鄒興普

(中鐵二院貴陽公司，貴州 貴陽 550002)

1 渝黔線概況及現狀

改建鐵路重慶至貴陽線(簡稱渝黔線)自重慶西站引出后，經綦江、遵義、息烽，接入貴陽北高鐵站。渝黔線正線為新建雙線工程，速度目標值200 km/h。設計正線長度344.356 km，正線區(qū)間路基長度61.746 km，占正線線路長度的17.93%。

渝黔線在現場調查中，發(fā)現沿線出現了較多的高陡邊坡危巖及崩塌落石問題，嚴重威脅到區(qū)域內鐵路建設的施工安全、運營安全。

根據現場調查，渝黔線沿線邊坡危巖落石的形態(tài)主要分為倒懸式危巖、突出式危巖、塌落式危巖三類，示意圖見圖1。

圖1 危巖分類圖Fig.1 Categories of the dangerous rocks

2 確定風險評價系統(tǒng)、評價指標及安全等級

本次研究設計先對渝黔線危巖建立一套完整的安全風險評價體系及評價指標，從定性、定量兩個方面進行評估，再根據評估結果，采取分級別綜合防治的原則，參考既有線對邊坡危巖落石整治的效果，對各處風險點采取不同的措施進行防治，以達到消除或降低邊坡危巖災害的目的。

2.1 確定評價系統(tǒng)

根據現狀調查資料，確定評價系統(tǒng)，見圖2。

圖2 評價系統(tǒng)圖Fig.2 The evaluation system

2.2 確定評價指標

根據現狀調查的分析，在室內進行了原始數據的整理和三維掃描建模分析，對危巖的形成條件和影響因素進行了歸納總結，經整理、分析可分為7個大類11個指標(如圖3)，即：

圖3 影響危巖災害性的主要因素圖Fig.3 Factors influencing the risk level of the dangerous rocks

(1)災害發(fā)生的頻次及規(guī)模，也即是歷史災害發(fā)育情況。

(2)地形地貌特征：它是危巖落石發(fā)生的外部原因，是產生危巖落石的基本條件，一般當坡度大于55°的陡峻的斜坡易發(fā)生落石；當邊坡高度大于30 m時，發(fā)生落石的可能性較大。

(3)地層及巖性：節(jié)理、裂隙發(fā)育的塊狀或層狀巖石易形成危巖落石；而巖層軟硬相間的陡壁最易產生危巖落石，比如砂頁巖、互頁巖抗風化能力差，易形成凹槽，使砂巖形成凸出的懸?guī)r。

(4)地質構造：巖體中斷層面、節(jié)理面、巖層層面等結構面的組合處于不利情況時，易沿這些面發(fā)生崩塌，這些構造面就是崩塌的依附面。

(5)危巖類型：無論是灰?guī)r、花崗巖、頁巖等均可形成危巖落石。

(6)地質特征氣候水文：水是引起危巖崩塌最活躍的因素，在久雨或暴雨之后，雨水下滲，浸濕巖面或土體，對巖土產生軟化、潤滑和動水壓力作用，大大增加了山體危巖崩塌的可能。

(7)其他因素：地震、大爆破會使巖體松動，人工開挖的邊坡過高過陡，水流沖刷坡腳，削弱坡腳支撐能力等等因素都是引起山體危巖發(fā)生崩塌落石的直接誘因。

2.3 危巖體安全等級

在進行危巖整治前，需先對危巖體可能造成的后果有初步的認識，危巖體可能造成的后果可用安全等級來進行量化。因此，安全等級是對各個危巖體擬定整治措施時區(qū)別對待的重要標準。

目前，無論鐵路、公路、市政等行業(yè)均未對危巖落石的安全等級進行劃分，本次研究設計引入建筑邊坡工程安全等級劃分、建筑結構安全等級劃分方法，根據危巖落石可能造成的破壞后果，我們把危巖體的安全等級劃分為一、二、三、四，4個等級。如表1。

表1 危巖體的安全等級Tab. 1 Safety grades of the dangerous rocks

2.4 危巖體安全等級的模糊綜合評判法

危巖災害形成因素為7個大類11個指標，這些指標邊界不清，不易定量，要對危巖災害進行安全等級評價就是把定性評價轉化為定量評價，我們運用模糊綜合評判法來解決這個模糊的、難以量化的問題。

經過分析，我們認為11個指標中有7個指標的份量較重，其余4個指標作用小，可忽略。則選中的7個指標的危巖落石安全等級模糊綜合評判法評語為一、二、三、四，4個等級 。

以DK283+997～DK284+113左側的危巖為例，選用的7個指標如表2所列。

表2 DK283+997～DK284+113高邊坡基本情況Tab.2 Basic information of high slope DK283+997～DK284+113

則有：

因素集U={巖組類型，坡度，坡高，歷史災害，巖石風化，裂隙水，人類活動}；

評語集V={一，二，三，四}；

用加權平均法確定各因素權重A={0.310，0.134，0.142，0.036，0.105，0.070，0.203}單因素評價矩陣為：

則模糊合成算子為：

B=A·R={0.326，0.252，0.244，0.178}

這4個數字分別與4個等級的安全等級相對應；其中0.326數值最大，根據最大隸屬度原則，該危巖的安全等級為一級危巖。

2.5 安全等級的綜合評判

渝黔線現場調查發(fā)現有82個危巖帶，利用模糊綜合評判法對這82個危巖帶都進行了安全等級的綜合評判后得出：安全等級為一級的有30處，占調查區(qū)總數的36.59%；安全等級為二級的有25處，占調查區(qū)總數的30.49%；安全等級為三級的危巖帶有24處，占調查區(qū)總數的29.27%；安全等級為四級的危巖帶有3處，占調查區(qū)總數的3.65%。

3 防治工程設計

針對現場82個危巖帶的具體情況及計算結果，根據危巖防治原則和分級別綜合防治思路，采取了多種防治措施，包括清除、主動網防護、被動網防護、支撐、嵌補、種植防護林、對局部危巖進行錨固、設置攔石墻、棚洞等多種形式。如圖4-圖8所示。

圖4 支撐技術示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the supporting technology

圖5 SNS主動防護網Fig. 5 SNS active protection net

圖6 封填、嵌補示意圖Fig. 6 Schematic diagram of crack filling and inlaying

圖7 棚洞防護圖 圖8 被動防護網Fig. 7 Hangar tunnels Fig. 8 Passive protection net

設計了遮擋和攔截建筑物的危巖帶，需要有關落石的計算，其主要內容包括落石的騰越計算、彈跳計算和石塊的沖擊力計算。由于影響計算結果的因素較多，計算參數不能全面概括，計算過程比較復雜，而其結果也僅僅是一種近似值。為了得到與實際落石相近的落石運動軌跡和彈跳高度，利用三維激光掃描得到的落石區(qū)斷面圖，在電腦上進行落石摸似，根據摸似結果，取其最不利者作為選擇攔擋建筑物的位置及設計高度等尺寸的依據。

表3列出安全等級為一級的危巖體防治方案，二、三、四級的方案表略。

表3 渝黔線一級危巖防治方案表Tab.3 Control measures for first-grade dangerous rocks along the Chongqing-Guizhou railway

續(xù)表3

4 設計示例

以DK283+997～DK284+113左側為例，進行說明。其安全等級評估為一級(表3)。

危巖落石分布于DK283+997～DK284+113左側15 m至左側80 m(圖9)。左側陡坡自然坡度48°～68°，坡面植被發(fā)育，巖性為厚層灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，以陡傾角為主。坡面中有一層泥巖，易風化剝蝕形成臨空面，使上部厚層狀灰?guī)r可能局部失穩(wěn)發(fā)生崩落，在暴雨、風化等外力作用下極有可能發(fā)生落石，對橋墩影響較大。

圖9 DK283+997～DK284+113地貌圖Fig.9 Landform of DK283+997～DK284+113

4.1 落石計算

首先利用三維激光掃描得到落石區(qū)斷面圖如圖10、圖11。

圖10 DK283+997～DK284+113三維激光掃描圖Fig.10 3D laser scanning of DK283+997～DK284+113

圖11 DK283+997～DK284+113三維激光掃描斷面圖Fig.11 3D laser scanning of the sections of DK283+997～DK284+113

從落石區(qū)斷面圖12中獲得斷面數據，可以得到落石邊坡的基本信息，包括邊坡的陡度、高度，植被條件，落石滾落路徑等，為了得到落石滑動、滾動、碰撞、飛行4種運動形態(tài)的運動軌跡和彈跳高度，利用rockfall軟件，分別對山體頂部、中部的落石進行了騰越計算、彈跳計算和石塊的沖擊力計算。

圖12 DK283+997～DK284+113代表性斷面1-1Fig.12 Representative section 1-1 of DK283+997～DK284+113

模擬山體頂部落石分析，得到落石運動軌跡圖如圖13。

圖13 頂部落石運動軌跡圖Fig.13 Motion curves of the falling rocks from the top

通過騰越計算得出，石塊的最大沖擊速度為36 m/s，而彈跳計算得出彈跳高度為27 m，沖擊力計算得出最大沖擊能級約1100 kJ，從運動軌跡來看落石大概率侵入線路(圖14-圖16)。

圖14 頂部落石最大平移速度包絡圖Fig.14 Envelope diagram of the maximum translation velocity of the falling rocks from the top

圖15 頂部落石最大沖擊能包絡圖Fig.15 Envelope diagram of the maximum impact energy of the falling rocks from the top

圖16 頂部落石最大彈跳高度包絡圖Fig.16 Envelope diagram of the maximum bounce height of the falling rocks from the top

模擬山體中部落石分析，得到落石運動軌跡圖，如圖17。

圖17 中部落石運動軌跡圖Fig. 17 Motion curves of the falling rocks from the middle

通過騰越計算得出，石塊的最大沖擊速度為20 m/s，而彈跳計算得出彈跳高度為5.4 m，沖擊力計算得出最大沖擊能級約430 kJ，從運動軌跡來看落石大概率侵入線路(圖18-圖20)。

圖18 中部落石最大平移速度包絡圖Fig. 18 Envelope diagram of the maximum translation velocity of the falling rocks from the middle

圖19 中部落石最大沖擊能包絡圖Fig. 19 Envelope diagram of the maximum impact energy of the falling rocks from the middle

圖20 中部落石最大彈跳高度包絡圖Fig. 20 Envelope diagram of the maximum bounce height of the falling rocks from the middle

4.2 整治措施

1)山頂至中部采用簾式消能網，壓制山體頂部落石的彈高，使之順坡面滾落至中部。

2)邊坡中部、塹頂外設置兩道被動防護網，網高6 m，沖擊能500 kJ，分別攔截頂部落石及中部落石。

3)人工坡面采用加固結合主動防護網+爬山虎，防止坡面因開挖形成的坡面危石風化脫落并對坡面進行綠化。

5 結束語

通過渝黔鐵路危巖落石防護研究設計，我們形成了對山體危巖落石獨有的、完整的一套安全風險評價體系，運用模糊綜合評判法把定性評價轉化為定量評價，并根據評價結果結合軟件計算數據，按分級別綜合防治思路對每個落石防護點都能采取針對性綜合防治措施，達到很好的整治效果。這套安全風險評價體系已在后來的翁安-開陽高速公路、重慶-懷化增建二線鐵路中得到推廣應用，為鐵路、公路施工及運營期間的安全提供了保障。