張吉懷鐵路土峪隧道危巖落石特征及防護(hù)措施研究

汪瑩?dān)Q，李時(shí)亮，李 煒，譚家華，郭周富

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063; 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司,成都 610031)

1 概述

高陡巖質(zhì)邊坡崩塌、危巖落石是山區(qū)鐵路主要工程地質(zhì)問題之一,因設(shè)站、平順度及其他因素綜合控制,線路往往難以徹底規(guī)避。西南山區(qū)巖質(zhì)邊坡常具有高、陡、植被茂盛等特點(diǎn),人員難以到達(dá),存在勘察難度大、準(zhǔn)確性低、措施選擇欠合理等問題。因此,充分利用施工階段的優(yōu)勢,采用分階段、遞進(jìn)式的“空-天-地”一體化勘察手段,獲取高精度勘察數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上開展危巖落石的分析及評(píng)價(jià),針對(duì)性采取綜合防治措施,對(duì)準(zhǔn)確評(píng)判風(fēng)險(xiǎn)、有效防治危巖落石災(zāi)害,做到防治措施可行、經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理具有重要意義。

目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)危巖落石開展了相關(guān)研究工作。一部分學(xué)者對(duì)危巖落石的分類、特征、防護(hù)措施、選線原則提出了自己的認(rèn)識(shí)。梁伯仁[1]分析了危巖落石的分類、特征以及落石形成的基本條件,闡述了危巖落石的危害和防護(hù)措施,就鐵路工程各階段危巖落石的處理提出了自己的見解;丁浩江等[2]提出了危巖落石的4種失穩(wěn)模式,針對(duì)坪上隧道提出了危巖落石整治方法、防護(hù)位置和具體措施,并給出危巖落石的防護(hù)建議;鄭亞飛[3]結(jié)合長昆客運(yùn)專線貴州段建設(shè)過程中危巖落石的防護(hù),提出了危巖落石發(fā)育區(qū)高速鐵路的選線思路和原則;王棟等[4]對(duì)某鐵路隧道上部五類不同尺寸的高位危巖體進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)值模擬,認(rèn)為彈跳高度、運(yùn)動(dòng)速度與危巖落石的質(zhì)量無關(guān),沖擊能量大小與落石質(zhì)量成正比,建議綜合使用多種落石防護(hù)措施。

另一部分學(xué)者依托實(shí)際工程提出落石的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)估方法及防護(hù)原則。葉四橋等[5-6]進(jìn)行危巖威脅區(qū)域預(yù)測,提出基于落石特性計(jì)算布設(shè)的攔石網(wǎng)布設(shè)原則和方法,認(rèn)為主被動(dòng)防治技術(shù)結(jié)合使用是較好的危巖落石防治思路;周文皎等[7]以豐沙線為依托,提出崩塌落石風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),得到落石風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率和事故損失等級(jí)確定;劉偉鵬等[8]建立了危巖落石綜合評(píng)價(jià)體系,提出進(jìn)行危巖落石評(píng)級(jí)的APH方法,并結(jié)合工程實(shí)際證明了該方法的可靠性和正確性。

還有一部分學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場調(diào)研的方法,依托具體工程提出危巖落石綜合防護(hù)措施及建議。羅仁立等[9]對(duì)橋隧相接段危巖落石防護(hù)措施進(jìn)行了研究,分析了各方案的適用條件、結(jié)構(gòu)內(nèi)力等,得出不同方案的適用條件;趙秋林[10]、唐紅梅[11]、甘目飛[12]、劉宗峰[13]等利用Rockfall軟件分析落石的運(yùn)動(dòng)軌跡,彈跳高度和沖擊能量等,據(jù)此提出了綜合防護(hù)措施;張猛[14]、羅田[15]、相志強(qiáng)[16]、寧超[17]等采用理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)等手段對(duì)危巖落石運(yùn)動(dòng)特征、落石影響因素、防護(hù)措施等方面做了系統(tǒng)性研究。

綜上所述,已有成果大多針對(duì)依托工程和計(jì)算結(jié)果給出防護(hù)措施,現(xiàn)代化三維勘測技術(shù)運(yùn)用不充分,對(duì)邊坡的勘察方法、設(shè)計(jì)原則及各階段的勘察措施總結(jié)不系統(tǒng)。以張吉懷鐵路土峪隧道進(jìn)、出口危巖落石整治工程為依托,對(duì)復(fù)雜硬質(zhì)巖隧道洞口危巖落石的勘察、設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)研究,并提出標(biāo)準(zhǔn)勘察設(shè)計(jì)方法及加固防護(hù)原則。

2 工程概況

2.1 隧道概況

土峪隧道位于湖南省張家界市永定區(qū)內(nèi),屬于溶蝕中低山區(qū),隧道主要穿越奧陶系紅花園組(O1h)灰?guī)r。如圖1所示,隧道起訖里程為DK15+515.00～DK16+675.00,全長1 160 m,最大埋深為180 m,進(jìn)口前接路基,出口橋隧相連。隧道進(jìn)、出口危巖落石發(fā)育,隧道進(jìn)口采用延長明洞,隧道出口設(shè)置了棚洞,避免落石對(duì)鐵路運(yùn)營安全的直接威脅。

圖1 土峪隧道工程地質(zhì)縱斷面示意

2.2 進(jìn)出口工程地質(zhì)概況

土峪隧道進(jìn)口為陡崖地貌,如圖2所示,整體高約130 m,總體坡度40°～55°。上部垂直陡崖高約35 m,中部緩坡平臺(tái)寬5～30 m,下部陡崖局部高度達(dá)25 m,中部緩坡至下部陡崖為疑似錯(cuò)落體。巖性為灰?guī)r,中厚層狀構(gòu)造,巖質(zhì)堅(jiān)硬,溶蝕較明顯,巖層產(chǎn)狀122°∠13°。受構(gòu)造影響,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,較破碎,節(jié)理走向152°～170°、200°～220°,傾角多大于80°,閉合,淺表多張開,部分已分離,無充填,延伸長度多大于5 m,節(jié)理間距0.3～1.0 m,切割較深。陡崖上危巖落石、錯(cuò)落體發(fā)育。隧道進(jìn)口位于陡崖底部,存在危巖落石災(zāi)害的威脅。

圖2 土峪隧道進(jìn)口地貌特征

土峪隧道出口為陡崖、斜坡,如圖3所示,高約40 m,坡度60°～75°。巖性為灰?guī)r,中厚層狀構(gòu)造,巖層產(chǎn)狀160°∠15°,巖體表層風(fēng)化裂隙、溶蝕裂隙發(fā)育。受構(gòu)造影響,隧道出口垂直節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理走向160°～170°、190°～210°,傾角多大于70°,閉合,淺表微張,表層充填黏土,深度無充填,延伸長度多大于2 m,節(jié)理間距0.3～1.2 m。在層面裂隙和垂向節(jié)理裂隙作用下,巖體被切割成塊體,塊徑0.5～1.0 m,受重力作用及植被、水流沖刷等外應(yīng)力作用影響,極易剝落形成落石災(zāi)害。經(jīng)調(diào)查,該區(qū)域?yàn)楫?dāng)?shù)氐闹攸c(diǎn)危巖落石災(zāi)害防治區(qū),落石災(zāi)害頻發(fā)。隧道從陡崖中部穿出,出口位置陡崖近垂直,存在危巖落石風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 土峪隧道出口地貌特征

土峪隧道隧址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

2.3 綜合勘察

對(duì)土峪隧道進(jìn)、出口采用遙感解譯、地質(zhì)調(diào)繪、三維激光掃描等綜合勘察手段,其技術(shù)路線見圖4。

圖4 土峪隧道綜合勘察技術(shù)路線

(1)通過衛(wèi)星遙感影像,從全局了解隧道進(jìn)出口區(qū)域的不良地質(zhì)概況,初步查明危巖落石的范圍及分布特征。

(2)采用地質(zhì)調(diào)繪,查明隧道進(jìn)出口區(qū)域的巖性,測量層面和節(jié)理的產(chǎn)狀、性質(zhì)、特征,調(diào)查危巖落石的分布區(qū)域及范圍。

(3)采用三維激光掃描技術(shù),精確繪制進(jìn)、出口的地形地貌,建立高精度三維數(shù)字模型;對(duì)人員無法到達(dá)的陡崖地段,采用人機(jī)交互手段,識(shí)別節(jié)理裂隙發(fā)育特征。

(4)綜合上述手段的分析成果,評(píng)價(jià)洞口坡面整體穩(wěn)定性,查明危巖體的成因、分布范圍、規(guī)模等特征,對(duì)洞口危巖落石形成系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)。

2.4 危巖落石成因及性質(zhì)特征

隧道進(jìn)出口巖性均為灰?guī)r,受構(gòu)造作用,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。在層面裂隙及垂直節(jié)理控制作用下,巖體被切割成方形塊體,塊徑0.3～1 m,淺表裂隙面多張開,塊體在重力作用下易發(fā)生傾倒、滑移、墜落式破壞,形成危巖落石災(zāi)害(圖5)。

圖5 層面裂隙及垂直節(jié)理控制形成危巖體

受節(jié)理裂隙切割,當(dāng)下部存在臨空面時(shí),巖體在重力作用下易發(fā)生垂直滑動(dòng),形成錯(cuò)落體。隧道進(jìn)口頂部巖體為疑似錯(cuò)落體(圖6),規(guī)模約15 m×15 m,其頂部(上部陡崖底部)可見寬度約為20 cm的橫向拉張裂縫,橫向延伸長度約15 m,往巖體內(nèi)部發(fā)展,錯(cuò)落體在長期地質(zhì)作用下存在發(fā)生落石的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 隧道進(jìn)口處疑似錯(cuò)落體

3 危巖落石特征分析

3.1 模擬方法及參數(shù)

根據(jù)隧道進(jìn)出口地形特征及危巖落石發(fā)育情況,分別在土峪隧道進(jìn)、出口選取典型斷面,利用落石分析軟件Rockfall模擬洞口落石的運(yùn)動(dòng)軌跡,計(jì)算落石影響范圍、彈跳高度和沖擊能量等。落石在坡面滾動(dòng)及碰撞后的能量衰減由法向阻尼系數(shù)Rn、切向阻尼系數(shù)Rt及動(dòng)摩擦系數(shù)tanβ決定,參照TB 10035—2018《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[18],并結(jié)合土峪隧道進(jìn)、出口的地質(zhì)特征,給出坡面及防護(hù)措施的材料參數(shù),見表1。為使模擬工況更加接近實(shí)際情況,在模擬計(jì)算時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[2]。

表1 材料參數(shù)

3.2 落石運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)地形及危巖體特征,在進(jìn)、出口典型斷面分別選取2個(gè)落石發(fā)育位置,落石重度為23 kN/m3,落石質(zhì)量取2 000 kg,每個(gè)落石點(diǎn)模擬100次,落石的初速度取0。進(jìn)、出口各模擬200次落石運(yùn)動(dòng),如圖7所示。統(tǒng)計(jì)各落石的最終落點(diǎn)位置,得到落石落點(diǎn)分布柱狀圖,如圖8所示。

圖7 進(jìn)出口落石運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 落石落點(diǎn)統(tǒng)計(jì)柱狀圖

由圖7、圖8可知,落石開始滾動(dòng)后,在緩坡段基本貼著坡面滾動(dòng)或滑動(dòng),坡面由緩變陡時(shí)滾石會(huì)發(fā)生彈跳。隧道進(jìn)口坡面陡峭,存在2處陡崖。81%的滾石越過了洞口,在隧道口0～25 m的范圍內(nèi)分布最多,也有少數(shù)滾石到達(dá)了距明暗分界46 m的位置;隧道出口坡面上緩下陡,落點(diǎn)1處掉落的滾石均在緩坡段運(yùn)動(dòng)一段距離后停在了坡面上,落點(diǎn)2的落石均越過了明暗分界,落在了距明暗分界30～50 m的位置。因此,土峪隧道進(jìn)、出口危巖落石均有各自的特征,應(yīng)針對(duì)性地研究防治措施。

3.3 沖擊能量分析

統(tǒng)計(jì)分析落石在隧道進(jìn)、出口范圍的彈跳高度、平移速度及沖擊能量的變化特征,分別見圖9～圖11,可見沖擊能量與彈跳高度、平移速度密切相關(guān)。在緩坡段,落石基本是貼著坡面保持一定的速度運(yùn)動(dòng),平移速度和沖擊能量只在小范圍內(nèi)變化;當(dāng)坡面由緩?fù)蝗蛔兌笗r(shí),滾石會(huì)飛離坡面,此時(shí)沒有坡面阻力的影響,平移速度呈線性增大,沖擊能量隨之也線性增加;落石未越過明暗分界前,平移速度和沖擊能量基本隨著高度降低而增大,在陡坡段這種趨勢非常明顯。因此,在落石飛離坡面前采取被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)將落石攔截,能有效減小落石的沖擊破壞。

圖9 落石彈跳高度曲線

圖10 落石平移速度曲線

圖11 落石沖擊能量曲線

4 危巖落石防護(hù)設(shè)計(jì)

結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果,對(duì)土峪隧道進(jìn)、出口按照“主動(dòng)整治、被動(dòng)防護(hù)”的總體原則,制定了“清除危巖+坡面加固+棚洞/明洞+主被動(dòng)網(wǎng)”的綜合防護(hù)措施。

4.1 清除危巖、加固坡面

對(duì)于存在較大滑落風(fēng)險(xiǎn)的坡面孤石、浮石全部清除,對(duì)清除后的山坡坡面局部進(jìn)行嵌補(bǔ);對(duì)伸出坡面倒懸部分較薄且存在破碎掉落風(fēng)險(xiǎn)的危巖體,結(jié)合倒懸部分巖盤大小及完整性情況清除并整平倒懸部分;對(duì)伸出坡面倒懸部分較厚且存在破碎掉落風(fēng)險(xiǎn)的危巖體,清除整平破碎的倒懸部分,并對(duì)巖體采用自然邊坡錨索加固;對(duì)伸出坡面倒懸部分較厚,石塊完整性及連接性較好,且難以清除的部分采用嵌補(bǔ)支頂,并對(duì)巖體采用自然邊坡錨索加固;清除全部疑似錯(cuò)落體,對(duì)清除后坡面錨索加固。土峪隧道出口危巖清理及坡面加固見圖12。

圖12 土峪隧道出口危巖清理及坡面加固

4.2 棚洞、明洞設(shè)計(jì)

4.2.1 無覆土設(shè)計(jì)

根據(jù)前文對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)軌跡(圖7)和落點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)(圖8)的分析,隧道進(jìn)、出口滾石越過明暗分界的概率較大,有必要在隧道口延長明洞或設(shè)置棚洞。

隧道進(jìn)口與路基相接,采用延長明洞的方式較為合適,在明洞頂無回填土情況下,落石落點(diǎn)位置最遠(yuǎn)可到達(dá)距明暗分界46 m處。

隧道出口橋隧相接,多采用設(shè)置棚洞防護(hù)[19];在棚洞頂無回填土的情況下,落石落點(diǎn)位置最遠(yuǎn)可到達(dá)距明暗分界50 m處。

4.2.2 有覆土設(shè)計(jì)

據(jù)前人研究[10,12],明洞或棚洞頂部回填土具有緩沖作用,可避免落石與防護(hù)結(jié)構(gòu)的直接接觸,減小沖擊力,故增加了明洞和棚洞頂部覆土工況的滾石運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算。

明洞頂部覆蓋回填土后,落石落點(diǎn)位置距洞口的距離明顯減小,最遠(yuǎn)為20 m(圖13)。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)采用明洞覆蓋回填土方案,且考慮10 m安全距離,明洞長度≮30 m,明洞頂回填土≮2 m。圖14中落石在越過明暗分界前兩次工況模擬的沖擊能量包線基本重合,變化趨勢一致;落石越過明暗分界后,明洞頂部覆土?xí)r落石沖擊能量明顯減小,小于400 kJ。

圖13 隧道進(jìn)、出口明洞/棚洞頂覆土后落點(diǎn)統(tǒng)計(jì)柱狀圖

圖14 隧道進(jìn)口明洞頂覆土前后沖擊能量曲線

棚洞頂部覆蓋回填土后,落石落點(diǎn)位置距洞口的距離明顯減小,最遠(yuǎn)為40 m(圖13),考慮10 m的安全距離,棚洞長度應(yīng)大于50 m,與隧道口緊密相接,棚洞頂部回填土≮2 m。如圖15所示,落石越過明暗分界后,在棚洞頂部覆土?xí)r落石沖擊能量明顯減小,小于500 kJ。

圖15 隧道出口棚洞頂覆土前后沖擊能量曲線

4.3 主被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)

土峪隧道進(jìn)、出口邊坡均存在陡崖,前文分析認(rèn)為,落石易在陡崖處飛離坡面產(chǎn)生較大的沖擊能量,在落石要發(fā)生運(yùn)動(dòng)和貼坡面運(yùn)動(dòng)階段攔截落石很有必要,故采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)相結(jié)合的防治措施[20]。

對(duì)坡面清除危巖、錨索加固后,仍存在危巖落石風(fēng)險(xiǎn),一是可能存在小規(guī)模的殘留松散巖體,二是部分完整巖體因風(fēng)化侵蝕、地震等作用有掉落的可能,在存在上述落石隱患的坡面設(shè)置主動(dòng)防護(hù)網(wǎng),從源頭治理落石隱患;另外,對(duì)于能穿過主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的小巖塊及其他因素導(dǎo)致的主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)無法防護(hù)落石,可設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截。圖9顯示,落石在陡崖處會(huì)發(fā)生明顯彈跳,而在未發(fā)生明顯彈跳前,進(jìn)、出口坡面的落石彈跳高度在4 m之內(nèi)。土峪隧道進(jìn)口坡面清除疑似錯(cuò)落體后存在1處陡崖,可在陡崖頂部分別設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng),單清除加固后的邊坡較陡,出于安全考慮,在邊坡平緩地帶設(shè)置2道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng),共設(shè)置3道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng);隧道出口存在1處陡崖,在陡崖頂部設(shè)置1道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng),在棚洞頂部設(shè)置1道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng),共2道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。根據(jù)模擬結(jié)果,緩坡處最大彈跳高度小于4 m,最大沖擊能量小于600 kJ,故采用易修復(fù)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng),防護(hù)能級(jí)750 kJ,網(wǎng)高5 m。隧道進(jìn)出口主、被動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)如圖16所示。

圖16 危巖落石防護(hù)平面

5 防護(hù)效果及討論

通過對(duì)張吉懷鐵路土峪隧道進(jìn)、出口危巖落石綜合勘察、落石運(yùn)動(dòng)特征及防護(hù)措施研究,有針對(duì)性地提出了“清除危巖+坡面加固+棚洞/明洞+主被動(dòng)網(wǎng)”的綜合防護(hù)措施,保證了鐵路隧道的施工及運(yùn)營安全。圖17為土峪隧道出口綜合防護(hù)后效果。

圖17 土峪隧道出口綜合防護(hù)后效果

在此基礎(chǔ)上,對(duì)山區(qū)鐵路隧道口硬質(zhì)巖陡峭邊坡危巖落石的勘察方法和加固防護(hù)設(shè)計(jì)原則總結(jié)如下。

(1)對(duì)于高陡邊坡,勘察期間可采用遙感解譯、三維激光掃描、現(xiàn)場調(diào)查的“空-天-地”綜合勘察手段,提高精度,查明危巖落石的分布范圍和特征。

(2)在設(shè)計(jì)階段前期,可利用落石模擬軟件,結(jié)合洞口地形選取典型斷面對(duì)落石的運(yùn)動(dòng)特征、沖擊能量做系統(tǒng)性分析,得到落石的威脅范圍、彈跳高度及沖擊能量大小,為危巖落石防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(3)在防護(hù)措施設(shè)計(jì)時(shí),可按照“主動(dòng)整治、被動(dòng)防護(hù)”的總體原則,按照“寧強(qiáng)勿弱、杜絕后患”動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),結(jié)合隧道口的地形特點(diǎn)及危巖落石性質(zhì)特征,選擇具體可行的綜合防護(hù)措施。對(duì)于破碎、倒懸等存在較大滑落風(fēng)險(xiǎn)的孤石,應(yīng)全部清除,對(duì)清除后的山坡坡面局部嵌補(bǔ)、自然邊坡錨索加固;采用延長明洞或設(shè)置棚洞等防護(hù)措施可有效避免落石對(duì)鐵路運(yùn)營安全的直接威脅,明洞頂覆蓋回填土可作為緩沖層大大減小落石沖擊力;坡面設(shè)置主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)可在源頭減小落石威脅;按照地形在陡崖頂部緩坡處設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截滾石,避免滾石飛離坡面,以減小沖擊力。

6 結(jié)論

依托張吉懷鐵路土峪隧道,開展了隧道洞口高陡邊坡危巖落石勘察及防護(hù)措施研究,得出以下結(jié)論。

(1)在傳統(tǒng)勘察手段的基礎(chǔ)上采用遙感解譯、三維激光掃描等技術(shù),精準(zhǔn)查明了土峪隧道口危巖落石分布范圍和特征,形成了一整套“空-天-地”綜合勘察技術(shù)體系。

(2)通過對(duì)落石運(yùn)動(dòng)模擬,分析了土峪隧道洞口危巖落石的運(yùn)動(dòng)特征、威脅范圍及沖擊能量特征。

(3)在綜合勘察和落石特征分析的基礎(chǔ)上,對(duì)土峪隧道進(jìn)出口采用了清除危巖、加固坡面、延長明洞/設(shè)置棚洞、主被動(dòng)網(wǎng)結(jié)合的綜合防護(hù)措施,保證了鐵路運(yùn)營安全。

(4)針對(duì)山區(qū)硬質(zhì)巖陡峭邊坡,提出了鐵路隧道口危巖落石勘察方法及加固防護(hù)設(shè)計(jì)原則。