李莉萍

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司，福州 350001）

隨著我國(guó)道路工程建設(shè)向偏遠(yuǎn)山區(qū)的快速推進(jìn)，道路邊坡工程數(shù)量越來(lái)越多，其中高陡巖質(zhì)邊坡落石病害問(wèn)題在公路設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)中日益突出。 落石病害具有隨機(jī)、突發(fā)、瞬時(shí)、沖擊力大及危害范圍廣等特點(diǎn)。

廈蓉高速公路擴(kuò)建工程中某高陡巖質(zhì)邊坡存在掉塊落石病害（圖1）。以本邊坡為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、地質(zhì)分析，并利用計(jì)算軟件數(shù)值建模，計(jì)算分析落石運(yùn)動(dòng)特性的彈跳高度、平移速度、總動(dòng)能及停積位置概率等相關(guān)指標(biāo)，以期實(shí)現(xiàn)該邊坡的有效安全防護(hù)；同時(shí)為類似高邊坡工程的安全施工和防護(hù)提供一定參考與借鑒。

1 邊坡概況

本邊坡為新擴(kuò)建高速公路路塹邊坡，位于既有高速公路左側(cè)山體上方 （圖1 所示）， 設(shè)計(jì)邊坡長(zhǎng)300 m，采用陡坡強(qiáng)加固設(shè)計(jì)，高6 級(jí)，最大高度約61.4 m；與既有運(yùn)營(yíng)高速公路高差約85 m。

2 坡體地質(zhì)

邊坡場(chǎng)區(qū)屬剝蝕丘陵地貌， 地形波狀起伏，山坡坡度約40°～60°，自然斜坡現(xiàn)狀穩(wěn)定，植被發(fā)育。坡體上覆坡殘積土，下覆燕山早期侵入花崗巖(圖2)。中風(fēng)化、 微風(fēng)化花崗巖巖體以中風(fēng)化花崗巖為主，呈淺灰白色，塊狀、層狀（圖3 所示），節(jié)理裂隙發(fā)育，發(fā)育多組順傾向結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面張開(kāi)、滲水。

圖2 新擴(kuò)建邊坡地圖斷面圖

3 病害與安全風(fēng)險(xiǎn)分析

邊坡原設(shè)計(jì)最高為6 級(jí)（單級(jí)10 m），主要防護(hù)為：第1～4 級(jí)采用綠化防護(hù)，第5、6 級(jí)采用預(yù)應(yīng)力錨索框架加固防護(hù)。 本段邊坡開(kāi)挖揭露，坡體存在以下落石病害與安全風(fēng)險(xiǎn)：

圖3 巖體順傾節(jié)理裂隙

（1）邊坡局部較高陡，按設(shè)計(jì)坡率刷方，邊坡高度將大幅增加，對(duì)坡體擾動(dòng)大；若邊坡采用近垂直坡率施工，安全防護(hù)要求高，坡體掉塊、落石病害特征顯著。

（2）邊坡巖體呈塊狀，結(jié)構(gòu)面發(fā)育、順傾、張開(kāi)，開(kāi)挖后坡面危巖體較發(fā)育，易發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面塊體滑移掉落病害；且由于山體地形較陡，開(kāi)挖階段掉塊、落石對(duì)下部既有高速公路安全運(yùn)營(yíng)隱患較大。

（3）由于巖體堅(jiān)硬，邊坡開(kāi)挖刷方，對(duì)巖體及節(jié)理裂隙擾動(dòng)大，對(duì)開(kāi)挖坡面上部山體巖體存在擾動(dòng)牽引變形可能；邊坡局部穩(wěn)定性較差，且落石對(duì)開(kāi)挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)影響高。

4 落石病害分析

4.1 落石分析理論

陡坡落石指巖塊從母巖體分離出來(lái)，經(jīng)過(guò)與墊面的彈跳、碰撞、飛躍、滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)過(guò)程，順著陡高山坡面快速向下運(yùn)動(dòng)，最后在平緩處或者障礙物附近停止運(yùn)動(dòng)的過(guò)程[1]。 針對(duì)落石病害的防控，主要通過(guò)對(duì)落石運(yùn)動(dòng)特征和沖擊特征2 方面的研究來(lái)進(jìn)行量化分析[2]，其中落石的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡、跌落距離、飛行高度、速度和運(yùn)動(dòng)能量、沖擊力等，是落石防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)。 目前對(duì)其理論分析主要基于Hertz 彈性碰撞理論、碰撞恢復(fù)系數(shù)方法[3-4]及關(guān)于沖擊力的計(jì)算方案研究[5-6]。

落石分析在量化計(jì)算與運(yùn)動(dòng)軌跡模擬方面計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜， 目前較為常用的有RocFall 計(jì)算軟件，該軟件基于概率統(tǒng)計(jì)理論模擬計(jì)算落石滾落路徑， 并通過(guò)將落石簡(jiǎn)化為均勻且不會(huì)破碎的質(zhì)點(diǎn)，坡面視為各向同性的彈塑性體， 忽略空氣阻力，利用運(yùn)動(dòng)參數(shù)法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)和孤石重量等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)落石上述指標(biāo)的量化計(jì)算[7-9]。

該軟件主要參數(shù)包括法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)和孤石重量等，量化計(jì)算滿足能量守恒原理。 其中恢復(fù)系數(shù)為兩物體碰撞后分離速度與碰撞前接近速度的比值（包含：法向恢復(fù)系數(shù)與切向恢復(fù)系數(shù)），兩者成正比關(guān)系。 由于落石與巖面碰撞反彈存在相應(yīng)能量損失，其恢復(fù)系數(shù)介于0～1。 恢復(fù)系數(shù)反映落石碰撞行為及其彈出后的能量賦存情況，因此恢復(fù)系數(shù)取值尤為敏感，其直接決定落石運(yùn)動(dòng)路徑[3-4]，具體取值建議可參考表1。

表1 巖面恢復(fù)系數(shù)

高位落石于坡面的動(dòng)摩擦系數(shù)的取值與滾石的大小、形狀、速度及邊坡坡度、坡面地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 根據(jù)前人研究[7]，其取值經(jīng)驗(yàn)公式如表2 所示。

表2 滾動(dòng)摩擦系數(shù)取值

4.2 落石病害分析

根據(jù)坡體地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查，并考慮危巖體巖塊尺寸等，建立計(jì)算模型。

以本邊坡病害最嚴(yán)重的K99+920 斷面為例,進(jìn)行坡面危巖體崩塌落石病害的量化計(jì)算分析。 落石模擬高度為設(shè)計(jì)新擴(kuò)建邊坡最大高度61.4 m，巖塊平均質(zhì)量500 kg（圖4 所示），相關(guān)參數(shù)指標(biāo)參考表1～2 選取最不利參數(shù)指標(biāo)，取值如表3 所示：

表3 落石病害分析參數(shù)

對(duì)存在的潛在危巖體落石進(jìn)行分析， 計(jì)算200 次落石運(yùn)動(dòng)軌跡分布規(guī)律，其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型與計(jì)算運(yùn)動(dòng)路徑圖

圖4 中上部新擴(kuò)建瀝青道路橫坐標(biāo)范圍為62～92 m，下部既有瀝青道路范圍為206～230 m。 計(jì)算數(shù)據(jù)及結(jié)論分析如下：

（1）圖5 數(shù)據(jù)顯示，坡體危巖體落石主要集中于新建與既有高速公路路面，新建高速公路（坐標(biāo)83～92 m 范圍）落石77 處，占38.5%；下部既有高速公路（坐標(biāo)215～230 m 范圍）落石109 處，占54.5%；上部自然坡落石1 處，中部坡面落石12 處。 根據(jù)落石數(shù)量分析，危巖體對(duì)擴(kuò)建道路的工程施工和既有高速公路運(yùn)營(yíng)均存在較大安全隱患，應(yīng)對(duì)坡體上部危巖體采取清除、加固或支擋攔截等處治措施。

圖5 落石水平分布

（2）圖6 數(shù)據(jù)顯示，根據(jù)危巖體落石彈跳高度分析，其落石在位于上部擴(kuò)建高速公路坡腳及路面范圍，落石彈跳高度較大，最高約12.5 m；彈跳至下部自然坡體后，主要以滾落為主，至既有運(yùn)營(yíng)高速公路，彈跳高度較小，約1 m。據(jù)此分析，對(duì)落石攔截防護(hù)措施應(yīng)布設(shè)于邊坡上部。

圖6 彈跳高度包絡(luò)線

（3）圖7 數(shù)據(jù)顯示，根據(jù)危巖體落石總動(dòng)能分析， 最強(qiáng)落石沖擊力位于新建高速公路路面范圍，約170 kJ，且對(duì)新建高速外側(cè)坡面至下部既有高速公路存在較大沖擊破壞作用。 因此，為避免其破壞作用，宜采取危巖體清除、坡面封閉、加固等措施。

圖7 總動(dòng)能包絡(luò)線

（4）由于擴(kuò)建高速公路的邊坡與路基開(kāi)挖施工，致使下部自然坡面存在堆積松散塊體、 較大孤石等情況，對(duì)既有高速公路安全運(yùn)營(yíng)影響較大。 因此，應(yīng)對(duì)新建道路下部自然坡面的松散體、 孤石及其它不穩(wěn)定危巖體等采取清除和攔截防護(hù)等措施。

5 安全防護(hù)措施

根據(jù)危巖體的數(shù)值分析結(jié)果，該段邊坡開(kāi)挖施工危險(xiǎn)性高，可實(shí)施性差，且新建道路上部山體存在潛在失穩(wěn)隱患。 結(jié)合邊坡實(shí)際情況，制定具體施工方案與安全防護(hù)措施如下：

（1）下部既有高速公路雙向封道，上部擴(kuò)建高速公路的高陡坡面采用爆破施工進(jìn)行坡面刷方（陡坡刷方）， 并清除開(kāi)挖后坡面及坡頂上方自然坡體的危巖體、孤石等。

（2）上部擴(kuò)建高速公路路塹邊坡，采用混凝土護(hù)面墻結(jié)合邊坡巖體的陡坡強(qiáng)加固方案防護(hù)（圖8～9）進(jìn)行坡面封閉和加固防護(hù)。 第1 級(jí)采用巖栓錨桿結(jié)合混凝土護(hù)面墻防護(hù)；第2、3 級(jí)邊坡調(diào)整為預(yù)應(yīng)力錨桿地梁防護(hù)，局部節(jié)理裂隙發(fā)育、順傾區(qū)域增設(shè)巖栓錨桿+C20 砼護(hù)面墻+預(yù)應(yīng)力錨桿地梁。

（3）擴(kuò)建高速公路邊坡坡頂設(shè)置被動(dòng)網(wǎng)攔截防護(hù)，預(yù)防上部自然山體落石病害。

（4）清除新建道路下部山體爆破遺留松散巖體，并設(shè)置被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)。

圖8 新擴(kuò)建邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖9 邊坡防護(hù)效果

6 結(jié)語(yǔ)

本段高陡巖質(zhì)邊坡地形條件差， 巖性強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)面發(fā)育且順傾；在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，施工難度大，危險(xiǎn)性高，對(duì)既有高速公路運(yùn)營(yíng)安全隱患大。 通過(guò)采用RocFall 軟件對(duì)陡坡落石路徑軌跡等進(jìn)行分析，可對(duì)落石的病害程度、規(guī)模進(jìn)行有效地發(fā)現(xiàn)、揭示和量化，并根據(jù)量化的指標(biāo)（如：滾落距離、數(shù)量、能量和高度等）進(jìn)行針對(duì)性的防護(hù)。 通過(guò)對(duì)本擴(kuò)建高速的高陡順傾巖質(zhì)邊坡的病害分析，主要采用了全坡面覆蓋、支頂及危巖體預(yù)應(yīng)力錨固和攔截的綜合防護(hù)措施，工程防護(hù)效果良好。 本文的方法和針對(duì)性處治，對(duì)處理工程建設(shè)中的此類問(wèn)題具有較大參考意義。