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(hù)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(hù)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(hù)在理論及工程實踐方面均進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)口危巖落石進(jìn)行模擬分析后，提出了“被動防護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析比較，得出了不同條件下適宜不同工點的接長防護(hù)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(hù)、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(jìn)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(jìn)口與橋臺緊鄰，出口橋臺進(jìn)洞。為加快施工進(jìn)度，設(shè)置3處平導(dǎo)、1處斜井及1處橫洞進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行危巖落石防護(hù)。

3 危巖落石防護(hù)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(hù)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(hù)方案設(shè)計首要原則。本洞口防護(hù)方案重點考慮防止邊坡危巖墜落，確保施工期間從橫洞進(jìn)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(hù)。為此，在防護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)期間人員和設(shè)備會在此出入，設(shè)計方案同樣應(yīng)能達(dá)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(hù)或易于維護(hù)，在達(dá)到防護(hù)功效的前提下盡量節(jié)約資金，體現(xiàn)防護(hù)工程的經(jīng)濟性。

3.2 防護(hù)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(hù)網(wǎng)+被動防護(hù)網(wǎng)”分級減能組合防護(hù)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(dá)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(hù)棚洞設(shè)計防護(hù)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(hù)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(hù)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)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(hù)粒徑1.5 m，防護(hù)能級 2 000 kJ，簾式網(wǎng)防護(hù)頂標(biāo)高886～900 m，防護(hù)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(hù)寬度50 m，防護(hù)高度約260 m。并對簾式網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的孤危石進(jìn)行打刷，采用C25片石混凝土對危石進(jìn)行零星嵌補及支撐。

防護(hù)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(hù)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(hù)網(wǎng)

為盡可能減輕危巖落石危害，在采用主動防護(hù)網(wǎng)處理后，再輔以被動防護(hù)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(hù)網(wǎng)(防護(hù)能級750 kJ)，被動網(wǎng)基座標(biāo)高626～630 m及以上，防護(hù)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(hù)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(hù)網(wǎng)，進(jìn)行更換并及時清理防護(hù)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(yuǎn)，防護(hù)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(hù)網(wǎng)+被動防護(hù)網(wǎng)”組合防護(hù)措施，有效地減小了落石的安全威脅。