張集鐵路玄武巖崩塌落石地區(qū)選線研究

周安荔

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

張集鐵路玄武巖崩塌落石地區(qū)選線研究

周安荔

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

理論與實際相結合，通過崩塌落石對鐵路工程及運營的影響分析，結合張集線工程實踐，對崩塌落石形成原因、類型、運動形態(tài)等進行綜合分析研究，利用運動學理論計算崩塌落石的運動軌跡和影響范圍，揭示了崩塌落石的運動規(guī)律，據(jù)此為優(yōu)化線路方案及工程設置提供依據(jù)，并以張集線線路方案優(yōu)化為例予以說明?？偨Y了玄武巖地區(qū)鐵路選線及工程設置原則，為類似地區(qū)工程的設計和建設提供借鑒。

張集鐵路；玄武巖；崩塌落石；運動特征；選線

1 概述

張家口至集寧鐵路東起張家口南站，途徑河北省萬全、尚義縣，內蒙古興和縣和烏蘭察布市，西至集寧南車站，為客貨共線200 km/h鐵路，線路全長178 km。2006年5月開工建設，2011年6月運營，迄今已安全運營四年。張集鐵路對加強內蒙古與京津冀地區(qū)的經濟聯(lián)系，深化區(qū)域合作，帶動沿線經濟發(fā)展，具有十分重要的意義。

線路走行于內蒙古高原南緣和壩上高原的西緣，為過渡地貌單元。地層分布復雜，尤其是沿線中、低山區(qū)山頂分布的玄武巖崩落石對鐵路選線及工程設置有較大影響?；谛鋷r崩塌落石特征研究，提出玄武巖崩塌落石對鐵路選線的影響，總結了玄武巖地區(qū)選線原則和工程設置要求，為其他類似地區(qū)工程設計提供借鑒。

2 地質概況

2.1 地形地貌

沿線走行于壩上高原和內蒙古高原南緣，其中舊堡隧道出口至土城子位于中、低山區(qū)，長約93.5 km，占線路總長52.5%。該段線路走行于后河河谷，受區(qū)域構造影響，地形起伏大，地勢陡峻，沖溝發(fā)育，河流下切，河流兩岸基巖裸露，植被稀疏，山坡多呈上陡下緩形態(tài)，下部緩坡上崩積巖塊密布，上部陡坡上玄武巖危巖聳立。

2.2 地質構造及巖性特點

該段斷裂發(fā)育，在新生代的構造運動中，地殼運動以上升為主，巖漿活動以基性噴發(fā)為特點，形成了大量玄武巖(Q2al+β)覆蓋于山頂。

2.3 玄武巖產出特征

該線玄武巖為噴出巖，產出狀態(tài)為巖蓋，氣孔或塊狀構造，柱狀節(jié)理十分發(fā)育，具有一定的分層現(xiàn)象，各分層的上部常見氣孔和杏仁構造，危石多分布于山頂(圖1)。

圖1 山頂玄武巖分布

3 崩塌落石的危害

我國地域廣袤，地質環(huán)境形態(tài)各異，其中崩塌落石具有明顯的區(qū)域性分布特點，主要分布于我國西部山區(qū)。隨著國家西部大開發(fā)及絲綢之路戰(zhàn)略的實施，工程建設項目強度加大。崩塌落石為工程建設中最常見的地質災害現(xiàn)象之一，需正確應對和重視。

高陡巖質邊坡的巖體常發(fā)生崩塌落石，其發(fā)育受內外因素影響。巖土類型、地質構造、地形地貌是形成崩塌落石的內在因素。地震、融雪、降雨、地表水沖刷侵泡、人類活動、凍脹等為誘發(fā)崩塌的外部條件。

崩塌落石作為邊坡尤其是高陡邊坡的一種淺表部破壞方式，是嚴重的地質災害之一，具有破壞性強、高隱蔽性、易形成鏈狀成災的特點。崩塌落石形成雖是逐漸積累的過程，但其發(fā)生卻具有突發(fā)性強、高速運動、高沖擊能量、多發(fā)性、隨機性大的特性，常對鐵路工程造成巨大破壞，導致威脅行車安全，中斷列車運行，并帶來巨大的人員傷亡和經濟損失，造成極大的社會不良影響。同時由于引發(fā)病害的因素較多和不可捉摸性，使線路養(yǎng)護工作難度加大。

4 崩塌落石運動特征

崩塌落石形成是量變到質變循序漸進的過程，可分為危巖的發(fā)育形成、變形和崩塌落石3個階段。本文僅研究崩塌落石階段，研究根據(jù)動力學、運動學、能量轉換等理論，闡明崩塌落石各階段運動特征及計算方法，可對崩塌落石的運動形式和運動軌跡及沖擊動能進行定量計算，準確指導鐵路選線和防護工程合理設置。

落石是懸崖或陡坡上危巖體在自重或外力作用下突然脫離母體下落的現(xiàn)象，落石運動是一個復雜的運動形式，呈多樣化特征，運動形式與落石形態(tài)、崩塌類型和山體坡面等因素相關。本文將崩塌落石運動過程分為：初始位移、碰撞和滾動滑落3個階段，分為墜落、滑動、碰撞彈跳、滾動4種類型。落石的運動往往是一種或幾種類型的組合形式沿坡面下滑，最后在平緩地段或遇障礙物被動停止。

4.1 初始位移階段

危巖脫落母體分離后墜落前的類型有墜落式和傾倒式兩種類型。

(1)墜落：危巖突然脫落母體后，僅在重力作用下(不考慮空氣阻力)沿陡峻山璧運動時，可看作初始速度為零的自由落體運動，其墜落觸地速度v0為：

(1)

式中，h為垂直下落距離，m；g為重力加速度，m/s2。

(2)傾倒式：這種類型多發(fā)生在貼坡式危巖中，危巖與母體的接觸面在外力作用下發(fā)生剪切變形失穩(wěn)，發(fā)生傾倒式墜落，在高陡坡不受坡面地形影響下落，其墜落觸地速度

(2)

式中，b為巖塊對角線長，m；γ為巖塊對角線轉動角度，(°)。

4.2 碰撞階段

碰撞是落石運動中最復雜最劇烈的一種運動形式。利用能量守恒定律，采用坡面恢復系數(shù)法描述落石碰撞問題，把落石的碰撞看作剛體碰撞，利用坡面恢復系數(shù)考慮碰撞過程中的能量損失。

落石與坡面碰撞點的速度不在公共法線上，落石與坡面的碰撞為斜碰撞，且碰撞后坡面法向和切向恢復系數(shù)大于零，此時彈跳時做斜拋運動，其運動軌跡是拋物線。根據(jù)運動獨立性原理，把斜拋運動看成是做水平方向的勻速直線運動和豎直上拋運動的合運動(圖2)。

圖2 崩塌落石斜拋運動示意

(1)落石墜地后與坡面發(fā)生碰撞，碰撞能量損失后的初始速度為

(3)

式中，Rt為切向恢復系數(shù)；Rn為法向恢復系數(shù)。

(2)坡面恢復系數(shù)是落石與坡面發(fā)生碰撞后能量損失的重要參數(shù)。其值取決于坡面物質的性質，如果為黏土、礫石和全風化的花崗巖，恢復系數(shù)較低，而裸露的硬質巖石坡面恢復系數(shù)較高，坡面恢復系數(shù)建議取值見表1。

表1 坡面恢復系數(shù)(R)

(3)碰撞后的速度與軌跡

設β為落石開始彈跳時初始速度方向與邊坡坡面夾角，α坡面夾角，發(fā)生碰撞后的速度方程為

(4)

(5)

式中，vx、vy為任意時間沿x、y方向的速度分量；v0為落石初始速度，m/s；t為碰撞發(fā)生至任意點的時間，s。

發(fā)生碰撞后的運動軌跡方程為

(6)

(7)

式中,x、y為沿x、y方向的位移分量。

從式(6)、式(7)可以計算出落石的彈跳高度和最大水平距離。

4.3 滾動滑落階段

當落石相對于坡面法向速度為零時，落石無彈跳能力，進而進入滾動—滑落階段。該階段受摩擦力作用，落石運動動能損失較快，直至動能為零。

(1)滾動：當落石在斜坡面上，自重下滑分力大于摩擦力，且發(fā)生沿坡面自身滾動時，為切近工程實際，將落石滾動簡化為圓形剛體在斜面上的有摩擦滾動。此時，任意位置點s的落石滾動速度

(8)

(9)

(10)

式中，v0為落石滾動初始速度，m/s；B為落石質量和形態(tài)有關的常數(shù)；I為落石的轉動慣量；μr稱為滾動摩擦系數(shù)；βr為滾動摩擦角。μr為估算落石運動滾跡的重要參數(shù)，μr建議取值見表2。

表2 滾動摩擦系數(shù)(μr)建議值

(2)滑動：落石滑動表現(xiàn)為減速運動，其加速度為負值，運動速度越來越小，直至速度為零結束運動。在任意垂直位移H的落石速度

(11)

式中，v0為落石初始滑動速度，m/s；H為垂直位移，m；f為動摩擦系數(shù)。

4.4 破壞力計算

崩塌落石的破壞力由其動能來衡量，大小由落石的質量和速度決定，可根據(jù)公式E=mv2/2計算。

4.5 落石運動參數(shù)敏感度分析

影響落石運動的參數(shù)主要有：山坡的坡型、坡度和坡高，坡面覆蓋層情況，落石的形狀，落石的啟動方式等。這些參數(shù)直接影響落石的運動軌跡，需結合具體情況分析其對落石運動的敏感度。

落石運動水平距離反映落石的致災范圍，落石的動能反映致災程度，彈跳高度階段防護工程的高度，三者對鐵路選線和工程設置提供依據(jù)。

(1)落石運動的水平距離：坡面坡度敏感度最高，其次是邊坡坡高、邊坡切線恢復系數(shù)、落石水平啟動速度、落石形狀、滾動摩擦系數(shù)等，這些因素共同作用，決定落石運動水平距離。

(2)落石的動能：坡面坡度和坡面形態(tài)是主要因素，邊坡坡形、邊坡切線恢復系數(shù)等是次要因素。

(3)落石的彈跳高度：落石彈跳高度隨機性較大，邊坡坡形、坡面附著物及落石質量等對彈跳高度有一定影響，其他因素對其影響較小。

以上3種情況的大小與落石形狀均有一定關系，由大到小依次為球狀、塊狀、長條狀、薄片狀。

5 玄武巖地區(qū)選線原則

5.1 選線的普遍規(guī)律

尋求崩塌落石地區(qū)線路通過最佳通道，以繞避崩塌落石區(qū)，減少落石對線路及運營的不利影響，消除安全隱患為目標。線路方案原則以繞避落石區(qū)為主，無繞避時，線路最好以高路堤路基工程通過，且不在彈跳區(qū)布線，并根據(jù)計算的撞擊動能選擇防護工程設置的類型和規(guī)模，工程設置要經濟合理，不留后患。

5.2 選線及工程設置原則

張集鐵路玄武巖地區(qū)選線，具有典型的山區(qū)鐵路崩塌落石鐵路選線特點。選線應對區(qū)域玄武巖的形成機理，地形地貌及落石運動特征等分析，合理確定玄武巖崩塌落石區(qū)線路方案的選線原則。

(1)首先要對崩塌落石形式區(qū)進行分析研究，確定崩塌落石的幾何形態(tài)，針對不同的落石形成特征，依據(jù)動力學、運動學、能量轉換等理論進行計算，根據(jù)落石滾動的最大水平距離，確定線路位置，線路盡量繞崩塌落石區(qū)，無條件繞避時，則需根據(jù)落石沖擊動能和彈跳高度確定防護工程。

(2)防護工程類型根據(jù)落石在線路處的沖擊動能大小確定，線路盡量以高路堤路基形式通過。若線路位于落石彈跳區(qū)，路堤高度大于彈跳高度1.0 m左右為宜；橋梁工程防護工程高度大于彈跳高度1.5 m左右。

(3)對崩塌落石規(guī)模較大，線路無條件繞避時，應采取掛網(wǎng)噴射混凝土、遮擋、攔截(SNS柔性主動防護網(wǎng))、支擋、護墻護坡、刷坡、排水等綜合整治，并加強觀測。

(4)崩塌落石差異性大且計算繁瑣，建議采用數(shù)值模擬軟件(rockfall)計算，該方法考慮了巖塊的幾何形狀、大小、密度、初始運動方式、坡面幾何形態(tài)、坡面粗糙度、坡面滾動或滑動摩擦系數(shù)、切線及法向阻尼系數(shù)等，可模擬出落石的沖擊動能、彈跳高度、運動軌跡統(tǒng)計結果，真實反映了落石運動過程，對處理崩塌落石區(qū)鐵路選線提供了方便。

6 張集線沿線崩塌落石特點和選線案例

6.1 玄武巖分布特點

張集線玄武巖多分布于中、低山區(qū)山頂部，多呈陡坎地貌，陡壁一般高達15～20 m，巖體柱狀節(jié)理發(fā)育，危巖聳立，這些危石易發(fā)生崩塌落石；山坡坡度多為30°～35°，坡面分布凌亂，無規(guī)則的巖塊，這些巖塊增加了坡面的恢復系數(shù)。

6.2 崩塌落石的形狀特征

張集線山頂玄武巖危石巖塊多呈塊狀(約占85%)和棱狀柱狀(約占15%)。落下的巖塊以塊狀和不規(guī)則球狀為主。

6.3 崩塌落石的運動特征

落石的運動軌跡受山坡的幾何形態(tài)、恢復系數(shù)和落石自身性質等因素控制，張集線崩塌落石遵循一般落石的運動規(guī)律，但又具有自身的運動特點。落石運動是墜、跳、滾、滑4種形式之一或其組合。

(1)初始位移階段：張集線玄武巖崩塌落石初始位移以墜落式和傾倒式為主，墜落主要發(fā)生在頂部風化巖塊，傾倒是因下伏地層較軟或軟硬互層造成底部懸空而形成。

(2)碰撞階段：張集線山坡幾何形態(tài)較簡單，少有階梯形坡面，但仍會形成多級彈跳。如果線路距離崩塌落石較遠，則影響甚微，但是在坡面已經布滿崩落的玄武巖塊時，這些巖塊增加了坡面的恢復系數(shù)和運動軌跡，使巖塊彈得更遠，尤其是球覆蓋層狀風化的巖塊，直至威脅到線路。影響彈跳高度的因素除坡面形態(tài)外，坡面附著物及落石質量等對彈跳高度有較大影響。

(3)滾動滑落階段：為分析張集線崩塌落石滾動滑落階段的規(guī)律，在工程設計中取不同的起始速度和坡度分別計算滾石運動的水平距離D，并繪制成圖3。從圖3可以看出，在同一坡面，落石起始速度與滾動的水平距離成正比關系，且起始速度小于4 m/s時滾動水平距離相差較小，但速度大于4 m/s，特別是大于10 m/s時，不同坡度下水平距離相差就很大。

圖3 不同坡度下反彈速度與距離關系

張集線傾倒型崩塌滾石初始速度小，落石運動水平距離大部分小于100 m；墜落型落石起始速度大，差異性較大，導致落石運動水平距離隨起始速度不同距離變化很大。

張集線玄武巖崩落的落石在墜、跳、滾、滑運動時以2種方式停止，一種是主動停止動能為零，落石位于坡腳平緩處；第二種是被動停止，即以一定的速度滾落遇阻停止，其中受坡面巖塊所阻而滯留于坡面的落石隱蔽性強，常被忽視，易對工程造成威脅，這種落石主要以條狀或薄片狀為主，在張集線玄武巖地區(qū)少量存在。

6.4 玄武巖地區(qū)選線案例

張集鐵路崩塌落石分布廣、影響線路方案的崩塌落石多達15余處，在線路方案研究中結合本線玄武巖崩塌落石特點，通過方案優(yōu)化，采取繞避或妥當?shù)墓こ谭雷o措施后，消除了安全隱患，通過4年的運營實踐，巖崩塌落石未對線路工程和運營造成危害。下面以DK75+400～DK77+600段方案優(yōu)化為例予以說明，方案示意見圖4。

在線路(DK76+300)左側山頂分布有第三系泥砂巖地層之上的玄武巖。在山頂形成玄武巖陡壁，陡壁高達15 m，壁上玄武巖多已風化呈球狀、碎塊狀，風化裂隙張開。其下山坡坡度約30°，該處山坡由2套地層組成，上部分布硬質的玄武巖，下部為砂巖。

該處玄武巖崩塌落石的形成內因是玄武巖中柱狀節(jié)理呈垂直方向、分層面從橫向上分別切割了巖體。后期的自然營力又產生了風化裂隙，使巖體破碎程度加劇，隨著山體不斷剝蝕，爾后演化成搖搖欲墜的危巖；外因是玄武巖覆蓋在性質較軟的地層上部，上下地層剝蝕程度的差異，逐漸形成玄武巖陡坎，使其破碎巖體臨空，在地震、水、冰等作用下，受重力牽引塌落。

該處崩塌落石為墜落型滾石，其運動形態(tài)為危巖墜落—碰撞彈跳—滾動—滑動。

坡面覆蓋巖塊(圖5)，落石質量50～150 kg，坡面恢復系數(shù)約0.5，滾動摩擦系數(shù)0.5。按以上落石計算理論，該處崩塌落石運動水平距離多在150～200 m。

圖5 坡面形態(tài)

(1)原設計方案

該處原設計方案線路距落石區(qū)約70 m，線路為路基工程，路堤高度4 m。此處落石至路基處運動速度為10 m/s，落石動能約為2.6～7.5 kJ，由于落石動能較大，此段線路需在落石側做100 m長防護工程，并存在安全隱患。

(2)優(yōu)化后方案

根據(jù)該處落石運動軌跡特征、塌落石運動水平距離等，線路優(yōu)化為距落石區(qū)大于200 m，此處落石主動停止，動能為零，落石對線路無影響，故將線路結合工程情況優(yōu)化為距落石區(qū)距離為235處。優(yōu)化后的線路平、縱斷面經施工及運營的實踐，證明優(yōu)化后的方案經濟合理。

7 結論

(1)本線玄武巖分布廣泛、地貌特征明顯，呈上陡下緩，陡壁為玄武巖危巖，下部緩坡分布大量崩落巖塊，巖塊多以塊狀和不規(guī)則球狀為主。位于山頂上的玄武巖易形成崩塌落石，且?guī)r層走向與坡向夾角越大，越容易發(fā)生崩塌和落石，易對鐵路工程及運營帶來安全隱患。

(2)張集線玄武巖崩塌落石以傾倒和墜落為主，且墜落運動的距離大于傾倒巖塊運動的距離。運動速度和滾動距離與墜落高度、坡度和坡面恢復系數(shù)等有關。

(3)玄武巖崩塌落石研究從動力學、運動學、能量轉換理論出發(fā)，結合危巖形狀特征、運動形態(tài)等，計算崩塌落石的運動軌跡和沖擊動能，據(jù)此優(yōu)化線路方案及工程設置。

(4)張集鐵路玄武巖崩塌落石地區(qū)在4年多的運營中未發(fā)生過安全事故，說明對崩塌落石的研究并運用在選線及工程設置上是合理的。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.張集線施工圖設計線路軌道說明書[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2007.

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Study on Route Selection in Areas with Basaltic Rockfall along Zhangjiakou-Ji’ning Railway

ZHOU An-li

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd.， Xi’an 710043, China)

With analysis of the influence of rockfall on railway construction and operation and reference to engineering practices of Zhangjiakou-Ji’ning railway， the formation of rockfall are comprehensively analyzed and studied covering the cause， type， shape and motion. The trajectory calculation and influence scope of rockfall kinematics theory reveal the law of motion of rockfall to provide the basis for optimization of the alignment and engineering settings， which are illustrated by the optimization of Zhangjiakou-Ji’ning railway alignment. This paper summarizes the principles to guide route selection in basaltic areas and provides

for the design and construction of similar projects.

Zhangjiakou-Ji’ning Railway; Basalt; Rockfall; Motion characteristics; Route selection

2015-04-24；

2015-05-06

周安荔(1966—)，男，高級工程師，1991年畢業(yè)于上海鐵道學院鐵道工程專業(yè)，工學學士，E-mail： xyczal@163.com。

1004-2954(2015)11-0005-05

U212.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.002