危巖防治技術(shù)研究-張晉偉

1、危巖防治技術(shù)研究張晉偉招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 400067 摘要對(duì)危巖危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的研究，其最終目的是對(duì)具有崩塌、落石災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的危巖進(jìn)行防治，以消除或降低危巖對(duì)人員生命及財(cái)產(chǎn)的威脅，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。1概述自然界是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，即含穩(wěn)定成分也含不穩(wěn)定成分，隨著時(shí)間的推移穩(wěn)定的成分變成不穩(wěn)定成分，順應(yīng)性和協(xié)調(diào)性是工程防治的原則，其實(shí)質(zhì)是充分利用自然界自身的穩(wěn)定條件，改造不穩(wěn)定部分，使邊坡長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，則需要采用適宜的方法，提高巖土體的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)邊坡體的安全系數(shù)。 危巖防治的防治措施歸納起來可分為防止危巖崩塌的主動(dòng)防治、避免危巖造成危害的被動(dòng)防護(hù)措施和災(zāi)

2、害預(yù)警措施。2危巖防治基本原則危巖體的防治是一個(gè)系統(tǒng)性工程，在各因素特點(diǎn)深入分析及防治方案對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，確立危巖體的防治對(duì)策。危巖防治的目的不一定防止危巖的發(fā)生，而是要防治其帶來的災(zāi)害。一般來說危巖體的防治方案的選擇應(yīng)遵循幾個(gè)基本原則2,3。1、預(yù)防為主的原則：隨著人類科技進(jìn)步和對(duì)危巖認(rèn)識(shí)的不斷深入，在危巖治理方面有了越來越大的自主能力，采取有效的預(yù)防措施，是減少災(zāi)害損失的最有效的途徑。 危巖預(yù)警系統(tǒng)是國(guó)際上災(zāi)害預(yù)報(bào)的研究方向，是切實(shí)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)的需要，也是地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的重要課題。2、全面規(guī)劃與重點(diǎn)防治相結(jié)合的原則：危巖發(fā)生的鏈?zhǔn)綑C(jī)理，決定了危巖防治的長(zhǎng)期性。我國(guó)國(guó)土70%是丘陵

3、，決定了我國(guó)危巖發(fā)育的廣泛性。在危巖防治中應(yīng)該把危巖整治當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)工程考慮，從宏觀和微觀上綜合考慮：宏觀上確定危巖群體的綜合防治措施；微觀上針對(duì)單個(gè)、重點(diǎn)危巖體選擇具體的防治方案。 3、保護(hù)環(huán)境的原則：在防治方案的選擇上，在確保危巖防治安全性的前提下應(yīng)該盡量使防治工程與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，減少落石對(duì)周圍植被和自然環(huán)境的破壞；同時(shí)合理運(yùn)用保持環(huán)境的防治措施，如：主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，防護(hù)林等。4、防治工程最優(yōu)化原則：由于危巖的防治工程一般投資巨大，危巖崩塌影響因素多，所以無論哪種防治工程都需要最優(yōu)化的原則。那么最優(yōu)化的核心就是實(shí)現(xiàn)科學(xué)性、可操作性與最小風(fēng)險(xiǎn)性、最大效益性的有機(jī)結(jié)合。5、綜合防治的原則：由

4、于危巖防治工程的復(fù)雜性，單一的防治方法往往不能取得理想的防治效果，因此需要采取多種防治措施聯(lián)合防治，以降低和消除危巖的災(zāi)害性。對(duì)于危巖的防治，其最終目的是保證危巖災(zāi)害體不威脅到危巖下方人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全，但由于現(xiàn)階段對(duì)危巖的勘測(cè)和考察技術(shù)條件的限制，對(duì)各種影響因素不能考慮完全，為了保證防治的安全性，需要在設(shè)計(jì)防治方案時(shí)盡量做到主動(dòng)與被動(dòng)防護(hù)相結(jié)合。3危巖防治方法迄今為止，國(guó)內(nèi)外危巖防治技術(shù)主要分為：主動(dòng)加固防治、被動(dòng)防護(hù)和災(zāi)害預(yù)警措施。主動(dòng)加固防治的技術(shù)包括支撐、錨固、SNS主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)、封填與嵌補(bǔ)、灌漿、排水及清除等。被動(dòng)防護(hù)的技術(shù)包括攔石墻、攔石柵欄、落石平臺(tái)、落石槽、遮擋(明洞或棚洞)

5、、SNS被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)以及森林防護(hù)技術(shù)等。下面對(duì)幾種主要的防治工程進(jìn)行介紹。3.1 主動(dòng)防治技術(shù)主動(dòng)防治技術(shù)是指對(duì)危巖單體進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)防治，以避免其發(fā)生失穩(wěn)造成災(zāi)害的技術(shù)類型，其包括支撐、錨固、封填、灌漿、SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)法、排水及清除等方法。支撐技術(shù)2，4（圖1）主要是指對(duì)懸于上、以拉斷墜落的懸臂狀或拱橋狀等危巖部分采用立柱或支撐墻支撐，維持危巖穩(wěn)定的防治方法。該方法主要對(duì)于墜落式危巖中危巖體下部具有一定范圍凹陷的巖腔，以及巖腔底部為承載力較高且穩(wěn)定性好的中風(fēng)化基巖，且危巖體重心位于巖腔中心線內(nèi)側(cè)時(shí)，宜采用支撐技術(shù)進(jìn)行危巖處理；對(duì)傾倒式危巖和基座具有巖腔的滑塌式危巖在保證抗傾性能的條件下也能采

6、用?；轿r需要使用支撐技術(shù)時(shí)應(yīng)將支撐體底部削成內(nèi)傾斜坡或臺(tái)階。圖1 支撐技術(shù)示意圖Fig. 1 The sketch of the supporting technology錨固技術(shù)錨固法4是指采用普通（或預(yù)應(yīng)力）錨桿、錨索、錨釘進(jìn)行危巖治理的一種應(yīng)用較廣泛的方法，包括預(yù)應(yīng)力錨桿、非預(yù)應(yīng)力錨桿、自轉(zhuǎn)式預(yù)應(yīng)力錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索。錨桿不僅可以提高滑動(dòng)面的抗滑力，而且錨桿自身也提供了部分抗剪力。對(duì)于規(guī)模較大、裂隙較寬的傾倒式危巖宜采用預(yù)應(yīng)力錨索錨固，使結(jié)構(gòu)面壓緊，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性。對(duì)于完整性較差的危巖體宜采用豎梁格構(gòu)錨桿錨固，錨桿一般采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，按照信息法施工。SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)技術(shù)SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

7、法2，4（圖2）是采用錨桿和支撐繩固定方式將鋼絲繩網(wǎng)和鋼絲網(wǎng)覆蓋在具有潛在地質(zhì)災(zāi)害的坡面上，從而實(shí)現(xiàn)坡面加固或限制落石運(yùn)動(dòng)范圍的一種邊坡柔性防護(hù)系統(tǒng)。這種主要適用于墜落式危巖和傾倒式危巖，通過柔性防護(hù)網(wǎng)的嵌鎖作用維持危巖體的穩(wěn)定。此類防護(hù)法主要是危巖高度相對(duì)不高、危巖體體積較小、巖體較破碎的地段。施工中其錨桿孔深需要達(dá)到設(shè)計(jì)要求， SNS主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的鋼絲繩錨桿在確保向下傾斜的角度不應(yīng)小于15º的基礎(chǔ)上，宜與所在位置坡面垂直；地腳螺栓錨桿應(yīng)與基座面垂直，偏斜誤差不宜大于3º。主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)因其施工方法簡(jiǎn)單，防護(hù)效果好，與其他防治方法相結(jié)合廣泛應(yīng)用在危巖防治中。 圖2 SNS主動(dòng)

8、防護(hù)網(wǎng)Fig.2 The SNS active defense network封填及嵌補(bǔ)技術(shù)封填和嵌補(bǔ)2，4（圖3）是主動(dòng)防護(hù)中運(yùn)用比較普遍，施工較為簡(jiǎn)單的防治方法。當(dāng)危巖體頂部存在大量較顯著的裂縫或危巖體底部出現(xiàn)比較明顯的凹腔等缺陷時(shí)，宜采用封填技術(shù)的進(jìn)行防治。頂部裂縫封填封閉的目的是減少地表水滲入危巖體的主控結(jié)構(gòu)面。底部凹陷封填的目的在于顯著地減慢危巖體基座巖土體的快速風(fēng)化，封填材料可以用低標(biāo)號(hào)高抗?jié)B性的砂漿、細(xì)石混凝土；對(duì)于采用立柱支撐、拱撐、墩撐等技術(shù)治理的危巖體，支撐體之間的基座壁面也應(yīng)進(jìn)行嵌補(bǔ)封閉，封閉層厚度宜3040cm；危巖體頂部裂縫封填時(shí)，若裂縫寬度在2cm以上時(shí)應(yīng)采用具有一

9、定強(qiáng)度的砂漿和細(xì)混凝土使其滲透至裂縫內(nèi)進(jìn)行固化；若頂部表面裂縫寬度小且廣泛發(fā)育時(shí)宜用細(xì)石混凝土或粘土全面澆筑，厚度不小于2030cm.圖3：封填、嵌補(bǔ)示意圖Fig.3 The sketch of reclamation closure and embedded meeting灌漿技術(shù)危巖體中破裂面較多，巖體比較破碎時(shí)，為了確保危巖體的整體性，宜進(jìn)行有壓灌漿處理。灌漿技術(shù)8應(yīng)在危巖體中上部鉆設(shè)灌漿孔，灌漿孔宜陡斜，并在裂縫前后一定寬度（一般3.05.0m）內(nèi)按照梅花樁型布設(shè)，灌漿孔應(yīng)盡可能穿越較多的巖體裂隙面尤其是主控結(jié)構(gòu)面：灌漿材料應(yīng)具有一定的流動(dòng)性、錨固力。灌漿孔傾角10°90&#

10、176;，孔徑60110mm，灌漿壓力50lOOkPa即可，灌漿材料中加入適量的緩凝劑。通過灌漿處理的危巖體不僅整體性得到提高，而且也使主控結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)得以提高、裂隙水壓力減少。灌漿技術(shù)宜與其他技術(shù)聯(lián)合使用。排水技術(shù)在危巖體及周圍地帶，應(yīng)修建地面排水系統(tǒng)和堵塞裂隙孔洞，以防止過量地表水進(jìn)入危巖裂隙，減少崩塌機(jī)會(huì)。排水方法8包括危巖體周圍的地表截、排水和危巖體內(nèi)部排水?；轿r和傾倒式危巖的穩(wěn)定性主要受控于裂隙水壓力。地表截、排水溝應(yīng)根據(jù)危巖體周圍的地表匯流面積進(jìn)行確定，通常采用地表明溝或排水溝，斷面尺寸由地表匯流面積計(jì)算確定，由漿砌塊石或漿砌條石構(gòu)成，底部地基為填土體時(shí)壓實(shí)度不小于8

11、5，也可在危巖體側(cè)部穩(wěn)定巖體內(nèi)鑿槽作排水溝；危巖體中地下水較豐富時(shí)，宜在危巖體中下部適當(dāng)位置鉆設(shè)排水孔，排水孔以較大范圍穿越滲透結(jié)構(gòu)面為宜。護(hù)坡、削坡對(duì)于破碎巖體常用噴射混凝土加固，增加整體穩(wěn)定性，防治巖體繼續(xù)沖刷或風(fēng)化。削坡減載3是指對(duì)于對(duì)危巖體上部削坡，降低臨空面高度，減小斜坡坡度和上部荷載，增加危巖體的穩(wěn)定性，從而降低危巖的危險(xiǎn)程度和減少其他防護(hù)工程數(shù)量。削坡減載的費(fèi)用比錨固和灌漿小的多，但有時(shí)會(huì)對(duì)斜坡下方的建筑物造成一定損害，同時(shí)也破壞了自然景觀,所以設(shè)計(jì)、施工人員應(yīng)謹(jǐn)慎采用。3.2 被動(dòng)防護(hù)技術(shù)對(duì)可能失穩(wěn)的危巖單體或群體進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)防治避免造成災(zāi)害的技術(shù)類型定義為被動(dòng)防護(hù)方法，包括攔

12、石墻（堤）、攔石柵欄、遮擋防護(hù)、SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和防護(hù)林防護(hù)等方法，下面介紹幾種常用的防護(hù)方法。 攔石墻攔石墻是危巖主要的被動(dòng)防護(hù)技術(shù)之一。通常布設(shè)在陡崖或陡坡腳前適當(dāng)部位。陡崖或山坡上危巖數(shù)量多，存在勘察遺漏或治理難度較大時(shí)，以及對(duì)危害對(duì)象（居民、建筑物、道路、廠礦企業(yè)等）存在威脅的地段，當(dāng)自然山坡坡腳小于25°35°并存在一定寬度的地表平臺(tái)時(shí)，宜設(shè)置攔石墻。攔石柵攔當(dāng)陡崖或斜坡下部坡度大于35°且缺乏一定寬度的平臺(tái)而不具備修筑攔石墻時(shí)，可采用攔石柵欄。攔石柵欄由舊鋼軌作立柱，舊鋼軌或角鋼、型鋼作橫梁相互焊接，嵌于基礎(chǔ)之上的輕型結(jié)構(gòu)。其基礎(chǔ)嵌入混凝土或構(gòu)筑物中，

13、且具有良好的防沖擊強(qiáng)度和耐久性。但是隨著SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，該方法將逐漸被替代。遮擋防護(hù)為了防止小型崩塌對(duì)鐵路等工程設(shè)施的損壞，可修建明洞、棚洞等對(duì)工程設(shè)施進(jìn)行保護(hù)。該方法主要應(yīng)用明洞、棚洞（圖4）在線路上方作遮擋防護(hù)，因其頂蓋有足夠抗沖擊力的鋼筋混凝土頂蓋，其上還鋪有厚層碎石土并種草植灌木，加之土坡傾向線路之外，因此是防護(hù)線路不受落石沖擊的有力措施。但是，該技術(shù)施工工藝復(fù)雜，工程造價(jià)高是其缺點(diǎn)。該方法適宜于地質(zhì)條件復(fù)雜、邊坡高陡、且常有崩塌落石發(fā)生地段的危巖體防治，當(dāng)采用隧道、改線、主動(dòng)治理或其它被動(dòng)防護(hù)措施有困難時(shí)，遮擋技術(shù)不失為一種理想而有效的防治措施。圖4 棚洞防護(hù)Fig

14、.4 Shelf-protectionSNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)SNS被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（圖5）是目前應(yīng)用非常廣泛的被動(dòng)防治技術(shù)，它是一種能攔截和堆存落石的柔性攔石網(wǎng)，顯著特點(diǎn)是系統(tǒng)的柔性和強(qiáng)度足以吸收和分散所受的落石沖擊動(dòng)能并使系統(tǒng)受到的損失趨于最小，改變傳統(tǒng)系統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)為高強(qiáng)度柔性結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由鋼絲網(wǎng)（和鐵絲格柵），固定系統(tǒng)（拉錨、基座、支撐繩），減壓環(huán)、鋼柱4個(gè)主要部分組成。圖5 SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)Fig.5 The passive defense network防護(hù)林防治當(dāng)陡崖或山坡腳部不存在平臺(tái)或危巖威脅不太嚴(yán)重時(shí)，可以通過植樹造林防治危巖。森林防護(hù)危巖的根本出發(fā)點(diǎn)在于增大地表下墊面的粗糙度，減緩落

15、石體在林中的運(yùn)動(dòng)速度：森林類型應(yīng)為喬木，盡可能構(gòu)建喬灌草相結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)。喬木成林后可用建筑紐扣將鋼繩固定在樹木主干上，將森林防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成整體，提高防護(hù)有效性。3.3 危巖聯(lián)合防治法危巖防治是個(gè)復(fù)雜的工程，甚至某些危險(xiǎn)性高的單獨(dú)危巖靠單一的方法也不能取得滿意的防治效果一個(gè)具體的危巖帶包括數(shù)個(gè)乃至數(shù)百個(gè)危巖單體。由于我國(guó)危巖勘察水平不高，以及地形、地貌的限制，可能存在危巖單體邊界不太明確的問題，尤其在危巖單體之間可能存在漏勘現(xiàn)象；對(duì)于一個(gè)具體的危巖單體，很多具有多種危巖類型共生的復(fù)合特征。因此，在危巖防治工程中，存在主動(dòng)被動(dòng)聯(lián)合防治的問題。主動(dòng)被動(dòng)聯(lián)合防治方法主要包括錨固攔擋聯(lián)合方法和錨固支撐聯(lián)

16、合方法兩類。錨固攔擋聯(lián)合方法錨固攔擋聯(lián)合方法主要是對(duì)一個(gè)危巖帶防治工程而言，體現(xiàn)了危巖治理與攔擋相結(jié)合的理念。將危巖單體的錨固防治和危巖單體之間沒有勘察到可能發(fā)生崩塌、落石災(zāi)害的危巖防治共同考慮，這樣可以彌補(bǔ)目前因危巖勘察精度不高而造成的風(fēng)險(xiǎn)。將危巖單體和攔擋結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域界定為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)，適宜植樹造林，盡量減少人類工程活動(dòng)對(duì)危巖體的干擾。攔擋結(jié)構(gòu)可以采用攔石強(qiáng)、攔石網(wǎng)或網(wǎng)狀森林防護(hù)。 錨固支撐聯(lián)合方法錨固支撐聯(lián)合方法主要針對(duì)復(fù)合型危巖體，當(dāng)采用單一防治技術(shù)效果較差時(shí)，可采用本方法。錨固支撐聯(lián)合方法尤其適用于同時(shí)具有滑塌式和傾倒式類型的危巖體。防治設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)將錨固力和支撐力聯(lián)合考慮，使

17、二者達(dá)到有機(jī)組合；當(dāng)支撐體在危巖下滑力作用下存在滑移失穩(wěn)時(shí)，為了確保支撐體的穩(wěn)定性應(yīng)在支撐體和危巖上布設(shè)錨桿。對(duì)于僅采用支撐方法便能基本達(dá)到有效防治目的的墜落式危巖或傾倒式危巖，為了提高危巖治理的效果，可在危巖體上布設(shè)一定數(shù)量的錨桿，作為安全儲(chǔ)備，防止其在隨機(jī)荷載作用下失穩(wěn)。5.4工程實(shí)例大岐棚洞位于阿壩州汶川縣大岐村，該處邊坡高陡，多裂隙，褶皺發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，危巖塊體巨大，1m32 m3危巖塊體分布較多，常有危巖崩塌現(xiàn)象。317國(guó)道汶川到馬爾康路段恰好通過本路段，采用棚洞有效的避免崩塌落石帶來的危害。本文以汶川至馬爾康K35+190處危巖體為例，利用RocFall軟件模擬危巖下落路徑，通

18、過分析危巖回彈高度、下落速度和下落能量的關(guān)系，為危巖的防治設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)大岐天然邊坡如圖6所示。在RocFall軟件中，巖質(zhì)邊坡回彈系數(shù)Rn=0.35和Rt =0.85，回填土和土石回填的回彈系數(shù)Rn=0.1和Rt=0.2，模擬結(jié)果如圖7所示。通過模擬可以看出崩塌的危巖體有部分落在國(guó)道的左側(cè)如圖8。在模擬中采用6000Kg的危巖體從邊坡頂端崩塌，通過統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)危巖下落到國(guó)道位置時(shí)，巖體速度為19.09m/s,總能量為2430KJ,如此大的速度和能量對(duì)道路的交通安全帶來極大的危害。如何有效的防治大岐危巖成為解決問題的關(guān)鍵。由于邊坡高陡塊體大，危巖崩塌后能量大，回彈高度大，可以采用主

19、-被動(dòng)聯(lián)合防治技術(shù)：部分欠穩(wěn)定危巖采用清除技術(shù)，再利用SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和錨固技術(shù)進(jìn)行危巖主動(dòng)防治。該處天然邊坡坡面無植被，危巖塊體巨大，在危巖防治措施中棚洞承受攔截撞擊能最大，又不受危巖回彈高度的約束，所以選擇棚洞進(jìn)行大岐危巖的防護(hù)是非常理想的措施。當(dāng)采用棚洞進(jìn)行危巖的防護(hù)后，再利用RocFall軟件進(jìn)行危巖崩塌評(píng)價(jià)，從模擬結(jié)果看，危巖崩塌后墜落到棚洞位置總能量由2430KJ降到1020KJ，速度由19.09m/s降到17.5m/s。計(jì)算中危巖與棚洞撞擊時(shí)間取0.2s，假定危巖和棚洞的碰撞為垂直碰撞。危巖的機(jī)械能： （1）危巖的動(dòng)量： （2）式中：表示危巖產(chǎn)生的沖擊力；表示危巖質(zhì)量；表示危巖下落速度；表示危巖撞擊棚洞的時(shí)間；由式（1）和式（2）計(jì)算得=553.2KN。棚洞蓋板采用C30混凝土，尺寸B=1m,L=2m，配筋上部采用512，下部采用1022。當(dāng)棚洞蓋板采用不同的厚度時(shí)設(shè)計(jì)強(qiáng)