保护地生态敏感区域悬挑栈道设计探究

刘鹏程

（国家林业和草原局西南调查规划院，昆明 650031）

1 引言

栈道是保护地内巡护管理人员的主要通道，连接着各保护对象和管理设施，影响保护地内的管理成效，因此，其规划设计对保护地的视觉美观性和管理人员的巡护感受都十分重要。目前，我国在很多景区修建了供游客体验的悬挑栈道，而在各类自然保护地内却很少建设，有待进一步探究。

历史上最早的悬挑栈道是通过凿洞插木的方式进行建造，其使用年限很短，需要常年进行维护。随着新材料的出现及建造工艺的发展，后来出现的高空悬臂栈道梁是仿照房屋建筑悬挑梁的设计方案，将悬挑梁水平浇筑埋入岩壁1.5 倍外挑梁长度深处，这种做法主要存在以下几点不足：

1）由于需要在岩壁的水平方向凿出梁根同截面大小且足够将梁埋入深度的孔洞，其凿岩作业难度大，费用高；

2）由于在浇筑混凝土前已在水平孔洞中置入钢筋笼，水平浇筑混凝土灌入和振捣困难，施工质量往往达不到设计要求，且浇筑混凝土的工作量大，会浪费大量的混凝土；

3）随着人流超载情况的加剧，造成悬挑梁疲劳应力幅大，使这些高空悬臂栈道的使用年限远低于设计年限。

本文所涉悬挑栈道拟建设于生态地位较高的自然保护地内，设计更应充分尊重保护地内既有的自然环境，最大限度地避免对自然生境的干扰，与原生环境充分融合，体现“相地合宜”。因此，在保护地内实施悬挑栈道工程，设计时不能照搬现有的做法，需要在此基础上进行优化。

2 悬挑栈道的设计原则

悬挑栈道作为栈道中的一种特殊构筑形式，其设计及建造必须遵循以下原则。

1）安全性：安全性是悬挑栈道设计的首要原则[1]。栈道设计前必须对地形及地质灾害情况、地质条件等进行详细勘察，为设计提供可靠的依据。

2）生态性：悬挑栈道选线要遵循对生态、资源环境影响最小的原则，应避免通过环境敏感地带[2]，如动物栖息地、珍稀植物生长地段等，减小对周边生态环境的影响。同时，良好的栈道建设不应该入侵和破坏自然景观，其设计路径应该符合地形构造，建造材料应尽可能与自然融为一体[3]。

3）舒适性：悬挑栈道宜设计为水平步道或平缓梯步，表面平整、防滑，易于行走，充分结合自然地形，能缓则缓。

3 工程概况

某保护地某一区域内生物资源丰富，植被类型较为典型，由于常年受当地牧民放牧影响，植被破坏比较严重。目前，仅有1 条狭窄的便道通往此区域，平均宽度约30 cm，局部路段由于年久失修破损比较严重，且该路段没有任何防护设施，存在较大的安全隐患，本通道绕行距离超过20 km，上坡下坡路段较多，给日常巡护工作带来了不便。保护地管理单位为了提高巡护人员的舒适度和安全性，计划重新选线修建巡护通道。拟建巡护通道路段为某河岸边，其地势陡峭，一侧为悬崖，另一侧是河床，因此，受拟建巡护通道路段地形条件限制，无法修建常规的地面巡护步道，拟修建悬挑巡护栈道。

由于受资金投入及项目计划的制约，本项目悬挑栈道需分两期进行建设。为了积累施工经验，为后期的悬挑栈道建设做好铺垫，一期建设规模相对较小，总长度约为100 m。二期建设规模约为1 000 m。

4 设计方案

4.1 一期悬挑栈道设计方案

一期悬挑栈道（以下称方案1）主要悬挑受力构件采用钢筋混凝土结构，其悬挑梁结构设计如图1 所示（其余次要构件，如连梁、防腐木板、护栏等在本文中不做讨论）。悬挑梁的截面尺寸为宽300 mm、高400 mm，混凝土采用C25，钢筋采用HRB400 级；上部钢筋直径为22 mm，共3 根；下部钢筋直径为18 mm，共2 根，上下部钢筋均应锚入岩体内不小于3 m；钻孔回灌材料采用水泥砂浆，其强度不得低于30 MPa，灌浆前，应将钻孔清理干净。为了保证悬挑梁在岩体内的可靠锚固，设计梁混凝土应进入岩体内不小于300 mm。本设计方案在原钢筋混凝土悬挑梁的设计基础上进行了以下优化设计。

图1 悬挑梁结构设计详图（单位：mm）

1）设计汲取公路工程中锚杆护坡的施工技术，将钢筋混凝土悬挑梁的受力纵筋可靠锚入稳定的岩层中，保证了悬挑栈道的安全性。

2）钢筋锚入岩体较整根混凝土梁伸入岩体内，其岩土的开挖量大大减少，最大限度地降低了对保护地内的山体破坏。

3）参考建筑地基基础中锚杆基础的设计参数，可准确计算悬挑梁中受力钢筋的抗拔力等主要力学指标，使设计更科学。

方案1 结构计算采用TSSD2017 结构计算软件，经计算，各项指标（强度、变形等）均能满足现行结构规范的要求[4]，设计具有足够的安全性。

4.2 二期悬挑栈道设计方案

二期悬挑栈道（下文称方案2）原设计采用方案1，但由于二期建设规模较一期有了很大的增加，且工期受投资计划的影响仅为1 a。建设方依据方案1 的施工工期进行推算，若继续采用方案1，将无法按期完工，需重新考虑设计方案。

设计方依据现场条件及建设单位的主要诉求，方案2 主要悬挑受力构件采用钢结构，该钢结构悬挑梁结构设计如图2所示：悬挑梁设计为热轧普通工字钢32a，其截面尺寸为高320 mm、翼缘高度为130 mm、腹板及翼缘厚度分别为9.5 mm及15 mm。为了保证钢悬挑梁在岩体内的可靠锚固，依据岩体级别，工字钢需整体深入岩体内1 000～2 000 mm，并用强度不低于30 MPa 的水泥砂浆进行灌浆处理。为增加对悬挑构件的约束，在其下方设置一道钢支撑，支撑采用等肢角钢，其截面尺寸为肢长160 mm、截面厚为10 mm。支撑与悬挑梁之间采用焊缝连接，且嵌入岩体内不小于50 mm。

图2 钢结构悬挑梁结构设计详图（单位：mm）

方案2 结构计算采用PKPM-STS 模块计算软件，经计算，各项指标（强度、变形、稳定性等）均能满足现行结构规范的要求[5]，设计具有足够的安全性。

5 比较分析

本项目一、二期悬挑栈道目前均已建设完成，在总结设计成果及建成效果的基础上，对已建成的两种悬挑栈道从施工技术和后期运营等方面进行比较研究，为自然保护地内悬挑栈道的建设提供参考。

5.1 施工技术比较分析

1）施工工期：方案1 中混凝土构件依据相关规范，均需要在进行一定工期的养护后才能进行下一道工序，并且在浇筑混凝土之前安装模板，导致方案1 的施工工期较长；方案2 的钢构件均可在钢结构加工厂制作完成后运输至工地进行现场安装即可，各钢构件之间的拼接也可通过现场焊接，施工速度较快。因此，在施工工期方面，方案2 具有较大的优势。

2）施工质量：受交通条件的制约，方案1 中混凝土只能采取现场搅拌的方式进行制作，无法使用商品混凝土，因此，混凝土的质量得不到保证，需要现场监理、施工人员具有极高的责任心与安全意识；方案2 中钢构件的制作在车间进行，采取统一制作标准及统一检验水平，其质量能很好地得到控制。当然，在现场安装时，也存在安装技术水平不高，施工人员不够细心等不利因素，导致施工质量得不到保证。

3）施工对环境的影响：方案1 中锚筋的施工可借用公路工程边坡防护中锚筋的施工技术，依靠专门的施工机械将钢筋植入岩体内同时完成灌浆，悬挑梁的施工仅需将岩体凿进0.3 m 即可，因此，对保护地内岩体的破坏非常小；方案2 需要将悬挑梁深入岩体内1.0～2.0 m，并且梁高达0.32 m、梁宽达0.13 m，因此，需要在岩体内凿开截面为0.4 m×0.2 m，深1.0～2.0 m 的腔体，待钢梁就位后，再进行水泥砂浆的浇筑。因此，比较可知，方案2 对保护地内的岩体具有较大的破坏性，且开挖出来的破碎岩石很难外运，导致施工对周边环境会造成一定程度的影响。

5.2 后期运营维护比较分析

由于悬挑栈道修建于河道边缘，临近水面，受力构件容易受潮；且在运行期间，偶尔会有落石等突发情况的发生，因此，栈道的后期维护极其重要。

方案1 悬挑梁的设计及施工，在保证受力钢筋具有足够的保护层厚度的情况下，其在潮湿环境中的耐久性会非常好。由于钢筋混凝土悬挑梁具有较大的刚度及耐压、耐冲击的强度，在遇到有限的落石时，对其破坏不会造成构件失效。一旦由于某种偶然外力导致钢筋混凝土构件失效，其后期的修复将非常困难，给巡护栈道的正常使用带来不便。

方案2 的钢结构悬挑梁在长期的潮湿环境中，很容易慢慢腐蚀，为了避免这一情况，需要定期对钢构件进行防腐处理，且维护频率要求较高[6]。钢构件在受外力冲击下，极易变形，产生塑性变形后，很难恢复，因此，方案2 抵御偶然外力的能力比较欠缺。但钢构件受损后，其置换比较方便，且维修工期很短，对栈道的使用影响较小。

5.3 与环境融合性比较分析

方案1 中混凝土的色彩与周边岩体的颜色比较接近，与周边环境非常协调。由于混凝土构件长期处于潮湿环境中，若干年后，其表面长满青苔，将与自然环境将融为一体。

方案2 中钢构件表面需要刷防腐涂料，其色彩很难与周边环境相宜。由于钢悬挑梁下需要设置钢支撑，其斜撑在岩体上，导致保护地内岩体壁上比较凌乱，对保护地的景观影响较大。

6 结论及建议

保护地是我国生态建设的核心载体，在维护国家生态安全中居于首要地位，在此区域内进行悬挑栈道的建设，不同于一般景区，应以保护为主，充分尊重自然及周边环境。基于此，通过对方案1 与方案2 的对比分析研究，认为方案1 更适合在保护地内实施，在设计建设过程中需注意以下几点：

1）悬挑栈道的设计应在对现场进行充分踏勘、对所选线路的地质条件充分掌握的基础上进行，并合理确定悬挑栈道的临空高度；

2）悬挑栈道设计还应包含护栏、休憩设施、标志解说系统及环卫设施等附属设施的设计；

3）提前谋划，保证充足的施工工期，施工过程务必注重对周边生态的保护。