發本次病害產生的外因有：

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

（2）生物作用，病害區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，其劈裂作用促進裂隙張開，嚴重破壞巖體的整體穩定性，且植物根系所釋放出的酸性物質又加速了可溶性巖的溶蝕作用。

3 設計方案

3.1 設計方案比選

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、柔性防護網工程（被動防護網、引導式防護網、柔性攔石墻等）。針對本項目的特點，從有效性、施工難易程度、施工周期、施工安全性、美觀及環境保護、交通管制、投資、后期維護要求等方面對這五種方案進行比較。

（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生新的臨空面，不能完全消除威脅。而采用支撐技術時，危巖體下部應具有相對平緩且一定寬度的空間，下伏巖體較完整、較堅硬且處于穩定狀態，地基承載力應滿足設計要求。本項目屬高位危巖，不具備大范圍實施支撐工程的條件。錨固工程適合于體量較大的危巖，本項目危巖體受構造及溶蝕的影響，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。對本項目來說，相對有效的截排水方案主要為掛網噴射混凝土封閉坡面并充填裂隙。而柔性防護工程中被動防護網及引導式防護網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行噴射的問題。而柔性防護工程可在山體下部低位進行施工，場地條件較好，并且安裝技術成熟，施工便捷簡單。

（3）施工周期

針對本項目來說，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，要做大量的準備工作及前期防護工作，同時潛在危巖區域面積較大，因此施工周期長。而柔性防護工程在低位施工，只需要針對受保護的目標區域進行防護，施工周期短。

（4）施工安全性

清除工程在本項目的條件下安全風險較大，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生的振動可能誘發臨近危巖的破壞，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。錨固工程成孔作業時，可能因振動誘發危巖破壞，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防止人、物墜落，施工安全性中等。柔性防護工程僅需要考慮在防護工程施工期間出現的次生落石災害，經判斷發生概率較低，安全風險低，施工安全性高。

[HJ1.55mm]

（5）美觀及環境保護

本項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，環境保護效果差。采用支撐工程同樣需要清除大量的表層植被，新形成的混凝土結構造成“建筑白色污染”，美觀及環境保護效果差。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措施，美觀及環境保護效果差。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，美觀及環境保護效果差。而柔性防護工程支擋結構占地空間小，清表面積少，完工后可恢復植被，不需要破壞山體，美觀及環境保護效果好。

（6）交通管制需求

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

（7）投資

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

（8）后期維護需求

清除工程形成新的臨空面后需要定期進行監測，必要的時候需要補充清除或在坡底設置攔石防護措施。支撐工程、錨固工程、截排水工程形成后穩定性較好，維護需求低。柔性防護工程需定期處理攔截危巖，若防護結構出現損毀須進行修補更換。

綜上比較，柔性防護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、美觀及環境保護、交通管制、投資九個方面較其余四種防護方案更具優勢。

3.2 設計方案

最終防護方案為在核心區道路邊溝外側10 m處坡面布設兩道5 000 kJ能級的被動防護網，每道被動防護網間距10 m，次級防護區采用3 000 kJ能級的被動防護網進行防護，次級防護2區風險性較小，坡面朝路外傾斜，可不設防護網。該方案能抵御目前核心區調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，沖擊點沖擊動能達的9 538.24 kJ的沖擊。詳見圖2～3。

4 結語

本項目自施工單位進場至完工僅耗時45 d，從災害發生導致道路中斷到恢復雙向通行僅用了三個月時間，獲得良好的社會及經濟效益。其中對病害成因的精準分析、潛在災害的調查及詳盡的防治方案比選在其中起到關鍵作用。同時本項目是國內公路行業首次使用5 000 kJ超高能級被動防護網，在路外用地受到局限的情況下，能很好地攔截大體積、大沖擊能的落石，保護道路通行安全，具有經濟性、實用性、安全性等優點，但在設計、施工及檢測方面國內規范仍存在較大的空白。本項目的實施為超高能級被動防護網在國內的應用提供了參考，也為提升我國落石防護領域產品品質作出重要貢獻。

參考文獻：

[1]朱西超.被動防護網在江習高速公路高邊坡中的應用[J].黑龍江交通科技，2017（2）：1-2.

[2]劉成清，陳林雅.被動柔性防護網在邊坡防護中的工程應用與研究[J].公路，2015（6）：44-50.

[3]申文軍，劉成林，劉昌宏，等.分離式被動防護網整治山體危石應用研究[J].鐵道工程學報，2013（5）：31-34，56.

[4]李 航.分離式被動防護網整治山體危石應用分析[J].科技創新導報，2018（14）：86-87.

[5]DB45/1696-2018，危巖防治工程技術規范[S].