鐵路上游靠山側(cè)高陡崖區(qū)危巖落石綜合治理研究

韓 燚 （中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

0 前言

危巖落石對(duì)山區(qū)鐵路的危害巨大，線路應(yīng)盡量繞避山高坡陡巖層受結(jié)構(gòu)面切割嚴(yán)重、危巖密集分布或治理難度大的危巖落石地段。在實(shí)際情況中，山區(qū)鐵路受選線制約，不可避免會(huì)遇到無(wú)法繞避的危巖落石不良地質(zhì)體。高陡邊坡危巖落石高差大、坡面陡，下落過(guò)程中動(dòng)能大、破壞能力強(qiáng)，一旦砸落至軌道或列車(chē)上，其后果不堪設(shè)想，因此對(duì)無(wú)法繞避的危巖落石不良地質(zhì)體進(jìn)行治理是確保鐵路安全運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。本文以衢寧鐵路黃旗嶺隧道上方高陡危巖落石工點(diǎn)為例，在地質(zhì)調(diào)繪、傾斜攝影+激光雷達(dá)解譯的基礎(chǔ)上，采用Rockfall軟件選擇代表性斷面模擬研究危巖落石軌跡，得到了落石彈跳高度和沖擊能量包絡(luò)圖以及落石運(yùn)動(dòng)速度、落點(diǎn)統(tǒng)計(jì)等參數(shù)，為確定高陡危巖落石治理措施提供依據(jù)，并提出針對(duì)性處置措施，為類(lèi)似地質(zhì)條件山區(qū)危巖落石的防護(hù)治理提供了參考。

1 工點(diǎn)概況

衢寧鐵路是連接浙江省衢州市與福建省寧德市的Ⅰ級(jí)鐵路，已于2020年9月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。黃旗嶺隧道位于寧德市周寧縣禮門(mén)鄉(xiāng)油灣村一帶，為典型的剝蝕低山區(qū)，交通條件整體不便利，僅局部有鄉(xiāng)村道路通道。該段線路左側(cè)為山前陡崖，陡崖長(zhǎng)約300m，相對(duì)高差約200m。陡崖巖體風(fēng)化脫落形成陡峭的巖壁，坡度約80，基巖裸露，無(wú)植被，巖性為凝灰熔巖，弱～微風(fēng)化。陡崖崖壁受構(gòu)造影響，發(fā)育多組主節(jié)理，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，形成多處條狀、石筍狀、倒梯形狀突兀巖塊，易風(fēng)化剝落而坍塌。陡崖頂往上山坡植被發(fā)育，殘留風(fēng)化孤石。陡崖下部緩坡上散落大量孤石，孤石最大直徑約10m。

危巖體下部為黃旗嶺隧道、路基，受巖石風(fēng)化、降雨、施工期間爆破振動(dòng)、運(yùn)營(yíng)期間振動(dòng)等多個(gè)因素影響，一旦危巖體發(fā)生垮塌、崩落，會(huì)嚴(yán)重危及下方鐵路安全，高陡危巖體與線路位置關(guān)系示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 危巖落石與鐵路位置關(guān)系示意圖

地形地貌場(chǎng)地地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性、地震動(dòng)參數(shù)簡(jiǎn)述如下：

該段為剝蝕低山區(qū)，地形起伏，地勢(shì)陡峻。線路左側(cè)100～500m處為中低山，呈長(zhǎng)條帶狀分布，最高處海拔約650m，靠線路側(cè)為山前陡崖，陡崖長(zhǎng)約300m，相對(duì)高差約200m。陡崖自然坡度約80，陡崖上部山頂自然坡度約35，植被發(fā)育。陡崖下緩坡自然坡度約40，坡面植被發(fā)育，灌木及雜草中存在大量孤石。

該區(qū)段屬于新華夏構(gòu)造體系，受鎮(zhèn)前―棠口斷裂帶影響，構(gòu)造方向主要為北北東向，東西向次之，斷裂多呈壓扭性。工點(diǎn)附近出露兩套地層：緩坡地段及坡腳為早白堊世次石英二長(zhǎng)斑巖，陡崖及陡崖上方為白堊系下統(tǒng)石帽山群上組凝灰熔巖，巖性分界線順陡崖方向展布，走向與線路約呈40夾角。陡崖坡面近直立，基巖裸露，巖性為凝灰熔巖，弱～微風(fēng)化。坡面節(jié)理較發(fā)育，主要發(fā)育三組節(jié)理，裂縫多沿節(jié)理產(chǎn)狀分布。

地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

2 危巖落石分布特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 危巖、裂縫分布特征

危巖體所處地段地形陡峭，陡崖段地質(zhì)調(diào)查難以開(kāi)展，二維平面遙感技術(shù)由于在空間分析、多尺度變化、動(dòng)態(tài)虛擬和立體綜合展示能力的不足，難以滿(mǎn)足危巖體的工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)要求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，采用傾斜攝影+激光雷達(dá)掃描、地質(zhì)調(diào)繪相結(jié)合的調(diào)查方法，查明危巖落石區(qū)域危巖、裂縫分布情況，為整治設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

根據(jù)遙感解譯、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果，將危巖落石區(qū)域劃分為 A1、A2、A3、B4 個(gè)區(qū)，A1、A2、A3 區(qū)為陡崖區(qū)，B 區(qū)為緩坡區(qū)，如圖1所示。對(duì)所有的裂縫、危巖進(jìn)行了分區(qū)統(tǒng)計(jì)。各類(lèi)裂縫數(shù)量達(dá)到32處，分布于陡崖區(qū)，延伸長(zhǎng)度數(shù)米至百余米不等，張開(kāi)寬度最大達(dá)400mm，裂縫無(wú)充填或充填砂質(zhì)土。各類(lèi)臨空危石及風(fēng)化剝落危石數(shù)量達(dá)到37處，尺寸小的有2m×2m×2m，大者達(dá)10m×32m×6m，裂縫及危巖形態(tài)、分布位置見(jiàn)圖2、表1。

圖2 裂縫、危巖落石分布遙感解譯圖

裂縫、危石分布情況 表1

2.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

線路左側(cè)的近垂直陡崖及緩坡上的兩道突丘形成了簸箕狀凹形地貌。根據(jù)地形地貌初步判定，陡崖及緩坡上的危石主要集中在上述凹形地貌內(nèi)，對(duì)線路下方的路基工程造成安全隱患。

A1區(qū)陡崖：結(jié)構(gòu)面切割巖體對(duì)抗滑有利，但在部分近垂直裂隙切割下，節(jié)理切割巖體易發(fā)生傾倒崩落破壞。另外A1區(qū)陡崖上部山頂坡度仍較陡，在風(fēng)化作用下會(huì)進(jìn)一步崩落，影響坡腳隧道工程安全。

A2區(qū)陡崖：受335∠75節(jié)理和130∠50節(jié)理兩組節(jié)理切割影響嚴(yán)重，陡崖被分割為多塊垂直塊體，整體而言塊體基礎(chǔ)尚穩(wěn)固。但裂隙發(fā)育密集地方，受水平節(jié)理切割影響，陡崖上形成多處不穩(wěn)定的巖石楔體，局部可見(jiàn)坍塌現(xiàn)象，已形成臨空體，在長(zhǎng)期風(fēng)化作用及雨水影響下，巖體易發(fā)生崩落破壞。

A3區(qū)陡崖：該段陡崖中上部主要受335∠75節(jié)理影響，裂縫多沿該節(jié)理產(chǎn)狀方向發(fā)育，整體穩(wěn)定性較A2區(qū)好，但陡崖上部山頂緩坡基巖節(jié)理發(fā)育，在風(fēng)化作用下會(huì)進(jìn)一步崩落，A3區(qū)下部受50∠15方向節(jié)理影響，巖體切割形成的塊體已有崩落現(xiàn)象，形成了臨空楔體，在長(zhǎng)期風(fēng)化作用下，易崩落。

B區(qū)緩坡：自然坡度約30坡面，植被發(fā)育，灌木叢中存在大量孤石，最大孤石直徑達(dá)10m。一旦植被破壞，雨水影響，支撐孤石土體軟化，危石有滾落的可能，直接威脅下部路基的安全。

3 落石運(yùn)動(dòng)軌跡模擬分析

為了更好地預(yù)測(cè)落石的運(yùn)動(dòng)能量和軌跡，選取更安全更合理的防護(hù)網(wǎng)能級(jí)及布設(shè)位置，采用Rockfall軟件選取SJDK0+060、0+120、0+160、0+260 四個(gè)代表性斷面進(jìn)行落石運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算，基線SJDK與陡崖邊坡方向垂直，與鐵路線路夾角約為45，如圖1。根據(jù)前述的工程地質(zhì)調(diào)查和遙感解譯結(jié)果，巖體主要為弱風(fēng)化凝灰熔巖，緩坡處為碎石土，陡崖區(qū)域無(wú)植被覆蓋，故本次模擬不考慮覆蓋植被影響。計(jì)算初始條件如下：選取等效直徑為10m的落石進(jìn)行計(jì)算，落石的密度取2.5t/m，則質(zhì)量為163.5t；落石從陡坡坡頂開(kāi)始下落，水平和豎直方向初速度都設(shè)為零；根據(jù)基巖風(fēng)化情況和節(jié)理裂隙發(fā)育情況，模擬計(jì)算參數(shù)選取見(jiàn)表2。

碰撞系數(shù)及動(dòng)摩擦系數(shù) 表2

以SJDK0+060斷面為例，計(jì)算得到落石運(yùn)動(dòng)軌跡、落石彈跳高度和沖擊能量包絡(luò)線圖、落石運(yùn)動(dòng)速度、落石落點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)曲線，如圖3～圖7。

圖3 落石運(yùn)動(dòng)軌跡圖（0+060斷面）

圖4 落石彈跳高度包絡(luò)線（0+060斷面）

圖5 落石沖擊能量包絡(luò)線（0+060斷面）

圖6 落石運(yùn)動(dòng)速度包絡(luò)線（0+060斷面）

圖7 落石落點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)圖（0+060斷面）

該斷面落石在邊坡頂部發(fā)生滾落運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的最大彈跳高度為80m，最大沖擊能量約為270000kJ，落石最大沖擊速度約為56m/s，落石落點(diǎn)位于橫坐標(biāo)140～200m 范圍內(nèi)。SJDK0+060、0+120、0+160、0+260 四個(gè)代表性斷面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

代表性斷面計(jì)算結(jié)果（落石直徑10m） 表3

現(xiàn)有的攔石網(wǎng)在柔性防護(hù)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛，其防護(hù)能量一般為150～2000kJ，特殊設(shè)計(jì)最大能級(jí)標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)5000kJ，理論上可以承受質(zhì)量為10t的巨石以31.6m/s的速度直接沖擊。直徑10m的落石模擬計(jì)算，落石最大彈跳高度達(dá)到65～110m，最大沖擊能量達(dá)到250～320MJ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有柔性防護(hù)技術(shù)能防住的能級(jí)。

更改落石等效直徑為1m，其余初始條件不變，進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

代表性斷面計(jì)算結(jié)果（落石直徑1m） 表4

落石直徑為1m時(shí)，落石的沖擊能量大幅下降，最大沖擊能量為2400kJ。四個(gè)斷面中，坡頂?shù)骄€路中線的水平距離分別為 174m、135m、116m、162m，落石的最終落點(diǎn)大部分都落在了鐵路隧道洞身范圍內(nèi)。

因此，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果和目前攔石網(wǎng)的防護(hù)能量，建議需進(jìn)行清理或錨索加固等主動(dòng)防護(hù)措施的危巖臨界直徑為1m。

4 危巖落石綜合治理措施

4.1 危巖落石防治技術(shù)體系

危巖落石防治技術(shù)措施可分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)兩大類(lèi)。主動(dòng)防護(hù)技術(shù)的防治理念在于增強(qiáng)危巖體的穩(wěn)定性，阻止其發(fā)生崩落，而不至于致災(zāi)。而被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的防治理念在于假設(shè)危巖發(fā)生崩落,但通過(guò)阻止落石到達(dá)威脅對(duì)象范圍而提供防護(hù)功能。在實(shí)際工程中主動(dòng)防護(hù)需要找出所有可能崩落的危巖點(diǎn)，并進(jìn)行系統(tǒng)治理，通常適用于大型、勘察明確的危巖體治理，但實(shí)際實(shí)施時(shí)通常也不可能治理所有可能崩落危巖，存在漏勘漏治的可能。被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)則對(duì)危巖崩落后落石運(yùn)動(dòng)特征預(yù)測(cè)要求較高,落石運(yùn)動(dòng)特性分析結(jié)果是被動(dòng)防護(hù)的依據(jù)和基礎(chǔ),在可靠預(yù)測(cè)落石威脅范圍、彈跳高度、動(dòng)能的基礎(chǔ)上,防治效果較徹底，但造價(jià)通常較高，對(duì)大體積落石崩落體其防護(hù)能力也有限。所以通常采用主動(dòng)和被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的綜合治理措施，可以起到理想的防治效果。

4.2 危巖落石綜合治理措施設(shè)計(jì)

鑒于高陡危巖體高差大、后壁陡峭近直立，裂縫、臨空危石及風(fēng)化剝落危石數(shù)量眾多，發(fā)育形態(tài)各異等特點(diǎn)，單一的防護(hù)、支擋措施難以奏效，需針對(duì)不同裂縫、危石開(kāi)展加固和防護(hù)設(shè)計(jì)，采用多種加固、防護(hù)、支擋措施進(jìn)行治理。

通過(guò)上述模擬計(jì)算，建議將直徑大于1m的危巖進(jìn)行清理或提前采取錨索加固。主動(dòng)網(wǎng)加固在短期內(nèi)能取得良好的防護(hù)效果，但在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，巖石受到風(fēng)化剝落后會(huì)在主動(dòng)網(wǎng)中堆積而形成“鼓肚子”現(xiàn)象、剝落的碎石掉落后支撐繩上的預(yù)應(yīng)力喪失，導(dǎo)致主動(dòng)網(wǎng)失效。所以?xún)H采用主動(dòng)網(wǎng)效果不會(huì)太理想。綜合整治思路就是讓剝落的危巖滾下來(lái)，采用具有“引導(dǎo)”作用的簾式網(wǎng)，限制落石的彈跳高度和滾動(dòng)速度，在落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸衰耗其能量，將落石引導(dǎo)至坡腳的落石槽中。

按照上述設(shè)計(jì)思路，提出了靜態(tài)爆破清除、簾式防護(hù)網(wǎng)、主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、承壓板錨索、被動(dòng)攔石網(wǎng)、落石槽、預(yù)應(yīng)力錨索、隨機(jī)錨桿、支撐與嵌補(bǔ)等多種加固措施的綜合治理方案，典型的設(shè)計(jì)斷面如圖8，具體設(shè)計(jì)原則簡(jiǎn)述如下。

圖8 危巖整治設(shè)計(jì)示意圖

4.2.1 支撐、嵌補(bǔ)和填充、勾縫

①當(dāng)危巖落石存在較大臨空面且基底條件較好時(shí)，采用C25混凝土支撐或嵌補(bǔ)。

②對(duì)原生危巖存在小于10cm的裂縫，采用灌注M10水泥砂漿處理。

4.2.2 清除、錨固

①陡崖、緩坡上松動(dòng)危石采用靜態(tài)爆破清除。

②坡面裂隙發(fā)育處危巖在清除后采用承壓板錨索加固。

③陡崖或危巖體采取預(yù)應(yīng)力錨索加固。

④對(duì)局部直徑小于1m的危石下部設(shè)置固定鋼墊板螺栓錨桿不少于2根。

4.2.3 主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

為防止清除處理干凈后的危巖進(jìn)一步風(fēng)化剝落，在其外部設(shè)置主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)。錨桿應(yīng)錨固在穩(wěn)定的巖體內(nèi)，錨桿長(zhǎng)4.5m。根據(jù)危巖勘察情況，SJDK0+95～+195段坡面設(shè)置主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

4.2.4 簾式防護(hù)網(wǎng)

對(duì)存在大面積崩落松動(dòng)的危石堆，對(duì)坡面大危石清除后，采用簾式防護(hù)網(wǎng)將危石引導(dǎo)至落石槽中。按上述原則，SJDK0+000～+95、SJDK0+195～+330段坡面設(shè)置張口型簾式防護(hù)網(wǎng)，防護(hù)能級(jí)為3000kJ。

4.2.5 攔石網(wǎng)

陡崖下緩坡上設(shè)置一道被動(dòng)攔石網(wǎng)，網(wǎng)高5m，被動(dòng)網(wǎng)下設(shè)結(jié)合便道修筑檢修通道，通道寬0.6m，澆筑C25混凝土，厚0.2m。

4.2.6 落石槽

①簾式網(wǎng)下部3～10范圍設(shè)置溝深1.2m，溝寬1.5m，溝壁坡率1：1的梯形落石槽，采用C25混凝土砌筑，厚0.3m。

②坡腳線路左側(cè)35m處依地形設(shè)置一道鋼筋混凝土落石槽。

4.2.7 排水工程

主要是外圍的截排水，陡坡下緩坡上設(shè)置兩道梯形截水溝。

5 結(jié)論

衢寧鐵路黃旗嶺隧道上部高陡危巖落石整治工程已經(jīng)完工，經(jīng)過(guò)治理后的危巖處主、被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，未發(fā)生落石崩塌等災(zāi)害，治理效果顯著，有力地保證了衢寧鐵路的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。本工點(diǎn)設(shè)計(jì)、施工實(shí)踐證明，山區(qū)危巖落石勘察與治理應(yīng)因地制宜，通過(guò)收集資料、地質(zhì)測(cè)繪、激光雷達(dá)等手段詳細(xì)查明危巖落石的分布和發(fā)育情況，采用計(jì)算軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖石拋扔軌跡進(jìn)行模擬，根據(jù)防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)能量計(jì)算出主動(dòng)防護(hù)、被動(dòng)防護(hù)的落石等效直徑臨界值。針對(duì)不同裂縫、危石的形態(tài)和特征，有的放矢地采取針對(duì)性的治理措施，主被動(dòng)防治技術(shù)聯(lián)合使用是較好的整治思路。