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(kuò)建工程中經(jīng)常遇到深路塹，路塹高大邊坡的施工是一個(gè)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(kuò)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(shí)際上對于高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)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(xiǎn)會大大增加，這就會對公路交通安全運(yùn)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(kuò)建工程項(xiàng)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(yùn)動(dòng)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(xiàng)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(hù)，每塊混凝土預(yù)制板由兩根錨桿固定?；炷令A(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(yùn)動(dòng)特征分析

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

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(shí)，落石在重力作用下呈現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)，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(shí)間，s；v0為落石初始下落速度，m/s。

2.2 滑動(dòng)

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

式中：β為邊坡坡角，°；f為動(dòng)摩擦系數(shù)；H為落石垂直位移，m。

2.3 跳躍

落石因?yàn)橥饬ψ饔枚撾x既有結(jié)構(gòu)體崩出，以拋物線運(yùn)動(dòng)的方式落到斜坡上，與坡面發(fā)生碰撞。基于落石的運(yùn)動(dòng)過程建立坐標(biāo)系，模擬研究落石質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡，具體如圖1所示。

依據(jù)物理學(xué)落體運(yùn)動(dòng)原理，建立起如下的落石運(yùn)動(dòng)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(shí)刻的路徑，式（5）和式（6）為落石每時(shí)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(yàn)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(shí)，其反彈高度達(dá)到最大值，如式（14）所示（見圖1）。

落石在同一坡面水平運(yùn)動(dòng)的最大距離Smax如式（15）所示（見圖1）。

此時(shí)落石的垂直移動(dòng)距離為式（16）。

2.4 滾動(dòng)

當(dāng)落石的法向速度為零時(shí)，落石不再彈起，并沿坡面滾動(dòng)，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(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬分析

試驗(yàn)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(hù)為混凝土掛板防護(hù)；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(jì)算1 000次落石過程，落石大小為直徑0～60 cm的隨機(jī)值，落石崩塌源選定為最危險(xiǎn)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(yùn)動(dòng)，與斜坡碰撞后開始做跳躍和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。通過統(tǒng)計(jì)落石運(yùn)動(dòng)計(jì)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(dá)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(jìn)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(dá)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(dá)碎落臺的落石獲得的速度最大，有更多的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能［3］。考慮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(jìn)行多次拆除，影響工程進(jìn)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(diǎn)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(hù)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(jī)性強(qiáng)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(dòng)防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)兩個(gè)大類。主動(dòng)防護(hù)技術(shù)的理念在于增強(qiáng)危巖體的穩(wěn)定性，阻止其發(fā)生崩落。而被動(dòng)防護(hù)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(dá)威脅對象范圍而起到防護(hù)作用。主動(dòng)防護(hù)技術(shù)一般適用于工作邊坡的落石防護(hù)，在高速公路改擴(kuò)建過程中為避免落石對施工造成影響，采用被動(dòng)防護(hù)技術(shù)更合適［4］。高速公路改擴(kuò)建過程中采用的落石防護(hù)設(shè)施屬于臨時(shí)設(shè)施，僅在邊坡施工過程中才使用，因此要求采用的防護(hù)技術(shù)具有施工簡便、易于安裝拆除、可重復(fù)利用的特點(diǎn)。結(jié)合落石運(yùn)動(dòng)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(hù)墻、SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的三級防護(hù)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(kuò)建項(xiàng)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(hù)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(hù)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(shí)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(hù)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(hù)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(hù)墻

在原邊溝外側(cè)碎落臺上設(shè)置第二級防護(hù)。二級防護(hù)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(hù)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(hù)墻結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4.3 SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)是一種攔截落石的柔性攔網(wǎng)，防護(hù)能量一般為150～2 000 kJ，特殊情況防護(hù)能量可高達(dá)5 000 kJ。與傳統(tǒng)的剛性防護(hù)設(shè)施相比，SNS被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢［5］：一是防護(hù)系統(tǒng)具有很高的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)高效的落石阻攔效果；二是防護(hù)系統(tǒng)以沖擊動(dòng)能為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，原理簡單可靠，實(shí)現(xiàn)了定量化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；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(dòng)強(qiáng)度小；四是系統(tǒng)簡單，施工方便，對于復(fù)雜地形的適應(yīng)性強(qiáng)，維護(hù)工作少且簡單易行。

在二級平臺上采用SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)為主，輔以小網(wǎng)孔鋼絲網(wǎng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)。SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)采用活動(dòng)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(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%時(shí)，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(hù)網(wǎng)，外側(cè)為100 mm×100 mm的SNS柔性防護(hù)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(hù)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(dá)的第一級臺階上，只有少數(shù)的落石會到達(dá)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(cái)產(chǎn)安全，應(yīng)結(jié)合施工方案，采用多級落石防護(hù)措施。