合璧津高速公路危岩落石综合处理设计

王 春

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引 言

危岩落石是山区主要地质灾害之一[1]。公路是线状工程构造物，跨越地域广；且山岭地区地形条件复杂，纵面起伏大，公路路线设计受地形条件约束，从而显著增加了危岩防治的技术难度和工程造价。危岩落石的影响因素复杂，难以准确预测，会对交通项目的运营、桥涵结构物和车辆的通行造成极大的安全隐患。因此，山区危岩落石地质灾害沿线的公路工程设计，既要考虑车辆通行安全、桥梁路基结构安全，又要考虑周边复杂环境的影响。

危岩的防治技术主要包括主动防治技术体系和被动防治技术体系[1]。主动防治技术是通过采用工程技术措施增强危岩的稳定性；而被动防治技术是假设危岩塌落，通过采取措施阻止落石威胁被保护对象。主动防治技术适用于单体危岩处置，而被动防治技术更适用于线状工程构造物。公路属于典型的线状构造物，因此，当路线通过分布较广的危岩区域时，应以被动防治技术为主，主动防治技术为辅助。

目前，危岩处治方面的研究多集中于理论和单一类型防护技术的分析与应用[2-6]。本文以重庆合璧津高速公路项目为依托，根据途经区域的危岩落石分布情况，多角度论述应对危岩落石的防范措施，并进行综合处理方案的设计，为类似地区公路工程项目的危岩防治提供一定参考。

1 工程概况

重庆合川至璧山至江津高速公路是重庆市高速公路网规划“三环十二射七联线”中的“六联线”。本项目的建设能有效补充完善国家和重庆市的高速公路网络，缓解G75兰海高速交通压力，促进区域社会经济快速发展。项目全长94.8 km，为双向六车道高速公路，设计速度为100 km·h-1，路基宽度为33.5 m。

本文针对K3+100～K5+700九峰山沿山侧的危岩处置方案展开研究。九峰山沿山侧的自然地形边坡十分陡峻，地形坡度30°～70°，地形标高最高为510 m，最低为250 m，高差达到260 m。受砂、泥岩差异风化影响，岩体结构较破碎，左侧山体砂岩范围内坡面较陡，岩体极易失去稳定性发生塌方，存在落石崩塌、滚落的风险，影响行车安全。该路段山脚下分布有被坡面侵蚀而掉落形成的碎石覆盖层。

危岩发育所在地层为三叠系上统须家河组第六段(T3xj6)，岩性由浅灰至灰白色中厚层状再到粗粒长石石英砂岩，偶夹薄层状灰色砂质泥岩及菱铁矿结核。岩层呈单斜状产出，形成单面山。区内岩层产状310°∠72°～322°∠57°，据岩体露头统计，主要发育2组构造裂隙，其典型产状为：L1产状为34°∠77°，L2产状为218°∠68°，裂隙间距为0.5～1.5 m。受产状及裂隙切割影响，线路左侧砂岩形成陡崖和危岩，泥岩坡面覆盖较厚的崩坡积层且落石分布广泛。本区域内顺层发育的砂岩、下部横向发育的近水平裂隙对岩体进行了切割。调查结果显示：区域内共计77块危岩单体，占地2.8万m3。典型危岩破坏模式如图1所示。

图1 典型危岩破坏模式

保证行车安全是危岩处治的首要目标。通过初步设计，并进行设计方案比选，综合考虑工程规模、施工运营期间安全、工程投资、环境以及社会影响等因素，最终确定设计方案。

2 危岩处置策略

如前所述，危岩的防治技术主要包括主动和被动防治技术体系。山区公路作为典型的线状构造物，应以被动防治技术为主，主动防治技术为辅。合璧津高速九峰山段是危岩落石较为集中的区域。初设线位走行于九峰山南麓林口煤矿东南侧陡坡，在陡崖上挂线。按初期设计线位及纵断面设计高程，采用岩层层理面刷坡则无法放坡，或者边坡高度极高，路基工程以及桥梁工程桩基很难实施，且部分桥梁桥面侵入山体，受危岩落石风险较大。

为确保车辆的通行安全，研究采用陡坡段隧道方案通过危岩落石集中区域。研究过程中主要比选了3种方案：F1K、F2K和F4K(图2)。F1K方案为隧道最短方案，但桥梁工程量较大且隧道以外路段仍然处于危岩落石密集区域；F2K方案避让了主要的危岩集中区域，造价相对较低，但路线平面指标较低；F4K方案为隧道最长方案，完全避开了危岩落石的影响，但工程造价过高。

图2 合璧津高速公路九峰山段方案

经过比较，F2K方案为最终推荐方案，对隧道外的危岩分别采用主动和被动防治技术，其中被动防治使用了落石模拟技术，确定防护构造物几何尺寸和避让距离，并优化最终路线线位。

3 危岩主动防治技术设计

九峰山路段采用的危岩主动防治技术包括清除、嵌补、锚固、支撑和柔性网防护技术，如图3所示。

图3 典型主动防治技术

清除适用于危岩块体规模不大、危岩体与母体已脱离的情况，以及清除危岩块体后不会发生次生灾害的情况。嵌补适用于修补路基侧坡上局部坡面中因岩体裂隙张开而坍落的岩腔或风化剥落形成的岩腔。支护适用在软硬岩互层所组成的高边坡路段，对坡面上风化形成岩腔的情况可采用浆砌片石支护墙或护面加固处理。锚固适用于危岩完整且不致使锚固设备处于受剪状态工作的危岩情况。混凝土柱支撑适用于山坡陡峭，无法用浆砌片石支顶、刷方清除，而危岩较坚硬、完整、节理较少的情况。柔性防护网适用于危岩高度小于30 m且落石较为集中的路段。

4 危岩被动防治技术设计

4.1 分析与模拟

危岩被动防治是指通过设置构造物阻挡落石破坏被保护对象，必要时可后撤被保护对象。为确定路线的合理避让距离，研究采用美国科罗拉多交通厅研发的落石模拟系统，分析岩石的跌落路径[7-10]。

落石模拟系统采用能量守恒法来计算岩石掉落过程中的角速度和切线速度。

(1)

式中：I为落石初始转动惯量；M为落石质量；ω1和ω2分别为初始和最终角速度；V1和V2分别为初始和最终切线速度。

研究利用软件模拟了不同地质、不同质量落石的运动轨迹，如图4所示。由图可知，不同质量的落石沿同一山坡下落具有不同的轨迹，落石质量越大，运动轨迹越远。该运动轨迹是确定避让距离的参考依据之一。

图4 模拟落石运动轨迹

对同一坡面不同质量、不同初始角速度的落石进行组合状态模拟(图5)。落石的质量和初始角速度根据勘测结果预估，假设服从正态分布。

图5 组合状态模拟

图6 K3+720处路基优化横断面

4.2 路基优化设计

图6对比了K3+720处初步设计方案和优化后的方案。初步设计方案在靠近山体处采用半填半挖的断面形式，需要修建阶梯式边坡防护，工程总体造价相对较低。优化方案采用架桥的方式避让该危险区域，落石直接从桥下滚落。

4.3 桥梁优化设计

在危岩落石区域布设桥梁工程，首先应避免桥墩处于危岩块体上；同时结合该地区地质特征选择适当的桥型和孔跨。采用大跨连续刚构可直接跨越沟心，桥墩数量可以减少，从而降低发生撞击的可能性，但投资相对增加[11-17]。

图7显示了桥梁优化前、后的设计方案。原设计中，桥墩位于强风化岩层，存在不稳定因素；通过组合状态落石模拟发现，由于原设计开挖边坡较陡，落石沿坡面滚落后具有较大冲击力，威胁桥墩安全，因此优化方案将路线向右移动。

图7 桥梁优化

5 结 语

公路属于典型的线状构造物，对于危岩防治应采用主动与被动防治技术相结合的方式以确保行车安全，对于危岩密集区域应以被动防治措施为主并合理避让。

合璧津高速公路九峰山段地势陡峭，危岩分布较为集中，给行车安全带来巨大威胁。研究采用了陡坡段隧道方式通过危岩落石集中区域，并对隧道外的危岩分别采用主动和被动防治技术。其中被动防治使用了落石模拟技术确定防护构造物的几何尺寸和避让距离，并优化最终路线线位。研究可为类似地区公路工程项目的危岩防治提供一定参考。