王 春

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

0 引 言

危巖落石是山區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。公路是線狀工程構(gòu)造物，跨越地域廣；且山嶺地區(qū)地形條件復(fù)雜，縱面起伏大，公路路線設(shè)計受地形條件約束，從而顯著增加了危巖防治的技術(shù)難度和工程造價。危巖落石的影響因素復(fù)雜，難以準(zhǔn)確預(yù)測，會對交通項目的運營、橋涵結(jié)構(gòu)物和車輛的通行造成極大的安全隱患。因此，山區(qū)危巖落石地質(zhì)災(zāi)害沿線的公路工程設(shè)計，既要考慮車輛通行安全、橋梁路基結(jié)構(gòu)安全，又要考慮周邊復(fù)雜環(huán)境的影響。

危巖的防治技術(shù)主要包括主動防治技術(shù)體系和被動防治技術(shù)體系[1]。主動防治技術(shù)是通過采用工程技術(shù)措施增強(qiáng)危巖的穩(wěn)定性；而被動防治技術(shù)是假設(shè)危巖塌落，通過采取措施阻止落石威脅被保護(hù)對象。主動防治技術(shù)適用于單體危巖處置，而被動防治技術(shù)更適用于線狀工程構(gòu)造物。公路屬于典型的線狀構(gòu)造物，因此，當(dāng)路線通過分布較廣的危巖區(qū)域時，應(yīng)以被動防治技術(shù)為主，主動防治技術(shù)為輔助。

目前，危巖處治方面的研究多集中于理論和單一類型防護(hù)技術(shù)的分析與應(yīng)用[2-6]。本文以重慶合璧津高速公路項目為依托，根據(jù)途經(jīng)區(qū)域的危巖落石分布情況，多角度論述應(yīng)對危巖落石的防范措施，并進(jìn)行綜合處理方案的設(shè)計，為類似地區(qū)公路工程項目的危巖防治提供一定參考。

1 工程概況

重慶合川至璧山至江津高速公路是重慶市高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三環(huán)十二射七聯(lián)線”中的“六聯(lián)線”。本項目的建設(shè)能有效補(bǔ)充完善國家和重慶市的高速公路網(wǎng)絡(luò)，緩解G75蘭海高速交通壓力，促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。項目全長94.8 km，為雙向六車道高速公路，設(shè)計速度為100 km·h-1，路基寬度為33.5 m。

本文針對K3+100～K5+700九峰山沿山側(cè)的危巖處置方案展開研究。九峰山沿山側(cè)的自然地形邊坡十分陡峻，地形坡度30°～70°，地形標(biāo)高最高為510 m，最低為250 m，高差達(dá)到260 m。受砂、泥巖差異風(fēng)化影響，巖體結(jié)構(gòu)較破碎，左側(cè)山體砂巖范圍內(nèi)坡面較陡，巖體極易失去穩(wěn)定性發(fā)生塌方，存在落石崩塌、滾落的風(fēng)險，影響行車安全。該路段山腳下分布有被坡面侵蝕而掉落形成的碎石覆蓋層。

危巖發(fā)育所在地層為三疊系上統(tǒng)須家河組第六段(T3xj6)，巖性由淺灰至灰白色中厚層狀再到粗粒長石石英砂巖，偶夾薄層狀灰色砂質(zhì)泥巖及菱鐵礦結(jié)核。巖層呈單斜狀產(chǎn)出，形成單面山。區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀310°∠72°～322°∠57°，據(jù)巖體露頭統(tǒng)計，主要發(fā)育2組構(gòu)造裂隙，其典型產(chǎn)狀為：L1產(chǎn)狀為34°∠77°，L2產(chǎn)狀為218°∠68°，裂隙間距為0.5～1.5 m。受產(chǎn)狀及裂隙切割影響，線路左側(cè)砂巖形成陡崖和危巖，泥巖坡面覆蓋較厚的崩坡積層且落石分布廣泛。本區(qū)域內(nèi)順層發(fā)育的砂巖、下部橫向發(fā)育的近水平裂隙對巖體進(jìn)行了切割。調(diào)查結(jié)果顯示：區(qū)域內(nèi)共計77塊危巖單體，占地2.8萬m3。典型危巖破壞模式如圖1所示。

圖1 典型危巖破壞模式

保證行車安全是危巖處治的首要目標(biāo)。通過初步設(shè)計，并進(jìn)行設(shè)計方案比選，綜合考慮工程規(guī)模、施工運營期間安全、工程投資、環(huán)境以及社會影響等因素，最終確定設(shè)計方案。

2 危巖處置策略

如前所述，危巖的防治技術(shù)主要包括主動和被動防治技術(shù)體系。山區(qū)公路作為典型的線狀構(gòu)造物，應(yīng)以被動防治技術(shù)為主，主動防治技術(shù)為輔。合璧津高速九峰山段是危巖落石較為集中的區(qū)域。初設(shè)線位走行于九峰山南麓林口煤礦東南側(cè)陡坡，在陡崖上掛線。按初期設(shè)計線位及縱斷面設(shè)計高程，采用巖層層理面刷坡則無法放坡，或者邊坡高度極高，路基工程以及橋梁工程樁基很難實施，且部分橋梁橋面侵入山體，受危巖落石風(fēng)險較大。

為確保車輛的通行安全，研究采用陡坡段隧道方案通過危巖落石集中區(qū)域。研究過程中主要比選了3種方案：F1K、F2K和F4K(圖2)。F1K方案為隧道最短方案，但橋梁工程量較大且隧道以外路段仍然處于危巖落石密集區(qū)域；F2K方案避讓了主要的危巖集中區(qū)域，造價相對較低，但路線平面指標(biāo)較低；F4K方案為隧道最長方案，完全避開了危巖落石的影響，但工程造價過高。

圖2 合璧津高速公路九峰山段方案

經(jīng)過比較，F(xiàn)2K方案為最終推薦方案，對隧道外的危巖分別采用主動和被動防治技術(shù)，其中被動防治使用了落石模擬技術(shù)，確定防護(hù)構(gòu)造物幾何尺寸和避讓距離，并優(yōu)化最終路線線位。

3 危巖主動防治技術(shù)設(shè)計

九峰山路段采用的危巖主動防治技術(shù)包括清除、嵌補(bǔ)、錨固、支撐和柔性網(wǎng)防護(hù)技術(shù)，如圖3所示。

圖3 典型主動防治技術(shù)

清除適用于危巖塊體規(guī)模不大、危巖體與母體已脫離的情況，以及清除危巖塊體后不會發(fā)生次生災(zāi)害的情況。嵌補(bǔ)適用于修補(bǔ)路基側(cè)坡上局部坡面中因巖體裂隙張開而坍落的巖腔或風(fēng)化剝落形成的巖腔。支護(hù)適用在軟硬巖互層所組成的高邊坡路段，對坡面上風(fēng)化形成巖腔的情況可采用漿砌片石支護(hù)墻或護(hù)面加固處理。錨固適用于危巖完整且不致使錨固設(shè)備處于受剪狀態(tài)工作的危巖情況?；炷林芜m用于山坡陡峭，無法用漿砌片石支頂、刷方清除，而危巖較堅硬、完整、節(jié)理較少的情況。柔性防護(hù)網(wǎng)適用于危巖高度小于30 m且落石較為集中的路段。

4 危巖被動防治技術(shù)設(shè)計

4.1 分析與模擬

危巖被動防治是指通過設(shè)置構(gòu)造物阻擋落石破壞被保護(hù)對象，必要時可后撤被保護(hù)對象。為確定路線的合理避讓距離，研究采用美國科羅拉多交通廳研發(fā)的落石模擬系統(tǒng)，分析巖石的跌落路徑[7-10]。

落石模擬系統(tǒng)采用能量守恒法來計算巖石掉落過程中的角速度和切線速度。

(1)

式中：I為落石初始轉(zhuǎn)動慣量；M為落石質(zhì)量；ω1和ω2分別為初始和最終角速度；V1和V2分別為初始和最終切線速度。

研究利用軟件模擬了不同地質(zhì)、不同質(zhì)量落石的運動軌跡，如圖4所示。由圖可知，不同質(zhì)量的落石沿同一山坡下落具有不同的軌跡，落石質(zhì)量越大，運動軌跡越遠(yuǎn)。該運動軌跡是確定避讓距離的參考依據(jù)之一。

圖4 模擬落石運動軌跡

對同一坡面不同質(zhì)量、不同初始角速度的落石進(jìn)行組合狀態(tài)模擬(圖5)。落石的質(zhì)量和初始角速度根據(jù)勘測結(jié)果預(yù)估，假設(shè)服從正態(tài)分布。

圖5 組合狀態(tài)模擬

圖6 K3+720處路基優(yōu)化橫斷面

4.2 路基優(yōu)化設(shè)計

圖6對比了K3+720處初步設(shè)計方案和優(yōu)化后的方案。初步設(shè)計方案在靠近山體處采用半填半挖的斷面形式，需要修建階梯式邊坡防護(hù)，工程總體造價相對較低。優(yōu)化方案采用架橋的方式避讓該危險區(qū)域，落石直接從橋下滾落。

4.3 橋梁優(yōu)化設(shè)計

在危巖落石區(qū)域布設(shè)橋梁工程，首先應(yīng)避免橋墩處于危巖塊體上；同時結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)特征選擇適當(dāng)?shù)臉蛐秃涂卓纭２捎么罂邕B續(xù)剛構(gòu)可直接跨越溝心，橋墩數(shù)量可以減少，從而降低發(fā)生撞擊的可能性，但投資相對增加[11-17]。

圖7顯示了橋梁優(yōu)化前、后的設(shè)計方案。原設(shè)計中，橋墩位于強(qiáng)風(fēng)化巖層，存在不穩(wěn)定因素；通過組合狀態(tài)落石模擬發(fā)現(xiàn)，由于原設(shè)計開挖邊坡較陡，落石沿坡面滾落后具有較大沖擊力，威脅橋墩安全，因此優(yōu)化方案將路線向右移動。

圖7 橋梁優(yōu)化

5 結(jié) 語

公路屬于典型的線狀構(gòu)造物，對于危巖防治應(yīng)采用主動與被動防治技術(shù)相結(jié)合的方式以確保行車安全，對于危巖密集區(qū)域應(yīng)以被動防治措施為主并合理避讓。

合璧津高速公路九峰山段地勢陡峭，危巖分布較為集中，給行車安全帶來巨大威脅。研究采用了陡坡段隧道方式通過危巖落石集中區(qū)域，并對隧道外的危巖分別采用主動和被動防治技術(shù)。其中被動防治使用了落石模擬技術(shù)確定防護(hù)構(gòu)造物的幾何尺寸和避讓距離，并優(yōu)化最終路線線位。研究可為類似地區(qū)公路工程項目的危巖防治提供一定參考。