高速公路孤石发育特征与防治措施
2021-03-22黄金辉
黄金辉
摘 要：在高速公路施工的过程中，孤石很容易诱发滚石灾害，并且这类灾害具有随机性和多发性。所以，在施工过程中应该对孤石进行调查，并采取针对性的防护加固措施。本文根据现有研究资料，结合高速公路施工中的一些实践经验，以某高速公路孤石防护加固为研究对象，先介绍该工程的基本情况，再从类型和分布两个方面论述其具体特征及不同类型的孤石加固措施。通过该工程案例的分析，希望能够对公路建设过程中孤石防护加固工作提供一些帮助和启示。
关键词：高速公路;孤石;发育特征;防治措施
中图分类号：U418 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）26-0089-04
Development Characteristics and Prevention Measures of
Boulders in an Expressway
HUANG Jinhui
（Fujian Academy of Building Research Co.， Ltd.， Fuzhou Fujian 350108）
Abstract： In the process of expressway construction， boulders are easy to induce rolling disasters， and have the characteristics of randomness and multiple occurrence. Therefore， in the process of construction， boulders should be investigated and targeted protection and reinforcement measures should be taken. According to the existing research data， combined with some experience in the reality of expressway construction， taking the boulder protection and reinforcement of an expressway as the specific research object， this paper first introduces the basic situation of the project， and on this basis， discusses the specific characteristics and different types of boulder reinforcement measures from two aspects of type and distribution. Through the analysis of the project case， we hope to provide some help and Enlightenment for the protection and reinforcement of boulders in the process of highway construction.
Keywords： expressway;boulder;developmental characteristics;prevention and control measures
在建設山区高速公路的过程中，有很多影响施工安全和公路使用安全的因素，其中孤石是导致安全事故发生的一个重要因素。受降雨等多种因素的影响，山区发生滚石灾害的可能性较大，且具有随机性、多发性和突发性[1]。因此，在山区高速公路施工的过程中，必须做好孤石调查和防护加固工作。本次调查了解本地区孤石分布情况以及危害的大小和概率，并根据孤石的特点做好相应的防护加固措施，以期为工程的施工建设和后期高速公路的安全使用创造一个良好的条件[2]。
1 工程简介
某高速公路ZK125+450～ZK125+950段位于福建省福州市闽侯县白沙镇。该段线路地貌类型为低山区山坡及山间河谷地貌，区内植被茂密，坡体较陡，山坡上发育有大量孤石。这些孤石在施工前虽然处于相对稳定的状态，但是在施工过程中受施工活动、降水等多种因素的影响，很容易出现滚石灾害，在后期公路投入使用后也会威胁行车安全。
2 高速公路孤石发育特征
2.1 孤石的类型特征
野外考察发现，孤石的体积大小差异较大。将孤石体积大于等于10 m的归类为大体积孤石，将孤石体积小于10 m的归类为小体积孤石。同时，孤石的发育形态具有一定的规律性，即或者是节理裂隙切割形成的危岩（如图1所示），或者孤石根部埋深不同（如图2和图3所示），或者堆叠在其他岩土体上（如图4所示），也可能是这几种形式的组合。
为了有针对性地防治孤石诱发的滚石灾害，将区域内的孤石按照体积大小和发育形态划分为7类，如表1所示。在7种类型的孤石中，有5种类型容易失稳或较易失稳，很容易造成滚石灾害，威胁施工安全和行车安全。前期的调查这发现了108块孤石。在108块孤石中，只有39块结构稳定，不需要进行防护加固，其余都需要进行防护加固，说明本项目中需要防护加固的孤石比例达到了60%。其中，容易失稳的大部分孤石属于Ⅲ类。根据孤石的状态不同，危害性也有很大差异。在这种情况下，如果统一进行防护加固，会导致工程成本快速增加，所以项目部针对每块孤石的实际情况及危害性采取了不同防护加固方案，从而最大程度地控制孤石防护的加固成本。
2.2 孤石的分布特征
根据线路分布和现场调绘成果，将该路段孤石划分为4个区域进行分区分块治理。
①区域Ⅰ：ZK125+450～+605段左侧边坡，长约155 m，编号19～41、60～77的孤石分布于该区。
②区域Ⅱ：ZK125+605～+761段的主线2号桥左线桥1横桥向边坡，长约150 m，编号为42～59、78～91的孤石分布于该区。
③区域Ⅲ：ZK125+761～+879.2段左侧边坡，长约118 m，编号为1～18、92～94的孤石分布于该区。
④区域Ⅳ：ZK125+879.2～+950段的主线2号桥左线桥2横桥向边坡，长约70 m，编号为95～108的孤石分布于该区。
从分布情况来看，孤石主要集中在区域Ⅰ和区域Ⅱ，共83块，约占前期调查总数的76.85%。可以看出，孤石分布较为集中。之所以呈现出这种分布特点，是因为在这两个区域内坡度比较大，岩石风化相对严重。虽然孤石没有完全裸露在地表，但是依然存在较大危险，一旦出现岩石滚落，将导致严重的安全问题。
3 孤石防护加固措施
3.1 不同类型孤石的加固方案
為了增强孤石加固的针对性和实效性，减少孤石灾害发生的概率，需针对不同类型的孤石采取不同的加固措施，在控制施工成本的同时，达到最佳的加固效果[3]。
3.1.1 Ⅰ类孤石。Ⅰ类孤石是因节理裂隙发育切割形成的危岩。若规模较大、岩面较新鲜且不产生松动，易因降水、风化或地震等因素的作用而失稳，可采用锚喷方法对潜在的岩体进行加固，使岩体、混凝土、锚以及钢丝网共同作用形成主动支护体系;若规模较小、风化程度深或被切割块体松动，则在不破坏其他孤石稳定的前提下，可采用爆破、人工或机械方法清除坡面上受节理裂隙切割所形成的危石、孤石和浮石。
3.1.2 Ⅱ类孤石。Ⅱ类孤石尽管规模大，但其根部嵌入土体较深，且节理裂隙不发育，因此稳定性较好，可不作处理;若节理裂隙发育，可参照Ⅰ类孤石的防护方式。
3.1.3 Ⅲ类孤石。Ⅲ类孤石规模大、埋深浅甚至局部悬空，因降水导致冲刷下部充填物或地震、工程活动、车辆行驶等产生的振动容易使得孤石失稳，是发生滚石灾害的主体之一。位于坡顶截水沟附近或者具备清除条件（如附近有面积较大且植被茂密的平台）的Ⅲ类孤石，在不破坏其他孤石稳定的基础上，采用人工、机械方法或爆破清除进行分解清除;红线以外的Ⅲ类孤石，若悬空面积较小，则采用浆砌片石或混凝土对悬空处进行嵌补或支挡;若悬空面积较大，且块体宽度B<4 m，根据地形地势利用C25混凝土设置全基座以确保其稳定，如图5（a）所示;若悬空面积较大且块体宽度4 m
3.1.4 Ⅳ类孤石。Ⅳ类孤石一般情形下是稳定的，但是易受下部岩体稳定性的影响，且来自外部的振动或者摇晃会改变孤石的稳定性。由于规模较大，清除难度大，设置随机锚杆及局部C25混凝土嵌补使孤石与下部岩体连成一整体。
3.1.5 Ⅴ类孤石。参照Ⅱ类孤石防护方式，若Ⅴ类孤石具备清除条件（例如附近有面积较大且植被茂密的平台），在不破坏其他孤石稳定的基础上，可采用爆破、人工或机械方法清除。
3.1.6 Ⅵ类孤石。参照Ⅲ类孤石防护方式，若Ⅵ类孤石具备清除条件（例如附近有面积较大且植被茂密的平台），在不破坏其他孤石稳定的基础上，可采用人工、机械方法或爆破清除。
3.1.7 Ⅶ类孤石。Ⅶ类孤石规模较小，将孤石解小清除或挪至地势平坦的地方。
3.2 孤石防护措施
不同区域的孤石分布及其危害程度虽然有一定的差异，但孤石加固是按照不同类型孤石的特点进行的，在孤石防护上几个区域的防护措施差异不大。本文以区域Ⅰ∶ZK125+450～+605段左侧孤石的防护加固为例。首先，清除截水沟附近影响施工安全的孤石;其次，在截水沟外侧通过计算选一适当位置（高程约372 m）布设一道长约100 m的被动防护网;最后，对坡顶孤石进行排查处理。具体包括以下防护措施。
3.2.1 解小清除。为保证施工安全，尽可能地清除边坡红线以外10 m范围内埋深浅或堆叠在其他岩土体上的孤石（Ⅲ类孤石、Ⅵ类孤石），因为这类岩石无法进行加固，只能进行清理。需要注意，清理时必须一次性清理干净，即便是留下小石块，在施工中也可能出现滚落引发安全事故。根据施工单位提供的照片资料，对该区编号为28、62、65、67的孤石进行解小清除。对于其他可能失稳的岩石，采取相应的加固措施。
3.2.2 混凝土嵌补、混凝土基座、随机锚杆。部分大体积孤石清除难度大，采用3.1章节提供的防护措施进行原位加固。若悬空面积较小，则采用浆砌片石或用混凝土对悬空面积进行嵌补;若悬空面积较大，根据地形地势利用C25混凝土设置孤石基座以确保其稳定;悬空面积较大但施工难度较大的孤石，施打随机锚杆使孤石与地面连成一体。根据施工单位提供的照片资料：对编号为20、21、23、29、31、61、63、64、71、72、73、75、76的孤石进行嵌补加固;对该区编号为24、25、26、27、30、32、60、68、70、74、75的孤石设置C25混凝土基座;对编号为19、20、25、26、27、29、30、61、63、64、68、71的孤石施作随机锚杆。
3.2.3 加设主动防护网。位于大桩号段编号24～35的孤石群，距离截水沟近且根部埋深浅，故加设主动防护网将该孤石群罩住，以确保孤石的稳定。主动网选用GPS2型SNS主动防护系统（4.5 m间距系统锚固+锚杆孔口凹坑+纵横向支撑绳+钢丝绳网+预张拉缝合钢丝绳）。由于坡面起伏较大，在计算防护所需材料面积时，Ⅲ区考虑1.2倍的放大系数，防护面积为400 m2，实际应用材料面积约为480 m2。在主动防护网建设的过程中，考虑到一些孤石的体积比较大，采用统一的防护网可能效果不太理想。所以，在实践中可以对其进行单独防护。比如，4号孤石在主动防护网中采用了单独设计的方式。当然，对于是否需要单独设置，前期的孤石调查工作显得尤为重要，需要结合现场调查的实际状况进行综合评估确定[4]。
3.2.4 布设被动防护网。由于边坡坡高林密，孤石分布极不规律，导致全部清除及加固难以完全实施，因此必须结合被动防护措施。孤石的运动方式以滚动、滑动为主，除非遇到大地震导致山体晃动才会导致孤石弹射[5]。尽管该区边坡较高、孤石势能大，但考虑到坡面植被茂密且局部有平台，坡面对滚石的阻尼系数高、摩擦力大，因此孤石的运动方式以滚动为主。为方便计算，采用落石速度公式，计算得到速度为24.1 m/s。由于边坡植被茂密，应乘以一个速度折减系数0.6，即到达边坡红线处的速度约为14.5 m/s，则1 m3的石块下落到达红线处的能量为340.6 kJ。据此粗略估算，在截水沟外侧选一位置（高程约372 m）布设一道长约150 m的最大冲击动能吸收能力为750 kJ的RX-075被动防护网，被动网的高度设为4 m。
4 结语
在山区高速公路施工的过程中，孤石是一个威胁施工安全的重要因素，且孤石滚落具有随机性，很难进行预防，所以必须对孤石进行加固防护。在这一过程中，实地调查是非常重要的工作。通过调查确定孤石的数量、种类、危害程度，并在此基础上针对每一个孤石制定详细的防护加固方案，才能确保施工过程中有效控制和减少孤石带来的风险和威胁。孤石防护方案应以加固为主，对体积小或不具备加固条件的孤石，应该将其清除出施工现场，并在此基础上制定详细的防护方案，将治理与防护有效结合，从而保证施工安全。
参考文献：
[1]郭玲敏.杭绍台高速公路边坡孤石危岩处理技术[J].住宅与房地产，2017（15）：207.
[2]刘韵贵.浅议高速公路风积砂路基地表裸露孤石处理的方法[J].内蒙古科技与经济，2016（18）：92.
[3]曾国春，刘成禹，林毅鹏.孤石形状与岩土介质对孤石探测的影响研究[J].路基工程，2016（2）：18-23.
[4]王刚耀，李新.花岗岩孤石的处理[J].西部探矿工程，2005（3）：36-37.
[5]黄润秋，刘卫华，周江平，等.滚石运动特征试验研究[J].岩土工程学报，2007（9）：1296-1302.
2958501705367
