硯平高速公路邊坡柔性防護新技術(shù)

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1、引言 
    硯山～平遠街高速公路是國道主干線GZ75云南境內(nèi)的一段，是云南省建設三縱三橫，九大通道框架網(wǎng)中連接廣西，出海通邊的主要通道，是滇中與滇東南的運輸大動脈，對云南的政治經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的意義。
    硯平高速公路全長67.133千米，比原老公路國道323線縮短了18千米。該段公路設計行車速度為80千米/小時，路基寬度為24.5米。路線呈北東～南西向延伸，經(jīng)過區(qū)域高程為1400～1680米。路線所在區(qū)域多為碳酸鹽巖溶喀斯特地貌，構(gòu)造剝蝕低中山地貌，巖溶洼地，石芽殘丘眾多，在路線經(jīng)過的局部地段，地形坡度較大，山坡坡度達250～450。公路所經(jīng)地段，有的自然高陡邊坡存在危巖、崩塌外，同時公路開挖形成的人工邊坡也有大量的崩塌與落石。對公路的安全存在嚴重危害,須采取有效防護措施,針對硯平高速公路邊坡的特點,在邊坡防護方案的選擇方上，指揮部經(jīng)多方考察論證,并在試驗工程的基礎上，最后經(jīng)招標確定采用瑞士布魯克成都工程公司的SNS柔性防護系統(tǒng)對邊坡進行防護。
    2、場地環(huán)境特征和邊坡危害性分析 
    2.1 地形地貌地質(zhì)特征簡況 
    硯平高速公路采用SNS柔性防護系統(tǒng)的段落主要集中在K11～K13和K29～K37高邊坡路段。這兩段都為碳酸鹽巖溶地貌，屬構(gòu)造剝蝕中山地貌，地形起伏較大，有的位置自然邊坡較陡。如K32+100的北側(cè)地形坡度300～320，K33+600北側(cè)地形坡度達430。
    K11～K13和K29～K37這兩段巖石為三疊系中統(tǒng)個舊組（T2g）的灰白色、灰褐色灰?guī)r及白云巖，一般呈厚層狀。由于該地區(qū)斷層和禢皺等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，致使巖體破碎，節(jié)理裂縫發(fā)育，而且?guī)r溶發(fā)育。基于復雜的地形地貌和地質(zhì)條件，因而在高速公路路基開挖后沿線邊坡存在經(jīng)常發(fā)生崩塌落石的危險。
    2.2 邊坡的穩(wěn)定性評價及危害性分析
    K10+300～+480段右側(cè)邊坡，坡度560～590，邊坡高92m，為灰?guī)r，呈厚層狀，個別位置呈薄層狀，有數(shù)條小型斷層和巨型節(jié)理。K32+410～+600，K32+680～+940、K32+880～K33+060等三段，邊坡高40～63m，邊坡坡度為530～580，巖性都是灰?guī)r，由于斷層節(jié)理裂縫極為發(fā)育，巖體松散破碎,路基經(jīng)人工爆破開挖后，邊坡上碎石、塊石較多，易產(chǎn)生崩塌落石，危及行車安全和人們的生命安全。再如K36+070～+301左側(cè)邊坡，邊坡高度為58m，該段巖性為三疊系的灰?guī)r，巖體呈厚層狀，巖層產(chǎn)狀傾向1780，傾角330。巖體中發(fā)育2組節(jié)理，路基經(jīng)爆破開挖后，也將導致邊坡上的巖體易發(fā)生崩塌落石等不良地質(zhì)現(xiàn)象。
    由于K11～K13和K29～K37兩段灰?guī)r地段的多個邊坡都屬于高陡邊坡，而且受人為爆破的影響，巖體破碎，邊坡的崩塌落石比較嚴重，若不作防護，將嚴重危及行車安全，故必須對這些邊坡進行徹底整治。
    3、防護措施及方案的比較 
    為確保硯平高速公路運營的安全, 對邊坡存在崩塌落石的工程隱患做了下面幾種防護方案進行比較分析。
    3.1 護面墻和漿砌片石護坡 
    由于K11～K13和K29～K37兩段的數(shù)十個邊坡都是屬于高陡邊坡，如果全部采用通常的防護方法，即護面墻和漿砌片石護坡，從工程結(jié)構(gòu)和工程量上都很大，且施工工期長。這些高邊坡地段危巖分布高，采用漿砌片石護坡，自身重量砌得太高后，不能保證自身的穩(wěn)定性，而且嚴重破壞了自然景觀，從防護效果和綠化方面，這兩種防護方法都不是一種理想的方案。
    3.2 掛網(wǎng)噴漿 
    這種方法主要是用來防護邊坡巖體的風化剝蝕，以及防止小巖塊和碎石的松動滾落，而對于防止危巖落石并不理想。這種方法將導致硯平公路的這兩段高邊坡全部寸草不生的邊坡，將嚴重破壞自然景觀，而且由于云南地處高原，陽光充足，陽光反射，還可能造成行車安全問題。該方法造價也較高，施工工期長，同時，若某點發(fā)生崩塌落石，可能引起大片掛網(wǎng)噴漿邊坡的破壞，所以，這種方法對落石防護效果極不理想，而且，隨著人們生態(tài)意識的提高，該方法已逐漸淘汰。 
    3.3 SNS柔性防護系統(tǒng) 
    3.3.1 SNS柔性防護的概念、類型和特點
    SNS（safety nettingSystem）柔性防護系統(tǒng)是利用鋼繩網(wǎng)作為主要構(gòu)成部分來防止崩塌落石危害的柔性安全防護系統(tǒng)，其與以圬工結(jié)構(gòu)為代表的傳統(tǒng)方法的主要差別在于系統(tǒng)本身具有的柔性和高強度，更能適應于抗擊集中荷載和高沖擊荷載，且在大量的室內(nèi)外試驗和理論分析計算基礎上建立的標準化部件形式，使系統(tǒng)的設計計算原理趨于科學化和標準化。此外，系統(tǒng)設置后的較小視覺干擾和最大限度的維持原始地貌和植被，同時可進行人工綠化，在美化環(huán)境方面的社會效益是其他方法無法比擬的。
    該系統(tǒng)包括主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)兩個類型，主動防護系統(tǒng)通過錨桿和支撐繩固定方式將鋼繩網(wǎng)覆蓋在有潛在崩塌落石災害的坡面上，從而通過阻止崩塌落石發(fā)生或限制崩巖運動范圍來實現(xiàn)防止崩塌落石危害的目的。根據(jù)硯平高速公路邊坡的地質(zhì)條件和潛在落石特征，選用SNS主動系統(tǒng)對邊坡進行了防護。 
    崩塌落石邊坡的一些傳統(tǒng)防護方法，已不能適應我們安全的防護要求。而崩塌與落石危害的主要特征是具有強大的動力沖擊破壞作用，以剛性結(jié)構(gòu)去抵抗動力沖擊，從原理上就存在事倍功半的弊端，其結(jié)果是必須在存在落石危害的陡峭山坡上建立龐大的攔石結(jié)構(gòu)，為此要尋找開挖龐大的基礎，要搬運大量的建筑材料，工程進度緩慢，勞動強度大，施工安全程度低，施工干擾大，甚至可能因此而使防護結(jié)構(gòu)成為人為的落石來源。因此，我們借用以柔克剛的思想，建立柔性防護結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)事半功倍的防護效果。 
    不難看出，不論是從現(xiàn)有坡面地質(zhì)災害防治技術(shù)本身的不足，還是從各類與巖土工程有關的基礎建設步伐的加快、規(guī)模和等級的提高以及相關施工技術(shù)水平的提高上，都迫切要求深入開展坡面地質(zhì)災害的研究防治工作，尋求一種施工簡單易行、技術(shù)先進、安全可靠、環(huán)保效果好、經(jīng)濟合理的防治新技術(shù)，SNS柔性防護系統(tǒng)可解決這種矛盾。 
    3.3.2 SNS主動防護系統(tǒng)的原理
    SNS主動防護系統(tǒng)按主要構(gòu)成分為鋼絲繩網(wǎng)、普通鋼絲格柵（常稱鐵絲格柵）和TECCO 高強度鋼絲格柵三類，前兩者通過鋼絲繩錨桿或支撐繩固定方式，后者通過鋼筋（可施加預應力）或鋼絲繩錨桿（有邊沿支撐繩時采用）、專用錨墊板以及必要時的邊沿支撐繩等固定方式，將作為系統(tǒng)主要構(gòu)成的柔性網(wǎng)覆蓋在有潛在地質(zhì)災害的坡面上，從而實現(xiàn)其防護目的。
    SNS標準主動防護系統(tǒng)常用于坡面崩塌、危巖、落石、風化剝落、溜坍、溜滑或塌落類地質(zhì)災害加固防護，其明顯特征是采用系統(tǒng)錨桿固定，并根據(jù)柔性網(wǎng)的不同，分別通過支撐繩和縫合張拉（鋼絲繩網(wǎng)和鐵絲格柵）或預應力錨桿（TECCO-65格柵）來對柔性網(wǎng)部分實現(xiàn)預張，從而對整個邊坡形成連續(xù)支撐，其預張拉作業(yè)使系統(tǒng)盡可能緊貼坡面并形成了抑制局部巖土體移動或在發(fā)生局部位移或破壞后將其裹縛（滯留）原位附近的預應力，從而實現(xiàn)其主動防護（加固）功能。該系統(tǒng)在施工工藝上為確保其盡可能緊貼坡面，錨桿孔口應開鑿孔口凹坑（由于系統(tǒng)布置的靈活性，常可在允許范圍內(nèi)利用天然低凹位置設置錨桿，從而適當減少孔口凹坑的開鑿）。
    該系統(tǒng)在作用原理上類似于噴錨和土釘墻等面層護坡體系，但因其柔性特征能使系統(tǒng)將局部集中荷載向四周均勻傳遞以充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的防護能力，即局部受載，整體作用，從而使系統(tǒng)能承受較大的荷載并降低單根錨桿的錨固力要求。此外，由于系統(tǒng)的開放性，地下水可以自由排泄，避免了由于地下水壓力的升高而引起的邊坡失穩(wěn)問題；該系統(tǒng)除對穩(wěn)定邊坡有一定貢獻外，同時還能抑制邊坡遭受進一步的風化剝蝕，且對坡面形態(tài)特征無特殊要求，不破壞和改變坡面原有地貌形態(tài)和植被生長條件，其開放特征給隨后或今后有條件并需要時實施人工坡面綠化保留了必要的條件，綠色植物能夠在其開放的空間上自由生長，植物根系的固土作用與坡面防護系統(tǒng)結(jié)為一體，從而抑制坡面破壞和水土流失，反過來又保護了地貌和坡面植被，實現(xiàn)最佳的邊坡防護和環(huán)境保護目的。 
    4、邊坡防護方案設計和施工 
    4.1 防護方案的設計 
    SNS主動防護系統(tǒng)是通過錨桿和支撐繩對各網(wǎng)塊施加的預張力使各網(wǎng)塊在坡面上張緊后對坡面危巖落石施以一定的預緊壓力，從而提高危巖穩(wěn)定性，阻止危巖落石的發(fā)生。
    該系統(tǒng)主要有柔性鋼繩錨桿、支撐繩和鋼繩網(wǎng)構(gòu)成?？v橫交錯并進行依次預張力的ф16支撐繩與4.5m×4.5m正方形標準模式（為節(jié)省材料，局部邊界采用4.5m×2.5m）網(wǎng)格內(nèi)鋪設一張4m×4m（或4m×2m）的DO/08/300型鋼繩網(wǎng)，每張鋼繩網(wǎng)與四周支撐繩間用ф8縫合繩縫合連接并進行第二次預張拉，該預張拉工藝能使系統(tǒng)對坡面施以一定的法向預緊壓力。從而提高表層土體的穩(wěn)定性，控制危巖體的移動。該系統(tǒng)各構(gòu)成部分在每一獨立的防護區(qū)域內(nèi)為一互相聯(lián)系的共同作用整體，一旦坡面巖土體發(fā)生局部的變形或位移則系統(tǒng)將不是局部而是以整體的形式發(fā)揮作用。
    在硯平高速公路有K12+300～+480段右側(cè)、K32+410～+600段、K32+680～+940段、K32+880～K32+060段、K35+200～+440段、K36+070～+301段、K36+190～+325段右側(cè)、K36+420～+540左側(cè)等十多段高邊坡均采用SNS柔性防護系統(tǒng)進行護坡。
    4.2 施工特點 
    這是一種先進的危巖落石防護技術(shù)。其優(yōu)點是施工周期短，對地形的適應性比較強，而且施工安裝比較靈活，這種系統(tǒng)可以安裝在坡面的任何需要位置。 
    在硯平高速公路的數(shù)十段邊坡，采用了SNS柔性主動防護系統(tǒng)，總面積在40000余平方米，指揮部要求施工單位在雨季前2個月內(nèi)完成施工，而且不能影響路基和路面工程的正常施工。施工單位僅投入70多人，在規(guī)定的時間內(nèi)完成了所有邊坡的防護，說明該方法施工快，效率高，而且不影響其它工程的施工。經(jīng)過雨季和暴雨的沖刷，采用SNS柔性防護系統(tǒng)防護的邊坡完好如初，未發(fā)生任何崩塌落石，效果較顯著。
    4.3 施工安裝技術(shù)要求 
    SNS柔性主動防護系統(tǒng)的施工安裝技術(shù)要求按以下步驟進行。
    ① 對坡面防護區(qū)域的松土及落石進行清除； 
    ② 從防護區(qū)域下沿中部開始向上和兩側(cè)放線測量確定錨桿孔位，并在每一孔位處鑿一深度不小于錨桿外露環(huán)套長度的凹坑，一般直徑20cm深15cm； 
    ③ 按設計深度轉(zhuǎn)鑿錨桿孔并清除孔內(nèi)粉塵，孔深應比設計錨桿長5 cm以上，孔徑不小于ф45；當受鑿巖設備限制時，構(gòu)成每根錨桿的兩股鋼繩可分別錨入兩個孔徑不小于ф35的錨孔內(nèi)，形成人字型錨桿，兩股鋼繩間夾角為150～320，以達到同樣的錨固效果；
    ④ 注漿并插入錨桿，采用標號不低于M20的水泥砂漿，宜用灰砂比1：1～1：1.2，水灰比0.45～0.50的水泥砂漿，水泥宜用425號普通硅酸鹽水泥，優(yōu)先選用粒徑不大于3mm的中細砂，確保漿液飽滿，在進行下一道工序前注漿體養(yǎng)護不少于3天；
    ⑤ 安裝縱橫向支撐繩，張拉緊后兩端各用兩個繩卡與錨桿外露環(huán)套固定連接； 
    ⑥ 從上向下鋪掛格柵網(wǎng)，格柵網(wǎng)間重疊寬度不小于5cm，兩張格柵網(wǎng)的縫合，格柵網(wǎng)與支撐繩間用ф1.2鐵絲按1m間距進行扎結(jié)； 
    ⑦ 從上向下鋪設鋼繩網(wǎng)縫合，縫合繩為ф8鋼繩，每張鋼繩網(wǎng)均用一根長33.5m的縫合繩與四周支撐繩進行縫合并預張拉，縫合繩的兩端各用兩個繩卡進行固定連結(jié)； 
    ⑧ 用ф1.2鐵絲對鋼繩網(wǎng)和格柵網(wǎng)間進行相互扎結(jié)，扎結(jié)點縱橫間距1.0m左右。
    5、結(jié)束語 
    隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，在防護工程中，首先在保證技術(shù)可靠的基礎上，再向經(jīng)濟的角度去比較，從而選用出經(jīng)濟合理的技術(shù)方案。在硯平高速公路的邊坡中采用了SNS柔性主動防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)對邊坡防護技術(shù)具有以下幾方面的優(yōu)勢： 
    ① 該系統(tǒng)為工廠化與標準化生產(chǎn)，施工速度快。硯平公路數(shù)萬平方米的施工，僅2個月工期，而且不影響其它同時進行的施工工程。 
    ② 該系統(tǒng)充分利用柔性材料的易鋪展性和高防沖擊能力，通過系統(tǒng)和大量現(xiàn)場試驗形成了適應各類邊坡和自然坡面的地質(zhì)災害防護的系統(tǒng)化技術(shù)，并便于工程質(zhì)量控制和工程量的準確計量。 
    ③ 充分利用高強金屬材料的質(zhì)輕和易加工特點來實現(xiàn)系統(tǒng)的輕型、部件生產(chǎn)的工廠化和積木式部件安裝，以盡可能簡單的機具、最短的工期和最少的勞動來實現(xiàn)施工安裝和維護的簡單快速化，從而解決山區(qū)復雜地形條件下傳統(tǒng)防護措施施工困難、進展緩慢的長期難題；并充分利用系統(tǒng)的柔性和施工布置的靈活性來最大限度地適應各種復雜的地形地貌環(huán)境，避免或盡可能降低因開挖所造成的環(huán)境破壞和對邊坡穩(wěn)定性的危害，以及對其他作業(yè)和周邊建筑物正常運營的干擾。 
    ④ 充分利用系統(tǒng)的開放性來減小系統(tǒng)的視覺干擾和保護原有植被及其生長條件，并給實施人工綠化提供了可能，以充分利用植被根系的護坡加固作用和綠色植物的環(huán)境綠化美化功能，將工程治理與環(huán)境保護和改造融為一體。 
    ⑤ 充分利用技術(shù)成熟、性價比良好的金屬涂層防腐技術(shù)，采用熱鍍鋅的鋼絲繩和鋼絲或鋅鋁合金涂層鋼絲來確保系統(tǒng)較長的防腐壽命，前者一般可達30～50年，后者可達上百年，必要時只需更換少量部件即可延長使用壽命。