鄭萬鐵路羅家山隧道高陡邊仰坡危巖落石綜合防護技術(shù)

甘目飛 劉 科

(中鐵二院成都勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 成都 610031)

危巖落石防護一直是困擾鐵路隧道，尤其是高速鐵路隧道洞口施工及運營安全的關(guān)鍵性難題，為兼顧危巖落石防護工程中的安全性、合理性及經(jīng)濟性，近年來業(yè)內(nèi)諸多學(xué)者及研究人員對鐵路隧道洞口危巖落石防護在理論及工程實踐方面均進行了大量研究。唐紅梅[1]等對危巖落石初始運動狀態(tài)、碰撞過程、滑動及滾動過程進行了深入研究，并提出了其運動的軌跡方程；丁浩江[2]等分析研究了成貴鐵路坪上隧道進口危巖落石的形成機理、失穩(wěn)模式及破壞特征，確定了落石失穩(wěn)滾落概率及路徑，并提出了清除、落石槽、攔石墻、防撞樁板墻、柔性阻攔網(wǎng)、排水設(shè)施的綜合處置措施；羅章波[3]對成昆鐵路小平地隧道進口危巖落石進行模擬分析后，提出了“被動防護網(wǎng)+柔性鋼棚洞”的設(shè)計方案；羅仁立[4]等對滬昆高速鐵路長昆段橋隧連接危巖落石防護結(jié)構(gòu)方案進行分析比較，得出了不同條件下適宜不同工點的接長防護方案；黃華[5]等根據(jù)成蘭鐵路某隧道出口危巖落石發(fā)育特征，研究了清除支頂、錨網(wǎng)噴防護、被動攔截及支擋措施。

危巖落石的發(fā)育特征不同，對應(yīng)采取的應(yīng)對方案也不同。本文以鄭萬鐵路湖北段羅家山隧道橫洞洞口危巖落石不良地質(zhì)為背景，研究鐵路隧道洞口陡傾邊仰坡危巖落石整治措施。

1 工程概況

1.1 隧道概況

羅家山隧道位于?？嫡九c神龍架站區(qū)間，進口里程 DK 514+180，出口里程 DK 524+820，全長 10 640 m，最大埋深約470 m。隧道設(shè)計縱坡為20‰、-12‰、-30‰。隧道進口與橋臺緊鄰，出口橋臺進洞。為加快施工進度，設(shè)置3處平導(dǎo)、1處斜井及1處橫洞進行分區(qū)施工。

1.2 洞口危巖落石概況

1.2.1 發(fā)育特征

羅家山隧道危巖落石不良地質(zhì)主要發(fā)育在其橫洞及出口洞口范圍內(nèi)，尤其橫洞為甚。

羅家山隧道橫洞位于線路左側(cè)，線路左側(cè)地形陡峭，巖性以白云巖夾頁巖等硬質(zhì)巖為主，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，沿陽巖河一帶危巖落石密布，塊徑0.5～5 m，局部形成多處危巖體，易發(fā)生失穩(wěn)墜落，并在陡崖下緩坡地帶形成多處巖堆體。巖堆體坡度相對較緩，坡表以第四系土壤覆蓋層為主，邊坡中上部坡度相對坡底變化較大，為近直立的懸崖峭壁，巖石表面風(fēng)化較強，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，邊坡頂部為植被覆蓋區(qū)，坡度較陡，落差近400 m。

1.2.2 成因機制

由于本隧道隧址區(qū)內(nèi)斷層和褶皺較發(fā)育，受構(gòu)造節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙影響，巖體裂隙較發(fā)育，節(jié)理裂隙產(chǎn)狀主要為N30°W/85°NE、N68°W/85°NE，以陡傾節(jié)理裂隙為主。受節(jié)理裂隙和層面切割影響，沿線沿陡崖邊坡為構(gòu)造節(jié)理裂隙密集帶，且隨機裂隙較發(fā)育，極易分割基巖塊體形成危巖體，在地形斜坡陡峭、自然坡度60°～80°條件下，受卸荷應(yīng)力釋放、重力牽引等影響危巖體向下墜落形成落石。

1.2.3 工程影響

由于橫洞洞口危巖落石體位置高、規(guī)模大、塊徑大，發(fā)生崩塌落石的隨機性較大，對洞口施工人員及設(shè)備形成巨大的安全威脅，必須采用適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

2 落石模擬分析

2.1 分析概況

采用Rockfall落石分析軟件進行落石模擬分析，分析內(nèi)容包括落石的彈跳高度、運動速度和沖擊能量等。為確保方案準(zhǔn)確，采用三維激光掃描儀對該處邊坡進行了三維掃描，以獲取邊坡三維模型。

在具有落石風(fēng)險的地區(qū)從右至左切出1K0～11K0共11個斷面，其中橫洞頂部橫斷面為8K0，最具有代表性。落石計算時輸入條件如下：

(1)落石初始條件：在斜面頂部的下落，水平初速度和豎向初速度均為0。

(2)落石計算半徑0.5 m，體積0.523 m3。

(3)落石密度2 500 kg/m3，落石重量 1 308 kg。

(4)跌落次數(shù)1 000次。

2.2 模擬結(jié)果

根據(jù) 1 000次的落石滾落計算統(tǒng)計結(jié)果，選擇橫洞頂部橫斷面8K0計算結(jié)果進行分析，分析內(nèi)容包括落石運動軌跡、落石彈跳高度、落石沖擊能量、落石平移速度、落石落點統(tǒng)計等，如圖1～圖5所示。

圖1 8K0斷面落石運動軌跡圖

圖2 8K0斷面落石彈跳高度曲線圖

圖3 8K0斷面落石沖擊能量曲線圖

圖4 8K0斷面落石平移速度曲線圖

圖5 8K0斷面落石落點統(tǒng)計柱狀圖

由圖1～圖5計算結(jié)果可知，落石從邊坡頂部發(fā)生滾落運動過程中產(chǎn)生的最大彈跳高度為56 m，最大沖擊能量約為 2 400 kJ，落石最大沖擊速度約為59 m/s，落石落點位于橫洞洞口所在范圍。落石運動至橫洞洞口附近時彈跳高度為32～48 m，沖擊能量為 2 000～2 300 kJ，沖擊速度為51～58 m/s；由落石落點統(tǒng)計柱狀圖可知，落石入侵橫洞洞口0～30 m所在區(qū)域的概率較大，落石侵入該區(qū)域?qū)⒅苯油{到人身及設(shè)備安全，需對其邊坡進行危巖落石防護。

3 危巖落石防護設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

羅家山隧道橫洞洞口危巖落石防護設(shè)計遵循安全性、適用性、環(huán)保美觀及經(jīng)濟性的原則。

(1)安全性

安全性是危巖落石防護方案設(shè)計首要原則。本洞口防護方案重點考慮防止邊坡危巖墜落，確保施工期間從橫洞進出的人員、設(shè)備不受到山體落石的危害以及運營期洞口落石防護。為此，在防護方案選取上力求科學(xué)，在力學(xué)計算中力求精準(zhǔn)，在防護能力上要保證足夠安全系數(shù)，以消除危巖落石危害[6-8]。

(2)適用性

防護措施應(yīng)與邊仰坡實際地形情況相適應(yīng)，充分考慮邊坡實際情況選擇合適的防護方案，既確保能防住落石又能便于施工，同時不破壞邊仰坡所在地原有地形地貌，防護后邊坡表面視覺效果良好。

(3)環(huán)保美觀

為滿足環(huán)評要求，必須選用環(huán)保材料，保證工程實施后，美觀大方，有利于植被自然恢復(fù)。

(4)經(jīng)濟性

本工程為隧道橫洞洞口，不直接涉及到運營期間列車的正常運行，但施工及運營維護期間人員和設(shè)備會在此出入，設(shè)計方案同樣應(yīng)能達到長久治理效果，工程措施應(yīng)具有足夠使用年限，在使用年限內(nèi)盡量做到無需維護或易于維護，在達到防護功效的前提下盡量節(jié)約資金，體現(xiàn)防護工程的經(jīng)濟性。

3.2 防護措施

根據(jù)Rockfall 落石分析軟件計算結(jié)果以及大量方案比選后，在橫洞洞口上方設(shè)計采用“落石清除及場地搬遷+混凝土明洞+高強波紋板棚洞+張口式簾式主動防護網(wǎng)+被動防護網(wǎng)”分級減能組合防護措施，以減輕落石危害。

3.2.1 落石清除及場地搬遷

為避免隧道施工期間坡面危石對施工人員及機具造成安全威脅，將洞口附近施工場地、人員營地及設(shè)備搬遷至安全地帶，避開橫洞口危巖落石影響區(qū)域。對于坡面明顯的危巖落石，且施工人員及機具能達到區(qū)域，在確保下方構(gòu)筑物安全的前提下，采取全部清除處理；對于部分危石尚未脫離母巖且清除困難地段，在可保證人員及機具安全施工的前提下，采取M10漿砌片石或者C20混凝土柱(墩)支頂處理；對于未能清除地段或清除安全風(fēng)險極大的地段采取綜合防護整治措施。

3.2.2 混凝土明洞及高強波紋板棚洞

為減小危巖落石危害，在原設(shè)計基礎(chǔ)上接長明洞及棚洞，洞口里程由原設(shè)計 HDK 0+817調(diào)整為 HDK 0+844，接長明洞采用混凝土明洞+高強波紋板棚洞形式，如圖6所示。

圖6 橫洞洞口接長明洞縱斷面圖(cm)

(1)混凝土明洞

混凝土明洞采用雙耳墻明洞型式，如圖7所示，HDK 0+814～HDK 0+829段采用雙耳墻明洞襯砌。明洞基底采用C25混凝土鋪砌，厚30 cm；明洞襯砌頂部夯填土石以緩沖落石沖擊，頂部覆蓋黏土進行隔水處理。

橫洞洞口坡面直立陡峻，原設(shè)計錨桿框架梁施工難度較大，考慮明洞增設(shè)后，洞口施工條件得到一定改善，取消原設(shè)計洞口錨桿框架量工程，但需對洞口仰坡10 m范圍內(nèi)裸露基巖部分進行錨網(wǎng)噴。噴C25混凝土厚10 cm，φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，φ22砂漿錨桿，間距1.2 m×1.2 m，長2.5 m。

(2)高強波紋板棚洞

羅家山隧道橫洞洞口接長15 m高強波紋板棚洞，高強波紋板防護棚洞設(shè)計防護能級為500 kJ，結(jié)構(gòu)主要組成部件為波紋板、連接件及鋼筋混凝土基礎(chǔ)。凈空尺寸為9.0 m(寬)×7.5 m(高)，棚洞基礎(chǔ)采用高90 cm、寬100 cm的C35鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋M30地腳螺栓。波紋板首環(huán)安裝時，采用整環(huán)吊裝方式，其他環(huán)采用分片安裝或者整環(huán)吊裝，分片安裝時波紋板按照單側(cè)或者兩側(cè)同時安裝。高強波紋板設(shè)計斷面圖及現(xiàn)場施工圖如圖8、圖9所示。

圖8 高強波紋板設(shè)計斷面圖(cm)

圖9 高強波紋板現(xiàn)場施工圖

3.2.3 主動防護網(wǎng)

根據(jù)落石軌跡及落點計算結(jié)果，設(shè)計采用主動防護網(wǎng)技術(shù)進行處理。在橫洞中線左側(cè)30 m至右側(cè) 20 m 范圍內(nèi)的坡面上部危巖落石采用張口式簾式網(wǎng)，簾式網(wǎng)最大防護粒徑1.5 m，防護能級 2 000 kJ，簾式網(wǎng)防護頂標(biāo)高886～900 m，防護底部標(biāo)高630～637 m，網(wǎng)設(shè)置具體位置根據(jù)現(xiàn)場地勢適當(dāng)調(diào)整，張口式簾式網(wǎng)防護寬度50 m，防護高度約260 m。并對簾式網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的孤危石進行打刷，采用C25片石混凝土對危石進行零星嵌補及支撐。

防護網(wǎng)施工完成應(yīng)加強山體定期巡查及監(jiān)控，對于大于防護粒徑(1.5 m)及山體崩塌應(yīng)采取應(yīng)急避讓措施或清除措施。

3.2.4 被動防護網(wǎng)

為盡可能減輕危巖落石危害，在采用主動防護網(wǎng)處理后，再輔以被動防護網(wǎng)阻攔底部落石。在橫洞中線左側(cè)37 m至右側(cè)33 m，在羅家山橫洞既有明洞頂坡腳處設(shè)置3道被動柔性防護網(wǎng)(防護能級750 kJ)，被動網(wǎng)基座標(biāo)高626～630 m及以上，防護實際寬度60 m，高6 m，用于攔截上部張口式簾式網(wǎng)未能防護到的區(qū)域的落石。

施工及運營期間加強橫洞口巡邏，定期檢查防護網(wǎng)，進行更換并及時清理防護網(wǎng)攔截的落石，確保施工及運營安全。

4 結(jié)論

本文基于地質(zhì)勘察資料，通過理論分析、三維掃描、落石軌跡模擬等，得到以下主要結(jié)論：

(1)根據(jù)羅家山隧道橫洞口坡面危巖落石發(fā)育特征，該區(qū)域危巖落石對工程施工及運營影響巨大，必須采用適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

(2)通過軟件模擬落石軌跡可知，高陡邊坡高區(qū)危巖彈跳高度、沖擊能量及平移速度一般較大，落點一般距離坡腳較遠，防護措施設(shè)計時宜根據(jù)反復(fù)計算后的概率統(tǒng)計結(jié)果綜合考慮，并遵循安全、適用、經(jīng)濟、環(huán)保的原則。

(3)基于Rockfall軟件模擬結(jié)果所提出的“落石清除及場地搬遷+混凝土明洞+高強波紋板棚洞+張口式簾式主動防護網(wǎng)+被動防護網(wǎng)”組合防護措施，有效地減小了落石的安全威脅。