隧道洞口上方危巖崩塌塊石運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對(duì)隧道的危害

周廣強(qiáng) 王方昭 祝介旺

摘要：為揭示危巖崩塌塊石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對(duì)下方隧道洞口的危害，以都香高速昭通段樂紅隧道洞口高陡邊坡危巖區(qū)崩塌體為研究對(duì)象，運(yùn)用理論計(jì)算與Rockfall數(shù)值計(jì)算2種形式對(duì)危巖區(qū)崩塌體失穩(wěn)后塊石的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，運(yùn)用Abaqus有限元軟件模擬不同初速度、不同沖擊落點(diǎn)下塊石沖擊隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，揭示不同因素對(duì)塊石沖擊隧道結(jié)構(gòu)的影響程度。結(jié)果顯示：理論計(jì)算與Rockfall數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合，崩塌塊石經(jīng)墜落、碰撞、滾動(dòng)最終會(huì)與隧道引洞段上表面發(fā)生碰撞;與沖擊落點(diǎn)相比，塊石初速度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性影響更大;塊石沖擊落點(diǎn)位于隧道圓拱圓心正上方位置時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的損傷最大;不同沖擊落點(diǎn)對(duì)碰撞回彈后塊石的速度影響不大。

關(guān)鍵詞：崩塌;塊石;沖擊;位移;速度;運(yùn)動(dòng)特征;動(dòng)力響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TP391.99;TU457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2021）03-0031-07

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.006

Abstract：To?study?the?movement?law?of?dangerous?rock?collapse?block?and?its?damage?to?the?tunnel?portal?below，?taking?the?collapse?block?in?the?dangerous?rock?area?of?the?high?and?steep?slope?above?the?entrance?of?Lehong?tunnel?in?Zhaotong?section?of?Duxiang?expressway?as?the?research?object，?two?forms?of?theoretical?calculation?and?Rockfall?numerical?calculation?are?used?to?predict?the?movement?characteristics?of?rock?collapse?blocks?after?mass?instability?in?dangerous?rock?area.?The?dynamic?response?of?rock?block?impacting?on?tunnel?structure?with?different?initial?velocities?and?impact?points?are?simulated?by?Abaqus?finite?element?software，?and?then?the?influence?of?different?factors?on?the?performance?of?rock?block?impacting?on?tunnel?structure?is?revealed.?The?theoretical?calculation?results?is?consistent?with?the?Rockfall?numerical?calculation?results，?and?the?collapse?block?will?eventually?collide?with?the?upper?surface?of?the?tunnel?approach?section?after?falling，?collision?and?rolling.?Compared?with?the?impact?point，?the?initial?volocity?of?rock?block?has?a?greater?influence?on?the?dynamic?response?characteristics?of?tunnel?structure.?While?the?impact?point?of?collapse?block?is?located?directly?above?the?center?of?the?tunnel?arch，?the?damage?to?the?tunnel?structure?is?the?largest.?The?velocity?of?collapse?block?after?impact?rebound?changes?little?with?the?different?impact?points.

Key?words：collapse;block;impact;displacement;velocity;movement?characteristics;dynamic?response

0?引?言

危巖崩塌災(zāi)害是山區(qū)常見的重要地質(zhì)災(zāi)害之一，其隨機(jī)性大、發(fā)生頻率高、分布面廣，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)山區(qū)公路、隧道、建筑、人員等經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成很大威脅。由于崩塌災(zāi)害的復(fù)雜性和不確定性，崩塌的研究成果也比較分散。

國(guó)內(nèi)對(duì)危巖崩塌運(yùn)動(dòng)的研究雖然起步較晚，但在理論方面也取得一定的成果。張路青等[1-2]研究川藏公路滾石的發(fā)生頻率，并通過分析遭遇滾石的概率、承災(zāi)體的易損性，得到經(jīng)過不同滾石區(qū)時(shí)車輛和行人遇災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提出困難條件下滾石發(fā)生頻率的估計(jì)方法;陳洪凱等[3]依據(jù)危巖整治的經(jīng)驗(yàn)，將危巖失穩(wěn)崩塌模式劃分為墜落式、傾倒式和滑塌式3種類型;何思明等[4]根據(jù)接觸理論，在材料的彈塑性特性的基礎(chǔ)上，提出滾石法向碰撞恢復(fù)因數(shù)和切向碰撞恢復(fù)因數(shù)的具體計(jì)算公式;黃潤(rùn)秋等[5]選取不同形狀和質(zhì)量的石塊在同一坡面上進(jìn)行落石試驗(yàn)，得出石塊的形狀、質(zhì)量及坡面狀況對(duì)落石運(yùn)動(dòng)特征的影響;唐紅梅[6]運(yùn)用Rockfall軟件模擬崩塌落石的運(yùn)動(dòng)特征，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者較為接近;張曉科等[7]利用剛體極限平衡法和FLAC3D對(duì)危巖體在4種不同工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，并提出危巖防治措施;袁博等[8]運(yùn)用LS-DYNA動(dòng)力有限元軟件，模擬在滾石沖擊最不利工況下棚洞結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后的動(dòng)力響應(yīng);楊璐等[9]運(yùn)用Abaqus有限元軟件模擬不同速度和沖擊角度下滾石沖擊載荷對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)?，F(xiàn)有的危巖崩塌運(yùn)動(dòng)研究成果大多為理論研究，鮮有與實(shí)際工程相結(jié)合，而且研究的受影響工程結(jié)構(gòu)形式大多為棚洞或橋梁結(jié)構(gòu)，少有隧道結(jié)構(gòu)。

本文以都香高速昭通段樂紅隧道洞口高陡邊坡危巖區(qū)崩塌體為研究對(duì)象，采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬對(duì)比的方法對(duì)其崩塌后的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，揭示該危巖區(qū)崩塌塊石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用Abaqus有限元模擬的方式，對(duì)崩塌塊石沖擊接引隧道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行模擬，通過設(shè)置不同工況，揭示不同因素對(duì)塊石沖擊隧道結(jié)構(gòu)的影響程度。

1?工程概況

樂紅隧道位于云南省昭通市魯?shù)榭h樂紅鄉(xiāng)，是都香高速的控制性工程，隧道全長(zhǎng)9?757?m，本文研究對(duì)象是都香高速樂紅方向的隧道進(jìn)口高陡邊坡危巖區(qū)崩塌體。研究區(qū)屬高山峽谷地貌，地勢(shì)總體東高西低。隧道進(jìn)口位于西側(cè)山體坡底，危巖區(qū)主要分布于西側(cè)山體上部，山頂高程1?565?m，隧道進(jìn)口上端高程1?350?m，高差215?m。危巖所處山體總體地形為“上陡下緩”，上部為基巖出露的陡崖，下部為坡度較緩的斜坡。上部陡崖出露基巖巖性為灰?guī)r，植被茂盛。斜坡表面整體覆蓋碎石土、塊石土等堆積物，植被茂盛，底部巖性由上而下依次為灰?guī)r、灰?guī)r夾泥灰?guī)r和泥灰?guī)r。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)資料收集與調(diào)查，確定10余處危巖區(qū)，主要分布高程為1?410～1?564?m，相對(duì)隧道進(jìn)口處高差為70～224?m，屬高位、特高位危巖。本文選取典型危巖區(qū)A崩塌體作為研究對(duì)象，危巖區(qū)A地形地貌及典型危巖區(qū)位置見圖1，危巖區(qū)A地形剖面見圖2。

危巖區(qū)A分布高程為1?510～1?517?m，相對(duì)隧道進(jìn)口處高差為160～167?m，屬于特高位危巖區(qū)。危巖區(qū)平面面積為10?m2，整體體積為66?m3，屬中型規(guī)模危巖區(qū)。出露巖性為灰?guī)r，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙填充物較少，主要為巖屑和泥土。巖體結(jié)構(gòu)為塊狀結(jié)構(gòu)。危巖區(qū)發(fā)育有3組節(jié)理，該危巖體受層面切割，底部臨空，且受重力卸荷作用影響。自然邊坡臨空面的傾角大于65°，且?guī)r體被結(jié)構(gòu)面切割后已經(jīng)形成不穩(wěn)定塊體，結(jié)構(gòu)面赤平投影圖見圖3。結(jié)構(gòu)面的交點(diǎn)M2、M3與自然邊坡臨空面在同側(cè)，即控崩結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與坡面臨空面傾向一致，但傾角小于坡角，易發(fā)生墜落式崩塌[10]。

2?危巖區(qū)崩塌塊石運(yùn)動(dòng)過程分析

為分析危巖區(qū)崩塌塊石對(duì)隧道工程造成的沖擊響應(yīng)，對(duì)崩塌塊石的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到塊石運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)特征。通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬對(duì)比，揭示崩塌塊石運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.1?理論計(jì)算

根據(jù)唐紅梅等[11]和呂慶等[12]對(duì)危巖區(qū)崩塌塊石運(yùn)動(dòng)路徑理論分析的研究，對(duì)危巖區(qū)A的崩塌塊石運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行理論計(jì)算。各坡段坡面角度及恢復(fù)因數(shù)[13]取值見圖4，其中Rn為法向恢復(fù)因數(shù)，Rt為切向恢復(fù)因數(shù)。

2.1.1?初始運(yùn)動(dòng)階段

危巖區(qū)A屬墜落式危巖，失穩(wěn)后垂直落下，只受自身重力作用。加速度取9.81?m/s2，初始速度為0，則塊石墜落軌跡方程為

式中：u為塊石的速度，m/s;g為重力加速度，m/s2;t為時(shí)間，s;H為墜落高度，m。

2.1.2?碰撞階段

運(yùn)動(dòng)的崩塌塊石與斜坡發(fā)生碰撞，塊體的速度方向與碰撞接觸點(diǎn)的法線方向不一致，因此需要將塊石的速度分解為坡面的法線和切線方向，

式中：uf為塊石速度的法向分量，m/s;uq為塊石速度的切向分量，m/s;u1x為塊體初始水平方向速度，m/s;u1y為塊體初始豎直方向速度，m/s;α為坡面角度，（°）。

崩塌塊石與坡面碰撞后的速度損失，由法向恢復(fù)因數(shù)Rn和切向恢復(fù)因數(shù)Rt確定?；謴?fù)因數(shù)能夠反映塊石的碰撞行為，不同坡面墊層的恢復(fù)因數(shù)取值不同。本文根據(jù)唐紅梅等[13]總結(jié)的恢復(fù)因數(shù)取值表取值，具體見圖4。

塊石與坡面碰撞后，將崩塌塊石的速度分解到水平方向和豎直方向上，

式中：u2x為塊體碰撞后水平方向速度，m/s;u2y為塊體碰撞后豎直方向速度，m/s。

此時(shí)，若崩塌塊石在坡面法線方向上的速度分量不為0，則塊石做斜拋運(yùn)動(dòng)。假設(shè)塊石在水平方向上不受空氣阻力，豎直方向上只受自身重力作用，則塊石運(yùn)動(dòng)路徑為拋物線。

2.1.3?滾動(dòng)階段

當(dāng)崩塌塊石與坡面碰撞后，塊石在坡面法線方向上的速度分量為0，塊石不會(huì)進(jìn)行斜拋運(yùn)動(dòng)，而是將沿著坡面發(fā)生滾動(dòng)。當(dāng)塊石發(fā)生滾動(dòng)時(shí)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論可得塊石的加速度

式中：a為塊體加速度，m/s2;k為阻力特性因數(shù)。

2.2?數(shù)值計(jì)算

采用Rockfall數(shù)值模擬軟件，對(duì)危巖區(qū)崩塌塊石的運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析。影響塊石運(yùn)動(dòng)的因素眾多且復(fù)雜多變，因此Rockfall軟件有以下假定：（1）將斜坡坡面簡(jiǎn)化成折線，忽略坡面細(xì)微因素的影響;（2）將塊石簡(jiǎn)化為剛性球體，忽略碰撞、滾動(dòng)過程中的表面損傷;（3）忽略塊石的形狀影響;（4）忽略空氣阻力對(duì)塊石的影響。

塊石運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬步驟為：（1）在Rockfall軟件中按實(shí)際情況建立坡體形狀;（2）根據(jù)坡面的情況，選取切向恢復(fù)因數(shù)、法向恢復(fù)因數(shù)、動(dòng)摩擦因數(shù)，設(shè)置材料屬性（各因數(shù)和材料屬性的選取與理論計(jì)算相同）;（3）將材料屬性賦予每一個(gè)坡面;（4）設(shè)置危巖區(qū)崩塌塊石位置，設(shè)置隨機(jī)崩塌塊石數(shù)為20個(gè);（5）進(jìn)行模型計(jì)算和分析。

2.3?結(jié)果對(duì)比

2.3.1?運(yùn)動(dòng)軌跡

危巖區(qū)崩塌塊石的理論運(yùn)動(dòng)軌跡與模擬運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比見圖5。

（1）崩塌塊石從起崩點(diǎn)自由落體到A點(diǎn)，在A點(diǎn)與坡體發(fā)生碰撞，彈跳至BC段內(nèi)再次發(fā)生碰撞，繼而沿BC段坡面滾動(dòng)到C點(diǎn)。此階段內(nèi)的理論計(jì)算路徑與模擬計(jì)算路徑基本一致。

（2）塊石在C點(diǎn)與坡體發(fā)生碰撞，彈跳一段距離后沿坡面滾動(dòng)至D點(diǎn)。此階段內(nèi)的理論計(jì)算路徑與模擬計(jì)算路徑略有不同，理論計(jì)算所得塊石彈跳距離略大。

（3）塊石在DE段內(nèi)發(fā)生碰撞后，運(yùn)動(dòng)至E點(diǎn)。此階段，理論計(jì)算路徑所得塊石發(fā)生2次碰撞后到達(dá)E點(diǎn)，而模擬運(yùn)動(dòng)軌跡顯示塊石為1次碰撞后到達(dá)E點(diǎn)。

（4）塊石在E點(diǎn)與坡面發(fā)生碰撞后，彈跳至隧道進(jìn)口上端。此階段內(nèi)理論計(jì)算路徑與模擬計(jì)算路徑相似，但模擬計(jì)算所得塊石彈跳高度及彈跳距離略大。

總體上來看，理論運(yùn)動(dòng)軌跡與模擬運(yùn)動(dòng)軌跡基本吻合，個(gè)別階段內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡略有不同。崩塌塊石第一次與隧道進(jìn)口上端接觸時(shí)，2種計(jì)算路徑位置有所不同。理論計(jì)算結(jié)果顯示塊石第一次與隧道進(jìn)口上端接觸位置為從左側(cè)起2?m處，模擬計(jì)算結(jié)果顯示塊石第一次與隧道進(jìn)口上端接觸位置為從左側(cè)起2～8?m處。

2.3.2?平移速度

選取A～G以及隧道洞口上端從左側(cè)起2、5、8?m共10個(gè)點(diǎn)，對(duì)比理論計(jì)算與模擬計(jì)算得到的崩塌塊石平移速度。后3個(gè)點(diǎn)取塊石與隧道洞口上端第一次接觸時(shí)的平移速度，模擬計(jì)算結(jié)果取平均值，結(jié)果見表1。

（1）A～G點(diǎn)理論計(jì)算與模擬計(jì)算結(jié)果基本一致，模擬計(jì)算結(jié)果略偏大。

（2）隧道洞口上端從左側(cè)起2?m處，理論計(jì)算軌跡顯示崩塌塊石與隧道洞口上端第一次接觸時(shí)塊石的平移速度為18.01?m/s，而模擬計(jì)算軌跡顯示15%塊石與隧道洞口上端第一次接觸，接觸時(shí)塊石的平移速度平均值為16.77?m/s。

（3）隧道洞口上端從左側(cè)起5?m處，理論計(jì)算結(jié)果可忽略不計(jì)，模擬計(jì)算軌跡顯示20%塊石與隧道洞口上端第一次接觸，接觸時(shí)塊石的平移速度平均值為18.24?m/s。

（4）隧道洞口上端從左側(cè)起8?m處，理論計(jì)算可忽略不計(jì)，模擬計(jì)算軌跡顯示5%塊石與隧道洞口上端第一次接觸，接觸時(shí)塊石的平移速度平均值為20.03?m/s。

3?沖擊響應(yīng)數(shù)值模擬

為研究崩塌塊石對(duì)隧道洞口上端的沖擊響應(yīng)，采用Abaqus有限元軟件進(jìn)行模擬。為得到塊石沖擊對(duì)隧道的最不利影響，模型參數(shù)、載荷參數(shù)等均按最不利條件取值。

3.1?有限元模型

縱向長(zhǎng)度前15.0?m的隧道洞口裸露在外，上端沒有回填土、堆積物等墊層覆蓋，因此有限元模型取15.0?m長(zhǎng)度。隧道立面尺寸為上端31.0?m，下端39.5?m，高度22.0?m，圓拱高度14.5?m、寬度22.0?m。由于崩塌塊石的形狀尺寸較為復(fù)雜又各不相同，難以完全按實(shí)際情況建模，為簡(jiǎn)化模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察測(cè)量坡面堆積塊體的尺寸，將塊石模型設(shè)置為半徑1?m的剛性球體R1。隧道采用C3D8R單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，局部加密;崩塌塊體采用C3D4單元類型進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維應(yīng)力分析。為更好分析崩塌塊體對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，在隧道圓拱P點(diǎn)處建立參考點(diǎn)，見圖6。

3.1.1?材料參數(shù)與本構(gòu)關(guān)系

崩塌塊石采用剛體模型，忽略運(yùn)動(dòng)和撞擊過程中的變形，塊石密度為2?500?kg/m3，彈性模量為5?000?MPa，泊松比為0.45。隧道材料混凝土等級(jí)為C30，鋼筋為HRB335，為簡(jiǎn)化模型，采用混凝土塑性損傷模型對(duì)隧道進(jìn)行等效計(jì)算，混凝土密度取2?500?kg/m3，泊松比取0.20，彈性模量取34?500?MPa。

3.1.2?其他設(shè)置

（1）相互作用與約束。崩塌塊石與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用采用表面與表面接觸。將崩塌塊石設(shè)置為剛體約束，在塊石圓心設(shè)置參考點(diǎn)，在分析開始時(shí)將參考點(diǎn)調(diào)整至質(zhì)心。

（2）邊界條件與預(yù)定義場(chǎng)。將隧道底面的所有節(jié)點(diǎn)施加全約束，允許位移與轉(zhuǎn)角值均為0。將崩塌塊石設(shè)置于隧道上表面0.1?m高度處，在預(yù)定義場(chǎng)中給予塊石初速度。

（3）工況設(shè)置。根據(jù)塊石沖擊點(diǎn)位置，設(shè)置隧道上端從左側(cè)起2、8、14、20和26?m等5種工況，塊石初速度設(shè)置20和30?m/s等2種工況，初速度方向?yàn)閥方向。

3.2?結(jié)果分析

3.2.1?不同沖擊落點(diǎn)影響

當(dāng)塊石初速度為20?m/s時(shí)，在不同塊石落點(diǎn)工況下，隧道表面接觸點(diǎn)的位移曲線見圖7。在塊石沖擊階段，隧道表面接觸點(diǎn)的位移急劇增大;在塊石回彈階段，接觸點(diǎn)經(jīng)歷彈性恢復(fù)后進(jìn)入塑性狀態(tài)，位移值趨于平衡。沖擊落點(diǎn)從隧道上端左側(cè)向右側(cè)逐漸移動(dòng)，最終平衡時(shí)接觸點(diǎn)的位移值逐漸增大，但增幅較小。最終平衡時(shí)接觸點(diǎn)的位移最大值為0.015?m，此時(shí)的沖擊落點(diǎn)是20?m處。分析其原因，受隧道整體結(jié)構(gòu)的影響，隧道圓拱的圓心正上方位置即為20?m處，此處結(jié)構(gòu)抗沖擊性能略顯薄弱?？傮w而言，接觸點(diǎn)位移受不同沖擊落點(diǎn)的影響不大。

當(dāng)塊石初速度為20?m/s時(shí)，在不同沖擊落點(diǎn)工況下，P點(diǎn)位移曲線見圖8。P點(diǎn)位移曲線成波浪狀，且隨時(shí)間變化循環(huán)往復(fù)，但幅度逐漸減小。從波動(dòng)幅度來看，位移最大值依次為落點(diǎn)2、8、26、14和20?m工況，其中落點(diǎn)為14?m工況與20?m工況的幅度大小差別不大。位移最大值是沖擊落點(diǎn)為20?m工況時(shí)的0.000?41?m。

當(dāng)塊石初速度20?m/s時(shí)，不同沖擊落點(diǎn)工況下塊石x方向速度曲線見圖9。塊石在0.005?s時(shí)與隧道上表面接觸，0.010?s到達(dá)最低點(diǎn)，然后發(fā)生回彈，回彈過程中與彈坑邊緣有輕微摩擦，最后脫離彈坑。塊石沖擊落點(diǎn)自隧道上端左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)時(shí)，塊石x方向速度隨之增大。其原因是回彈速度受塊石與隧道碰撞后回彈恢復(fù)因數(shù)的影響。總體而言，塊石與隧道表面發(fā)生碰撞后，x方向速度增幅不大，最大值是落點(diǎn)為26?m處時(shí)的0.20?m/s，最小值是落點(diǎn)為2?m處時(shí)的0.11?m/s;在不同落點(diǎn)工況下塊石x方向速度差距不大，最大差值僅為0.09?m/s。

在不同落點(diǎn)工況下，塊石以20?m/s初速度沖擊隧道上表面時(shí)，塊石y方向速度曲線見圖10。塊石與隧道上表面碰撞后，y方向速度急劇減小至0，之后發(fā)生回彈，速度方向發(fā)生改變，在與彈坑邊緣有輕微摩擦后脫離彈坑。由于未設(shè)置重力作用，脫離彈坑后，落石y方向速度趨于平衡。在沖擊落點(diǎn)為2?m工況下，塊石y方向速度趨于平衡時(shí)為13.46?m/s;在沖擊落點(diǎn)為8?m工況下，塊石y方向速度趨于平衡時(shí)為13.60?m/s;在沖擊落點(diǎn)為14?m工況下，塊石y方向速度趨于平衡時(shí)為13.34?m/s;在沖擊落點(diǎn)為20?m工況下，塊石y方向速度趨于平衡時(shí)為13.21?m/s;在沖擊落點(diǎn)為26?m工況下，塊石y方向速度趨于平衡時(shí)為13.00?m/s?？傮w而言，塊石y方向速度受落點(diǎn)位置影響不大。

3.2.2?不同初速度影響

在塊石沖擊落點(diǎn)2?m工況下，取不同塊石初速度，隧道表面接觸點(diǎn)的位移曲線見圖11。在塊石沖擊階段，隧道表面接觸點(diǎn)位移急劇增大，在塊石回彈階段，隧道表面接觸點(diǎn)經(jīng)歷彈性恢復(fù)后進(jìn)入塑性狀態(tài)，位移值趨于平衡。塊石初速度為20?m/s時(shí)，接觸點(diǎn)位移由0快速增大到0.047?m，后恢復(fù)至0.013?m趨于平衡。塊石初速度為30?m/s時(shí)，接觸點(diǎn)位移由0快速增大到0.055?m，后恢復(fù)至0.018?m趨于平衡。與沖擊落點(diǎn)位置相比，隧道表面接觸點(diǎn)位移受初速度的影響較大：初速度越大，碰撞后的接觸點(diǎn)位移越大。

在塊石沖擊落點(diǎn)為2?m工況下，取不同塊石初速度，P點(diǎn)位移曲線見圖12。P點(diǎn)位移曲線成波浪形狀，隨時(shí)間變化不斷變化，從波動(dòng)幅度來看，初速度20?m/s時(shí)的最大位移小于初速度30?m/s時(shí)的位移。初速度為20?m/s時(shí)的最大位移值為0.000?11?m，初速度為30?m/s時(shí)的最大位移值為0.000?29?m，可知P點(diǎn)位移受初速度的影響較大。

在塊石落點(diǎn)為2?m工況下，取不同塊石初速度，塊石回彈x方向速度曲線見圖13。當(dāng)塊石初速度為20?m/s時(shí)，塊石回彈x方向速度先由0快速增至0.10?m/s，后緩慢增至0.11?m/s趨于平衡。塊石初速度為30?m/s時(shí)，塊石回彈x方向速度先由0快速增至0.36?m/s，后緩慢增至0.37?m/s趨于平衡。塊石回彈x方向速度受初速度影響較大，塊石初速度越大，碰撞回彈后塊石的x方向速度越大。

在塊石沖擊落點(diǎn)為2?m工況下，取不同塊石初速度，塊石回彈y方向速度曲線見圖14。塊石初速度20?m/s時(shí)，塊石y方向速度在塊石與隧道表面碰撞后驟減至0，之后塊石回彈，y方向速度增至4.50?m/s，最終塊石脫離彈坑時(shí)y方向速度為13.46?m/s。塊石初速度30?m/s時(shí)，塊石y方向速度在塊石與隧道表面碰撞后驟減至0，之后塊石回彈，y方向速度增至17.51?m/s，最終塊石脫離彈坑時(shí)y方向速度為19.42?m/s。與沖擊落點(diǎn)位置相比，塊石y方向速度受初速度的影響較大，初速度越大，碰撞回彈后的塊石y方向速度越大。

4?結(jié)?論

以都香高速昭通段樂紅隧道洞口高陡邊坡危巖區(qū)A崩塌體為研究對(duì)象，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)比的方法對(duì)其崩塌后的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，揭示該邊坡崩塌體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;采用Abaqus有限元軟件模擬崩塌塊石沖擊隧道的動(dòng)力響應(yīng)，揭示不同因素對(duì)塊石沖擊隧道的影響程度，結(jié)論如下。

（1）理論計(jì)算與Rockfall數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比顯示，兩者得到的危巖失穩(wěn)崩塌后的運(yùn)動(dòng)特征基本吻合，崩塌塊石最終會(huì)與隧道上表面發(fā)生碰撞，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響。

（2）有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，塊石初速度對(duì)沖擊的動(dòng)力響應(yīng)影響較大：塊石初速度越大，碰撞回彈后的速度越大，隧道結(jié)構(gòu)的損傷越嚴(yán)重。塊石沖擊落點(diǎn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)也有一定的影響：與其他落點(diǎn)相比，當(dāng)落點(diǎn)位于隧道圓拱圓心正上方位置時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的損傷略大。不同落點(diǎn)對(duì)碰撞回彈后塊石的速度影響不大。

針對(duì)危巖區(qū)崩塌失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)有必要對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)加固處理，或在崩塌運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置防護(hù)網(wǎng)、格構(gòu)梁等被動(dòng)防護(hù)結(jié)構(gòu)，避免崩塌塊石對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響。針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)上表面，建議鋪設(shè)碎石土層、橡膠墊層等緩沖墊層，且隧道圓拱上方的表面應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]?張路青，?楊志法.?公路沿線遭遇滾石的風(fēng)險(xiǎn)分析：案例研究[J].?巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，?2004，?23（21）：3700-3708.

[2]?張路青，?楊志法，?張英俊.?公路沿線遭遇滾石的風(fēng)險(xiǎn)分析：方法研究[J].?巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，?2005，?24（S2）：5543-5548.

[3]?陳洪凱，?歐陽(yáng)仲春，?廖世榮.?三峽庫(kù)區(qū)危巖綜合治理技術(shù)及應(yīng)用[J].?地下空間，?2002，?22（2）：97-101.?DOI：10.3969/j.issn.1673-0836.2002.02.001.

[4]?何思明，?吳永，?李新坡.?滾石沖擊碰撞恢復(fù)系數(shù)研究[J].?巖土力學(xué)，?2009，?30（3）：623-627.

[5]?黃潤(rùn)秋，?劉衛(wèi)華，?周江平，?等.?滾石運(yùn)動(dòng)特征試驗(yàn)研究[J].?巖土工程學(xué)報(bào)，?2007，?29（9）：1296-1302.?DOI：10.3321/j.issn：1000-4548.2007.09.003.

[6]?唐紅梅.?群發(fā)性崩塌災(zāi)害形成機(jī)制與減災(zāi)技術(shù)[D].?重慶：重慶大學(xué)，?2011.

[7]?張曉科，?秦四清，?李志剛，?等.?西龍池抽水蓄能電站下水庫(kù)BW2危巖穩(wěn)定性分析[J].?工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，?2007，?15（2）：174-178.?DOI：10.3969/j.issn.1004-9665.2007.02.006.

[8]?袁博，?祝介旺.?滾石沖擊下棚洞破壞動(dòng)力響應(yīng)分析及改進(jìn)對(duì)策：以川藏公路（安久拉山南麓）門式棚洞為例[J].?水文地質(zhì)工程地質(zhì)，?2019，?46（6）：57-66.?DOI：10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2019.06.08.

[9]?楊璐，?李士民，?吳智敏，?等.?滾石對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力分析[J].?交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，?2012，?12（1）：25-30.?DOI：10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.01.005.

[10]?王孝健，?蘇生瑞，?成良霞.?汶川地震區(qū)映秀—臥龍公路邊坡崩塌類型的赤平投影解法[J].?中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，?2012，?23（1）：48-54.

[11]?唐紅梅，?易朋瑩.?危巖落石運(yùn)動(dòng)路徑研究[J].?重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，?2003，?25（1）：17-23.?DOI：10.3969/j.issn.1674-4764.2003.01.004.

[12]?呂慶，?孫紅月，?翟三扣，?等.?邊坡滾石運(yùn)動(dòng)的計(jì)算模型[J].?自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，?2003，?12（2）：79-84.?DOI：10.3969/j.issn.1004-4574.2003.02.014.

[13]?唐紅梅，?李陽(yáng)，?王林峰.?三峽庫(kù)區(qū)陡高邊坡落石運(yùn)動(dòng)特性數(shù)值模擬分析[J].?重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），?2019，?36（4）：49-54.?DOI：10.11721/cqnuj20190411.

（編輯?武曉英）