摘要 我國西部山區(qū)地質(zhì)條件惡劣，地層巖性復(fù)雜、構(gòu)造作用強(qiáng)烈、不良地質(zhì)及特殊巖土發(fā)育，鐵路沿線山體陡峭，巖體眾多，極易受構(gòu)造、卸荷和凍融影響，產(chǎn)生崩塌、掉塊、落石等危害。通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、無人機(jī)高精度影像等技術(shù)，探明鐵路沿線斜坡及危巖體發(fā)育情況，根據(jù)其對(duì)線路影響程度，采取不同的防護(hù)措施，保障鐵路運(yùn)營的安全。

關(guān)鍵詞 鐵路隧道；危巖落石；岸坡穩(wěn)定；地質(zhì)勘探；防護(hù)措施

中圖分類號(hào) U456.3⁺3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

我國西部山區(qū)鐵路隧道工程需要面對(duì)崇山峻嶺、地形高差、地震頻發(fā)、復(fù)雜地質(zhì)、季節(jié)凍土、山地災(zāi)害、高原缺氧以及生態(tài)環(huán)保等建設(shè)難題［1-2］。集合了山嶺重丘、高原高寒、風(fēng)沙荒漠、雷雨雪霜等多種極端地理環(huán)境和氣候特征，全線地形陡峻，受構(gòu)造、卸荷和凍融等影響，坡體較破碎，隧道進(jìn)出口斜坡高陡、跨越大江深切河谷，卸荷嚴(yán)重，特殊的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造使得巖體異常破碎，對(duì)隧道洞口及線路帶來極大威脅，因此，通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、無人機(jī)高精度影像等技術(shù)，探明鐵路沿線危巖體發(fā)育情況，根據(jù)其對(duì)線路影響程度，采取不同防護(hù)措施，保障鐵路運(yùn)營的安全具有重要意義。

國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)隧道洞口危巖穩(wěn)定性和防護(hù)措施進(jìn)行了研究。劉文元等［3］結(jié)合工程實(shí)際案例，對(duì)公路隧道冒頂事故的原因進(jìn)行了分析，針對(duì)性的提出事故解決方案，并探討了不良地質(zhì)段隧道洞口冒頂坍塌事故的預(yù)防措施。張乾坤等［4］以一客運(yùn)專線黃土隧道洞口山體滑坡為實(shí)例，從地形地貌、滑坡形態(tài)、施工影響、過程管理等方面對(duì)滑坡原因進(jìn)行了分析，探討了滑坡產(chǎn)生的原因，總結(jié)了關(guān)于黃土隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析經(jīng)驗(yàn)與管控技術(shù)要點(diǎn)。張輝［5］從破壞影響因素、破壞機(jī)理、破壞模式等方面著手，結(jié)合車腳山隧道現(xiàn)場實(shí)際資料，運(yùn)用MIDASGTSNX進(jìn)行二維平面和三維模擬，最后通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到邊仰坡的破壞機(jī)理及影響因素，并驗(yàn)證了管棚超前支護(hù)對(duì)保證邊仰坡穩(wěn)定的重要性。彭雪峰等［6］以曾家?guī)r二標(biāo)段火鳳山隧道洞口邊坡為研究背景，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)資料，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了簡單闡述，并利用數(shù)值模擬模擬得到在不同工況下的邊仰坡安全系數(shù)，通過對(duì)比得到最優(yōu)預(yù)加固方案。汪精河等［7］以成都至蘭州鐵路某隧道洞口落石防護(hù)工程為背景，提出采用聚苯乙烯泡沫輕質(zhì)混合土代替砂墊層作為明洞回填材料，結(jié)果表明采用較小的墊層厚度即可取得很好的消能效果，是一種優(yōu)良的落石防護(hù)墊層材料。梁安寧［8］為了確保隧道能夠安全地進(jìn)行建設(shè)和運(yùn)營，針對(duì)隧道洞口處的危巖落石，提出了4種防治措施，設(shè)置攔石溝對(duì)危巖落石進(jìn)行主動(dòng)攔截，采用被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)覆蓋再坡度較緩的地帶，隧道洞門加厚加強(qiáng)，加設(shè)柔性棚洞，有效對(duì)危巖落石災(zāi)害進(jìn)行防治。趙曉勇［9］對(duì)隧道洞口上方可能產(chǎn)生病害的孤石，給出受力公式并推導(dǎo)孤石穩(wěn)定的臨界條件和提出在運(yùn)營期間，隧道洞口落石病害的防治措施及其適用條件。

本文以某復(fù)雜山區(qū)隧道工程為依托，基于地勘和調(diào)研資料，分析了隧道洞口處危巖落石的穩(wěn)定性控制影響因素，通過對(duì)斜坡及危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析，得到了其穩(wěn)定性系數(shù)及安全等級(jí)，并結(jié)合線位展布特征及工程形式，評(píng)價(jià)危巖落石失穩(wěn)對(duì)鐵路隧道的影響，并提出針對(duì)性的治理工程措施與防護(hù)建議，可為鐵路沿線隧道洞門安全施工提供可靠的技術(shù)支撐，同時(shí)為其他頻發(fā)危巖落石地區(qū)的隧道洞口的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防護(hù)提供可靠的技術(shù)支撐和指導(dǎo)。

1斜坡及危巖穩(wěn)定性影響因素

隧道跨越多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造塊體，經(jīng)過多條河谷卸荷區(qū)，主要在高寒高海拔區(qū)域運(yùn)行，工程斜坡、危巖和潛在不穩(wěn)定自然斜坡往往受不同因素控制，通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、無人機(jī)高精度影像、高分遙感影像、GoogleEarth影像室內(nèi)解譯危巖體、查閱相關(guān)資料得出，鐵路沿線危巖發(fā)育及斜坡穩(wěn)定性主要受地震（構(gòu)造活動(dòng)）、凍融、卸荷、巖性、坡體結(jié)構(gòu)及地形等因素控制。

1.1地震及構(gòu)造作用

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，鐵路沿線構(gòu)造活躍，新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)育，局部發(fā)育活斷層，為地震多發(fā)區(qū)。大型地震可能誘發(fā)大規(guī)模斜坡失穩(wěn)事件，中、小型地震可能導(dǎo)致斜坡內(nèi)部裂縫萌生擴(kuò)展，劣化巖體參數(shù)（圖1），形成坡表松散堆積物，對(duì)工程斜坡和隧道進(jìn)出口危巖穩(wěn)定性具有重要影響。

1.2凍融風(fēng)化作用

對(duì)高寒地區(qū)而言，凍融作用是風(fēng)化作用的重要組成部分，甚至起著主控作用，經(jīng)過多年凍融循環(huán)，高寒區(qū)巖體的完整性、均勻性被破壞，在其他風(fēng)化作用和構(gòu)造作用共同影響下，形成受節(jié)理裂隙切割和力學(xué)強(qiáng)度劣化嚴(yán)重的巖體，導(dǎo)致凍融層巖體逐漸被節(jié)理裂隙切割和崩解（圖2），在斜坡表層形成松散堆積物對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育、斜坡穩(wěn)定性以及部分隧道和路基建設(shè)具有重要影響。

1.3斜坡卸荷帶

在某些特殊不利地質(zhì)條件組合下，可能會(huì)出現(xiàn)斜坡卸荷帶發(fā)育深度異常大的現(xiàn)象（圖3），卸荷帶發(fā)育深度與高程存在正相關(guān)關(guān)系，高程越高，卸荷帶發(fā)育深度也相對(duì)較深；同一斜坡坡頂部位最早產(chǎn)生卸荷作用，卸荷作用時(shí)間最長，卸荷帶發(fā)育深度較深，坡腳部位卸荷作用時(shí)間最短，卸荷發(fā)育深度也較淺。同一高程的斜坡，卸荷帶發(fā)育深度也可能存在很大差異，這與斜坡形態(tài)特征、巖體結(jié)構(gòu)特征等有很大差異。

1.4地形坡度及高差

鐵路沿線海拔落差大，受河谷深切及構(gòu)造作用，局部地段坡度可達(dá)40°～50°，高差達(dá)800～1000m，這為危巖崩塌發(fā)育提供了較好的地形條件（圖4）。地形坡度是危巖發(fā)育的重要控制因素，斜坡高差決定了危巖破壞的能量大小及影響范圍，針對(duì)坡度大、高差大的隧道進(jìn)出口斜坡進(jìn)行危巖崩塌調(diào)查能快速篩查出危巖發(fā)育情況。

1.5巖性及坡體結(jié)構(gòu)

斜坡巖性對(duì)危巖發(fā)育、規(guī)模及破壞形式具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，軟質(zhì)巖往往風(fēng)化后形成崩坡積物，或者形成小規(guī)模危巖，以小型掉塊為主，難以發(fā)生整體失穩(wěn)；而硬質(zhì)巖自穩(wěn)性較好，常形成坡度大、高差大的斜坡，多形成較大規(guī)模危巖見圖5（a），在地震作用下可能沿貫通結(jié)構(gòu)面發(fā)生整體失穩(wěn)。

坡體結(jié)構(gòu)影響危巖發(fā)育及破壞模式，反傾坡常形成傾倒式危巖，順頂傾坡常形成滑移式危巖：地層層面是巖體中延伸及貫通性最好的一組結(jié)構(gòu)面，若次生結(jié)構(gòu)面切割巖體后，與層面形成不利結(jié)構(gòu)面組合，則容易沿斜坡傾向發(fā)生失穩(wěn)破壞；斜向坡表層巖體自穩(wěn)性較差，容易崩落形成空腔，進(jìn)而導(dǎo)致凹腔上部巖體繼續(xù)崩落見圖5（b），下部崩積物增大，但危巖規(guī)模往往較小，難以整體失穩(wěn)。

2斜坡及危巖落石對(duì)線路影響情況

該研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造、氣候巖性都會(huì)隨海拔的變化發(fā)生轉(zhuǎn)變，不同的工程分區(qū)，其不良地質(zhì)所受控制性因素不同。為方便區(qū)分，將全線斜坡及危巖調(diào)查情況先按區(qū)域劃分來做全線調(diào)查情況分析，再針對(duì)其中重點(diǎn)對(duì)象作防護(hù)措施處理。

2.1重點(diǎn)斜坡調(diào)查情況分析

經(jīng)過調(diào)查分析，研究區(qū)內(nèi)共計(jì)斜坡23個(gè)，針對(duì)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件、斜坡地形地貌、巖性構(gòu)造、斜坡巖體結(jié)構(gòu)、危巖體發(fā)育和巖體卸荷進(jìn)行了調(diào)查，統(tǒng)計(jì)了13個(gè)對(duì)鐵路沿線產(chǎn)生不利影響的斜坡情況（表1）。

2.2重點(diǎn)危巖體調(diào)查情況分析

經(jīng)過調(diào)查分析，研究區(qū)內(nèi)共計(jì)危巖體30余個(gè)，針對(duì)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件、斜坡地形地貌、巖性構(gòu)造、斜坡巖體結(jié)構(gòu)、危巖體發(fā)育和巖體卸荷進(jìn)行了調(diào)查，統(tǒng)計(jì)了25個(gè)對(duì)鐵路沿線產(chǎn)生不利影響的危巖體情況（表2）。

3隧道洞口危巖防護(hù)措施

用于隧道洞口邊坡的危巖落石防護(hù)主要有兩種形式，分為主動(dòng)防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)（圖6）。主動(dòng)防護(hù)技術(shù)是指對(duì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)后存在風(fēng)險(xiǎn)的邊坡及危巖落石帶進(jìn)行主動(dòng)加固，從源頭上防止?jié)L石災(zāi)害的發(fā)生。而被動(dòng)防護(hù)技術(shù)則是允許邊坡上的危巖落石發(fā)生一定的運(yùn)動(dòng)，在危巖落石運(yùn)動(dòng)的過程中采取一定的限制措施，例如設(shè)置攔擋結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)隧道洞口采取一定的加固措施，從而防止危巖落石體對(duì)隧道洞口造成影響。下面是具體的危巖落石防治措施介紹。

3.1主動(dòng)防護(hù)技術(shù)

3.1.1清除法

清除方法是指通過鉆孔、剝離和小爆破去除個(gè)別危險(xiǎn)巖體，在危險(xiǎn)巖石去除過程中，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，避免在去除過程中形成新的不穩(wěn)定巖體，去除方法更經(jīng)濟(jì)，但去除過程需要很長時(shí)間，施工人員的危險(xiǎn)性更大。

3.1.2SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)

SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的柔性特征是將局部集中荷載向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)四周均勻傳遞，以充分發(fā)揮整體的防護(hù)能力，即局部受載、整體作用，從而使網(wǎng)絡(luò)能承受較大的荷載并降低對(duì)單根錨桿錨固力的要求（圖7）。

3.1.3錨噴與錨固技術(shù)

錨噴是指聯(lián)合使用錨桿、錨索、噴射混凝土、鋼絲網(wǎng)，使巖土與土之間的聯(lián)合作用成為主動(dòng)支撐系統(tǒng)，錨噴法技術(shù)成熟，施工速度快，適應(yīng)性強(qiáng)，但會(huì)破壞邊坡表面的植被。錨噴是指錨桿、錨索、噴射混土、鋼筋網(wǎng)聯(lián)合使用的方法，與巖土體之間共同作用成為主動(dòng)支護(hù)體系，錨噴方法技術(shù)成熟、施工快，適應(yīng)性強(qiáng)，但會(huì)破壞邊坡表層的植被。

3.1.4排水法

由于雨季降雨比較集中，基巖裂隙中的水往往不能及時(shí)排出。雨水不僅增加了巖體的重量，還轉(zhuǎn)化了邊坡上滾石形成的地下水，產(chǎn)生動(dòng)、靜水壓力，削弱了邊坡的物理力學(xué)性質(zhì)。春秋兩季巖體中裂隙水的反復(fù)凍融循環(huán)，會(huì)造成巖石的風(fēng)化，加速滾石的脫落。常用的邊坡排水設(shè)施包括邊坡排水孔、排水溝和截水溝。

3.2被動(dòng)防護(hù)技術(shù)

3.2.1被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)

在使用分離式被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以使用鋼絲繩網(wǎng)進(jìn)行固定。在減壓環(huán)和鋼柱的支撐下，可以組合成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，有利于提高危巖的整治效果。攔截落石時(shí)，鋼絲繩可以自由滑動(dòng)，鋼柱不再作為主要受力構(gòu)件，而是作為支撐構(gòu)件，可以防止鋼柱受力，避免在落石沖擊下產(chǎn)生彎曲的現(xiàn)象。對(duì)于分離式被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其在山區(qū)危巖治理中的應(yīng)用，有利于改變傳統(tǒng)的處理方式和方法，提高工作效果。

3.2.2擋石墻

擋石墻一般設(shè)置在較緩坡度地區(qū)的坡腳處，主要起到堆積和攔截落石的作用。擋石墻分為漿砌塊石擋石墻、加筋格柵擋石墻和鋼筋混凝土擋石墻3種。砂漿塊石擋土墻原材料易得，能為邊坡提供一定的支撐力，并結(jié)合落石槽與被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)體系，對(duì)滾石、掉塊起到有效防護(hù)作用（圖8）。

3.2.3棚洞

在坡度較大、高度較高的斜坡處發(fā)育的落石，可以采用碰到等結(jié)構(gòu)進(jìn)行防控，能起到有效抵擋落石和緩沖的作用。由于棚洞施工容易，并且對(duì)周圍環(huán)境影響小，后期維護(hù)方便，很多隧道洞口處都會(huì)設(shè)置不同類型的棚洞。根據(jù)外形等特征，棚洞可分為拱形、半拱形、框架式。拱形棚洞和半拱形棚洞以斜坡為支撐，依靠側(cè)墻分別承受拱頂和斜坡方向傳來的垂直壓力和水平壓力；由于框架式棚洞獨(dú)立于坡體的特性，經(jīng)常采用，其在通風(fēng)采光方面有很大優(yōu)勢。

隨著研究的進(jìn)展，近年來出現(xiàn)了柔性棚洞、減震消能棚洞、新型緩沖棚洞等（圖9）。與傳統(tǒng)的棚架相比，新型棚洞不僅建設(shè)速度更快、成本更低，并且其在耗能方面優(yōu)勢也很突出。新型棚洞具有安全、適用、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，其工程應(yīng)用價(jià)值較高。

3.3總體原則

基于定性和定量兩大原則，提出了斜坡及危巖穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法，得到了隧道洞口斜坡及危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果?；谖r穩(wěn)定性分析的結(jié)論，探究適用于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)隧道洞口段危巖的防護(hù)形式及治理措施，得到了隧道洞口的設(shè)置原則，提出了“分區(qū)治理，分級(jí)防控，主動(dòng)攔截，被動(dòng)支護(hù)”的綜合防控關(guān)鍵技術(shù)。主要原則如表3所示。

3.4斜坡及危巖防護(hù)措施

根據(jù)斜坡及危巖所在區(qū)域工程地質(zhì)特征及其穩(wěn)定性狀況，對(duì)各區(qū)域斜坡及危巖進(jìn)行以下防護(hù)措施處理（表4）。

對(duì)于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)這種復(fù)雜多樣的危巖防治工程，采用單一的防控技術(shù)進(jìn)行治理和防控，往往具有很大的風(fēng)險(xiǎn)性，容易產(chǎn)生很大的安全隱患。因此，為了盡可能解決各種情況導(dǎo)致的潛在安全問題，可以將主動(dòng)防護(hù)技術(shù)結(jié)合被動(dòng)防護(hù)技術(shù)一起聯(lián)合使用，即將清除法、SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、錨噴與錨固技術(shù)、排水法等主動(dòng)防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、擋石墻、棚洞等被動(dòng)防護(hù)技術(shù)相結(jié)合，形成一套聯(lián)合防控體系。

4結(jié)束語

通過對(duì)復(fù)雜山區(qū)鐵路沿線隧道洞口處危巖落石進(jìn)行調(diào)研分析，得到了其穩(wěn)定性控制影響因素，并結(jié)合鐵路隧道線位展布特征及工程形式，評(píng)價(jià)危巖落石及邊坡失穩(wěn)對(duì)隧道洞口的影響，并提出針對(duì)性的治理工程措施與防護(hù)建議：

（1）通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、無人機(jī)高精度影像等技術(shù)探明鐵路沿線斜坡及危巖體發(fā)育情況，并對(duì)其穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了總結(jié)。

（2）在綜合勘探和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同發(fā)育程度斜坡及危巖采取清除孤石、施做擋土墻、抗滑樁、鋪設(shè)主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等處置措施，優(yōu)化線路走向，保障鐵路運(yùn)營安全。

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