巨型危巖體預(yù)加固研究

張治平，夏志雄，楊詩(shī)源，袁 坤

（1.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518063；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

危巖體是指受自身重力、地震、風(fēng)化、結(jié)構(gòu)面等作用的高陡邊坡或陡崖上的不穩(wěn)定巖體［1-2］。山區(qū)鐵路，特別是我國(guó)西部山區(qū)鐵路危巖體已經(jīng)成為威脅鐵路行車安全的主要地質(zhì)災(zāi)害之一［3］，而巨型危巖體（通常指體積超過(guò)10 000 m3的危巖體）由于所處位置高、體積巨大，對(duì)鐵路行車安全危害更大。一旦巨型危巖體發(fā)生崩塌，其沖擊能量足以使原有的防護(hù)措施失效，輕者造成鐵路行車中斷，重者導(dǎo)致列車傾覆或嚴(yán)重的人員傷害［4］。

據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，截至2020 年底，成都局集團(tuán)公司管轄范圍內(nèi)分布有危巖體的山坡共計(jì)2 588個(gè)，危巖體12 399 處。按照危巖體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，危巖體Ⅰ類70處，占0.6%；Ⅱ類7 287處，占58.8%；Ⅲ類5 042處，占40.6%。拉林鐵路現(xiàn)有危巖區(qū)33 處和隧道進(jìn)出口仰坡頂危巖體22處，按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，Ⅲ類危巖體共22處，占40%，Ⅳ類危巖體33處，占60%。高海拔鐵路某段沿線高位危巖體分布廣，大者易形成大（巨）型山體崩塌，小者易形成各種類型的高位落石；從目前調(diào)查統(tǒng)計(jì)的約230 余處危巖體情況來(lái)看，危巖體體積之大，危害之嚴(yán)重，整治之難度，工程風(fēng)險(xiǎn)之高，超出以往任何一條山區(qū)鐵路。

目前對(duì)危巖體的整治方法和手段有限，根據(jù)技術(shù)措施可分為2 類：主動(dòng)防護(hù)體系和被動(dòng)防護(hù)體系。主動(dòng)防護(hù)體系旨在提高危巖體的穩(wěn)定性，防止其發(fā)生崩塌，主要措施包含爆破清除、原位加固，原位加固措施包含錨固［5］、支頂、注漿、主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、導(dǎo)石網(wǎng)等［6-7］。被動(dòng)防護(hù)體系旨在設(shè)置防護(hù)結(jié)構(gòu)攔截和阻止落石破壞保護(hù)對(duì)象，主要措施包含棚洞［8］、攔石墻［9］、落石槽、柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)［10］等。

對(duì)于小型危巖體，上述2 種措施均可以實(shí)行，且由于被動(dòng)防護(hù)措施費(fèi)用低、工期短、施工受限少，成為小型危巖體整治的主要方法。但對(duì)于巨型危巖體，目前整治的方法只有2種，一是爆破清除，二是進(jìn)行原位錨固加固。在大多數(shù)情況下，因受危巖體下方既有鐵路線運(yùn)營(yíng)或其他建構(gòu)筑物的影響，爆破清除往往無(wú)法實(shí)施。隨著錨固技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的巨型危巖體采用原位錨固技術(shù)進(jìn)行加固。

由于大多數(shù)巨型危巖體已處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在自然力（如：大風(fēng)、暴雨和地震力）和施工荷載（如：錨固工程施工時(shí)的振動(dòng)沖擊、裂縫注漿體的壓力、附著在危巖體上的腳手架及施工平臺(tái)荷載等）的作用下極易誘發(fā)傾覆、錯(cuò)斷或滑移式崩塌，使得施工過(guò)程中的安全無(wú)法保證，從而導(dǎo)致災(zāi)害性事故發(fā)生或危巖體整治工程無(wú)法實(shí)施。目前對(duì)危巖體的預(yù)加固缺乏相關(guān)的研究，預(yù)加固措施有限，特別是巨型危巖體沒有預(yù)加固的工程先例。

本文以渝懷鐵路白馬隧道進(jìn)口仰坡上方的1#巨型危巖體為研究對(duì)象，基于現(xiàn)場(chǎng)勘察數(shù)據(jù)，結(jié)合離散元和極限平衡法，進(jìn)行巨型危巖體的預(yù)加固研究。成果可為危巖體加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 白馬隧道1#巨型危巖體

1.1 位置

白馬隧道1#巨型危巖體位于重慶武隆烏江邊上渝懷鐵路K158+837白馬隧道進(jìn)口仰坡上方的上部危巖區(qū)；上部危巖區(qū)呈近乎直立的陡壁山體，總高度約160 m，其最底部距離下方鐵路軌道的垂直高度達(dá)到190 m，如圖1所示。

圖1 白馬隧道進(jìn)口仰坡危巖體分布

1.2 形態(tài)和規(guī)模

1#巨型危巖體位于上部危巖區(qū)的右側(cè)下部，高陡近直立，背后大部分巖體已脫離母巖，已經(jīng)處于一個(gè)明顯向外傾倒的形態(tài)。危巖體最寬部位達(dá)72 m，高約77 m，可見表層平均厚度約4.4 m，潛在深層厚度更大。危巖體總方量經(jīng)測(cè)算約11 650 m3，屬于典型的高位巨型危巖體，其規(guī)模之大實(shí)屬國(guó)內(nèi)外罕見。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及航拍資料判斷：1#巨型危巖體大致分上下2層，分層位置在中間灌木相對(duì)茂密處。下層寬度約72 m，高度約26 m；上層底部寬度約36 m，頂部寬度約20 m，高度約51 m。危巖體的形狀呈現(xiàn)出下大上小，近似“靴子”形狀，如圖2所示。

圖2 1#巨型危巖體的原始形態(tài)

1.3 巖性及構(gòu)造

根據(jù)對(duì)1#巨型危巖體的勘察，巖體的巖性主要是灰?guī)r，其中夾雜著頁(yè)巖以及泥巖。

危巖體上層主要存在3 組結(jié)構(gòu)面，第1 組結(jié)構(gòu)面（J11）是與坡面近似平行的陡傾結(jié)構(gòu)面，傾向290°～310°，傾角84°～88°，依附此結(jié)構(gòu)面，巖體卸荷并逐漸松動(dòng)變形出現(xiàn)平行于坡面的后緣大裂縫；第2 組結(jié)構(gòu)面（J12）近似水平，結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀為331°∠3°；第3組結(jié)構(gòu)面（J13）近似垂直，產(chǎn)狀為32°∠87°。巖體被這3 組結(jié)構(gòu)面切割為類似矩形的破碎巖體。

危巖體底部存在緩傾結(jié)構(gòu)面①140°∠26°，壓性，含軟弱夾層，如圖3（a）；非貫通結(jié)構(gòu)面②310°∠44°，293°∠59°，如圖3（b）和（c）。下層危巖體與母體及底部①和②組結(jié)構(gòu)面的連接強(qiáng)度較低。

圖3 1#巨型危巖體底部主要結(jié)構(gòu)面

2 1#巨型危巖體危害性分析評(píng)價(jià)

2.1 裂縫和變形特征

通過(guò)近距離觀察1#巨型危巖體的后緣裂縫可以發(fā)現(xiàn)，由于受到節(jié)理組J11 的切割作用，導(dǎo)致危巖體后緣不斷張開，裂縫的傾角近乎垂直，裂縫張開寬度隨著危巖體的高度變化，自距離危巖底部48 m 處至77 m（危巖頂部）處，后緣裂縫的張開度由40 cm 擴(kuò)展至145 cm。此外，裂縫間存在著許多充填巖塊，這些巖塊已經(jīng)完全脫離母巖，被節(jié)理切割成不同大小的塊體。在危巖體右側(cè)裂縫中未存在較明顯的充填物質(zhì)。但在距離危巖體頂部約5 m的部位，有明顯的大塊巖石掉落，掉落巖石卡在危巖體與母巖之間，如圖4所示。初步判斷是由于危巖體初始階段的不斷變形，在向下錯(cuò)落（或向外傾倒）的過(guò)程中，逐漸在大石塊部位發(fā)生彎折，大石塊上部危巖體逐漸靠在后側(cè)母巖上。

圖4 1#巨型危巖體裂縫

由于危巖體的上層已經(jīng)脫離母巖，受較大后緣裂縫和3組主要結(jié)構(gòu)面的影響，且上下層分界位置上方巖體存在傾向臨空的結(jié)構(gòu)面，局部滲水現(xiàn)象明顯，如圖5所示。巖體擠壓錯(cuò)動(dòng)跡象明顯，因應(yīng)力集中而巖體破碎，已形成剪出破壞裂縫。因此，在地震、降雨、根劈及溶蝕作用下巖體進(jìn)一步軟化，極易發(fā)生沿上層底部緩傾結(jié)構(gòu)面的滑移式或傾倒式破壞。

圖5 1#巨型危巖體的潛在滑移（傾倒）位置

危巖體下層存在緩傾較貫通和較不貫通2 組結(jié)構(gòu)面，底部還存在軟弱夾層及與坡面平行的陡傾結(jié)構(gòu)面，并依附此結(jié)構(gòu)面生成貫通裂縫；雖然底部危巖體與母體還未完全脫離，但連接強(qiáng)度較低，易發(fā)生壓潰式破壞，并極易發(fā)生沿底部近乎水平的緩傾結(jié)構(gòu)面的滑移式崩塌。

除裂縫后緣的充填巖塊外，危巖體表層存在一些較小的松散巖塊，部分塊石局部已經(jīng)出現(xiàn)了向下掉落的現(xiàn)象，并形成了探頭石，這些探頭石由于所處位置較高，隨時(shí)有崩塌掉落的危險(xiǎn)，對(duì)于下面鐵路的行車安全也具有較大的威脅，特別是隨著時(shí)間的推移，危險(xiǎn)性在不斷地提高。

依據(jù)1#巨型危巖體上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到的1#巨型危巖體表面位移監(jiān)測(cè)曲線如圖6 所示。危巖體從上至下位移先增大然后出現(xiàn)減小，在距離頂部18 m 的位置，巖體的位移達(dá)到最大；在距離頂部60 m 的位置，巖體的位移最?。贿@與上述分析的在危巖體上部有向山側(cè)傾倒的趨勢(shì)相一致。

圖6 1#巨型危巖體表面位移監(jiān)測(cè)曲線

2.2 危害性評(píng)價(jià)

經(jīng)綜合分析評(píng)定：1#巨型危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，一旦失穩(wěn)必將產(chǎn)生崩塌落石，為了分析崩塌落石產(chǎn)生的沖擊能量大小，采用RFA 崩塌落石分析軟件分析坡面的落石情況，選取分解后約50 m3大小的巖塊進(jìn)行崩塌失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)分析，包括崩塌落石的彈跳高度、運(yùn)動(dòng)速度和沖擊能量。由分析計(jì)算結(jié)果可知：崩塌落石運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的最大彈跳高度為24 m，最大沖擊能量約為160 000 kJ，崩塌落石最大沖擊速度約為45 m·s-1，崩塌落石落點(diǎn)大部分停留在邊坡下部位置，部分崩塌落石運(yùn)動(dòng)至鐵路橋面區(qū)域。崩塌落石運(yùn)動(dòng)至鐵路橋面區(qū)域附近時(shí)彈跳高度為10～24 m，沖擊能量為90 000～130 000 kJ，沖擊速度為28～34 m·s-1。由此可見，1#巨型危巖體一旦出現(xiàn)破壞，將無(wú)法通過(guò)技術(shù)手段攔截，崩塌落石入侵鐵路橋面的可能性極大，一般的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和攔石墻很難對(duì)其進(jìn)行有效阻擋。極易造成隧道口橋梁破壞和鐵路行車中斷，嚴(yán)重威脅到列車及人員的生命安全［11］。

1#巨型危巖體整治已刻不容緩，由于線路繞避方案工期長(zhǎng)，投資大，通過(guò)綜合分析和比較，設(shè)計(jì)方案最終采用原位錨固技術(shù)對(duì)危巖體進(jìn)行加固整治。由于危巖體體積巨大，所處邊坡高陡，施工條件異常惡劣，本身已處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，整治施工過(guò)程中極易誘發(fā)失穩(wěn)破壞。因此其整治難度巨大，如何保證原位整治工程實(shí)施過(guò)程中1#巨型危巖體的穩(wěn)定，成了一個(gè)最大的難題。

3 1#巨型危巖體穩(wěn)定性分析和計(jì)算

運(yùn)用離散元分析軟件和極限平衡法對(duì)1#巨型危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計(jì)算。

3.1 離散元法

采用UDEC 離散元分析軟件［12-13］，對(duì)1#巨型危巖體的位移和速度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

計(jì)算模型高為84.52 m，寬為32.69 m。危巖體通過(guò)三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，三角形網(wǎng)格的最大邊長(zhǎng)為4.5 m，并將其假定為具備各向同性的彈性體，其材料參數(shù)取值如下：密度2 730 kg·m-3、體積模量35 GPa、剪切模量10 GPa。

計(jì)算模型中的結(jié)構(gòu)面按照節(jié)理（J12）、陡傾節(jié)理（J13）、危巖體后緣裂隙和潛在滑移面處的裂隙分別進(jìn)行模擬。危巖體后緣裂隙根據(jù)其實(shí)際情況劃分為黏結(jié)段和張開段，考慮到母巖的穩(wěn)定性狀態(tài)良好，張開段約束其橫向及豎向速度，黏結(jié)段不施加約束。由于潛在滑移面處有滲水現(xiàn)象，存在多處水痕，因此將整個(gè)滑面劃分為閉合（黏結(jié)）段和張開段。上述結(jié)構(gòu)面采用M-C 失效準(zhǔn)則，數(shù)值計(jì)算模型如圖7所示，計(jì)算參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 結(jié)構(gòu)面參數(shù)

圖7 1#巨型危巖體數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算模型的左側(cè)和底部采用固定邊界約束。在地應(yīng)力平衡后，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算模型安全系數(shù)。在上述計(jì)算參數(shù)條件下，其安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.06，判定1#巨型危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

1#巨型危巖體數(shù)值計(jì)算位移云圖和速度云圖如圖8和圖9所示。

圖8 1#巨型危巖體數(shù)值計(jì)算位移云圖

圖9 1#巨型危巖體數(shù)值計(jì)算速度云圖

從圖8 可以看出：最大位移位于危巖體中間位置，但是此時(shí)整體位移相對(duì)較小。從圖9 可以發(fā)現(xiàn)：最大速度在危巖體最上部，越往下速度越小。由此表明1#巨型危巖體易于沿著下側(cè)部位發(fā)生傾倒，現(xiàn)階段處于一種欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 極限平衡法

為了對(duì)1#巨型危巖體的受力及變形特征進(jìn)行分析，根據(jù)危巖體的現(xiàn)場(chǎng)特征，繪制出了其正視圖以及中間部位的典型剖面圖，如圖10所示。

圖10 1#巨型危巖體斷面圖

由于離散元方法為二維分析方法，且不方便計(jì)算外傾力矩等信息，因此采用極限平衡法對(duì)圖10所示斷面進(jìn)行計(jì)算。由于無(wú)法考慮節(jié)理組的影響，因此僅考慮了后緣裂隙及潛在滑移面的影響。利用極限平衡法，共分析計(jì)算了6種不同工況條件下的安全系數(shù)及傾覆力矩或滑移力。具體工況為

工況1：自重作用，滑移式破壞

工況2：自重作用，傾倒式破壞

工況3：暴雨作用，滑移式破壞

工況4：暴雨作用，傾倒式破壞

工況5：地震作用，滑移式破壞

工況6：地震作用，傾倒式破壞

危巖體的傾覆力矩Me、抗傾覆力矩MAe、滑移力Fs、抗滑力FAs和安全系數(shù)fs的計(jì)算公式如下。

式中：W為巖體的重力；a為巖體質(zhì)心到傾倒所繞軸線間的距離；FeH為巖體所受的水平地震力；b為水平地震力作用點(diǎn)到傾倒所繞軸線間的距離；σt為抗拉強(qiáng)度；St為黏結(jié)面積；h為黏結(jié)段中心點(diǎn)到傾倒所繞軸線間的距離；θ為滑移面與水平面間的夾角；c為黏聚力；Sc為黏結(jié)段的面積；Fw為裂隙水壓力；φ為內(nèi)摩擦角。

自重作用及地震作用下，裂隙充水系數(shù)取1/3，巖體密度取2 730 kg·m-3，抗拉強(qiáng)度取470 kPa；暴雨作用下，裂隙充水系數(shù)取2/3，巖體密度取2 740 kg·m-3，抗拉強(qiáng)度取448 kPa；地震力水平系數(shù)按多遇地震條件取0.05，其他參數(shù)取值見表1。

需要說(shuō)明的是，傾覆力矩及滑移力等數(shù)值的計(jì)算為三維模型計(jì)算，但由于原模型質(zhì)心的計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，因此對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，主要表現(xiàn)在厚度的均勻性，如上部塊體左側(cè)厚度均設(shè)置為5 m，右側(cè)設(shè)置為3 m，下部塊體均設(shè)置為3.5 m，最終潛在傾倒軸線之上的巖體體積為5 619.255 m3，整個(gè)巖體的體積為11 723.868 m3，與現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量估算值基本相符。

各工況下安全系數(shù)及外傾力、滑移力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果

由表2 可以得出：相同工況下，傾倒式破壞的安全系數(shù)均小于滑移式破壞的安全系數(shù)，即發(fā)生傾倒破壞的可能性略高于滑移式破壞。最不利工況為地震條件下的傾倒式破壞，該失穩(wěn)模式下的安全系數(shù)僅為0.744。

4 1#巨型危巖體預(yù)加固

通過(guò)對(duì)1#巨型危巖體的綜合調(diào)查評(píng)估和穩(wěn)定性計(jì)算分析，該巨型危巖體目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在不利工況或加固施工荷載擾動(dòng)下，極易產(chǎn)生傾倒式或滑移式破壞，必須采取預(yù)加固措施，確保危巖體加固工程的安全實(shí)施。

巨型危巖體預(yù)加固首先需要確定預(yù)加固區(qū)域和范圍，分析計(jì)算其預(yù)加固力及各項(xiàng)參數(shù)，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件按照盡量少擾動(dòng)、易于施工和安全經(jīng)濟(jì)的原則選擇合適的預(yù)加固措施。

4.1 預(yù)加固區(qū)域和范圍

由于1#巨型危巖體整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，均需進(jìn)行預(yù)加固，因此預(yù)加固區(qū)域和范圍確定為整個(gè)1#巨型危巖體，包括上部和下部區(qū)域，即圖2所示范圍。上部區(qū)域的預(yù)加固作用主要為抗滑和抗傾倒，下部區(qū)域的預(yù)加固作用為抗滑。

4.2 預(yù)加固力的計(jì)算

根據(jù)穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果：發(fā)生傾倒破壞的最不利工況為地震作用下（工況6），其傾覆力矩Me為500 033.29 kN·m，抗傾覆力矩MAe為371 959.71 kN·m，安全系數(shù)為0.744；發(fā)生滑移破壞的最不利工況為地震作用下（工況5），其滑移力Fs為97 373.36 kN，抗滑力FAs為101 084.19 kN，安全系數(shù)為1.038。

參考相關(guān)技術(shù)規(guī)范［15］要求，預(yù)加固措施的安全穩(wěn)定系數(shù)fsT取1.15。

因此，預(yù)加固措施需提供的抗傾覆力矩M抗為

由式（6）可得M抗為203 078.57 kN·m。

預(yù)加固措施需提供的抗滑力F抗為

由式（7）可得F抗為10 895.174 kN。

4.3 預(yù)加固方案確定

預(yù)加固方案應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件選擇易于施工并能保證施工安全。由于抗傾覆力矩和抗滑移力較大，必須采用足夠強(qiáng)的預(yù)加固處理措施；同時(shí)預(yù)加固措施施工應(yīng)盡量不擾動(dòng)危巖體。

根據(jù)1#巨型危巖體的實(shí)際情況，選擇大型鋼絲繩捆綁措施，同時(shí)輔以裂縫注漿措施，確保預(yù)加固處理的效果，保證原位錨固措施的安全和順利實(shí)施。

1）鋼絲繩捆綁

1#巨型危巖體采用上部水平捆綁鋼絲繩抵抗危巖體的外傾覆破壞，下部采用水平鋼絲繩和豎向鋼絲繩捆綁相結(jié)合防止危巖體沿下部底層的滑移破壞。

根據(jù)1#巨型危巖體原位錨固工程設(shè)計(jì)方案中錨索的橫向和豎向間距均為3 m，為了施工方便和不影響后期原位錨固工程的施工，水平捆綁鋼絲繩的間距確定為3 m，沿危巖體高度方向共設(shè)置26道水平捆綁鋼絲繩，最大水平捆綁長(zhǎng)度為85 m；同時(shí)，在危巖體下部左側(cè)設(shè)置9 道豎向捆綁鋼絲繩，如圖11所示。

圖11 鋼絲繩捆綁布置圖

（2）裂縫注漿

1#巨型危巖體背后的裂縫采用M30 純水泥漿注漿封閉，一是能有效提高危巖體的抗傾覆和抗滑移能力，二是能夠保證后期原位整治工程的加固效果。

4.4 預(yù)加固參數(shù)計(jì)算

預(yù)加固方案確定后，應(yīng)根據(jù)1#巨型危巖體安全穩(wěn)定的需要，在滿足抗傾覆力矩和抗滑力要求的前提下，合理選擇鋼絲繩的型號(hào)，計(jì)算確定鋼絲繩直徑及錨固深度。

危巖體上部潛在傾倒所繞軸線以上的第12～26 道水平捆綁鋼絲繩用于增加危巖體的抗傾覆力矩，由于這部分所捆綁的危巖體背后裂縫已全部貫通，危巖體已完全脫離母巖，因此不考慮該部分水平捆綁鋼絲繩對(duì)整個(gè)危巖體的抗滑移作用；提供抗滑作用的為危巖體下部的第1至第11道水平捆綁鋼絲繩和9道豎向鋼絲繩。

1）危巖體上部抗傾覆鋼絲繩捆綁力計(jì)算

上部鋼絲繩捆綁力矩應(yīng)大于或等于M抗。

上部最小鋼絲繩捆綁力Fk上的計(jì)算公式為

式中：Hi為第i道捆綁鋼絲繩離開傾倒軸線的高度；n1為傾倒軸線以上捆綁鋼絲繩的數(shù)量。

由式（8）可得第12—第26道鋼絲繩的最小捆綁力Fk為564.11 kN。

2）危巖體下部抗滑鋼絲繩捆綁力計(jì)算

下部鋼絲繩捆綁力應(yīng)大于或等于F抗。

下部最小鋼絲繩捆綁力Fk下的計(jì)算公式為

式中：n2為下部捆綁鋼絲繩的數(shù)量。

由式（9）可得下部鋼絲繩的最小捆綁力Fk下為544.76 kN。

3）捆綁鋼絲繩的型號(hào)和直徑確定

由于1#巨型危巖體上部捆綁鋼絲繩和下部捆綁鋼絲繩需要的最小捆綁力比較接近，故取最大值564.11 kN。根據(jù)鋼絲繩的安全使用要求，鋼絲繩的安全系數(shù)取3.5，據(jù)此確定鋼絲繩的最大抗斷力不小于1 974.38 kN。

根據(jù)鋼絲繩通用技術(shù)條件［14］，本次預(yù)加固選用了型號(hào)34（M）×7類、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)1 770 MPa和直徑60 mm的鋼芯鋼絲繩，其最大抗斷力為2 030 kN。

4）鋼絲繩錨固深度

捆綁鋼絲繩應(yīng)錨固在1#巨型危巖體兩側(cè)穩(wěn)定的巖體中，其錨固力按鋼絲繩的最大抗斷力2 030 kN取值。

鋼絲繩在巖體中的錨固段長(zhǎng)度為［15］

式中：K為鋼絲繩抗拔安全系數(shù)，取2.6；Fak為鋼絲繩的錨固力；D為鉆孔直徑，取0.13 m；frbk為黏結(jié)強(qiáng)度，取1 200 kPa。

由式（10）得La≥10.77 m。

考慮到1#巨型危巖體周邊巖層表面裂隙較發(fā)育，深度較深，鋼絲繩錨固深度統(tǒng)一取15 m。

4.5 預(yù)加固實(shí)施

巨型危巖體采用大型鋼絲繩捆綁技術(shù)進(jìn)行預(yù)加固，這在國(guó)內(nèi)是首次采用。為了確保施工過(guò)程中1#巨型危巖體的穩(wěn)定和施工安全，達(dá)到預(yù)加固的目的，因此預(yù)加固施工過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵守相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定和要求，并且在整個(gè)施工過(guò)程中做到盡量不擾動(dòng)危巖體。其實(shí)施步驟如下。

1）鋪設(shè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

為防止危巖體表層較小的松散危巖和探頭石崩塌掉落的危險(xiǎn)，首先是對(duì)危巖體表面采用GPS2 型主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行整體防護(hù)，消除預(yù)加固實(shí)施時(shí)的安全隱患。

2）鋼絲繩錨固

在危巖體兩側(cè)的穩(wěn)定巖體上鉆錨固孔，將鋼絲繩錨固在穩(wěn)定巖體中。錨固孔離開危巖體位置的距離應(yīng)大于1.0 m，鉆孔直徑不小于130 mm，且鋼絲繩在穩(wěn)定巖體中的長(zhǎng)度不小于錨固設(shè)計(jì)深度。

3）搭設(shè)腳手架

為鋼絲繩捆綁和背后裂縫注漿搭設(shè)腳手架，提供施工平臺(tái)。腳手架每次搭設(shè)的高度不超過(guò)6 m。

4）鋼絲繩捆綁

待鋼絲繩錨固孔內(nèi)水泥漿液達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行鋼絲繩捆綁施工，將鋼絲繩牢牢捆綁在巨型危巖體上，如圖12所示。

圖12 鋼絲繩捆綁施工

鋼絲繩連接應(yīng)采用專用繩夾直接搭接的方式，搭接長(zhǎng)度不短于3 m；每個(gè)搭接處采用8 個(gè)繩夾，相鄰繩夾之間的距離不少于36 cm，鋼絲繩尾端長(zhǎng)度不短于20 cm。

鋼絲繩連接時(shí)繩夾的壓板應(yīng)均勻分布在2 根鋼絲繩上，即每根鋼絲繩上均應(yīng)保證有4個(gè)壓板；鋼絲繩在繩夾固定前至少保證有20 kN的預(yù)張拉力。

5）裂縫注漿

對(duì)已完成的鋼絲繩捆綁部分以下的危巖體背后裂縫進(jìn)行注漿，將張開的裂縫用水泥漿液封閉，如圖13所示。

圖13 危巖體背后裂縫注漿封閉

危巖體背后裂隙注漿每層注漿高度控制在3 m，下層裂隙注漿完成7 d后，方可進(jìn)行上一層裂隙注漿，且不得超過(guò)已捆綁的水平鋼絲繩的高度；注漿前應(yīng)將裂縫兩側(cè)進(jìn)行封堵。

6）變形監(jiān)測(cè)

為了及時(shí)了解1#巨型危巖體在預(yù)加固施工過(guò)程中的變形情況，在危巖體上布設(shè)了一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括6個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)儀和6個(gè)傾角監(jiān)測(cè)儀。

圖14為危巖體頂部（5號(hào)點(diǎn)）和上下部分界處（6 號(hào)點(diǎn)）的裂縫寬度變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線。由圖14看到：在預(yù)加固施工前，危巖體裂縫寬度一直在增加，頂部裂縫寬度增加值明顯大于下部；隨著預(yù)加固措施的實(shí)施，裂縫寬度增加的趨勢(shì)逐步變緩，預(yù)加固完成后，危巖體的裂縫寬度累計(jì)變形值出現(xiàn)了一定的減少，原位錨固工程完成后，危巖體的裂縫寬度變化得到了完全控制。

圖14 1#危巖體裂縫寬度監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化曲線

5 結(jié)論

（1）基于現(xiàn)場(chǎng)勘察數(shù)據(jù)分析，1#巨型危巖體極易產(chǎn)生沿上下層分界處的傾倒式破壞或沿底部緩傾結(jié)構(gòu)面的滑移式破壞，崩塌落石產(chǎn)生的最大沖擊能量約為160 000 kJ，最大沖擊速度約為45 m·s-1，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)手段攔截，危害性極大。

（2）通過(guò)數(shù)值計(jì)算成果，1#巨型危巖體在地震作用的不利工況條件下傾覆力矩為500 033.29 kN·m、滑移力為97 373.36 kN，安全穩(wěn)定系數(shù)只有0.744，1#巨型危巖體整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在原位整治工程實(shí)施前進(jìn)行預(yù)加固是必要的。

（3）通過(guò)錨固在穩(wěn)定巖體中的直徑60 mm 大型鋼絲繩，按3 m 間距對(duì)1#巨型危巖體進(jìn)行水平和豎向捆綁的方法實(shí)施預(yù)加固，有效抵抗了危巖體的外傾和滑移破壞，并將安全穩(wěn)定系數(shù)提高到1.15，能使原位錨固整治工程安全和成功實(shí)施。