王青川

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

伴隨我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快，高速鐵路加速向山區(qū)挺進(jìn)。受山區(qū)地形地質(zhì)條件制約，隧道洞口高陡邊坡不可避免會遇到危巖落石災(zāi)害問題，“地質(zhì)選線、減災(zāi)選線”[1]在選線期間越顯重要。危巖體的發(fā)育和形成為一個長期的動態(tài)發(fā)展過程，內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的延伸發(fā)展復(fù)雜，潛在的危巖落石風(fēng)險隱患對鐵路安全影響巨大。為減少危巖落石對鐵路建設(shè)及運營危害，選線期間需對隧道洞口邊坡區(qū)存在的危巖落石進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，在傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查及無人機(jī)遙感影像圖解譯等非接觸測量技術(shù)支持下，快速高效查明危巖邊坡的巖性組合、結(jié)構(gòu)特征，準(zhǔn)確查明危巖的分布位置、形態(tài)參數(shù)，分析其形成機(jī)制、類型，進(jìn)行穩(wěn)定性與工程影響評價，為工程防治方案設(shè)計提供可靠依據(jù)，做到“早發(fā)現(xiàn)、早解決”。

1 概述

1.1 地形地貌

隧道地處鄂西神農(nóng)架林區(qū)，屬溶蝕構(gòu)造剝蝕中低山地貌，峰谷相間。隧道進(jìn)口仰坡上陡下緩，地面高程340～570m，上部裸露巖壁坡角80°～85°；中下部坡崩積堆積體呈扇形，坡度35°～45°，植被茂密。

1.2 地層巖性

隧道進(jìn)口地表主要為第四系全新統(tǒng)坡崩積（Q4dl+col）角礫、碎石土夾孤石等，下伏基巖為震旦系燈影組（Z2dn）白云巖夾灰?guī)r、頁巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震動參數(shù)

測區(qū)位于新華夏系構(gòu)造帶，隧道穿越于新華斷裂與林家灣斷層之間，構(gòu)造作用強(qiáng)烈。地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.35s。

1.4 水文地質(zhì)

洞口仰坡面地表水不發(fā)育，主要由降雨后形成暫時性流水。第四系土層孔隙水及巖溶裂隙水主要由降雨補(bǔ)給，雨后短時期內(nèi)地下水較豐富，屬HCO3-—Ca2+.Mg2+型水，對混凝土結(jié)構(gòu)一般無侵蝕性。

2 危巖體發(fā)育特征及穩(wěn)定性評價

2.1 危巖體基本特征

山頂陡壁無法近距離調(diào)查，基于無人機(jī)遙感影像圖解譯，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計，共發(fā)現(xiàn)10 處孤石及3處危巖群（W4、W12、W13），如圖1 所示。

圖1 危巖體分布平面

孤石主要為停積在邊坡中下部堆積體表層，單體方量0.28～5.4m3。危巖群主要位于坡頂基巖陡壁，被多組陡傾結(jié)構(gòu)面切割，單塊方量0.12～4m3。巖層產(chǎn)狀N55°～60°E/16°～20°N；主要節(jié)理：N0°～20°E/62°～82°S、N15°E～N45°W/72°N、N80°～90°W～N80°～90°E/75°～80°S，節(jié)理面延伸0.4～0.8m，一般無充填，間距1～2m。

2.2 危巖體穩(wěn)定性分析

為合理評價危巖體與工程危險性的關(guān)系，便于后期治理的統(tǒng)籌性和可操作性，從危巖體結(jié)構(gòu)特征、規(guī)模、破壞方式、穩(wěn)定性以及工程影響等因素考慮，將隧道進(jìn)口邊坡劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區(qū)，對各區(qū)分別進(jìn)行穩(wěn)定性評價。

2.2.1 影響因素分析

（1）地形地貌：陡峻地形易使巖體后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力，利于巖體卸荷作用產(chǎn)生崩塌。

（2）地層巖性及完整程度：巖體在層面、構(gòu)造節(jié)理等結(jié)構(gòu)面切割下形成厚度不均、不連續(xù)、獨立的楔形體，不利結(jié)構(gòu)體在暴雨、地震等因素作用下易失穩(wěn)。

（3）風(fēng)化卸荷作用：風(fēng)化作用將降低巖石質(zhì)量及結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)，差異性風(fēng)化易形成臨空面，臨空巖體卸荷會使原生節(jié)理面進(jìn)一步延伸、擴(kuò)展甚至貫通，持續(xù)加劇危巖體失穩(wěn)。

（4）降雨影響：雨水沿節(jié)理裂隙滲入巖體后，既增加容重，又大幅降低結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，從而使危石崩落的發(fā)生。雨水沿土體孔隙下滲后，易發(fā)生堆積體坡面變形溜坍，從而使坡面孤石失去支撐而發(fā)生滑移、滾落。

（5）地震影響：被各種結(jié)構(gòu)面強(qiáng)烈切割形成的自身穩(wěn)定性較差的巖體，在地震動力作用下，容易發(fā)生崩塌落石。

（6）人為活動：隧道施工爆破、洞口植被破壞、后期列車振動等，也是邊坡巖體失穩(wěn)的潛在影響因素。

2.2.2 定性分析

在充分研究邊坡區(qū)的地質(zhì)環(huán)境、邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征、變形破壞跡象以及變形破壞模式的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)史的角度對邊坡巖體的發(fā)展演化進(jìn)行分析，結(jié)合赤平投影（圖2）所反應(yīng)的結(jié)構(gòu)面不利組合等因素，預(yù)判潛在危巖體發(fā)展趨勢，綜合對邊坡巖體所處的穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行定性分析評價，結(jié)果如表1 所示。

表1 邊坡危巖體定性分析統(tǒng)計

圖2 Ⅱ區(qū)W13 危巖群代表性赤平投影

2.2.3 定量計算分析

在定性分析的基礎(chǔ)上，開展穩(wěn)定性系數(shù)定量計算，為危巖體的治理施工提供參考。孤石脫離母巖后停留在坡表或嵌入覆蓋層一定深度，通過與坡面的摩擦力、嵌合力或植被的攔擋維持現(xiàn)狀，規(guī)模較小，地形條件較好，整治相對容易。因此重點對危巖群進(jìn)行定量計算分析，采用極限平衡法計算穩(wěn)定性系數(shù)K[2-3]。

依據(jù)勘察報告，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗，查閱相關(guān)手冊[4]，綜合選取力學(xué)參數(shù)（表2）對典型危巖群穩(wěn)定性系數(shù)K進(jìn)行計算，結(jié)果如表3 所示。

表2 危巖體物理力學(xué)參數(shù)

表3 典型危巖體穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果按照表4 評價標(biāo)準(zhǔn)，危巖群目前處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，與現(xiàn)場調(diào)查定性分析基本相符，在受到外部條件影響下，危巖體可能發(fā)生失穩(wěn)墜落。

表4 危巖穩(wěn)狀態(tài)

3 工程影響分析評價

根據(jù)隧道進(jìn)口邊坡上部危巖體分布特征及地形分析，危巖體墜落失穩(wěn)后運動模式主要為滾動滑動方式。綜合地質(zhì)測繪、穩(wěn)定性評價及Rockfall 軟件100 次路徑模擬計算成果（圖3、表5），各區(qū)危巖體對隧道洞口的影響評價如下。

圖3 1-1' 剖面落石運動軌跡數(shù)值模擬

表5 各區(qū)危巖體主要運動參數(shù)計算結(jié)果

（1）Ⅰ、Ⅲ區(qū)危巖體規(guī)模以中小型為主，天然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好，但在暴雨工況、地震工況下一旦失穩(wěn)，其運動路徑主要呈散射狀向下滾動，其滾動后最終位于隧道口兩側(cè)，不會直接威脅隧道洞口。

（2）Ⅱ區(qū)危巖體在天然狀態(tài)下穩(wěn)定，但在暴雨工況、地震工況下會失穩(wěn)，雖然大部分巖塊動能較小，但W9、W13 的動能較大，且其運動路徑呈散射狀向下滾落后停留在隧道口周圍，直接威脅鐵路工程及運營安全。

4 工程防治措施建議

在工程實踐中，針對不同類型與規(guī)模的危巖體防護(hù)治理的方法各有不同，根據(jù)邊坡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)與鐵路位置關(guān)系、危巖體運動特征模擬計算成果，綜合考慮危巖治理施工方案可行、投資經(jīng)濟(jì)合理、工程安全可靠等因素，建議采用“分區(qū)治理、分級防護(hù)”[5]理念，對各區(qū)采取不同的防治措施，加強(qiáng)對Ⅱ區(qū)危巖體進(jìn)行綜合整治。

（1）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)孤石采取清除、嵌補(bǔ)、支撐等處理。對Ⅱ區(qū)下部緩坡地帶坡崩積堆積體采用抗滑樁+錨桿（索）框架梁防護(hù)。

（2）邊坡Ⅱ區(qū)頂部陡崖區(qū)（W13）：先對坡面松動或易掉落的危巖進(jìn)行清除、打刷處理；無清除條件的危巖體采取錨桿（索）加固，并對貫通裂隙進(jìn)行灌漿；陡坡中危巖體凹腔采取支頂或嵌補(bǔ)加固。最后設(shè)置“覆蓋式引導(dǎo)防護(hù)網(wǎng)+落石槽”防治措施。

（3）根據(jù)Rockfall 落石軌跡分析成果，結(jié)合地形地質(zhì)條件于洞口仰坡設(shè)置一道或多道被動防護(hù)網(wǎng)，以及明洞等措施。

（4）加強(qiáng)對Ⅰ、Ⅲ區(qū)W4、W12 危巖群巡視，可不設(shè)置工程防護(hù)措施。

（5）坡表植被對大量孤石起到阻攔、緩沖作用，危巖體治理過程中，重視植被保護(hù)。

（6）危巖體的發(fā)育和形成為一個長期的動態(tài)發(fā)展過程，陡崖區(qū)巖體受降雨、風(fēng)化、卸荷等因素長期作用，加之巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面和裂隙的延伸發(fā)展較隱蔽和復(fù)雜，施工期間加強(qiáng)核查，動態(tài)設(shè)計，確保危巖體整治不留隱患。

5 結(jié)語

通過對危巖體的野外調(diào)查、無人機(jī)航拍圖解譯、穩(wěn)定性評價、Rockfall 軟件模擬分析，得出以下認(rèn)識。

（1）隧道洞口雖不具備產(chǎn)生大規(guī)模整體變形破壞的基本地質(zhì)條件，但仰坡基巖陡崖高，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化卸荷較強(qiáng)，其地形地貌、地層巖性、水文等因素有利危巖落石災(zāi)害的孕育和發(fā)育。

（2）從邊坡危巖體自身結(jié)構(gòu)特征、規(guī)模、破壞方式、穩(wěn)定性及工程影響等方面，Ⅱ區(qū)危巖體直接威脅鐵路安全。

（3）根據(jù)地形地質(zhì)條件，對高陡邊坡危巖體遵循“分區(qū)治理、分級防護(hù)、主動覆蓋、被動攔截，動態(tài)設(shè)計”整治理念，采取清除、打刷、嵌補(bǔ)、支頂、錨固、灌漿、攔擋、覆蓋式引導(dǎo)防護(hù)網(wǎng)及明洞等綜合防護(hù)措施。