柔性被动防护系统在公路既有边坡拓宽中的应用

朱均悦 边雪倩 孙超 毛文月 刘勇

（山东交通学院交通土建工程学院，山东 济南 250357）

一、引言

边坡防护方法主要包含工程防护与生态防护，其中工程防护最为常用。但随着绿色施工及如期实现“双碳”目标的发展要求，生态防护或者工程防护结合生态防护的方法应用越来越多。柔性防护系统结合了工程防护与生态防护，具有施工简便、防护效果显著、造价较低的优点，已在公路、铁路、水电站、矿山、市政等边坡防护中得到广泛应用。柔性防护系统根据功能和防护要求分为：主动覆盖防护系统和被动拦截防护系统。主动防护系统覆盖或包裹在需防护的斜坡及危岩体上，以限制坡面岩土体的风化剥落、破坏及危岩崩塌，或将落石限制在一定范围内运动。不中断交通的既有边坡拓宽过程中，施工作业产生的落石可能会因其在坡面上滚动导致无法采用主动防护系统。被动防护系统主要用于拦截滚石、落物及爆破飞石等，主要由钢柱、减压环、拉锚系统、支撑绳及钢丝绳网组成柔性结构，承受并扩散落石冲击力，形成拦截屏障，利用系统的变形能力，延长落石对拦截系统的作用时间，大大削弱冲击力，同时不断吸收和消化冲击动能，达到防护落石的目的。

边坡被动柔性防护系统设计拦截撞击能量3000kJ以内的落石[1]，适用于地形复杂的边坡条件，布置灵活、施工方便，具有安全、适用、经济与环保等方面的显著优势。在京沪高速公路莱芜至临沂（鲁苏界）段改扩建工程中要求不中断交通实施拓宽施工，高大边坡开挖过程中的落石对高速公路运营造成巨大威胁。为保证通行车辆安全，采用了被动柔性防护系统等多级防护体系，达到了完成既有边坡拓宽并保证车辆通行安全的目的。但被动防护系统作为既有边坡拓宽过程中的临时防护措施，其分级设置高度、冲击动力响应等相关问题研究较少[2]，设计主要依据大量实践经验和建立在经验基础上的相关规范[3，4]。因此，本文依托京沪高速公路莱芜至临沂（鲁苏界）段改扩建工程，采用ABAQUS有限元分析软件分析防护网冲击性能，结合施工现场应用效果验证，分析柔性被动防护网的冲击动力响应和能量转换过程，以及设计与施工中的薄弱环节。

二、工程概况

京沪高速公路临沂改扩建工程第3 标段挖方主要集中在k546+200～k547+800段、k548+810～k549+650段、k551+714～k552+116段左侧，总计开挖长度7512m，挖石方总量1496km3，其中k551+714～k552+116段最大挖深39.7m，开挖岩石性质为石灰岩。为保证边坡拓宽开挖过程中不中断交通和通行车辆的安全，路堑边坡拓宽施工采用5000t劈裂机静态爆破配合液压破碎锤开挖，并采用柔性被动防护系统，被动网内覆盖密目网，拦截了大块落石及小块飞石，如图1所示。

图1 石质边坡拓宽中柔性被动防护系统设置现场

三、分析模型及计算参数

结合施工现场实际条件，以RXI-050型被动防护网为对象，在ABAQUS中取一个防护单元建立弹性模型，开展explicit动力学分析，分析时间步设置为0.3s。

（一）计算模型

RXI-050型被动防护系统柱间距b=10m，工字型钢柱高度h=4m；环形网规格为R7/3/300（直径3mm的钢丝、盘结7圈，按网孔内切圆直径300mm编织），系统可拦截撞击能500kJ以内的落石，钢丝强度不低于1770MPa。工字型钢柱型号为18#，上、下支撑绳采用φ22单绳，上拉锚绳为φ18单绳，侧拉锚绳为φ18双绳。上拉锚绳、侧拉锚绳与边坡之间的连接设为刚接，钢柱与边坡之间的连接设为铰接，上拉锚绳、侧拉锚绳与钢柱之间的连接设为铰接，如图2所示。

图2 RXI-050型被动防护系统冲击动力分析模型

钢丝绳网、拉锚绳、支撑绳、钢柱均采用T3D2桁架单元，只考虑构件轴力作用而不考虑弯矩作用；落石采用C3D4实体单元，假设落石是直径为800mm的弹性球体。为模拟球体从距离防护网15m高度处，以96.5kJ的能量冲击防护网，依据式设置球体初始速度v0计算方法如公式（1）所示：

球体与防护网之间在切向设置面面光滑接触，法向设置“硬”接触。减压环采用弹簧和粘壶单元并联形成Kelvin模型等效模拟其阻尼器作用[5]，如图3所示。

图3 减压环Kelvin模型

（二）计算参数

模型计算参数如表1所示。

表1 模型计算参数

四、结果分析

（一）速度、位移分析

落石（弹性球体）冲击被动柔性防护网在0.18s时的位移云图如图4所示；落石垂直于环网方向的速度时程变化如图5所示；位移时程变化如图6所示。

图4 落石冲击柔性被动防护网位移云图

图5 落石冲击柔性被动防护网速度变化时程图

图6 落石冲击柔性被动防护网位移变化时程图

由图5、图6可知，在0.18s时落石在绳网中位移2.435m，此时落石速度为0、位移最大，落石的冲击动能转化为防护系统的应变能、动能及减压环的热能。

（二）mises应力分析

钢柱mises应力在落石达到最大位移时（0.18s）的云图如图7所示。

图7 钢柱mises应力云图

在弹性球体的速度为0时（0.18s），落石在绳网中达到最大位移，此时支撑钢柱的最大mises应力为245.5MPa，产生在支撑钢柱中下部，小于其屈服强度345MPa；设置工字钢支撑柱时，注意其翼面与柔性网垂直，充分发挥工字钢梁的抗弯性能。柔性网冲击点绳网的mises应力时程曲线如图8所示。

图8 柔性网冲击点mises应力里程曲线

柔性网冲击点绳网的mises应力先急速增大，后迅速减小，最大mises应力1317MPa，小于其抗拉强度1770MPa。绳网可以抵抗住落石的冲击。Mises应力综合等效反应了各个方向上应力值的大小，其计算方法如公式（2）所示。

（三）能量分析

落石冲击动能与系统应变能转换时程曲线如图9所示。E1为绳网应变能的里程变化曲线，E2为落石冲击动能的时程变化曲线。

图9 动能与应变能时程曲线

落石的冲击动能E2(96.5kJ)转化为防护网的应变能E1(75.3kJ)、动能与阻尼器的热能耗散。在0.18s时达到能量交换的最大值，而后再次交换，落石回弹，但其动能比初始值有所减小，设置的模拟减压环弹簧-粘壶阻尼器发挥了作用。

（四）现场效果

施工现场柔性网设置如图10所示，在环形网内放置了密目网，从而有效拦截了大小各类飞石、落石，保证了施工期间的正常行车运营安全，至工程竣工通车没有发生因飞、落石引发的交通安全事故。

图10 现场设置的柔性被动防护系统

五、结语

本文模拟了直径800mm、高度15m的落石以96.5kJ的能量冲击防护网，采用弹簧-粘壶阻尼器模拟了减压环的作用，分析结果表明柔性被动防护网结构体系满足设计要求。京沪高速公路临沂改扩建工程第3标段在公路既有边坡拓宽中应用了RXI-050型被动防护系统，结果表明其有效拦截了落石、飞石，达到了预期效果，为同类工程的设计与施工提供了参考。