高速公路改擴建過程中的落石防護研究

于建磊

（中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

山區(qū)高速公路在改擴建工程中經(jīng)常遇到深路塹，路塹高大邊坡的施工是一個復(fù)雜的綜合性工程，技術(shù)要求高，施工難度大。長期以來，對于改擴建道路邊坡問題，人們關(guān)注的方向主要是滑坡問題，對于碎落物的研究不多。實際上對于高速公路改擴建項目，一般要求交通不中斷，而施工過程中邊坡更加不穩(wěn)定，發(fā)生落石的風(fēng)險會大大增加，這就會對公路交通安全運行產(chǎn)生較大影響。

基于此，本研究結(jié)合河南西部地區(qū)某高速公路改擴建工程項目，開展路塹邊坡開挖過程中落石問題的研究，應(yīng)用顆粒流理論，研究落石的運動軌跡和沖擊能，以此確定相應(yīng)的安全保障措施。

1 工程概況

本項目現(xiàn)狀為雙向四車道高速公路，要求拓寬為雙向八車道，路線兩側(cè)為深路塹結(jié)構(gòu)，考慮要降低成本，提高施工效率，采用單側(cè)拓寬方案。現(xiàn)狀路塹邊坡高度為30~40 m，分級放坡，最下一級邊坡高度為12 m，坡度為1∶0.75，以上各級邊坡高度均為10 m，按1∶1的坡度放坡。各級平臺寬度均為2~3 m，并設(shè)有排水溝。邊坡采用掛板坡面防護，每塊混凝土預(yù)制板由兩根錨桿固定。混凝土預(yù)制板尺寸為30 cm×60 cm×10 cm，錨桿長度為1.5~2.0 m。碎落臺上設(shè)有帶狀花壇。

2 落石的運動特征分析

落石的運動學(xué)規(guī)律符合牛頓三大運動定律和碰撞理論，根據(jù)運動學(xué)原理，落石運動的方式有4種：墜落、滑動、跳躍和滾動。

2.1 墜落

當(dāng)落石離開原處，在不受外力作用下發(fā)生下落時，落石在重力作用下呈現(xiàn)自由落體運動，落石速度如式（1）、式（2）。

式中：v為落石速度，m/s；H為落石下落距離，m；g取9.8 m/s2；t為落石下落時間，s；v0為落石初始下落速度，m/s。

2.2 滑動

當(dāng)落石沿坡面向下的自重分力大于摩擦力時就會向下滑動，落石滑動速度v如式（3）。

式中：β為邊坡坡角，°；f為動摩擦系數(shù)；H為落石垂直位移，m。

2.3 跳躍

落石因為外力作用而脫離既有結(jié)構(gòu)體崩出，以拋物線運動的方式落到斜坡上，與坡面發(fā)生碰撞?；诼涫倪\動過程建立坐標(biāo)系，模擬研究落石質(zhì)心的運動軌跡，具體如圖1所示。

依據(jù)物理學(xué)落體運動原理，建立起如下的落石運動特征方程［1?2］。

式中：x0、y0為落石質(zhì)心的初始位置；Vx0、Vy0為落石質(zhì)心的初始速度，m/s；Vx1、Vy1為落石發(fā)生碰撞前速度，m/s。

式（3）和式（4）為落石每時刻的路徑，式（5）和式（6）為落石每時刻的速度。

落石與邊坡坡面發(fā)生碰撞，碰撞過程并不是彈性碰撞，碰撞后落石能量有損失，飛行方向和速度都會改變。將前述落石速度Vx1、Vy1轉(zhuǎn)化為邊坡法向和切向速度VN1、VT1，如式（8）、式（9）。

落石與坡面碰撞后速度變化的影響因素較多，碰撞后的速度可由法向和切向恢復(fù)系數(shù)確定，恢復(fù)系數(shù)一般是根據(jù)經(jīng)驗確定的，如式（10）、式（11）。

式中：VN2、VT2為碰撞后落石的法向、切向速度，m/s；RN為法向恢復(fù)系數(shù)；RT為切向恢復(fù)系數(shù)。

將碰撞后落石的法向、切向速度（VN2、VT2）轉(zhuǎn)化為x?y坐標(biāo)系橫向速度和縱向速度（Vx2、Vy2），如式（12）、式（13）。

反彈的落石繼續(xù)向上斜拋，當(dāng)落石的縱向速度為零時，其反彈高度達到最大值，如式（14）所示（見圖1）。

落石在同一坡面水平運動的最大距離Smax如式（15）所示（見圖1）。

此時落石的垂直移動距離為式（16）。

2.4 滾動

當(dāng)落石的法向速度為零時，落石不再彈起，并沿坡面滾動，其方程為式（17）。

式中：VT1為碰撞后的切向速度，m/s；β為邊坡坡度，°；f為摩擦系數(shù)。

由于摩擦力以及坡面變換等因素的作用，落石的加速度逐漸變小，速度逐漸減小至零。

3 落石運動數(shù)值模擬分析

試驗路段邊坡簡化如圖2所示，邊坡最大高度約42 m，上部三級坡率為1∶1，坡高10 m，坡面防護為混凝土掛板防護；最下一級坡率為1∶0.75，坡高12 m，坡面以混凝土圬工材料為主，含有部分片石。既有結(jié)構(gòu)物拆除以及土石方開挖過程中都存在崩塌墜落的可能性。

利用RocFall軟件模擬計算1 000次落石過程，落石大小為直徑0～60 cm的隨機值，落石崩塌源選定為最危險坡段ab段，落石初始速度為零，當(dāng)落石脫離原位后，呈自由落體運動，與斜坡碰撞后開始做跳躍和滾動運動。通過統(tǒng)計落石運動計算分析結(jié)果，得出的結(jié)論如圖3和圖4所示。

由圖3可見，超過95%的落石堆積在最上一級平臺bc段，其他各級平臺上幾乎不存在落石，有少量落石能夠最終到達路面hn段。說明大部分從邊坡脫落的碎石由于摩擦阻力、碰撞等原因能量不斷損失，最終停留在本級邊坡的平臺上。少數(shù)落石能夠以一定的速度進入下一級平臺，這些落石由于具有一定的速度，很難再在下一級平臺停留并最終到達路面hn的位置。圖4顯示落石跳躍的最大高度出現(xiàn)于最下部的路面hn段，這是由于到達碎落臺的落石獲得的速度最大，有更多的動能轉(zhuǎn)化為勢能［3］?？紤]到碎落臺處落石跳躍高度較大，而且能量更高，在此處設(shè)置攔石網(wǎng)的要求就更高；而在更高的臺階設(shè)置攔石網(wǎng)，雖然更容易，但是要隨著開挖工程的進行多次拆除，影響工程進度。綜上考慮，建議在最下一級平臺fg中部設(shè)置攔石網(wǎng)，從圖4可以看出，fg中點的落石跳躍高度為1.8 m，建議攔石網(wǎng)的高度不低于2 m。

4 落石防護體系

落石問題具有影響因素復(fù)雜、爆發(fā)難以預(yù)測、致災(zāi)隨機性強的特征，目前提出的防治技術(shù)也有很多。落石防治技術(shù)通常分為主動防護技術(shù)和被動防護技術(shù)兩個大類。主動防護技術(shù)的理念在于增強危巖體的穩(wěn)定性，阻止其發(fā)生崩落。而被動防護系統(tǒng)的理念在于假設(shè)危巖發(fā)生崩落，但通過阻止落石到達威脅對象范圍而起到防護作用。主動防護技術(shù)一般適用于工作邊坡的落石防護，在高速公路改擴建過程中為避免落石對施工造成影響，采用被動防護技術(shù)更合適［4］。高速公路改擴建過程中采用的落石防護設(shè)施屬于臨時設(shè)施，僅在邊坡施工過程中才使用，因此要求采用的防護技術(shù)具有施工簡便、易于安裝拆除、可重復(fù)利用的特點。結(jié)合落石運動軌跡特征，本研究提出了包括彩鋼瓦沙袋墻綜合圍擋、土工鋼絲網(wǎng)防護墻、SNS被動防護網(wǎng)的三級防護體系。

4.1 彩鋼瓦沙袋墻綜合圍擋

圍擋本就是施工現(xiàn)場重要的安全文明措施，具有保障施工現(xiàn)場人員安全和美化施工現(xiàn)場環(huán)境的功能。對于高速公路改擴建項目，圍擋上的提示標(biāo)語、警示符號、導(dǎo)向標(biāo)識可以起到對車輛的引導(dǎo)和指示作用，還有攔截、阻擋邊坡落石的作用。常規(guī)圍擋穩(wěn)定性較差，對于阻擋落石的效果較差，本研究要求在靠近施工區(qū)域的原高速公路波形防撞護欄外側(cè)堆積沙袋墻，形成內(nèi)側(cè)彩鋼瓦包邊，外側(cè)沙袋防護的結(jié)構(gòu)形式。在這種彩鋼瓦結(jié)合沙袋墻的綜合圍擋中沙袋墻可以同時起到加固彩鋼瓦和緩沖落石的作用，如圖5所示。

緊貼老路波形梁護欄外側(cè)，間隔4 m插設(shè)直徑48 mm鋼管，鋼管長度3 m（地上2 m、地下1 m），橫桿設(shè)置4道，固定成為骨架。彩鋼瓦設(shè)置與波形梁護欄與鋼管骨架之間。另一側(cè)堆積沙袋，沙袋墻高1.5 m，寬0.5 m，用于防止圍擋傾覆、吸收落石沖擊能。

4.2 土工鋼絲網(wǎng)防護墻

在原邊溝外側(cè)碎落臺上設(shè)置第二級防護。二級防護以鋼管支架為基礎(chǔ)，下面用1.5 m高的土袋圍墻加固鋼管支架，鋼管支架上部用高度為1.5 m的20 mm×20 mm防護網(wǎng)覆蓋。鋼管支架采用直徑48 mm鋼管，縱向鋼管每隔4 m設(shè)置一根，插入地下不少于1 m，地上部分3 m。橫向鋼管設(shè)置3道，與縱向鋼管連接固定。在邊溝一側(cè)每隔2 m設(shè)置兩道斜向支撐鋼管。土工鋼絲網(wǎng)防護墻結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4.3 SNS被動防護網(wǎng)

SNS被動防護網(wǎng)是一種攔截落石的柔性攔網(wǎng)，防護能量一般為150～2 000 kJ，特殊情況防護能量可高達5 000 kJ。與傳統(tǒng)的剛性防護設(shè)施相比，SNS被動防護系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢［5］：一是防護系統(tǒng)具有很高的強度且柔韌性較好，能夠吸收落石對攔網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊能，實現(xiàn)高效的落石阻攔效果；二是防護系統(tǒng)以沖擊動能為主要設(shè)計參數(shù)，原理簡單可靠，實現(xiàn)了定量化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計；三是系統(tǒng)全部采用工廠定制標(biāo)準(zhǔn)部件，現(xiàn)場除部分基礎(chǔ)作業(yè)外，其余均為裝配式組裝作業(yè)，施工簡易快速，勞動強度??；四是系統(tǒng)簡單，施工方便，對于復(fù)雜地形的適應(yīng)性強，維護工作少且簡單易行。

在二級平臺上采用SNS被動防護網(wǎng)為主，輔以小網(wǎng)孔鋼絲網(wǎng)的防護結(jié)構(gòu)。SNS被動防護網(wǎng)采用活動結(jié)構(gòu)，方便安裝拆卸。在平臺距離外邊緣0.5 m的位置間隔4 m連續(xù)挖掘500 mm×500 mm×700 mm（長×寬×深）的基坑，澆筑C25混凝土，中心預(yù)埋直徑60 mm的PVC管材。待基坑混凝土強度達到設(shè)計強度的80%時，在預(yù)留管中豎向插入直徑48 mm鋼管，鋼管長度為2.7m（外露2 m、埋地0.7 m）。水平方向設(shè)置4道直徑48 mm鋼管與豎向鋼管緊固成整體。在鋼管支撐架上加掛兩層防護網(wǎng)，外側(cè)為100 mm×100 mm的SNS柔性防護網(wǎng)，內(nèi)側(cè)為20 mm×20 mm的鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)高均為2 m。為保證防護網(wǎng)的穩(wěn)定，每根豎向鋼管用Φ6 mm鋼絲拉線固定到Φ28 mm地錨上，如圖7所示。

5 結(jié)論

①邊坡落石等墜落物由于邊坡較緩而且存在平臺，超過95%都會停留在到達的第一級臺階上，只有少數(shù)的落石會到達底部。

②綜合考慮成本、施工難度、周轉(zhuǎn)情況等因素，將主要的攔石設(shè)施設(shè)置在最下一級平臺上是合適的，且要求攔石網(wǎng)的高度不低于2 m。

③為提高安全性，保證生命財產(chǎn)安全，應(yīng)結(jié)合施工方案，采用多級落石防護措施。