王幸，彭帥

（1．中鐵十二局集團(tuán)有限公司勘測設(shè)計分公司，山西 太原 030000；2．山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司太原設(shè)計咨詢分公司，山西 太原 030006）

0 引言

在公路建設(shè)中，山嶺區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)大規(guī)模的路塹挖方段，隨之產(chǎn)生大量裸露的巖石邊坡，為了保護(hù)自然環(huán)境，同時保障行駛車輛的安全，需要對巖石邊坡進(jìn)行生態(tài)防護(hù)。常用的巖石邊坡生態(tài)防護(hù)措施有主動（或被動）防護(hù)網(wǎng)、三維植被網(wǎng)、窗孔式護(hù)面墻、有機(jī)基材噴混植生和客土噴播等[1]。

然而實踐表明，當(dāng)邊坡為硬質(zhì)巖石時，設(shè)計坡率較陡，通常采用1:0．1～1:0．3[2]，在這種坡率下，采用現(xiàn)有的防護(hù)措施對巖石邊坡進(jìn)行防護(hù)時，存在以下問題：一是主動（或被動）防護(hù)網(wǎng)只能對邊坡大塊落石進(jìn)行防護(hù)，無法覆蓋裸露坡面，并不能從根本上解決巖石邊坡風(fēng)化和雨水侵蝕的問題，坡面較陡時無法生長植物，生態(tài)防護(hù)效果不好；二是三維植被網(wǎng)施工工藝較復(fù)雜，施工速度慢[3]，且養(yǎng)護(hù)成本較高[4]，適用于較陡峭巖石邊坡時，聚乙烯網(wǎng)容易脫落，固土率明顯下降[3]；三是窗孔式護(hù)面墻與植草或植生袋防護(hù)結(jié)合一般可適用于坡率不陡于1:0．5的易風(fēng)化巖石邊坡[2]，適用范圍有限，所需圬工量較大導(dǎo)致生態(tài)效果差，且存在需要較多人工、施工工期長、造價高的問題；四是有機(jī)基材噴混植生和客土噴播一般要求邊坡坡率不陡于1:0．75[2]，在較陡峭邊坡布置時容易造成植材的脫落，且噴播的基材厚度有限，導(dǎo)致基材中所種植的植物壽命短[3]。而巖石邊坡放緩不僅會增加開挖工程量、占地和不必要的費用，對周邊自然生態(tài)也會造成更大的破壞。

為了改進(jìn)現(xiàn)有防護(hù)措施對陡坡率硬質(zhì)巖石邊坡進(jìn)行防護(hù)時存在的問題，本文提出了一種拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)。

1 拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 技術(shù)方案

1．1．1 結(jié)構(gòu)組成

本結(jié)構(gòu)由兩部分組成即拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置和噴灌裝置。

①拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置

防護(hù)板單組構(gòu)件由防護(hù)板主板、錨桿、綠化槽主板、綠化槽底板及支撐板構(gòu)成。綠化槽主板底部固定于防護(hù)板主板的外側(cè)；綠化槽底板水平固定于綠化槽主板與防護(hù)板主板之間；支撐板固定于綠化槽主板和防護(hù)板主板之間，且支撐板的頂面與綠化槽主板頂面齊平。綠化槽主板中部設(shè)排水孔，用于排出種植營養(yǎng)土中多余的水分，防止水分過多影響植物的生長，同時起到透氣的作用。防護(hù)板主板下端布設(shè)排水孔，用于排出巖體邊坡坡面上的積水以及巖體自身裂隙的滲水。防護(hù)板構(gòu)件由拼接件與拼接槽拼接為條狀防護(hù)板組，條狀防護(hù)板組沿巖體坡面上下拼接，用錨桿固定于巖體坡面，形成一個整體的防護(hù)裝置。結(jié)構(gòu)立面示意圖見圖1，結(jié)構(gòu)平面示意圖見圖2，防護(hù)板本體邊板和中板結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖3 和圖4。

圖1 結(jié)構(gòu)立面示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖3 邊板結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 中板結(jié)構(gòu)示意圖

拼接件與拼接槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計便于對防護(hù)板本體采用按壓卡接的方式進(jìn)行連接，安裝方便快捷，節(jié)約了安裝的人工成本與時間成本。防護(hù)板本體為不銹鋼預(yù)制件。采用不銹鋼預(yù)制構(gòu)件，既方便運輸，又極大地縮短了生態(tài)防護(hù)裝置的施工工期。

②噴灌裝置

噴灌裝置包括水平設(shè)置于巖體邊坡底部的第一水管和與第一水管連通的水泵，第一水管的側(cè)壁設(shè)置有若干與其連通且沿巖體坡面傾斜放置的第二水管，每個第二水管的頂部設(shè)置有與其連通的第三水管，第三水管固定于巖體頂部的平臺處，且沿垂直于防護(hù)板主板的方向放置，第三水管的頂端設(shè)置有噴頭、底部側(cè)壁設(shè)置有閥門。

該設(shè)計方案方便對生態(tài)防護(hù)裝置內(nèi)的植物進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，省去了人工養(yǎng)護(hù)的工序，降低了綠化養(yǎng)護(hù)所需要的人工成本。綠化槽底板的上端面設(shè)置有稻草墊，稻草墊能夠起到保護(hù)綠化槽底板的作用，同時能夠有效防止排水孔淤堵，進(jìn)而增加生態(tài)防護(hù)裝置的使用年限。

1．1．2 施工工序

首先清理巖體坡面，測量放線定位錨桿鉆孔位置，根據(jù)錨桿長度及位置在巖體上沿垂直方向定點鉆孔，接著在巖體上沿坡面方向逐個拼接防護(hù)板主板，然后在鉆孔內(nèi)安裝錨桿，同時注入水泥砂漿封孔。錨桿安裝完成后，在綠化槽底板上填充種植營養(yǎng)土，最后在種植營養(yǎng)土內(nèi)種植適宜當(dāng)?shù)胤N植的植物，完成生態(tài)防護(hù)裝置的安裝。

結(jié)構(gòu)圖中各序號分別代表1-巖體，2-防護(hù)板主板，3-錨桿，4-綠化槽主板，5-綠化槽底板，6-支撐板，7-排水孔，8-排水孔I，9-第三水管，10-噴頭，11-拼接件，12-拼接槽，13-錨桿孔。

1.2 拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置設(shè)計計算

根據(jù)邊坡地質(zhì)條件勘察報告，評估拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置的適用性。本文論述的結(jié)構(gòu)形式可適用于設(shè)計坡率較陡的硬質(zhì)巖石邊坡。通過計算錨桿的軸向抗拉承載力與錨桿軸向拉力設(shè)計值并做比較?？估χ饕怯慑^固體與巖石孔壁間粘結(jié)力、砂漿與鋼筋間粘結(jié)力及鋼筋自身的抗拉強(qiáng)度提供，錨桿軸向拉力主要是由防護(hù)裝置自重引起。

1．2．1 錨桿軸向拉力設(shè)計值計算

單根錨桿軸向拉力設(shè)計值為T，單塊防護(hù)板的重力為G，邊坡與水平面的的夾角為θ?？梢园凑障率剑?）計算求得單根錨桿軸向拉力設(shè)計值：

1．2．2 錨桿抗拉力計算[2]

錨桿采用高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋，錨固體與巖石孔壁間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值見表1，鋼筋與砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值見表2。度也大于錨固體與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度。由此，錨桿的破壞或拔出主要是錨固體與巖石之間的強(qiáng)度破壞產(chǎn)生的拔出[5]。由于錨桿抗拉承載力Nt大于錨桿軸向拉力設(shè)計值T，因此防護(hù)板穩(wěn)定。

表1 巖石與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值

表2 鋼筋與砂漿之間粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值

2 拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程實例

按照下式計算錨桿抗拉承載力：

式中：Nr為錨固體與巖石孔壁間粘結(jié)力，kN；Nb為砂漿與鋼筋間粘結(jié)力，kN；Ng為鋼筋自身的抗拉強(qiáng)度，kN；Nt為錨桿軸向抗拉承載力，kN；la為錨固段長度，mm；K為安全系數(shù)，考慮到防護(hù)板對邊坡進(jìn)行整體防護(hù)以及群錨作用，選取安全系數(shù)為1．8；D 為錨固體直徑，mm；d為單根鋼筋直徑，mm；fr為錨固體與巖石孔壁間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值；fb為砂漿與鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值。

本次計算邊坡巖體按照堅硬巖考慮，錨固體與孔壁間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值取1800kPa。錨固體與鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值取2．4MPa。

通過計算表明，水泥砂漿與鋼筋之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值遠(yuǎn)大于錨固體與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度，且鋼筋的自身抗拉強(qiáng)

某山區(qū)旅游公路工程項目是該地區(qū)人文自然風(fēng)光旅游園區(qū)的快速通道，路線全長8．6km。項目全線采用三級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度為40km/h，路基寬度為8．5m。項目所處山嶺重丘區(qū)，地形復(fù)雜，地勢陡峭，植被茂密，沿線均為完整性較好的硬質(zhì)石灰?guī)r。由于傍山臨崖路段較多，因此路基多為挖方，導(dǎo)致出現(xiàn)大段落的路塹邊坡，破壞了原有植被，產(chǎn)生大量裸露的巖石邊坡。而旅游景區(qū)要求所有裸露的邊坡都應(yīng)有綠化覆蓋，因此在初步設(shè)計階段，考慮路塹邊坡植物生長需求，設(shè)計采用1:0．5的挖方邊坡坡率和三維植被網(wǎng)結(jié)合的防護(hù)方案。而1:0．5 的坡率無疑會增加大量的挖方工程數(shù)量和林地占用數(shù)量，會對景區(qū)造成大規(guī)模的生態(tài)破壞。因此在施工圖設(shè)計階段，按照“綠色公路”理念，對邊坡防護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合地勘報告中地質(zhì)特點，征求景區(qū)意見并經(jīng)專家論證同意后，采用1:0．3的挖方邊坡坡率和拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置結(jié)合，將此裝置應(yīng)用到該項目的邊坡防護(hù)工程和綠化工程設(shè)計中。

本工程K2+317～K3+860 段右側(cè)挖方邊坡，設(shè)計坡率為1：0．3，在該段采用了該拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置進(jìn)行綠化防護(hù)。在工程設(shè)計時，計算出防護(hù)板尺寸及錨桿尺寸，項目開工后根據(jù)圖紙?zhí)崆邦A(yù)制。預(yù)制構(gòu)件主要尺寸如下：錨桿采用Φ20mm 螺紋鋼筋，長1000mm；防護(hù)板主板尺寸為2000mm×2000mm；綠化槽深400mm，底寬250mm，其主板與防護(hù)板主板夾角為40°，尺寸為2000mm×1600mm，底板尺寸為2000mm×500mm，支撐板尺寸為1600mm×1090mm×1526mm；不銹鋼板厚度均為10mm。排水孔直徑為30mm。第一水管采用內(nèi)徑為40mm 的鍍鋅管，第二水管采用內(nèi)徑為35cm 的PVC 管，第三水管采用內(nèi)徑為20mm 的PVC 水管。拼接件中圓板部分的半徑為20mm，條形板部分的長度為40mm，寬度為20mm。在邊坡成型清理巖體坡面后，根據(jù)錨桿長度及位置在巖體上沿垂直方向定點鉆孔，接著在巖體上沿坡面方向逐個拼接防護(hù)板主板，然后在鉆孔內(nèi)安裝錨桿，錨桿安裝同時注入水泥砂漿封孔，然后在綠化槽底板上填充種植營養(yǎng)土，種植冬青衛(wèi)矛和紫穗槐植物。安裝噴灌裝置后進(jìn)行預(yù)噴水實驗，確保噴灑面均勻無死角，并對無法使用的構(gòu)件及時更換，最終完成生態(tài)防護(hù)裝置的安裝。

該邊坡防護(hù)設(shè)計和施工過程井然有序，施工進(jìn)度滿足施工組織設(shè)計要求，綠化效果滿足綠化系統(tǒng)設(shè)計要求，綠化和防護(hù)工程費用較初步設(shè)計減少41%，工期縮短25%，對比如表3所示。

表3 施工圖設(shè)計與初步設(shè)計坡面防護(hù)工程數(shù)量及費用對比表

3 結(jié)語

從我國基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展規(guī)劃來看，綠色環(huán)保、高速高效、保質(zhì)節(jié)約是公路工程建設(shè)的發(fā)展趨勢。本文通過總結(jié)以往巖石邊坡生態(tài)防護(hù)設(shè)計、施工及運營過程中存在的問題，提出了一種拼裝式生態(tài)防護(hù)裝置。該裝置實現(xiàn)了較陡峭巖石邊坡既能綠色美觀，又能防止裸露巖體被風(fēng)化侵蝕的目的，具有生態(tài)防護(hù)效果好、使用壽命長、安裝方便快捷和經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點。通過工程實踐證明本邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工工藝切實可行，為陡坡率硬質(zhì)巖石邊坡生態(tài)防護(hù)設(shè)計提供一種新思路、新方法。