丁洪玉, 江文才

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川成都 611756)

危巖是我國山區(qū)三大自然災(zāi)害之一。隨著鐵路向山區(qū)的延伸及受山區(qū)地形的限制，線路常常在山嶺中穿行。隧道由于能夠有效改善交通線形，縮短里程，有利于行車安全等優(yōu)勢(shì)，已在山區(qū)和鐵路建設(shè)中的得到廣泛采用。但受線路及場(chǎng)地限制，許多隧道進(jìn)出口的邊仰坡高陡，地質(zhì)條件惡劣，在雨水及地震等自然災(zāi)害作用下，會(huì)形成危巖、落石、崩塌等，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及線路造成危害，影響運(yùn)營[1-3]。對(duì)隧道洞口工程危巖落石危險(xiǎn)性分級(jí)，有利于為危巖落石防護(hù)工程提供決策依據(jù)。

胡厚田[4-5]、張路清[6]、鄭黎明[7]、葉四橋[3]等對(duì)落石災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、分區(qū)等做了許多相關(guān)研究工作。落石災(zāi)害危險(xiǎn)性分級(jí)已成為落石威脅地區(qū)一切工程建設(shè)活動(dòng)的決策依據(jù)，并建立了一些定量危險(xiǎn)性分級(jí)和評(píng)價(jià)方法。有代表性的包括加拿大國家鐵路公司的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)系統(tǒng)(RHRA Rating System)、美國聯(lián)邦公路管理局的落石災(zāi)害危險(xiǎn)性分級(jí)系統(tǒng)(Rockfall Hazard Rating System，RHRS)以及中國臺(tái)灣張義隆等人提出的“阿里山山區(qū)道路落石評(píng)估系統(tǒng)”。本文引用葉四橋[3]提出的隧道洞口坡段落石危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法(具體參見文獻(xiàn)[3])，使用該方法對(duì)在建的鄭萬客專巫山至萬州段14個(gè)隧道洞口坡段危巖落石危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，為后續(xù)落石防治工程提供決策依據(jù)。

1 落石災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法

葉四橋[3]借鑒美國聯(lián)邦公路管理局、加拿大國家鐵路公司等對(duì)落石災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的有關(guān)定義，針對(duì)隧道洞口坡段特點(diǎn)，建立落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)方法，具體參見文獻(xiàn)[3]。定義RRS(Rockfall Rating System)為隧道洞口坡段落石危險(xiǎn)性分級(jí)指標(biāo)，它取決于落石致災(zāi)可能性(HP)和落石致災(zāi)嚴(yán)重性(SD)兩方面影響因素；而落石致災(zāi)可能性(HP)又取決于危巖崩落可能性(RP)和落石到達(dá)隧道洞口區(qū)域可能性(IP)兩方面因素，所以有：

RRS=HP×SD=RP×IP×SD

(1)

式中各參數(shù)具體如何評(píng)分參見文獻(xiàn)[3]。依據(jù)RRS可能的取值區(qū)間，將隧道洞口坡段落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)劃分為4個(gè)等級(jí)(表1)。

表1 隧道洞口坡段落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)劃分

當(dāng)危險(xiǎn)性等級(jí)為1級(jí)時(shí)，說明隧道洞口坡段落石災(zāi)害的危險(xiǎn)性較高，必須予以治理，相應(yīng)的治理控制標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)該最嚴(yán)格。2級(jí)和3級(jí)次之，可依據(jù)能夠接受的風(fēng)險(xiǎn)水平以及投資條件采取必要的治理和監(jiān)測(cè)措施，并設(shè)定相應(yīng)的治理工程控制標(biāo)準(zhǔn)；4級(jí)表示落石災(zāi)害的危險(xiǎn)性較低，可暫不考慮采取防落石措施。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

鄭萬客專(鄭萬高速鐵路)襄陽至萬州段長(zhǎng)約430 km，穿越我國三級(jí)階梯和二級(jí)階梯的交界線，是南陽盆地經(jīng)神農(nóng)架山區(qū)向西南進(jìn)入渝東北大巴山中低山區(qū)的重要通道。地處秦嶺造山帶大巴山弧形構(gòu)造帶東緣及其與川東高陡褶皺帶的交界位置。地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、地形地貌復(fù)雜、地層巖性多變。

線路范圍內(nèi)存在大量的破碎巖體，在隧道進(jìn)出口等關(guān)鍵位置，這些欠穩(wěn)定的邊仰坡及危巖，可能在線路施工及運(yùn)營過程中失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生崩塌、落石、滑坡等一系列的地質(zhì)災(zāi)害，不利于施工安全及線路的長(zhǎng)期安全運(yùn)營。文章主要對(duì)鄭萬客專巫山至萬州段的14個(gè)隧道洞口坡段危巖落石危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)。

2.2 地形地貌

筆者引用葉四橋提出的隧道洞口坡段落石危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)方法，對(duì)在鄭萬客專(鄭州～萬州)巫山至萬州段的14個(gè)隧道洞口高仰坡危巖落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。從中評(píng)價(jià)結(jié)果可以得：14個(gè)隧道洞口坡段落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)，除小三峽隧道進(jìn)口外，其它隧道洞口落石災(zāi)害危險(xiǎn)性至少達(dá)到2級(jí)，其中危險(xiǎn)性等級(jí)為1級(jí)的占了一半。以小三峽隧道出口為例，該隧道洞口坡段危巖災(zāi)害的各項(xiàng)影響因素均較突出，經(jīng)過危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，最終得到RRS的評(píng)分為15 309，其危險(xiǎn)性等級(jí)為1級(jí)，必對(duì)該隧道出口危巖落石災(zāi)害進(jìn)行防治，并在防治中采用最嚴(yán)格的風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)。

表2 巫山至萬州段14個(gè)隧道洞口坡段落石災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3 數(shù)值模擬

作者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌以及線位，通過Rockfall軟件，從數(shù)值模擬角度，模擬落石失穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)軌跡及落石的沖擊動(dòng)能，并分析其對(duì)線路的影響，從而進(jìn)一步論證該評(píng)價(jià)方法是合理的。

3.1 計(jì)算剖面及參數(shù)選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，邊坡頂部出露一孤立式危巖，地層巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r，記為危巖Ⅰ區(qū)；距隧道出口約40 m的陡坎位置為危巖落石的形成區(qū)，記為危巖Ⅱ區(qū)，主要由受節(jié)理和卸荷裂隙控制的懸掛式危巖構(gòu)成。Rockfall計(jì)算剖面如圖1，計(jì)算參數(shù)如表3所示。

圖1 小三峽隧道出口縱剖面

坡面Rn/SDRt/SD泥灰?guī)r面0.712/0.3470.712/0.116泥巖夾砂巖面0.55/0.40.85/0.4

由于此處邊坡傾角近似于90 °，選取邊坡頂部的大體積塊石作為危巖體的等效對(duì)象。危巖基本參數(shù)為：落石數(shù)量均為50個(gè)，危巖Ⅰ區(qū)的質(zhì)量設(shè)為10 000 kg，危巖Ⅱ區(qū)的質(zhì)量設(shè)為100 kg，初速度、初角速度均為0。

3.2 Rockfall模擬結(jié)果及分析

利用Rockfall軟件對(duì)兩個(gè)危巖區(qū)的危巖體進(jìn)行模擬，得到落石軌跡如圖2，得到?jīng)_擊能量和回彈高度(圖3)。

(a)Ⅰ區(qū)落石運(yùn)動(dòng)軌跡

(b)Ⅱ區(qū)落石運(yùn)動(dòng)軌跡圖2 落石運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖2、圖3可以看出：危巖失穩(wěn)后，落石的運(yùn)動(dòng)軌跡都會(huì)通過隧道口，且到達(dá)隧道口的能量巨大，足以影響隧道的運(yùn)營，必須采取措施對(duì)隧道洞口危巖落石進(jìn)行防治。模擬結(jié)果從另一方面證明上文的評(píng)價(jià)方法是可行的，有依據(jù)的。

4 結(jié)論與討論

(1)文章引用葉四橋的隧道洞口坡段危巖落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)方法(RRS)，對(duì)鄭萬客專巫山至萬州段的14個(gè)隧道洞口危巖落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果為：14個(gè)隧道洞口坡段落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)，除小三峽隧道進(jìn)口外，其它隧道洞口落石災(zāi)害危險(xiǎn)性至少達(dá)到2級(jí)，其中有一半隧道洞口危險(xiǎn)性等級(jí)為1級(jí)。其中小三峽隧道出口RRS值最高，其危險(xiǎn)性等級(jí)也為1級(jí)，在隧道施工和后期落石災(zāi)害防治時(shí)應(yīng)重點(diǎn)注意。

(a)Ⅰ區(qū)落石回彈高度及沖擊能量

(b)Ⅱ區(qū)落石回彈高度及沖擊能量

(2)運(yùn)用rockfall對(duì)小三峽隧道出口危巖落石進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果為：危巖失穩(wěn)后，落石運(yùn)動(dòng)軌跡都會(huì)通過隧道口，從而影響隧道運(yùn)營，必須采取措施對(duì)隧道洞口危巖落石進(jìn)行防治。