汶馬高速桑坪隧道進(jìn)口危巖落石防治措施研究

李兵，劉峰，馬洪生，張磊

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都610041）

1 引言

危巖落石是我國(guó)比較常見的地質(zhì)災(zāi)害，是山區(qū)三大地質(zhì)災(zāi)害之一[1，2]。對(duì)公路、鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)的危害是巨大的，同樣，這也一直是我國(guó)山地開發(fā)建設(shè)的重要制約因素[3]。隨著我國(guó)工程建設(shè)的快速發(fā)展，崩塌災(zāi)害在我國(guó)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)[4]。由于危巖落石災(zāi)害分布較為零散，不連續(xù)，爆發(fā)隨機(jī)性強(qiáng)，導(dǎo)致目前并沒有很好的方式方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)查，也很難得到較為準(zhǔn)確的災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。但其造成的損失卻不遜于滑坡、泥石流等災(zāi)害。例如，2007年6月10日,重慶市萬(wàn)州區(qū)一輛客車被從山上滾落下來(lái)的一塊僅1m3的落石砸中,造成7死12傷的事故。2010年3月10日1時(shí)30分，陜西子洲縣雙湖峪鎮(zhèn)石溝村發(fā)生黃土崩塌災(zāi)害，崩塌體積約8.9 ×104m3，造成27人死亡，等等[5]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2020年上半年，我國(guó)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害1 747起，造成直接經(jīng)濟(jì)損失10.1 億元，其中，崩塌災(zāi)害有678起[6，7]。危巖落石的防治一直都是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)目前很多工程路段橋梁與隧道洞口直接相連，導(dǎo)致經(jīng)常有危巖落石落至隧道洞口及橋面上，嚴(yán)重威脅著行車和工程結(jié)構(gòu)安全。

2 危巖特征分析

汶馬高速桑坪隧道進(jìn)口在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境作用下，形成了多種類型的崩塌危巖（見圖1），按其破壞模式可以分為傾倒式、滑移式、墜落式以及滾落式。通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查以及無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行危巖體定位，桑坪隧道口邊坡共有59塊危巖體。研究區(qū)危巖體數(shù)量最多的類型為墜落式危巖體，占總量的45.8 %，滑移式、傾倒式、滾落式危巖體數(shù)量分別占總量的23.7 %、20.0 %和8.5 %。研究區(qū)巖性主要為絹云母千枚巖，河谷下蝕速度快，卸荷強(qiáng)烈，因此，容易形成高陡斜坡，加之差異風(fēng)化、地震、人類工程開挖的作用，邊坡凹腔發(fā)育，因此，墜落式危巖體在研究區(qū)發(fā)育最為廣泛。

圖1 桑坪隧道進(jìn)口危巖照片

3 危巖體運(yùn)動(dòng)軌跡和危害范圍分析

落石運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)能量的研究方法主要有歷史落石事件調(diào)查、落石實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬[8]。由于危巖體所在位置地質(zhì)條件較為惡劣，山高坡陡，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行落石試驗(yàn)，同時(shí)，此地區(qū)歷史落石資料并不充足，所以，本文通過(guò)ArcGIS軟件對(duì)DSM（數(shù)字地表模型）進(jìn)行切割得到真實(shí)地形剖面，使用RockFall軟件對(duì)危巖體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬。根據(jù)危巖體的分布位置，選擇了26個(gè)剖面模擬危巖體可能的運(yùn)動(dòng)軌跡及沖擊能量。根據(jù)危巖體運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果并結(jié)合落石的威脅程度分析規(guī)劃出危險(xiǎn)區(qū)域，并將其分為危險(xiǎn)區(qū)域、較危險(xiǎn)區(qū)域以及一般危險(xiǎn)區(qū)域3級(jí)（見圖2）。根據(jù)分析結(jié)果，可判定隧道進(jìn)口仰坡至第一跨橋梁路段約60m長(zhǎng)范圍處于危險(xiǎn)區(qū)域。

4 防治措施研究

4.1 防治措施

經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐及研究，目前危巖防治技術(shù)措施主要可以分為主動(dòng)防護(hù)技術(shù)體系以及被動(dòng)防護(hù)技術(shù)體系兩大類。其中，主動(dòng)防護(hù)技術(shù)主要是通過(guò)提高危巖體及邊坡的穩(wěn)定性來(lái)降低其崩落的可能性，具體包括錨固工程、主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、支撐等多種措施。而被動(dòng)防護(hù)技術(shù)則是在假設(shè)危巖落石發(fā)生崩落時(shí)，能夠?yàn)槲r落石威脅的對(duì)象提供一個(gè)防護(hù)措施，具體包括明洞結(jié)構(gòu)、落石槽以及被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等多種措施。

圖2 危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)劃分圖

由于桑坪隧道洞口邊仰坡高陡，巖體風(fēng)化破碎，危巖發(fā)育，常規(guī)的危巖主動(dòng)加固與被動(dòng)防護(hù)措施造價(jià)高、處治難度大、工期長(zhǎng)、長(zhǎng)期效果差。本文提出一種適用于復(fù)雜山區(qū)的橋隧連接結(jié)構(gòu)，包括防落石高填明洞和與其連通的常規(guī)明洞，常規(guī)明洞連通隧道暗洞，防落石高填明洞從下向上依次設(shè)置有樁基、承臺(tái)、擋土墻和回填土方，回填土方設(shè)置于擋土墻和基巖之間，防落石明洞設(shè)置于回填土方上，橋基與橫向擋土墻分開設(shè)置，橋臺(tái)的路面標(biāo)高與常規(guī)明洞的路面標(biāo)高平齊，通過(guò)防落石高填明洞來(lái)保護(hù)隧道口的安全。

為了增強(qiáng)明洞的防護(hù)能力，在擋土墻上設(shè)有側(cè)墻，側(cè)墻設(shè)置在防落石高填明洞的一側(cè)，并在側(cè)墻外側(cè)設(shè)有多個(gè)排水槽，頂部有格柵網(wǎng)。側(cè)墻與基巖之間設(shè)有路基回填料，其上設(shè)有緩沖層和隔水層。

上述技術(shù)方案在桑坪隧道口危巖防治效果明顯，相較于以往常規(guī)的治理方法，可以在保證抗沖擊能力和承載力的情況下減少工程造價(jià)。并且防落石高填明洞基礎(chǔ)和橋基分開設(shè)置，可以確保在不同沉降和地質(zhì)災(zāi)害的危害下，二者相互影響較小。

4.2 組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算

為了更加直觀地說(shuō)明這種橋隧連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)組合結(jié)構(gòu)兩級(jí)擋土墻的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)擋土墻材料以及周圍土體和隧道設(shè)置合理的參數(shù)，并對(duì)施工工序進(jìn)行模擬，評(píng)價(jià)擋土墻的穩(wěn)定性，并計(jì)算擋土墻的安全系數(shù)。由于桑坪隧道口距茂汶活動(dòng)性大斷裂約7 km，歷來(lái)地震活動(dòng)頻繁，屬?gòu)?qiáng)震區(qū)，所以，進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，選擇天然和地震2種工況。

4.2.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

以ZK56+440橫斷面作為計(jì)算對(duì)象，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，數(shù)值計(jì)算分析如圖3所示。計(jì)算斷面中從上至下依次為千枚巖、回填路基填料、人工填土、卵石土。桑坪隧道左線明洞位于回填路基填料層中，并設(shè)置二級(jí)擋土墻，第一級(jí)擋土墻高為10.43 m，第二級(jí)擋土墻高為14.0 m。其中，第一級(jí)擋土墻墻體材料為C20混凝土，第二級(jí)墻體材料為C20片石混凝土。擋土墻下設(shè)置3m高的C30鋼筋混凝土承臺(tái)，承臺(tái)下為樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)28m。模型采用中等的網(wǎng)格密度以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)樁基承臺(tái)、擋墻及隧道結(jié)構(gòu)等進(jìn)行局部加密，并對(duì)結(jié)構(gòu)附近的巖土體進(jìn)行適當(dāng)加密，網(wǎng)格劃分過(guò)程中自動(dòng)考慮土層、結(jié)構(gòu)、荷載及邊界條件。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型圖

4.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用數(shù)值模擬，獲得了擋土墻后的土壓力分布，以及擋土墻截面的豎向沉降和應(yīng)力分布云圖，并對(duì)兩級(jí)擋土墻的安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)于樁和承臺(tái)結(jié)構(gòu)而言，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其位移和應(yīng)力結(jié)果基本無(wú)變化。對(duì)于C20片石混凝土擋墻，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其應(yīng)力結(jié)果基本無(wú)變化，相對(duì)而言，位移有較明顯的變化，尤其是水平位移。對(duì)于C20混凝土側(cè)墻，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其應(yīng)力位移結(jié)果有較明顯的變化。C20混凝土側(cè)墻的水平位移自上而下逐漸減小，擋墻上部水平位移最小，下部水平位移最大。對(duì)于明洞結(jié)構(gòu)，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其應(yīng)力位移結(jié)果無(wú)明顯變化。對(duì)于模型巖土體，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其應(yīng)力位移結(jié)果無(wú)明顯變化。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)已采取相應(yīng)措施，如在結(jié)構(gòu)連接處（應(yīng)力集中），增加這些連接處的強(qiáng)度；路基回填填料的最大豎向下沉位移達(dá)到56mm，設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制施工工序，采取小型機(jī)械分層碾壓，路堤上部鋪設(shè)土工格柵，仰拱回填C20混凝土墊層，以減小不均勻沉降的影響。

就C20混凝土側(cè)墻和C20片石混凝土擋土墻的抗傾覆安全系數(shù)、抗滑移安全系數(shù)、抗震時(shí)安全系數(shù)分別計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 組合結(jié)構(gòu)安全系數(shù)結(jié)果匯總表

5 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)公路大多橋梁與隧道洞口直接相連，導(dǎo)致經(jīng)常有危巖落石落至隧道洞口及橋面上，嚴(yán)重威脅行車和工程結(jié)構(gòu)安全。本文通過(guò)對(duì)汶馬高速桑坪隧道進(jìn)口危巖防治措施的研究，創(chuàng)新提出一種復(fù)雜山區(qū)橋隧連接結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了隧道洞口路段的抗沖擊能力，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。桑坪隧道出口危巖治理工程已經(jīng)施工完畢2年有余，運(yùn)營(yíng)良好，治理效果明顯。