高海拔艰险山区铁路隧道洞口危岩落石的识别与防护

高海拔艰险山区铁路隧道洞口危岩落石的识别与防护

王卫民

（青藏集团公司，地址青海省建国路22号 邮编816000）

摘要：近年来，山区铁路高边坡危岩落石病害频发，危岩落石作为山区铁路建设和后期运营过程中的一种典型地质灾害类型，已成为铁路工程建设及施工运营安全的重要制约因素。特别是在强降雨、大温差、融雪、冰川剥蚀、冻涨等因素作用下的高海拔艰险山区，铁路隧道洞口的危岩落石识别与防护显得尤为重要。本文以藏东南某铁路隧道洞口的危岩落石识别与防护为例，提出了危岩落石识别方法与防护措施，以供同行借鉴。

关键词：地质灾害、危岩落石、铁路隧道；防护；铁路运营安全

1研究背景

1.1地形条件

该项目位于青藏高原东南部，受青藏高原地貌隆升的影响，总体地势西北低东南高。地貌特征是山体与湖盆相间，峰岭与峡谷并列，山体高大、雄伟；山间河川深切、峡谷众多。河流坡降大，水流湍急。铁路所经过的区域以高山峡谷地形地貌为主。山势与河川严格受构造控制。大河谷断裂裂带发育，总体均呈NW向，属于构造谷中的断层谷。从发育形态看，隘谷、峡谷和宽谷在不同地段都有发育。本区地形最大高差超过5700m，相对高差一般在1500~2000m。山坡坡度通常大于30°，峡谷区斜坡不少在80°左右。

1.2地质条件

由于受断裂带构造活动、降水、冰川、地形地貌、河流及人类工程活动等多种因素的影响，研究区发育了较多的地质灾害，包括崩塌、溜砂坡、不稳定斜坡等对该区域存在的各种灾害类型进行分析.

2危岩落石的成因及分类

该区域地质条件的特殊性使得高陡地形、硬性岩体地层的位置发育危岩体，受风化、卸荷、冻融等强物理作用后，较容易形成崩塌灾害。由于构造活动等影响，体中分布大量不同产状的裂隙，能够相互组合成楔形体，结构面充水结冰，岩体在冻融下裂隙扩展贯通，形成不同规模的崩塌。该段斜坡危岩体主要有以下几种变形破坏模式：坠落式、滑移式、错断式。

2.1 坠落式崩塌

如下图a所示，当陡坡由软硬相间的岩层组成时，由于差异风化作用，上部坚硬岩层在断面上常以悬臂梁形式突出来。在突出的岩体上，通常发育有构造节理、卸荷节理和风化节理，在长期重力作用下，节理会逐渐扩大发展，因此，拉应力更进一步集中在尚未产生节理裂隙的部位；一旦拉应力大于这部分岩石的抗拉强度时，拉裂缝就会迅速向下发展，突出的岩体将突然向下崩落。

2.2 滑移式崩塌

如下图b所示，当危岩体后部存在倾向坡外的、贯通或断续贯通的破裂面，倾角较缓，破裂面的剪出部位多数出现在陡崖，也可能出现在危岩体基座岩土体中，当后部的卸荷裂隙贯通时，危岩体将沿卸荷结构面切穿坡脚的软层发生滑塌，这种情况要求软层前方有临空条件。岸斜坡中上部岩体受节理裂隙切割，目前斜坡危岩体边界条件清楚，加之卸荷裂隙为降雨入渗提供了良好的几何通道，在地震、开挖、降雨等不利工况作用下，使岩体基座逐渐贯通，形成滑移式崩塌。

2.3 错断式崩塌

如下图c所示，陡坡上的长柱状和板状的不稳定性岩体，下部存在一定的抗滑段，由于潜在不稳定岩体的重量增加或其下部断面减小，造成岩体下部自重所产生的剪应力超过岩石的抗剪强度，使长板柱或板状不稳定岩体的下部被剪断，从而发生错断式崩塌。形成这类危岩通常有以下几种途径：①由于地壳上升，河流下切作用加强，使垂直节理裂隙不断加深，长柱状和板状岩体的自重不断增加；②在冲刷和其他风化剥蚀应力的作用下岩体下部的断面不断减小。

危岩体失稳模式示意图

3危岩落石的识别过程

3.1 基础数据采集

采用无人机等方法进行现场地质调查，查明重要点位的工程地质条件、变形破坏特征、潜在失稳边界条件以及危岩落石的分布情况；现场进行岩石的回弹测试，并采取岩土试样，室内开展岩土体物理力学参数实验，确定计算参数；绘制工程地质平面图、工程地质剖面图。

3.2 建立重点位置的工程地质模型

根据现场调查及其他专题成果，查明岩体结构面发育特征，分析结构面组合对边坡稳定性的影响，开展边坡岩体结构分区；分析查明堆积体成因及其结构特征、基覆界面发育特征；并结合工程设置情况，建立能够反映边坡变形破坏模式的工程地质模型。

3.3 分析边坡变形破坏模式及边坡稳定性评价

通过现场调查，并结合所建斜坡工程地质模型，定性分析边坡破坏模式，提出边坡整体和局部失稳模式；同时针对不同类型变形破坏模式，选择离散元、有限元、有限差分等合适的数值模拟方法，开展斜坡变形破坏机制数值模拟研究，分析斜坡在降雨、融雪、地震等条件下坡体内部应力、变形、塑性区等特征；评价不同工况下边坡的整体稳定性及局部破坏的可能性。

3.4危岩落石分析评价

根据边坡危岩落石分布情况，结合地形、工程设置情况，采用Rocfall、Unity 3D等软件，对落石运动轨迹的运动模式、运动距离等进行有效模拟，对陡坡上任何落石随机下落过程进行大量的概率模拟和统计分析，得到相对稳定的高概率统计结果，确定落石的运动轨迹以及在下落全程的冲击能量、速度和弹跳高度值和分布图，据此提出防治落石发生的有效措施。

Unity 3D系统界面

4危岩落石的防护

以某隧道洞口为例，详细论述本次研究所提出的危岩落石识别、防护过程及原则。

4.1 变形破坏模式分析

该隧道洞口斜坡发育花岗岩，发育三组优势结构面J1:N85°E/18°N；J2: N60°W/75°S；J3: N65°W/10°N；临河侧坡面产状为：S60°E/NE∠70°。由该点的赤平投影图分析可知：J1、J3两组结构面较缓，J2较陡，三组结构面将岩体切割成为楔形体，在初期块体较小的楔形体岩块掉块，并向四周扩散产生楔形破坏，破坏后期由于大量的岩块底部临空 ，破坏模式转变为坠落式破坏，根据现场照片判断现阶段以坠落式的崩塌破坏为主。总体来说坡体上现发育危岩，且岩体内结构面不利组合易于危岩形成，危岩主要分布在斜坡坡顶坡度较陡处，在进一步风化、冻融作用下可能发生以楔形破坏式、坠落式为主的崩塌破坏。

4.2 边坡整体稳定性评价

根据现场调查，该隧道洞口地势较陡，斜坡整体稳定性较好，但局部存在一些变形破坏迹象。

据左岸边坡已有变形破坏的特点，结合斜坡工程地质条件、岩体结构特征，斜坡按照变形破坏模式，地质灾害发育及隐患，将该点斜坡及坡脚平台分为2个稳定性大区：

A区：该区域范围为山腰小平台至坡顶斜坡坡度较陡段，此段为基岩斜坡，岩性主要为花岗岩，斜坡风化强烈，岩体破碎，共发育三组优势节理，交切关系形成不利组合，顶部有多个危岩区，发育大量底部临空的危岩块体，可能发生局部的小规模崩塌或危岩落石现象，主要威胁方向为斜坡东侧。对该区域斜坡的工程地质情况进行综合分析，判断该区域斜坡稳定性情况为欠稳定，发生局部变形破坏的可能性较大。

B区：该区域主要为斜坡山腰至山脚坡度较缓段，主要为基岩，岩性为花岗岩，在坡脚部分发育崩塌堆积体和河流冲积体，但厚度和范围均不大。此段坡度较缓，未见明显危岩，岩体结构较完整，对该区域斜坡的工程地质情况进行综合分析，判断该区域斜坡稳定性情况为基本稳定，发生局部变形破坏的可能性较小。

4.3危岩落石评价

根据室内无人机倾斜摄影解译与现场调查，共识别出7处危岩体。对切割各个危岩体的结构面产状进行了测量和计算，并计算了危岩体的方量，具体参数如下表所示。

危岩体参数

根据以上危岩体解译成果与现场调查，现运用Unity3D软件对斜坡体上方危岩体（带）进行三维运动全过程模拟。模拟时首先采用LiDAR生成的DEM数据建立斜坡体的三维模型，并根据各个危岩体所在位置利用软件放置相应尺寸的岩石块体，相关材料属性参数如相关材料属性表所示。

相关材料属性参数

对洞口所在斜坡下面停滞的落石进行统计，统计区域如统计表所示。

地表落石尺寸统计表

根据坡脚统计的落石最大方量，并乘以安全系数（本次计算采用系数为3），得到斜坡体上部危岩体在滚落时的崩解后的方量，将相应方量和数量的岩块放置于危岩体所在位置，进行落石的三维模拟，具体数据如基本信息表所示。

危岩体基本信息

根据模拟结果，已查明的危岩体中，1号危岩体在运动过程中经过了隧道洞口，其余各处危岩未威胁到洞口。1号危岩体运动至洞口附近时，块石方量为3m3，速度为27.3m/s，能量为3146kJ，经过明线后块石还将运动约80m后停滞于沟内。

4.4 危岩落石防护措施

根据上节危岩落石评价结论，针对该隧道洞口提出主要工程措施如下：

（1）清除对洞口有影响的浮石、活石、孤石等危石，无法清除的采用主动防护网、长锚杆等措施加固。

（2）隧道洞口上方高程3505～3615m范围内坡面采用格梁锚索防护，格梁采用矩形布置，混凝土采用现场立模浇筑施工。格梁节点间距4m，截面尺寸为0.4m×0.4m；锚索自由端长10m，锚固段长10m，长度20m，锚索与水平面夹角20°。锚索孔径为φ15.2mm，孔内注M40水泥砂浆。

（3）隧道洞口上方高程3605~3620m设置一道钢筋混凝土桩板式拦石墙，共设10根桩。桩间距（中~中）6m，桩截面1.5m×2.0m，桩长26m(埋入地下17m)，桩身采用C40钢筋混凝土灌筑，桩间设置挡土板。桩后设底宽2.0m的落石槽。墙顶设5m高柔性拦石防护网。

（4）隧道洞口上方高程3635~3655m处、3670~3705m处分别布置一道被动防护网，总长210m，高5m，防护能级1500KJ。

（5）隧道洞口上方高程高程3635~3705m范围内的危岩落石采用主动网局部包裹防护和预应力十字板防护的措施.

（6）设置3m宽简易维修通道至防护工程位置，线路坡度应小于15%，便道外侧设置角钢立柱栏杆。

隧道洞口危岩落石防护工程平面示意图

隧道洞口危岩落石防护工程剖面示意图

5小结

本文以藏东南某铁路隧道洞口危岩落石的识别过程与防护措施为例，通过基础数据采集、工程地质模型建立、边坡整体稳定性评价、危岩落石评价提出隧道洞口需要防护的范围，并提出多级防护措施对隧道洞口危岩落石进行防护，确保铁路后期运营期间的安全。

参考文献

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作者简介：王卫民,青藏集团公司，长期负责基本建设项目前期工作。

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