某高速公路落石灾害成因分析及防护方案选择

梁洋德

摘要：文章以某高速公路路外山体落石防护工程为实例，分析危岩灾害的成因并调查了潜在破坏模式，比较了各类落石防护措施的优缺点，提出采用多道超高能级被动防护网对大动能落石进行拦截防护，属国内公路行业首次使用超高能级被动防护网，为同类工程提供参考。

关键词：高速公路;危岩;落石防护;超高能级被动防护网

0 引言

随着极端天气的频发，近年来高速公路危岩崩塌病害呈增长趋势，体现出大体积、高落点、大冲积动能等特点[ 1]。目前危岩防治措施主要有清除、锚固、支撑、截排水以及柔性防护等措施[ 2]。针对病害项目特点，选择合适的防护形式可起到节约成本、缩短施工周期的作用。针对公路最常用的柔性防护措施以主动防护网及被动防护网两种落石防护形式为主，目前国内市场上常见的被动防护网防护能级最大仅达到3 000 kJ[3]，无法很好地拦截落点位置高、危岩质量大，具备大的冲击动能落石[4]。

1 项目概况

2020-06-03 8时许，广西某高速公路发生路外山体落石并侵入高速公路，造成两辆货车受损，两名人员轻伤，高速公路双幅交通中断。根据现场初步调查，最大落石体积为（3×3×5）m 3，重约126 t，影响区域约为（50×26）m 2。落石点高度距高速公路路面约148 m，岩性为中风化灰岩，落石在公路上的第一落点为上行线应急车道中部，经过弹跳横穿高速公路中央分隔带撞至下行线两辆货车后停止。

本次路外山体落石区属溶蚀峰丛地貌，相对高差约260 m，地形上陡下缓，中部近于直立。山体表层大部分区域被植被覆盖，岩体节理裂隙发育，隙间充填黏性土。危岩体区域岩性为二叠系下统栖霞阶灰岩（P1q），落石点距高速公路路面高差约148 m。落石点上部为山体鞍部形成的冲沟，走向为40°～50°NE，直对落石点，落石点岩层产状为350°～354°NW∠65°～70°，与公路边坡呈顺层关系。

2 病害情况调查及成因分析

经调查，对高速公路威胁较大的危岩区如下页图1所示，其中W1区域岩体破碎，并受冲沟汇水冲刷，加之已发生过严重灾害，威胁等级最大，W2、W3区威胁等级相对较小，三个区域表面积共计约39 000 m 2。

根据广西壮族自治区地方标准《危岩防治工程技术规范》（DB45/1696-2018），本危岩区属高位危岩，潜在破坏形式有：滑移式、坠落式、倾倒式。单块危岩体积在3～40 m 3不等[ 5]。

根據对W1区已崩塌危岩体附近的调查，风险较大的三处危岩分别为W1-1、W1-2、W1-3。危岩W1-1较为破碎，单块最大体积约10 m 3，可能发生的破坏形式为滑移式和倾倒式。危岩W1-2岩体裂隙发育，隙间充填物已掏空，裂隙张开5～30 cm不等，单块最大体积约20 m 3，潜在破坏形式为滑移式或坠落式。危岩W1-3岩体裂隙充填物已掏空，最大张开约30 cm，单块体最大体积约25 m 3，潜在破坏形式为滑移式或坠落式。

经分析判断，诱发本次病害产生的内因有：（1）病害区位于都安-马山大断裂影响区，受构造影响，岩体裂隙发育，岩体完整性较差，是岩体变形破坏的潜在影响因素;（2）病害区地层属喀斯特地貌，岩性为灰岩，属可溶性岩，暴露在大气环境中溶蚀作用明显，对产生落石灾害起到促进作用。

诱发本次病害产生的外因有：

（1）大气降水。降水沿裂隙入渗，与可溶性岩反应，促进岩溶发育，使得山体岩块间裂隙不断张开，同时雨水下渗所产生的静水压力严重影响危岩体的稳定性，加速危岩的变形破坏。同时落石点位于冲沟出口处，动水压力促进了危岩的破坏。

（2）生物作用，病害区山体植被覆盖率超过90%，主要以低矮灌木为主，植物根系沿裂隙生长，其劈裂作用促进裂隙张开，严重破坏岩体的整体稳定性，且植物根系所释放出的酸性物质又加速了可溶性岩的溶蚀作用。

3 设计方案

3.1 设计方案比选

常用的危岩防治方案主要有：清除工程（人工清除、爆破清除）、支撑工程（墙撑、柱撑）、锚固工程（锚杆（索））、排水工程、柔性防护网工程（被动防护网、引导式防护网、柔性拦石墙等）。针对本项目的特点，从有效性、施工难易程度、施工周期、施工安全性、美观及环境保护、交通管制、投资、后期维护要求等方面对这五种方案进行比较。

（1）有效性

清除工程能有效清除表层危岩，但在清除表层危岩后易产生新的临空面，不能完全消除威胁。而采用支撑技术时，危岩体下部应具有相对平缓且一定宽度的空间，下伏岩体较完整、较坚硬且处于稳定状态，地基承载力应满足设计要求。本项目属高位危岩，不具备大范围实施支撑工程的条件。锚固工程适合于体量较大的危岩，本项目危岩体受构造及溶蚀的影响，岩体破碎，大小程度不一，无法有效消除危岩体的威胁，工程量大。对本项目来说，相对有效的截排水方案主要为挂网喷射混凝土封闭坡面并充填裂隙。而柔性防护工程中被动防护网及引导式防护网或拦石墙可有效降低落石的能量并拦截落石，降低危岩体对公路通行安全的威胁。

（2）施工难易程度

由于山体高差较大，坡面较陡，进行清除工程施工时需要使用大量的脚手架一类的临时辅助措施，施工难度大。对于支撑工程无论是小范围柱撑还是墙撑需要面临很大体量的混凝土远距离高处泵送的问题，施工困难。锚固工程则面临需要在坡面进行施工，使用大量的脚手架一类的临时辅助措施，同时表层植被对施工效率也有一定影响的问题。截排水工程同样面临在坡面进行施工，需要使用大量的脚手架一类的临时辅助措施，同时还需要考虑高压力泵送混凝土进行喷射的问题。而柔性防护工程可在山体下部低位进行施工，场地条件较好，并且安装技术成熟，施工便捷简单。

（3）施工周期

针对本项目来说，清除工程、支撑工程、锚固工程以及截排水工程由于涉及高位施工，要做大量的准备工作及前期防护工作，同时潜在危岩区域面积较大，因此施工周期长。而柔性防护工程在低位施工，只需要针对受保护的目标区域进行防护，施工周期短。

（4）施工安全性

清除工程在本项目的条件下安全风险较大，需要考虑落石对高速公路通行造成的威胁，施工过程中人工开凿或爆破所产生的振动可能诱发临近危岩的破坏，有较大安全隐患。支撑工程也需要考虑工人高空作业安全，需要防止人、物的坠落，施工安全性中等。锚固工程成孔作业时，可能因振动诱发危岩破坏，有较大的安全隐患，施工安全性低。截排水工程同样需要考虑高空作业防止人、物坠落，施工安全性中等。柔性防护工程仅需要考虑在防护工程施工期间出现的次生落石灾害，经判断发生概率较低，安全风险低，施工安全性高。

[HJ1.55mm]

（5）美观及环境保护

本项目在采用清除工程时需要大面积清除表面植被，清出来的新临空面美观度不足，环境保护效果差。采用支撑工程同样需要清除大量的表层植被，新形成的混凝土结构造成“建筑白色污染”，美观及环境保护效果差。锚固工程则需要一定的清表以及采用格梁或者喷射混凝土等坡面防护措施，美观及环境保护效果差。截排水工程同样需要需大面积清除表面植被，并噴混凝土覆盖，美观及环境保护效果差。而柔性防护工程支挡结构占地空间小，清表面积少，完工后可恢复植被，不需要破坏山体，美观及环境保护效果好。

（6）交通管制需求

由于本项目临近高速公路，对高速公路通行及交通管制要求也是方案比选应考虑的内容。清除工程作业期间需要进行交通管制，以防清理下来的危岩体滚落至高速公路，危及行车安全，在爆破等危险情况下可能需要进行双向封闭。支撑工程在路外施工，可不需要进行交通管制或有条件的进行防护性的管制通行。锚固工程与截排水工程在作业期间可能存在掉块等危险，需要进行交通管制。而柔性防护工程施工位置位于路外低位山坡坡面上，可不需要进行交通管制或有条件的管制通行。

（7）投资

经初步测算清除工程、支撑工程、锚固工程、截排水工程的投资是柔性防护工程投资的2～5倍。

（8）后期维护需求

清除工程形成新的临空面后需要定期进行监测，必要的时候需要补充清除或在坡底设置拦石防护措施。支撑工程、锚固工程、截排水工程形成后稳定性较好，维护需求低。柔性防护工程需定期处理拦截危岩，若防护结构出现损毁须进行修补更换。

综上比较，柔性防护工程针对本工程尽量不扰动或者侵占路外山体的情况下，在有效性、施工难易程度、施工周期、施工安全性、美观及环境保护、交通管制、投资九个方面较其余四种防护方案更具优势。

3.2 设计方案

最终防护方案为在核心区道路边沟外侧10 m处坡面布设两道5 000 kJ能级的被动防护网，每道被动防护网间距10 m，次级防护区采用3 000 kJ能级的被动防护网进行防护，次级防护2区风险性较小，坡面朝路外倾斜，可不设防护网。该方案能抵御目前核心区调查到的位于距路面高差约140 m，体积约25 m 3的最大体量危岩体，冲击点冲击动能达的9 538.24 kJ的冲击。详见图2～3。

4 结语

本项目自施工单位进场至完工仅耗时45 d，从灾害发生导致道路中断到恢复双向通行仅用了三个月时间，获得良好的社会及经济效益。其中对病害成因的精准分析、潜在灾害的调查及详尽的防治方案比选在其中起到关键作用。同时本项目是国内公路行业首次使用5 000 kJ超高能级被动防护网，在路外用地受到局限的情况下，能很好地拦截大体积、大冲击能的落石，保护道路通行安全，具有经济性、实用性、安全性等优点，但在设计、施工及检测方面国内规范仍存在较大的空白。本项目的实施为超高能级被动防护网在国内的应用提供了参考，也为提升我国落石防护领域产品品质作出重要贡献。

参考文献：

[1]朱西超.被动防护网在江习高速公路高边坡中的应用[J].黑龙江交通科技，2017（2）：1-2.

[2]刘成清，陈林雅.被动柔性防护网在边坡防护中的工程应用与研究[J].公路，2015（6）：44-50.

[3]申文军，刘成林，刘昌宏，等.分离式被动防护网整治山体危石应用研究[J].铁道工程学报，2013（5）：31-34，56.

[4]李 航.分离式被动防护网整治山体危石应用分析[J].科技创新导报，2018（14）：86-87.

[5]DB45/1696-2018，危岩防治工程技术规范[S].