花山嶺隧道進出口落石特征及防治研究

任玉鵬

（中國鐵路蘭州局集團有限公司 銀川工程建設指揮部，寧夏 銀川 750000）

1 概述

對于危巖落石崩塌軌跡的研究，多采用Rockfall 軟件進行數值模擬，其結果與現場推石試驗結果相接近［1-4］。丁浩江等［5］提出了危巖落石的4 種失穩(wěn)模式，針對坪上隧道提出了危巖落石整治方法并給出防護建議；肖智勇［6］利用Rockfall計算軟件獲得了花崗巖開采區(qū)危巖邊坡巖體運動軌跡及沖擊能量并提出防治建議。以花山嶺隧道進口為例，通過Rockfall 軟件研究不同落石軌跡預測線危巖落石的運動軌跡、動能、彈跳高度、落點位置等運動特征，并提出安全合理的防治措施。

李恭晨［7］在分析危巖體破壞機制、穩(wěn)定性及運動路徑的基礎上，提出了一種“表層危巖清除+主被動防護網+隧道接長明洞”的綜合治理方案。王凱林等［8］基于Rockfall 等軟件，提出適用于高速鐵路常用跨度32 m簡支箱梁的鋼筋混凝土剛架式橋梁-棚洞一體化結構設計方案，取得較好的效果。

2 工程概況

2.1 地形地貌

花山嶺隧道位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)香山鄉(xiāng)境內。隧道位于低中山區(qū)，地形起伏較大，地面高程約1 699.2～1 766.3 m，相對高差20～66 m。自然邊坡坡率一般為35°～45°，局部為45°～65°。隧道進口洞門仰坡山體垂高91 m，洞門左側山體垂高62 m，坡面陡立，基巖裸露，基巖主要為寒武系中統(tǒng)香山群狼嘴子組砂巖夾板巖，強風化～弱風化，巖層產狀較陡，主要發(fā)育2組節(jié)理，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。受剝蝕影響，山坡表層巖體風化嚴重（見圖1）。

圖1 花山嶺隧道進口全貌

2.2 地層巖性及地質構造

花山嶺隧道進口基巖裸露，基巖主要為寒武系中統(tǒng)香山群狼嘴子組砂巖夾板巖，強風化～弱風化，巖層產狀較陡，主要發(fā)育2組節(jié)理，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎?；ㄉ綆X隧道位于衛(wèi)寧北山東西向構造和隴西旋卷構造體系組成的復合構造體系內。衛(wèi)寧北山東西向構造是受南北向主壓應力作用的結果，隴西旋卷構造體系的主壓應力為南西—北東方向的擠壓，其外旋層相對內旋層呈現出逆時針方向的扭動。節(jié)理產狀1：305°∠81°，節(jié)理微張～張開，延伸性較差，局部填充泥質，節(jié)理平均間距約5～15 cm；節(jié)理產狀2：20°∠83°，節(jié)理微張，延伸性一般，節(jié)理平均間距約3～20 cm。

局部巖體存在脫離母體向線路大里程方向與左側沖溝滾落崩塌的可能，向線路右側滾落崩塌的可能性及影響相對較小。危巖體范圍及體積較大，呈塊狀～碎散狀，巖性由灰綠色砂巖夾板巖及其不同程度的風化物組成，以強～弱風化為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖石表層風化嚴重。巖體中主要發(fā)育2組不利結構面，結構面控制危巖體崩塌、落石的發(fā)生。

3 危巖落石穩(wěn)定性評估

針對花山嶺隧道進口頂部危巖落石穩(wěn)定情況，在區(qū)域地質條件分析的基礎上，進行了詳細的工程地質調查，利用赤平投影法對危巖落石的整體穩(wěn)定性進行評估。根據花山嶺隧道進口危巖落石幾何特征，分2個典型斷面對崩塌、滑動可能性進行評價。

3.1 線路左側邊坡

邊坡高度約55 m，坡向約306°，坡角約35°，主要為砂巖夾板巖，強風化，結構面受風化影響較為雜亂，節(jié)理裂隙很發(fā)育，主要發(fā)育節(jié)理：J1 為300°∠32°、J2為20°∠83°。根據線路左側邊坡結構面赤平投影分析（見圖2），邊坡目前整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，局部巖體易脫離母體，形成落石，易發(fā)生崩塌。

圖2 線路左側邊坡結構面赤平投影

3.2 線路大里程方向邊坡

邊坡高度約80 m，坡向約24°，坡角約34°，主要為砂巖夾板巖，強風化，結構面受風化影響較為雜亂，節(jié)理裂隙很發(fā)育，主要發(fā)育節(jié)理：J1 為300°∠32°、J2為20°∠83°。根據線路大里程方向邊坡結構面赤平投影分析（見圖3），邊坡目前整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，局部巖體易脫離母體，形成落石，易發(fā)生崩塌。

圖3 線路大里程方向邊坡結構面赤平投影

根據各典型斷面的赤平投影分析結果如下：花山嶺隧道進口巖性以砂巖夾板巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，主要發(fā)育2組不利結構面，巖體結構及穩(wěn)定性受結構面控制，危巖體體積較大，呈塊狀～碎散狀。邊坡目前整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，局部巖體易脫離母體，形成落石。在降水、凍脹、振動及持續(xù)風化等外界條件作用下，局部危巖體存在落石及崩塌的可能。

4 危巖落石模擬計算及分析

4.1 模擬計算

根據花山嶺隧道的地質情況及赤平投影法，提出3 條落石軌跡預測線（見圖4），采用Rockfall 軟件進行落石的模擬計算。

圖4 落石軌跡預測線平面

4.2 模擬結果

通過Rockfall 軟件研究不同落石軌跡預測線下危巖落石的運動軌跡、動能、彈跳高度、落點位置等運動特征，落石軌跡預測線1模擬結果見圖5。

圖5 落石軌跡預測線1

預測線1落石在邊坡上部發(fā)生滾落運動中產生的最大彈跳高度為3.9 m，最大沖擊能量約為130 kJ，大部分落石落點位于洞口所在范圍。

預測線2落石在邊坡上部發(fā)生滾落運動中產生的最大彈跳高度為0.64 m，最大沖擊能量約為110 kJ，大部分落石落點位于交叉里程所在范圍。

預測線3落石分析軟件計算結果可知，落石在邊坡上部發(fā)生滾落運動中產生的最大彈跳高度為0.054 m，最大沖擊能量約為42 kJ，極少部分落石落點位于交叉里程所在范圍。

4.3 模擬結論

由模擬結果可以看出，主要危巖落石風險來源為仰坡方向，落點最大到隧道洞口外25 m，最大彈跳高度3.9 m，洞口上方的最大沖擊能量約為90 kJ；花山嶺隧道進口危巖落石存在影響運營安全的風險。

5 危巖落石處理措施

隧道洞口危巖落石處理措施應按照“主動整治、被動防護”的總體原則，“寧強勿弱、杜絕后患”動態(tài)設計，結合隧道口的地形特點及危巖落石性質特征，選擇具體可行的綜合防護措施。依據計算結果及現場實際情況提出花山嶺隧道進口處理方案：

（1） 在原14 m 洞門標準襯砌的基礎上，新增25.59 m護橋棚洞結構。

（2）邊仰坡開挖線外落石區(qū)設置主動防護網，洞頂上方設置被動防護網，防護網高度5 m，長130 m；防止進入交叉里程，威脅鐵路運行安全。

（3）洞口永久邊仰坡采用錨桿框架梁防護，加固洞口上方落石，從源頭上降低落石的風險。

6 結束語

治理危巖落石是一項十分復雜的工作，對于可能產生危巖落石的情況，應對現場進行詳細勘察，對危石產生原因、現場狀態(tài)進行評估，推測可能發(fā)生的墜石形態(tài)，同時對落石軌跡、彈跳高度、運動能量、產生的沖擊力等進行系統(tǒng)地研究，從而決定危巖落石的治理方案。

通過花山嶺隧道進口危巖落石整治成功的實例，研究預測方法及計算方式可為其他鐵路及公路危巖落石計算及治理提供參考。