葛莎GE Sha；龔源GONG Yuan

（①湖南城建職業(yè)技術學院，湘潭 411101；②廣西保利置業(yè)集團有限公司，南寧 530022）

0 引言

危巖落石常存在高陡邊坡，是我國常見地質(zhì)災害類型之一，巖質(zhì)高邊坡因其裂隙和結構面的發(fā)育，易造成危巖崩塌災害現(xiàn)象。我國沿海地區(qū)危巖容易受氣候的影響，危巖崩塌災害的頻發(fā)已成為普遍現(xiàn)象。危巖崩塌的突發(fā)性和災害性，常造成嚴重后果，帶來人員傷亡和財產(chǎn)損失，而公路隧道巖質(zhì)高邊坡的分析和防護更成為現(xiàn)階段人們重視的問題，越來越多的學者研究落石災害的發(fā)生和防治[1-3]。本文結合深圳市新彩隧道口巖質(zhì)高邊坡危巖，針對公路巖質(zhì)高邊坡危巖崩塌滾石路徑進行計算，并采用rocfall 軟件，對落石路徑進行模擬，針對地區(qū)工程特點，提出采用嵌入式光纖復合FRP 智能錨桿智能在線實時監(jiān)測系統(tǒng)進行危巖監(jiān)測與防護。為南部沿海地區(qū)危巖的防治提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

新彩隧道南側洞口邊坡位于深圳市福田區(qū)梅林關自然山體南麓，所在位置地理坐標為：X=23493.12；Y ＝115294.63（深圳獨立坐標）。新彩隧道南進洞口受人工采石或修建邊坡等影響，地形坡度陡峭，在55～80°間，平均坡度63°，洞頂平臺寬約18m，坡面揭露中～微風化花崗巖，因巖體不利結構面影響，易發(fā)生崩塌落石。項目區(qū)僅出露了第四系地層，該區(qū)基巖揭露為白堊紀侵入巖。

1.2 巖體特征

新彩隧道南側洞口邊坡隧道圍巖完整性：強風化巖屬極破碎巖、中等（弱）風化巖屬于破碎巖，微風化巖屬于較完整巖。該巖質(zhì)高邊坡已發(fā)生崩塌危巖帶不少于3 處，危巖帶1 位于新彩隧道左側下部，分布高程110.0m～152.0m，最大高差52m。危巖帶2 位于新彩隧道左側上部陡崖，分布高程160.0m～193.0m，最大高差33m。危巖帶3位于新彩隧道中央上部陡崖，分布高程145.0m～193.0m，最大高差48m。三個危巖帶均屬于墜落式危巖，多呈塊狀。危巖帶崩塌體堆積于隧道洞頂平臺，排水溝內(nèi)有多塊落石，新彩隧道邊坡順坡向結構面較為發(fā)育，易沿順坡向結構面發(fā)生崩塌。隧道洞頂平臺處5m 高處設置SNS 被動防護網(wǎng)。

2 滾石運動分析

根據(jù)現(xiàn)場勘察得到邊坡巖質(zhì)主要為微風化粗?；◢弾r，其密度為2.58～2.64×103kg/m3，假設風化落石質(zhì)量100kg，落石體積約為0.038m3，在模擬過程中采用球體模型，轉(zhuǎn)換可得其等效直徑約為42cm。由于落石的運動路徑與落石形狀、落石質(zhì)量、落石材料、坡面傾角、坡面材料和坡面植被情況等條件有關。運用構建的落石運動軌跡計算方法，計算落石運動路徑，選取右側洞口邊邊坡為代表，假設其風化落石位于邊坡坡頂。隧道右線仰坡斷面落石運動計算參數(shù)及運動路徑計算結果如表1、表2。

表1 隧道右線仰坡斷面落石運動計算參數(shù)

表2 隧道右線仰坡斷面落石運動路徑計算結果

其失穩(wěn)方式為非直落式，風化巖塊從坡面上剝落，并沿著坡面17～9 開始滾滑下墜。在隧道洞頂平臺9～5 上發(fā)生第一次碰撞消耗能量，并開始向上斜拋運動進行空中飛行階段。飛躍過隧道洞口后，落在洞口道路節(jié)點2～1 上，發(fā)生第二次碰撞并產(chǎn)生彈跳，進入第二次向上斜拋運動。落地后落石動能消耗，在此面上發(fā)生落石滾動，由于摩擦系數(shù)較大，路面平緩，所以不會再有彈跳。

3 數(shù)值模擬分析

Rocfall 落石路徑模擬軟件可以對風化落石剝落后對其運動軌跡進行全程模擬，通過圖表對落石的總動能變化趨勢、運動速度變化趨勢等進行直觀的展現(xiàn)。采用Rocfall軟件進行數(shù)值模擬前，要盡可能明確其落石點或落石帶，方可將剖面地形線文件導入Rocfall 軟件，對地形線不同段落賦予相應的參數(shù)。

3.1 參數(shù)確定

由于坡面上的巖塊存在風化裂隙和構造裂隙，經(jīng)過雨水的沖刷或者巖體的差異性風化作用下會產(chǎn)生變形。當變形發(fā)展到一定程度時，巖塊就會失穩(wěn)剝落。由于失穩(wěn)前的位移是長期積累的，因此巖塊剝落時的初始速度一般忽略不計。根據(jù)現(xiàn)場條件，將邊坡分為三部分，分別進行取值。第一部分為邊坡坡面取值：切向摩擦系Rt 取值0.9，法向摩擦系數(shù)Rn 取值0.4，滾動摩擦角Phi 取值26。第二部分為隧道洞頂平臺取值：切向摩擦系Rt 取值0.85，法向摩擦系數(shù)Rn 取值0.35，滾動摩擦角Phi 取值30。第三部分為隧道削竹式洞口及行車道：切向摩擦系Rt 取值0.95，法向摩擦系數(shù)Rn 取值0.45，滾動摩擦角Phi 取值24。

3.2 數(shù)值模擬

根據(jù)建立好的邊坡剖面圖模型，設置落石帶（lineseeder）用于模擬整個坡面上的落石情況。擬定落石數(shù)量為50，現(xiàn)場在隧道坡頂平臺處有一道5m 高SNS 被動防護網(wǎng)，根據(jù)實際情況添加一道5m 高攔阻進行數(shù)值模擬分析危巖失穩(wěn)崩塌時落石軌跡，以確定邊坡安全性。以右側隧道仰坡為典型代表，選取的代表剖面的隧道中線剖面。

落石總計模擬50 塊，其中有3 塊落石落在隧道洞頂平臺后停止運動，有40 塊落石被SNS 被動防護網(wǎng)攔截后也停留在洞頂平臺處，最后有7 塊落石經(jīng)過反彈飛躍SNS被動防護網(wǎng)落至行車道路上。

SNS 被動防護網(wǎng)處落石反彈高度分布圖如圖1。當落石到達X=93.084 即SNS 被動柔性防護網(wǎng)處時，有7 塊落石反彈高度超過5m 防護網(wǎng)的高度，其中最高達到6.81m。經(jīng)過此點后，落石飛躍防護網(wǎng)，落入隧道洞口機動車道路上。

圖1 SNS 被動防護網(wǎng)處落石反彈高度分布圖

由圖2 可知，落石運動至105m 附近時，總動能約為7.6×104J。碰撞到隧道洞頂平臺后總動能減少，后經(jīng)反彈總動能升高。飛躍防護網(wǎng)的落石在52m～68m 附近時與路面發(fā)生二次碰撞，動能再次降低。碰撞后的落石由于繼續(xù)在路面上滾動或彈跳，所以依舊存在動能。

圖2 落石總動能包絡圖

由圖3 可以得出，當落石達到X=68.262 時，初次接觸到機動車道，此時落石動能約為2.8×104J～3.2×104J。

圖3 X=68.262 落石總動能分布圖

由圖4 可知，在110m～150m 階段，落石巖邊坡表面下落，在落石達到X=110 之前，平移速度逐漸變大，到達此點時，平移速度達到全段最大值。在X=110 處落石與隧道洞頂平臺發(fā)生碰撞，碰撞后反彈至空中，此時在60m～110m 階段平移速度變大。到達X=60 處，平移速度達到階段最大值，此時落石與路面二次碰撞，平移速度減小。隨后落石延路面開始做滾動運動，由于摩擦力作用，平移速度逐漸變下，最后直至停止。

圖4 落石平移速度包絡圖

模擬發(fā)現(xiàn)，在危巖剝落的坡段上，落石通常先進行貼坡下滑或傾倒下滑，然后碰撞反彈，部分落石SNS 被動防護網(wǎng)攔截后停止運動，另一部分落石飛躍SNS 被動防護網(wǎng)繼續(xù)進行飛行運動，飛入路面后再次碰撞、飛行、碰撞，如此反復直至停止根據(jù)模擬結果，隧道洞頂平臺處5m 高SNS 被動防護網(wǎng)已不足以攔擋所有落石，可以直觀地得出邊坡風化落石已嚴重影響隧道過往車輛于行人。一旦邊坡發(fā)生風化巖塊脫落，經(jīng)過滾滑運動，彈跳運動部分落石會出現(xiàn)飛躍SNS 被動防護網(wǎng)的情況，所以要做好坡面的清理加固等防治措施。

4 FRP 錨桿智能監(jiān)測系統(tǒng)的應用

據(jù)數(shù)值模擬分析，邊坡發(fā)生風化巖塊脫落，經(jīng)過滾滑運動，彈跳運動部分落石會出現(xiàn)飛躍SNS 被動防護網(wǎng)的情況，所以要做好坡面的清理加固等防治措施。

采用嵌入式光纖復合FRP 智能錨桿智能在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由現(xiàn)場感應測試設備、控制室設備、終端設備組成。根據(jù)邊坡坡面風化落石的產(chǎn)生情況提供實時數(shù)據(jù)，采用鉆孔注漿的方式連接主動防護網(wǎng)，通過監(jiān)測沿錨桿內(nèi)部的實時受力情況，反應邊坡各區(qū)域危巖的風化情況[4-5]。

單根錨桿依據(jù)測力點的埋深及超越閾值的測力點個數(shù)來進行預警級別的劃分。當風化落石形成后被主動防護網(wǎng)包裹，用于固定防護網(wǎng)的FRP 錨桿軸向受力增大，由此實現(xiàn)對巖質(zhì)邊坡風化落石生成情況的監(jiān)測報警。設置在邊坡下的控制室將寬帶光源將光信號通過傳輸電纜傳輸?shù)藉^桿中的光纖Bragg 光柵傳感器中，經(jīng)過反射回傳光纖光柵調(diào)解器中進行光信號解調(diào)并被計算機系統(tǒng)收集，收集后的數(shù)據(jù)上傳至云端進行處理和分析，輸出監(jiān)測結果和報警信號則由專用軟件完成[6]。監(jiān)測和報警信息可以通過局域網(wǎng)傳至隧道管理所和交警部門，實現(xiàn)了遠程在線實時監(jiān)測和管理。

5 總結

①新彩隧道南側洞口邊坡發(fā)育有危巖帶1、2、3 三組危巖帶，邊坡順坡向結構面較為發(fā)育，隧道地帶一般發(fā)育多組構造裂隙，由于受多組結構面切割，巖質(zhì)邊坡上易形成孤石，其在自重及暴雨等作用下，易發(fā)生失穩(wěn)破壞，現(xiàn)已采用SNS 被動防護網(wǎng)進行防護。

②對右側洞口高邊坡采用滾石路徑分析，危巖失穩(wěn)方式為非直落式，風化巖塊從坡面上剝落，滾石沿坡面17～9 開始滾滑下墜。采用rocfall 軟件進行滾石路徑模擬，判斷落石通常先進行貼坡下滑或傾倒下滑，然后碰撞反彈，部分落石SNS 被動防護網(wǎng)攔截后停止運動，隧道洞頂平臺處5m 高SNS 被動防護網(wǎng)已不足以攔擋所有落石。

③本項目擬采用嵌入式光纖復合FRP 智能錨桿智能在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)邊坡坡面風化落石的產(chǎn)生情況提供實時數(shù)據(jù)，采用鉆孔注漿的方式連接主動防護網(wǎng)，可通過監(jiān)測沿錨桿內(nèi)部的實時受力情況，反應邊坡各區(qū)域危巖的風化情況。