砚平高速公路边坡柔性防护新技术

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1、引言 
    砚山～平远街高速公路是国道主干线GZ75云南境内的一段，是云南省建设三纵三横，九大通道框架网中连接广西，出海通边的主要通道，是滇中与滇东南的运输大动脉，对云南的政治经济发展具有十分重要的意义。
    砚平高速公路全长67.133千米，比原老公路国道323线缩短了18千米。该段公路设计行车速度为80千米/小时，路基宽度为24.5米。路线呈北东～南西向延伸，经过区域高程为1400～1680米。路线所在区域多为碳酸盐岩溶喀斯特地貌，构造剥蚀低中山地貌，岩溶洼地，石芽残丘众多，在路线经过的局部地段，地形坡度较大，山坡坡度达250～450。公路所经地段，有的自然高陡边坡存在危岩、崩塌外，同时公路开挖形成的人工边坡也有大量的崩塌与落石。对公路的安全存在严重危害,须采取有效防护措施,针对砚平高速公路边坡的特点,在边坡防护方案的选择方上，指挥部经多方考察论证,并在试验工程的基础上，最后经招标确定采用瑞士布鲁克成都工程公司的SNS柔性防护系统对边坡进行防护。
    2、场地环境特征和边坡危害性分析 
    2.1 地形地貌地质特征简况 
    砚平高速公路采用SNS柔性防护系统的段落主要集中在K11～K13和K29～K37高边坡路段。这两段都为碳酸盐岩溶地貌，属构造剥蚀中山地貌，地形起伏较大，有的位置自然边坡较陡。如K32+100的北侧地形坡度300～320，K33+600北侧地形坡度达430。
    K11～K13和K29～K37这两段岩石为三叠系中统个旧组（T2g）的灰白色、灰褐色灰岩及白云岩，一般呈厚层状。由于该地区断层和禢皱等地质构造发育，致使岩体破碎，节理裂缝发育，而且岩溶发育。基于复杂的地形地貌和地质条件，因而在高速公路路基开挖后沿线边坡存在经常发生崩塌落石的危险。
    2.2 边坡的稳定性评价及危害性分析
    K10+300～+480段右侧边坡，坡度560～590，边坡高92m，为灰岩，呈厚层状，个别位置呈薄层状，有数条小型断层和巨型节理。K32+410～+600，K32+680～+940、K32+880～K33+060等三段，边坡高40～63m，边坡坡度为530～580，岩性都是灰岩，由于断层节理裂缝极为发育，岩体松散破碎,路基经人工爆破开挖后，边坡上碎石、块石较多，易产生崩塌落石，危及行车安全和人们的生命安全。再如K36+070～+301左侧边坡，边坡高度为58m，该段岩性为三叠系的灰岩，岩体呈厚层状，岩层产状倾向1780，倾角330。岩体中发育2组节理，路基经爆破开挖后，也将导致边坡上的岩体易发生崩塌落石等不良地质现象。
    由于K11～K13和K29～K37两段灰岩地段的多个边坡都属于高陡边坡，而且受人为爆破的影响，岩体破碎，边坡的崩塌落石比较严重，若不作防护，将严重危及行车安全，故必须对这些边坡进行彻底整治。
    3、防护措施及方案的比较 
    为确保砚平高速公路运营的安全, 对边坡存在崩塌落石的工程隐患做了下面几种防护方案进行比较分析。
    3.1 护面墙和浆砌片石护坡 
    由于K11～K13和K29～K37两段的数十个边坡都是属于高陡边坡，如果全部采用通常的防护方法，即护面墙和浆砌片石护坡，从工程结构和工程量上都很大，且施工工期长。这些高边坡地段危岩分布高，采用浆砌片石护坡，自身重量砌得太高后，不能保证自身的稳定性，而且严重破坏了自然景观，从防护效果和绿化方面，这两种防护方法都不是一种理想的方案。
    3.2 挂网喷浆 
    这种方法主要是用来防护边坡岩体的风化剥蚀，以及防止小岩块和碎石的松动滚落，而对于防止危岩落石并不理想。这种方法将导致砚平公路的这两段高边坡全部寸草不生的边坡，将严重破坏自然景观，而且由于云南地处高原，阳光充足，阳光反射，还可能造成行车安全问题。该方法造价也较高，施工工期长，同时，若某点发生崩塌落石，可能引起大片挂网喷浆边坡的破坏，所以，这种方法对落石防护效果极不理想，而且，随着人们生态意识的提高，该方法已逐渐淘汰。 
    3.3 SNS柔性防护系统 
    3.3.1 SNS柔性防护的概念、类型和特点
    SNS（safety nettingSystem）柔性防护系统是利用钢绳网作为主要构成部分来防止崩塌落石危害的柔性安全防护系统，其与以圬工结构为代表的传统方法的主要差别在于系统本身具有的柔性和高强度，更能适应于抗击集中荷载和高冲击荷载，且在大量的室内外试验和理论分析计算基础上建立的标准化部件形式，使系统的设计计算原理趋于科学化和标准化。此外，系统设置后的较小视觉干扰和最大限度的维持原始地貌和植被，同时可进行人工绿化，在美化环境方面的社会效益是其他方法无法比拟的。
    该系统包括主动系统和被动系统两个类型，主动防护系统通过锚杆和支撑绳固定方式将钢绳网覆盖在有潜在崩塌落石灾害的坡面上，从而通过阻止崩塌落石发生或限制崩岩运动范围来实现防止崩塌落石危害的目的。根据砚平高速公路边坡的地质条件和潜在落石特征，选用SNS主动系统对边坡进行了防护。 
    崩塌落石边坡的一些传统防护方法，已不能适应我们安全的防护要求。而崩塌与落石危害的主要特征是具有强大的动力冲击破坏作用，以刚性结构去抵抗动力冲击，从原理上就存在事倍功半的弊端，其结果是必须在存在落石危害的陡峭山坡上建立庞大的拦石结构，为此要寻找开挖庞大的基础，要搬运大量的建筑材料，工程进度缓慢，劳动强度大，施工安全程度低，施工干扰大，甚至可能因此而使防护结构成为人为的落石来源。因此，我们借用以柔克刚的思想，建立柔性防护结构，实现事半功倍的防护效果。 
    不难看出，不论是从现有坡面地质灾害防治技术本身的不足，还是从各类与岩土工程有关的基础建设步伐的加快、规模和等级的提高以及相关施工技术水平的提高上，都迫切要求深入开展坡面地质灾害的研究防治工作，寻求一种施工简单易行、技术先进、安全可靠、环保效果好、经济合理的防治新技术，SNS柔性防护系统可解决这种矛盾。 
    3.3.2 SNS主动防护系统的原理
    SNS主动防护系统按主要构成分为钢丝绳网、普通钢丝格栅（常称铁丝格栅）和TECCO 高强度钢丝格栅三类，前两者通过钢丝绳锚杆或支撑绳固定方式，后者通过钢筋（可施加预应力）或钢丝绳锚杆（有边沿支撑绳时采用）、专用锚垫板以及必要时的边沿支撑绳等固定方式，将作为系统主要构成的柔性网覆盖在有潜在地质灾害的坡面上，从而实现其防护目的。
    SNS标准主动防护系统常用于坡面崩塌、危岩、落石、风化剥落、溜坍、溜滑或塌落类地质灾害加固防护，其明显特征是采用系统锚杆固定，并根据柔性网的不同，分别通过支撑绳和缝合张拉（钢丝绳网和铁丝格栅）或预应力锚杆（TECCO-65格栅）来对柔性网部分实现预张，从而对整个边坡形成连续支撑，其预张拉作业使系统尽可能紧贴坡面并形成了抑制局部岩土体移动或在发生局部位移或破坏后将其裹缚（滞留）原位附近的预应力，从而实现其主动防护（加固）功能。该系统在施工工艺上为确保其尽可能紧贴坡面，锚杆孔口应开凿孔口凹坑（由于系统布置的灵活性，常可在允许范围内利用天然低凹位置设置锚杆，从而适当减少孔口凹坑的开凿）。
    该系统在作用原理上类似于喷锚和土钉墙等面层护坡体系，但因其柔性特征能使系统将局部集中荷载向四周均匀传递以充分发挥整个系统的防护能力，即局部受载，整体作用，从而使系统能承受较大的荷载并降低单根锚杆的锚固力要求。此外，由于系统的开放性，地下水可以自由排泄，避免了由于地下水压力的升高而引起的边坡失稳问题；该系统除对稳定边坡有一定贡献外，同时还能抑制边坡遭受进一步的风化剥蚀，且对坡面形态特征无特殊要求，不破坏和改变坡面原有地貌形态和植被生长条件，其开放特征给随后或今后有条件并需要时实施人工坡面绿化保留了必要的条件，绿色植物能够在其开放的空间上自由生长，植物根系的固土作用与坡面防护系统结为一体，从而抑制坡面破坏和水土流失，反过来又保护了地貌和坡面植被，实现最佳的边坡防护和环境保护目的。 
    4、边坡防护方案设计和施工 
    4.1 防护方案的设计 
    SNS主动防护系统是通过锚杆和支撑绳对各网块施加的预张力使各网块在坡面上张紧后对坡面危岩落石施以一定的预紧压力，从而提高危岩稳定性，阻止危岩落石的发生。
    该系统主要有柔性钢绳锚杆、支撑绳和钢绳网构成。纵横交错并进行依次预张力的ф16支撑绳与4.5m×4.5m正方形标准模式（为节省材料，局部边界采用4.5m×2.5m）网格内铺设一张4m×4m（或4m×2m）的DO/08/300型钢绳网，每张钢绳网与四周支撑绳间用ф8缝合绳缝合连接并进行第二次预张拉，该预张拉工艺能使系统对坡面施以一定的法向预紧压力。从而提高表层土体的稳定性，控制危岩体的移动。该系统各构成部分在每一独立的防护区域内为一互相联系的共同作用整体，一旦坡面岩土体发生局部的变形或位移则系统将不是局部而是以整体的形式发挥作用。
    在砚平高速公路有K12+300～+480段右侧、K32+410～+600段、K32+680～+940段、K32+880～K32+060段、K35+200～+440段、K36+070～+301段、K36+190～+325段右侧、K36+420～+540左侧等十多段高边坡均采用SNS柔性防护系统进行护坡。
    4.2 施工特点 
    这是一种先进的危岩落石防护技术。其优点是施工周期短，对地形的适应性比较强，而且施工安装比较灵活，这种系统可以安装在坡面的任何需要位置。 
    在砚平高速公路的数十段边坡，采用了SNS柔性主动防护系统，总面积在40000余平方米，指挥部要求施工单位在雨季前2个月内完成施工，而且不能影响路基和路面工程的正常施工。施工单位仅投入70多人，在规定的时间内完成了所有边坡的防护，说明该方法施工快，效率高，而且不影响其它工程的施工。经过雨季和暴雨的冲刷，采用SNS柔性防护系统防护的边坡完好如初，未发生任何崩塌落石，效果较显著。
    4.3 施工安装技术要求 
    SNS柔性主动防护系统的施工安装技术要求按以下步骤进行。
    ① 对坡面防护区域的松土及落石进行清除； 
    ② 从防护区域下沿中部开始向上和两侧放线测量确定锚杆孔位，并在每一孔位处凿一深度不小于锚杆外露环套长度的凹坑，一般直径20cm深15cm； 
    ③ 按设计深度转凿锚杆孔并清除孔内粉尘，孔深应比设计锚杆长5 cm以上，孔径不小于ф45；当受凿岩设备限制时，构成每根锚杆的两股钢绳可分别锚入两个孔径不小于ф35的锚孔内，形成人字型锚杆，两股钢绳间夹角为150～320，以达到同样的锚固效果；
    ④ 注浆并插入锚杆，采用标号不低于M20的水泥砂浆，宜用灰砂比1：1～1：1.2，水灰比0.45～0.50的水泥砂浆，水泥宜用425号普通硅酸盐水泥，优先选用粒径不大于3mm的中细砂，确保浆液饱满，在进行下一道工序前注浆体养护不少于3天；
    ⑤ 安装纵横向支撑绳，张拉紧后两端各用两个绳卡与锚杆外露环套固定连接； 
    ⑥ 从上向下铺挂格栅网，格栅网间重叠宽度不小于5cm，两张格栅网的缝合，格栅网与支撑绳间用ф1.2铁丝按1m间距进行扎结； 
    ⑦ 从上向下铺设钢绳网缝合，缝合绳为ф8钢绳，每张钢绳网均用一根长33.5m的缝合绳与四周支撑绳进行缝合并预张拉，缝合绳的两端各用两个绳卡进行固定连结； 
    ⑧ 用ф1.2铁丝对钢绳网和格栅网间进行相互扎结，扎结点纵横间距1.0m左右。
    5、结束语 
    随着科学技术的不断发展，在防护工程中，首先在保证技术可靠的基础上，再向经济的角度去比较，从而选用出经济合理的技术方案。在砚平高速公路的边坡中采用了SNS柔性主动防护系统。该系统对边坡防护技术具有以下几方面的优势： 
    ① 该系统为工厂化与标准化生产，施工速度快。砚平公路数万平方米的施工，仅2个月工期，而且不影响其它同时进行的施工工程。 
    ② 该系统充分利用柔性材料的易铺展性和高防冲击能力，通过系统和大量现场试验形成了适应各类边坡和自然坡面的地质灾害防护的系统化技术，并便于工程质量控制和工程量的准确计量。 
    ③ 充分利用高强金属材料的质轻和易加工特点来实现系统的轻型、部件生产的工厂化和积木式部件安装，以尽可能简单的机具、最短的工期和最少的劳动来实现施工安装和维护的简单快速化，从而解决山区复杂地形条件下传统防护措施施工困难、进展缓慢的长期难题；并充分利用系统的柔性和施工布置的灵活性来最大限度地适应各种复杂的地形地貌环境，避免或尽可能降低因开挖所造成的环境破坏和对边坡稳定性的危害，以及对其他作业和周边建筑物正常运营的干扰。 
    ④ 充分利用系统的开放性来减小系统的视觉干扰和保护原有植被及其生长条件，并给实施人工绿化提供了可能，以充分利用植被根系的护坡加固作用和绿色植物的环境绿化美化功能，将工程治理与环境保护和改造融为一体。 
    ⑤ 充分利用技术成熟、性价比良好的金属涂层防腐技术，采用热镀锌的钢丝绳和钢丝或锌铝合金涂层钢丝来确保系统较长的防腐寿命，前者一般可达30～50年，后者可达上百年，必要时只需更换少量部件即可延长使用寿命。