劉鵬程
(國(guó)家林業(yè)和草原局西南調(diào)查規(guī)劃院,昆明 650031)
棧道是保護(hù)地內(nèi)巡護(hù)管理人員的主要通道,連接著各保護(hù)對(duì)象和管理設(shè)施,影響保護(hù)地內(nèi)的管理成效,因此,其規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)保護(hù)地的視覺(jué)美觀性和管理人員的巡護(hù)感受都十分重要。目前,我國(guó)在很多景區(qū)修建了供游客體驗(yàn)的懸挑棧道,而在各類自然保護(hù)地內(nèi)卻很少建設(shè),有待進(jìn)一步探究。
歷史上最早的懸挑棧道是通過(guò)鑿洞插木的方式進(jìn)行建造,其使用年限很短,需要常年進(jìn)行維護(hù)。隨著新材料的出現(xiàn)及建造工藝的發(fā)展,后來(lái)出現(xiàn)的高空懸臂棧道梁是仿照房屋建筑懸挑梁的設(shè)計(jì)方案,將懸挑梁水平澆筑埋入巖壁1.5 倍外挑梁長(zhǎng)度深處,這種做法主要存在以下幾點(diǎn)不足:
1)由于需要在巖壁的水平方向鑿出梁根同截面大小且足夠?qū)⒘郝袢肷疃鹊目锥?,其鑿巖作業(yè)難度大,費(fèi)用高;
2)由于在澆筑混凝土前已在水平孔洞中置入鋼筋籠,水平澆筑混凝土灌入和振搗困難,施工質(zhì)量往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,且澆筑混凝土的工作量大,會(huì)浪費(fèi)大量的混凝土;
3)隨著人流超載情況的加劇,造成懸挑梁疲勞應(yīng)力幅大,使這些高空懸臂棧道的使用年限遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)年限。
本文所涉懸挑棧道擬建設(shè)于生態(tài)地位較高的自然保護(hù)地內(nèi),設(shè)計(jì)更應(yīng)充分尊重保護(hù)地內(nèi)既有的自然環(huán)境,最大限度地避免對(duì)自然生境的干擾,與原生環(huán)境充分融合,體現(xiàn)“相地合宜”。因此,在保護(hù)地內(nèi)實(shí)施懸挑棧道工程,設(shè)計(jì)時(shí)不能照搬現(xiàn)有的做法,需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。
懸挑棧道作為棧道中的一種特殊構(gòu)筑形式,其設(shè)計(jì)及建造必須遵循以下原則。
1)安全性:安全性是懸挑棧道設(shè)計(jì)的首要原則[1]。棧道設(shè)計(jì)前必須對(duì)地形及地質(zhì)災(zāi)害情況、地質(zhì)條件等進(jìn)行詳細(xì)勘察,為設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。
2)生態(tài)性:懸挑棧道選線要遵循對(duì)生態(tài)、資源環(huán)境影響最小的原則,應(yīng)避免通過(guò)環(huán)境敏感地帶[2],如動(dòng)物棲息地、珍稀植物生長(zhǎng)地段等,減小對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響。同時(shí),良好的棧道建設(shè)不應(yīng)該入侵和破壞自然景觀,其設(shè)計(jì)路徑應(yīng)該符合地形構(gòu)造,建造材料應(yīng)盡可能與自然融為一體[3]。
3)舒適性:懸挑棧道宜設(shè)計(jì)為水平步道或平緩梯步,表面平整、防滑,易于行走,充分結(jié)合自然地形,能緩則緩。
某保護(hù)地某一區(qū)域內(nèi)生物資源豐富,植被類型較為典型,由于常年受當(dāng)?shù)啬撩穹拍劣绊?,植被破壞比較嚴(yán)重。目前,僅有1 條狹窄的便道通往此區(qū)域,平均寬度約30 cm,局部路段由于年久失修破損比較嚴(yán)重,且該路段沒(méi)有任何防護(hù)設(shè)施,存在較大的安全隱患,本通道繞行距離超過(guò)20 km,上坡下坡路段較多,給日常巡護(hù)工作帶來(lái)了不便。保護(hù)地管理單位為了提高巡護(hù)人員的舒適度和安全性,計(jì)劃重新選線修建巡護(hù)通道。擬建巡護(hù)通道路段為某河岸邊,其地勢(shì)陡峭,一側(cè)為懸崖,另一側(cè)是河床,因此,受擬建巡護(hù)通道路段地形條件限制,無(wú)法修建常規(guī)的地面巡護(hù)步道,擬修建懸挑巡護(hù)棧道。
由于受資金投入及項(xiàng)目計(jì)劃的制約,本項(xiàng)目懸挑棧道需分兩期進(jìn)行建設(shè)。為了積累施工經(jīng)驗(yàn),為后期的懸挑棧道建設(shè)做好鋪墊,一期建設(shè)規(guī)模相對(duì)較小,總長(zhǎng)度約為100 m。二期建設(shè)規(guī)模約為1 000 m。
一期懸挑棧道(以下稱方案1)主要懸挑受力構(gòu)件采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其懸挑梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示(其余次要構(gòu)件,如連梁、防腐木板、護(hù)欄等在本文中不做討論)。懸挑梁的截面尺寸為寬300 mm、高400 mm,混凝土采用C25,鋼筋采用HRB400 級(jí);上部鋼筋直徑為22 mm,共3 根;下部鋼筋直徑為18 mm,共2 根,上下部鋼筋均應(yīng)錨入巖體內(nèi)不小于3 m;鉆孔回灌材料采用水泥砂漿,其強(qiáng)度不得低于30 MPa,灌漿前,應(yīng)將鉆孔清理干凈。為了保證懸挑梁在巖體內(nèi)的可靠錨固,設(shè)計(jì)梁混凝土應(yīng)進(jìn)入巖體內(nèi)不小于300 mm。本設(shè)計(jì)方案在原鋼筋混凝土懸挑梁的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下優(yōu)化設(shè)計(jì)。
圖1 懸挑梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳圖(單位:mm)
1)設(shè)計(jì)汲取公路工程中錨桿護(hù)坡的施工技術(shù),將鋼筋混凝土懸挑梁的受力縱筋可靠錨入穩(wěn)定的巖層中,保證了懸挑棧道的安全性。
2)鋼筋錨入巖體較整根混凝土梁伸入巖體內(nèi),其巖土的開(kāi)挖量大大減少,最大限度地降低了對(duì)保護(hù)地內(nèi)的山體破壞。
3)參考建筑地基基礎(chǔ)中錨桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)參數(shù),可準(zhǔn)確計(jì)算懸挑梁中受力鋼筋的抗拔力等主要力學(xué)指標(biāo),使設(shè)計(jì)更科學(xué)。
方案1 結(jié)構(gòu)計(jì)算采用TSSD2017 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件,經(jīng)計(jì)算,各項(xiàng)指標(biāo)(強(qiáng)度、變形等)均能滿足現(xiàn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求[4],設(shè)計(jì)具有足夠的安全性。
二期懸挑棧道(下文稱方案2)原設(shè)計(jì)采用方案1,但由于二期建設(shè)規(guī)模較一期有了很大的增加,且工期受投資計(jì)劃的影響僅為1 a。建設(shè)方依據(jù)方案1 的施工工期進(jìn)行推算,若繼續(xù)采用方案1,將無(wú)法按期完工,需重新考慮設(shè)計(jì)方案。
設(shè)計(jì)方依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及建設(shè)單位的主要訴求,方案2 主要懸挑受力構(gòu)件采用鋼結(jié)構(gòu),該鋼結(jié)構(gòu)懸挑梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示:懸挑梁設(shè)計(jì)為熱軋普通工字鋼32a,其截面尺寸為高320 mm、翼緣高度為130 mm、腹板及翼緣厚度分別為9.5 mm及15 mm。為了保證鋼懸挑梁在巖體內(nèi)的可靠錨固,依據(jù)巖體級(jí)別,工字鋼需整體深入巖體內(nèi)1 000~2 000 mm,并用強(qiáng)度不低于30 MPa 的水泥砂漿進(jìn)行灌漿處理。為增加對(duì)懸挑構(gòu)件的約束,在其下方設(shè)置一道鋼支撐,支撐采用等肢角鋼,其截面尺寸為肢長(zhǎng)160 mm、截面厚為10 mm。支撐與懸挑梁之間采用焊縫連接,且嵌入巖體內(nèi)不小于50 mm。
圖2 鋼結(jié)構(gòu)懸挑梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳圖(單位:mm)
方案2 結(jié)構(gòu)計(jì)算采用PKPM-STS 模塊計(jì)算軟件,經(jīng)計(jì)算,各項(xiàng)指標(biāo)(強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性等)均能滿足現(xiàn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求[5],設(shè)計(jì)具有足夠的安全性。
本項(xiàng)目一、二期懸挑棧道目前均已建設(shè)完成,在總結(jié)設(shè)計(jì)成果及建成效果的基礎(chǔ)上,對(duì)已建成的兩種懸挑棧道從施工技術(shù)和后期運(yùn)營(yíng)等方面進(jìn)行比較研究,為自然保護(hù)地內(nèi)懸挑棧道的建設(shè)提供參考。
1)施工工期:方案1 中混凝土構(gòu)件依據(jù)相關(guān)規(guī)范,均需要在進(jìn)行一定工期的養(yǎng)護(hù)后才能進(jìn)行下一道工序,并且在澆筑混凝土之前安裝模板,導(dǎo)致方案1 的施工工期較長(zhǎng);方案2 的鋼構(gòu)件均可在鋼結(jié)構(gòu)加工廠制作完成后運(yùn)輸至工地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝即可,各鋼構(gòu)件之間的拼接也可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)焊接,施工速度較快。因此,在施工工期方面,方案2 具有較大的優(yōu)勢(shì)。
2)施工質(zhì)量:受交通條件的制約,方案1 中混凝土只能采取現(xiàn)場(chǎng)攪拌的方式進(jìn)行制作,無(wú)法使用商品混凝土,因此,混凝土的質(zhì)量得不到保證,需要現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理、施工人員具有極高的責(zé)任心與安全意識(shí);方案2 中鋼構(gòu)件的制作在車間進(jìn)行,采取統(tǒng)一制作標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)一檢驗(yàn)水平,其質(zhì)量能很好地得到控制。當(dāng)然,在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),也存在安裝技術(shù)水平不高,施工人員不夠細(xì)心等不利因素,導(dǎo)致施工質(zhì)量得不到保證。
3)施工對(duì)環(huán)境的影響:方案1 中錨筋的施工可借用公路工程邊坡防護(hù)中錨筋的施工技術(shù),依靠專門的施工機(jī)械將鋼筋植入巖體內(nèi)同時(shí)完成灌漿,懸挑梁的施工僅需將巖體鑿進(jìn)0.3 m 即可,因此,對(duì)保護(hù)地內(nèi)巖體的破壞非常??;方案2 需要將懸挑梁深入巖體內(nèi)1.0~2.0 m,并且梁高達(dá)0.32 m、梁寬達(dá)0.13 m,因此,需要在巖體內(nèi)鑿開(kāi)截面為0.4 m×0.2 m,深1.0~2.0 m 的腔體,待鋼梁就位后,再進(jìn)行水泥砂漿的澆筑。因此,比較可知,方案2 對(duì)保護(hù)地內(nèi)的巖體具有較大的破壞性,且開(kāi)挖出來(lái)的破碎巖石很難外運(yùn),導(dǎo)致施工對(duì)周邊環(huán)境會(huì)造成一定程度的影響。
由于懸挑棧道修建于河道邊緣,臨近水面,受力構(gòu)件容易受潮;且在運(yùn)行期間,偶爾會(huì)有落石等突發(fā)情況的發(fā)生,因此,棧道的后期維護(hù)極其重要。
方案1 懸挑梁的設(shè)計(jì)及施工,在保證受力鋼筋具有足夠的保護(hù)層厚度的情況下,其在潮濕環(huán)境中的耐久性會(huì)非常好。由于鋼筋混凝土懸挑梁具有較大的剛度及耐壓、耐沖擊的強(qiáng)度,在遇到有限的落石時(shí),對(duì)其破壞不會(huì)造成構(gòu)件失效。一旦由于某種偶然外力導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件失效,其后期的修復(fù)將非常困難,給巡護(hù)棧道的正常使用帶來(lái)不便。
方案2 的鋼結(jié)構(gòu)懸挑梁在長(zhǎng)期的潮濕環(huán)境中,很容易慢慢腐蝕,為了避免這一情況,需要定期對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行防腐處理,且維護(hù)頻率要求較高[6]。鋼構(gòu)件在受外力沖擊下,極易變形,產(chǎn)生塑性變形后,很難恢復(fù),因此,方案2 抵御偶然外力的能力比較欠缺。但鋼構(gòu)件受損后,其置換比較方便,且維修工期很短,對(duì)棧道的使用影響較小。
方案1 中混凝土的色彩與周邊巖體的顏色比較接近,與周邊環(huán)境非常協(xié)調(diào)。由于混凝土構(gòu)件長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中,若干年后,其表面長(zhǎng)滿青苔,將與自然環(huán)境將融為一體。
方案2 中鋼構(gòu)件表面需要刷防腐涂料,其色彩很難與周邊環(huán)境相宜。由于鋼懸挑梁下需要設(shè)置鋼支撐,其斜撐在巖體上,導(dǎo)致保護(hù)地內(nèi)巖體壁上比較凌亂,對(duì)保護(hù)地的景觀影響較大。
保護(hù)地是我國(guó)生態(tài)建設(shè)的核心載體,在維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全中居于首要地位,在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行懸挑棧道的建設(shè),不同于一般景區(qū),應(yīng)以保護(hù)為主,充分尊重自然及周邊環(huán)境?;诖?,通過(guò)對(duì)方案1 與方案2 的對(duì)比分析研究,認(rèn)為方案1 更適合在保護(hù)地內(nèi)實(shí)施,在設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中需注意以下幾點(diǎn):
1)懸挑棧道的設(shè)計(jì)應(yīng)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行充分踏勘、對(duì)所選線路的地質(zhì)條件充分掌握的基礎(chǔ)上進(jìn)行,并合理確定懸挑棧道的臨空高度;
2)懸挑棧道設(shè)計(jì)還應(yīng)包含護(hù)欄、休憩設(shè)施、標(biāo)志解說(shuō)系統(tǒng)及環(huán)衛(wèi)設(shè)施等附屬設(shè)施的設(shè)計(jì);
3)提前謀劃,保證充足的施工工期,施工過(guò)程務(wù)必注重對(duì)周邊生態(tài)的保護(hù)。