竇鴻威

摘要 文章以某鐵路危巖落石工點為研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)查揭示了危巖體的發(fā)育規(guī)模和特征，利用Rocfall模擬了危巖落石的運動特征和致災(zāi)范圍，通過理論計算得到了落石碰撞沖擊能。在此基礎(chǔ)上，提出了基于落石沖擊力學(xué)響應(yīng)計算的明洞方案和采用主被動防護網(wǎng)和攔石墻組合防治的路基方案，并進行了技術(shù)經(jīng)濟比選，可為類似工程地質(zhì)條件下的危巖落石防治提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞 危巖落石；Rocfall模擬；沖擊力學(xué)響應(yīng)；技術(shù)經(jīng)濟分析；鐵路地質(zhì)安全

中圖分類號 P694文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0081-03

0 引言

受地質(zhì)和外界因素影響，陡峭邊坡上的巖體可能失穩(wěn)脫落，以墜落、跳躍、滾動或滑動等方式快速下移，形成落石。山區(qū)危巖落石頻繁且不可預(yù)測，對交通路線構(gòu)成重大威脅，嚴重影響人身財產(chǎn)安全及國家交通運輸[1-2]。因此，有效、合理且經(jīng)濟地治理鐵路沿線落石，對確保鐵路安全至關(guān)重要。

了解坡面危巖特性是確定防治目標的基礎(chǔ)，明確落石運動軌跡和范圍是攔截的前提，而確定沖擊力則是防護設(shè)計的核心。有效防治落石須全面調(diào)查以上三方面，并據(jù)此選擇恰當?shù)姆雷o工程和設(shè)計。危巖落石災(zāi)害防治中，除了清除危巖、設(shè)置防護網(wǎng)等主動措施外，棚洞和明洞等被動攔截措施也被廣泛應(yīng)用。其中明洞具有抗沖擊性能更強、結(jié)構(gòu)受力更合理、沖擊力緩沖更有效、地質(zhì)擾動更小及環(huán)保等優(yōu)點[3]，能有效降低落石危害，確保交通安全。而落石沖擊下的明洞結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)復(fù)雜，與其結(jié)構(gòu)特性、落石規(guī)模、回填土厚度等多因素相關(guān)[3-4]，涉及大變形、應(yīng)力傳遞和復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換[5-7]，定量評價明洞結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)成為明洞防護的關(guān)鍵。

20世紀中期以來，國內(nèi)外學(xué)者對落石的運動特征[1，8-9]、危險性評價方法[10-11]、致災(zāi)特征和防治措施[12-13]作了較多的研究。有效預(yù)防落石災(zāi)害是各種防護措施最基本的功能，但現(xiàn)有研究主要關(guān)注防護措施的選擇或定性分析防護效果，缺乏對防護工程防護能力的定量分析。且在相同防護能力下，經(jīng)濟成本是決定防護工程設(shè)計的關(guān)鍵。定量評估防治措施的防護能力，綜合考慮其經(jīng)濟成本，對更安全和更經(jīng)濟的落石防護設(shè)計至關(guān)重要。

因此，該文以某鐵路危巖落石工點為研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)查、軟件模擬和理論計算，分析邊坡落石運動規(guī)律、沖積能量和可能致災(zāi)范圍，并對基于落石沖擊力學(xué)響應(yīng)計算的明洞方案和采用主被動防護網(wǎng)結(jié)合攔石墻防治的路基方案進行技術(shù)和經(jīng)濟方面的比選，以期為危巖落石防治決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該危巖落石工點為一廢棄采石場，位于剝蝕丘陵區(qū)，坡度30 °～40 °，山體植被不發(fā)育，坡表巖性主要為花崗巖和花崗閃長巖，褐黃色～淺灰色間灰黑色，強～弱風(fēng)化。坡體整體穩(wěn)定，但因開采爆破，巖體切割成塊體狀，產(chǎn)生了縱橫交錯的節(jié)理裂隙，在重力、風(fēng)化應(yīng)力、地表水滲透壓力等作用下與母巖逐漸分離，形成潛在危巖，對鐵路施工及后期運營造成威脅。

1.2 研究方法

1.2.1 落石沖擊力計算和落石軌跡模擬

據(jù)尼·米·羅依尼會維里的方法[1]計算落石速度，根據(jù)《路基》和《隧道》方法計算落石沖擊力，利用Rockfall模擬落石的運動軌跡、計算落石影響范圍、彈跳高度和沖擊能量等。

1.2.2 明洞結(jié)構(gòu)抗落石沖擊性能評估

通過Midas GTS采用桿系有限元模型計算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003—2016）計算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)截面安全系數(shù)和最大裂縫寬度，評估其在落石沖擊荷載下的抗沖擊性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 落石沖擊力及運動軌跡

現(xiàn)場調(diào)查坡腳落石塊徑為0.4～1 m，分別取塊徑為0.4 m、0.6 m、0.8 m和1 m的落石進行典型代表剖面計算分析，緩沖層參數(shù)見表1，結(jié)果見表2。通過綜合比較分析，鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊《隧道》法考慮的因素更全面，按不利設(shè)計原則，結(jié)構(gòu)驗算時落石沖擊力采用《隧道》法計算成果。

取坡面法向恢復(fù)系數(shù)0.5和切向恢復(fù)系數(shù)0.95模擬落石跌落軌跡（見圖1）。當落石滾落在坡腳平臺時，落石運動速度在15.07～19.78 m/s之間。落石主要落在鐵路左側(cè)坡腳平臺內(nèi)，與鐵路明洞側(cè)壁水平距離為1.5～22.3 m，落石彈跳高度0.6～1.5 m，統(tǒng)計得出隧道左側(cè)洞壁沖擊力在23.5～332.1 kN之間，下落軌跡線與坡面線的夾角較小。落石對鐵路施工及運營造成潛在威脅，應(yīng)結(jié)合工程實施情況，針對性采取防護措施。

2.2 防護工程設(shè)計

2.2.1 明洞方案

明洞采用深挖路塹式結(jié)構(gòu)（墻底開挖，回填2～4 m）。開挖前，對線路兩側(cè)松動危巖體進行清理后遵循“永臨結(jié)合、臨時防護為主”原則設(shè)置防護網(wǎng)，施工完成后僅保留洞口范圍環(huán)形防護網(wǎng)，其余拆除。

2.2.2 主被動防護網(wǎng)和攔石墻方案

路基工程設(shè)計時，需根據(jù)落石滾落軌跡，修整邊坡、清除坡面松動危石并設(shè)置主動防護網(wǎng)，以提高坡表危巖體的穩(wěn)定性，阻止崩塌落石的發(fā)生。

2.3 設(shè)計方案評估分析

2.3.1 明洞抗沖擊性能評估

明洞拱墻和仰拱采用C35鋼筋混凝土，主受力筋為HRB400級鋼筋，直徑25 mm，布置間距150 mm。根據(jù)該段實際覆土情況，取1 m塊徑落石沖擊下的拱頂梁單元追加最大平均超載（18.28 kN/m和8.39 kN/m）作為荷載，選取3 m和4 m緩沖層條件下的截面控制點進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力模擬和檢算。結(jié)構(gòu)內(nèi)力模擬結(jié)果顯示（見圖2），最大彎矩和最大軸力發(fā)生在拱頂梁單元，3 m緩沖層條件下為420.923 kN·m和461.388 kN，4 m緩沖層條件下為450.297 kN·m和518.969 kN。

檢算結(jié)果見表3，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003—2016），鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拱頂、拱腰、邊墻、墻腳以及仰拱等不同部位的安全系數(shù)均大于2.4，達到抗拉抗壓極限強度；最大裂縫寬度均小于0.2 mm，滿足裂縫要求。

2.3.2 技術(shù)經(jīng)濟效益評估

在技術(shù)上，路基方案的主被動防護網(wǎng)加攔石墻組合攔截落石后易形成堆積，需定期清理維護；明洞方案僅需施工前清理坡表松散危巖體，施工中采用被動防護網(wǎng)防護，施工后拆除防護網(wǎng)，無后期維護。在經(jīng)濟上，路基方案涉及危巖落石防護、落石支擋、邊坡防護以及排水工程，其中危巖落石防護工程包括被動網(wǎng)、主動網(wǎng)和攔石墻；明洞方案無須以上工程，且減少征地拆遷，總計節(jié)約2 800 000元。在工期上，路基方案征地面積大、危巖整治工程復(fù)雜，工期較明洞方案延長約3個月。綜上，明洞方案工期短，安全性、耐久性和經(jīng)濟效益高。

3 結(jié)論

該文以某鐵路危巖落石工點為研究對象，綜合運用現(xiàn)場調(diào)查、理論計算、數(shù)值模擬等手段，確認了該區(qū)落石會對鐵路施工及運營存在潛在威脅，充分評估路基方案和明洞方案的防護能力、工程造價和工期后，確定明洞方案為該區(qū)落石防治的最優(yōu)措施。針對類似工程條件下的危巖落石防護，應(yīng)結(jié)合工程實際情況，充分評估防護措施防護效果、經(jīng)濟成本和工期，達到落石防護結(jié)構(gòu)設(shè)計的高安全性和經(jīng)濟性。

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