周文皎，習(xí) 奇，申文軍，魏少偉，張玉芳

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵路北京局集團有限公司 北京西工務(wù)段，北京 100860;3.中國鐵路北京局集團有限公司 工務(wù)處，北京 100860；4.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 研究背景

山區(qū)鐵路沿線復(fù)雜的地形條件以及惡劣的地質(zhì)狀況往往會給列車的行車安全造成難以估計的隱患和危險[1]。如隧道進出口危巖，不穩(wěn)定斜坡滑坡以及沿線塹坡崩塌落石等。一旦這些地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，必將給國民安全造成巨大損失。

近年來，在地震、強降雨等極端氣候的多重影響下，山區(qū)鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)多發(fā)趨勢，引起了鐵路部門的高度重視[2]。其中，崩塌落石災(zāi)害是最為普遍的災(zāi)害類型之一，它分布廣、突發(fā)性強、危害大，所以，建立科學(xué)合理的危巖落石評估體系并且有效防治就顯得尤為重要了。

目前，國內(nèi)外對崩塌落石評估工作研究相對不成熟。PIERSON等[3](1990年)經(jīng)過多年的研究，提出了一套針對公路崩塌落石風(fēng)險評估準則，稱之為Rock Fall Hazard Rating System(RHRS),其主要是以地形特征、地質(zhì)概況、氣象、巖塊尺寸及崩塌規(guī)模大小、崩塌歷史等為因子，進行公路崩塌落石風(fēng)險評估?？屏_拉多州運輸部[4]也設(shè)計了一套系統(tǒng)，對州級公路中長期有巖崩問題的地段進行風(fēng)險識別和分級(STOVER，1992年)。文獻[5]簡要總結(jié)了以往研究中地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險評價方法，并對風(fēng)險評估的發(fā)展進行了展望；文獻[6]提出了隧道洞口落石風(fēng)險評估方法，將隧道洞口段落石風(fēng)險評估方式分為初步評估與細部評估兩大步驟；文獻[7]提出了隧道洞口段落石災(zāi)害危險性等級評價方法；文獻[8]對辛泰線危巖落石進行分析和研究，并采取了相應(yīng)的措施，使得病害得到了有效地整治；文獻[9-12]對我國西南地區(qū)不同線路隧道口危巖落石的形成機理、失穩(wěn)模式及破壞后的運動特征進行分析，確定危巖落石的失穩(wěn)滾落概率及路徑，并采取相應(yīng)整治措施。但相關(guān)研究多以經(jīng)驗為主，難以滿足鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害線長點多、基礎(chǔ)資料不完善、安全要求高的特點。基于現(xiàn)實需求和評估研究現(xiàn)狀，本文針對崩塌落石，采用安全性評價與風(fēng)險評價相結(jié)合的定性、定量綜合評估方法[13]，并且對豐沙線危巖落石工點進行評價，依據(jù)評價結(jié)論提出處置對策。

2 崩塌落石風(fēng)險評估方法

2.1 崩塌落石概念及分類

崩塌落石是穩(wěn)定斜坡上個別巖塊的突然墜落；如巖塊尚未坍落，但已接近于極限平衡狀態(tài)時稱為危石。落石規(guī)模較小，巖塊體積從幾立方厘米至幾立方米不等。在運營線上，落石常造成鋼軌砸傷、橋梁砸壞、列車砸損及列車脫線、顛覆事故，危害極大。

崩塌落石主要包括3類：第1類是自然山體危崖陡壁上的不穩(wěn)定巖塊或危石；第2類是裸露塹坡上的不穩(wěn)定巖塊或危石；第3類是邊坡表層分布的由山體崩落的大小不一的危石。前兩類落石，其破壞主要取決于巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，而第3類落石，則主要取決于危石嵌入深度、表層土體整體穩(wěn)定性等。

2.2 崩塌落石風(fēng)險評估流程

風(fēng)險等級是根據(jù)災(zāi)害發(fā)生的危險性概率和風(fēng)險事故損失來綜合評級的。風(fēng)險等級可表征為風(fēng)險事故發(fā)生的概率和事故損失的乘積。崩塌落石災(zāi)害評估流程見圖1。

圖1 崩塌落石災(zāi)害評估流程

2.3 崩塌落石風(fēng)險評估標準

崩塌落石評估標準包括：①病害類型；②擋護設(shè)施適宜性評價；③擋護設(shè)施技術(shù)狀況評價;④病害危險性概率評價；⑤病害事故損失評價；⑥病害風(fēng)險等級；⑦防治等級。

2.3.1 危險性概率評估

崩塌落石災(zāi)害危險性是指災(zāi)害發(fā)生的可能性。目前危巖穩(wěn)定性計算方法共有4類，即基于有限元的靜力穩(wěn)定性分析法、可靠度分析法、基于監(jiān)測資料的比較辨識法和靜力解析法。本文采用靜力解析法對典型工點進行分析和研究。

崩塌落石穩(wěn)定性判別標準見表1[6]。

表1 崩塌落石穩(wěn)定性判別標準

崩塌落石穩(wěn)定性判別標準與危險性概率的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 災(zāi)害發(fā)生概率等級標準

2.3.2 事故損失評估

崩塌落石災(zāi)害事故損失評估，按災(zāi)害發(fā)生后影響范圍及恢復(fù)通車快慢劃分，見表3。

表3 事故損失等級評價

2.3.3 風(fēng)險等級

風(fēng)險等級可表征為風(fēng)險事故發(fā)生的概率和事故損失的乘積。風(fēng)險等級劃分見表4。

表4 風(fēng)險等級劃分

注：表中代表極高風(fēng)險(四級), 代表高度風(fēng)險(三級), 代表中度風(fēng)險(二級)， 空白代表低度風(fēng)險(一級)。

2.3.4 防治等級

對應(yīng)崩塌落石災(zāi)害風(fēng)險等級，提出災(zāi)害防治等級和防治規(guī)劃，見表5。

表5 防治等級和防治規(guī)劃

3 實例分析

3.1 工程概述

豐沙線K54+080—K54+124下行右側(cè)邊坡自然坡坡率較陡，近垂直(見圖2)；坡面裸露，出露基巖以強～中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r為主，巖層較薄，風(fēng)化裂隙發(fā)育，表層巖體較破碎。現(xiàn)場測得巖層產(chǎn)狀為182°∠12°，3組貫通結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀分別為283°∠62°,31°∠82°,202°∠71°。線路走向約118°，邊坡坡向約198°。

3.2 病害描述

邊坡腳現(xiàn)有一高約1.5 m、寬0.6 m漿砌片石擋墻。K54+096—K54+106段存在一危巖探頭，距線路高約19～28 m，平均厚度約3.0 m，危巖體與自然山體結(jié)構(gòu)面(202°∠71°)張開并貫通，基本分離，在暴雨等誘發(fā)因素作用下，極易崩落(見圖2)。

圖2 豐沙線K54+080—K54+124下行右側(cè)邊坡全貌

3.3 風(fēng)險評估

3.3.1 風(fēng)險危險性概率

根據(jù)當?shù)貧庀蠛偷卣鹳Y料顯示，該地區(qū)過去5年的年平均降雨量約200 mm，處于7度地震區(qū)。現(xiàn)場勘查可以看出該工點的災(zāi)害類型是滑移式崩塌，危巖探頭厚度約2.0～3.5 m，總方量約40 m3，危巖體距線路高約19～28 m，坡腳距線路中心約9 m。危巖細部圖見圖3。

圖3 危巖細部

滑移式崩塌落石的穩(wěn)定系數(shù)按照靜力解析法計算，具體計算公式為[7]

(1)

式中：K為危巖穩(wěn)定系數(shù)；W為危巖體自重；Q為地震力，按Q=ξ×W確定，地震水平作用系數(shù)ξ取0.05；U為裂隙水壓力，本地區(qū)為干旱地區(qū)，取0；C為后緣裂隙黏聚力標準值，當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段黏聚力標準值按長度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段黏聚力標準值取巖石黏聚力標準值的0.4倍；φ為后緣裂隙內(nèi)摩擦角標準值，當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標準值按長度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段內(nèi)摩擦角標準值取巖石內(nèi)摩擦角標準值的0.95倍；θ為軟弱結(jié)構(gòu)面傾角，外傾取正，內(nèi)傾取負。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和查閱當?shù)氐乜辟Y料可以得出，該工點危巖有3組貫通結(jié)構(gòu)面，受雨水下滲、列車振動等諸多因素影響極易造成隱患發(fā)生。經(jīng)過式(1)計算取W=5 000 kN/m3，Q=250 kN/m，U=0，C=25 kPa，θ=70°，φ=20 kPa,則K=1.046，依照表1可知該工點危巖不安全。對照表2確定其落石危險性概率屬四級,極可能發(fā)生。

3.3.2 風(fēng)險事故損失

風(fēng)險事故損失依據(jù)事故損失等級進行評估分析。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該段邊坡可形成危巖體方量約40 m3，坡腳距線路水平距離約9 m，依據(jù)RockScience軟件落石軌跡計算分析得出，該危巖體發(fā)生崩塌落石后，會在原地面產(chǎn)生跳躍，現(xiàn)有擋墻1.5 m，落石的跳躍高度最高約4.8 m(如圖4所示)，最大沖擊能約 20 000 kJ，存在入侵線路的可能。一旦墜落極可能影響到鋼軌，危害到列車行駛安全，但能較快通車。對照表3可以得出該工點的事故損失等級為三級，屬于大風(fēng)險。

圖4 崩塌落石軌跡分析

3.4 風(fēng)險等級評價

根據(jù)表4，該工點對應(yīng)的風(fēng)險等級屬四級極高風(fēng)險，需近期立即整治。

3.5 防治措施

由以上分析的結(jié)果可以看出，現(xiàn)有防治措施無法起到防治作用，一旦崩落極易造成侵線危害。所以對應(yīng)的防治措施為：K54+080—K54+124段現(xiàn)有擋墻高度不足，拆除現(xiàn)有1.5 m擋墻；K54+092—K54+110段設(shè)置混凝土攔石墻；依據(jù)崩塌落石軌跡分析，攔石墻基礎(chǔ)埋深2 m，地面以上5.0 m(如圖5所示)； K54+080—K54+092段、K54+110—K54+124段設(shè)置混凝土擋墻，基礎(chǔ)埋深1.5 m，地面以上2.0 m。

圖5 K54+100設(shè)計斷面(單位：cm)

4 結(jié)論與建議

1)以豐沙線下行K54+080—K54+124右側(cè)邊坡崩塌落石為研究對象，采用靜力解析法對其穩(wěn)定性進行計算和分析，并對該處危巖體的嚴重程度進行現(xiàn)場調(diào)查分析，應(yīng)用崩塌落石風(fēng)險評估方法進行分析，得出風(fēng)險等級為四級，屬極高風(fēng)險，應(yīng)立即整治。

2)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果與評估結(jié)果分析，落石下落過程中的最大沖擊能約 20 000 kJ，最大跳躍高度約4.8 m，存在入侵線路的可能。拆除現(xiàn)有1.5 m擋墻，K54+092—K54+110段設(shè)置混凝土攔石墻，基礎(chǔ)埋深1 m，地面以上5.0 m；K54+080—K54+092段、K54+110—K54+124段設(shè)置混凝土擋墻，基礎(chǔ)埋深1.5 m，地面以上2.0 m。

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