趙曉勇

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

1 引言

近年來，國內(nèi)高速鐵路飛速發(fā)展，線路條件要求高，橋隧比例重。線路向山區(qū)的延伸及受山區(qū)地形的限制，線路常常在崇山峻嶺中穿行，不可避免地會(huì)碰到“V”型溝谷，出現(xiàn)大量的高陡邊坡的鐵路隧道。為了“保護(hù)環(huán)境、保護(hù)生態(tài)”，隧道洞口應(yīng)盡量少刷坡或零刷坡，避免采用高邊坡等防護(hù)形式，減少對隧道洞口原生植被的破壞。

由于線路的走向及場地的限制，許多隧道進(jìn)出口的邊、仰坡高陡，地質(zhì)條件惡劣，在雨水及地震等自然災(zāi)害的作用下，會(huì)形成危巖、落石、崩塌等，對隧道洞口及相鄰的橋梁等結(jié)構(gòu)及線路造成危害，影響運(yùn)營。如2008年“5.12”大地震中，寶成線109隧道就是由于邊坡崩塌及落石，破壞了隧道洞口結(jié)構(gòu)，造成了嚴(yán)重的損失。同時(shí)，隧道投資大，一旦建成，一般情況下不會(huì)輕易改線重建。因此，在發(fā)現(xiàn)隧道洞口有潛在危害時(shí)，通常情況下都是采取措施進(jìn)行處理。在采取措施處理過程中，應(yīng)保證線路的正常運(yùn)營，因此，研究運(yùn)營隧道高、陡邊坡崩塌落石病害的處理措施，保證線路結(jié)構(gòu)安全及列車運(yùn)行安全，顯得尤為重要。

在隧道工程修建前，應(yīng)對隧道洞口邊坡進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有崩塌落石隱患時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行徹底處理，避免將安全隱患遺留至運(yùn)營期。因?yàn)樵谶\(yùn)營期采取措施處理時(shí)，會(huì)對列車運(yùn)營產(chǎn)生影響，制約因素多，不利于施工。但是，即使隧道施工時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡，經(jīng)過長時(shí)間的風(fēng)吹日曬、降雨、地震以及根劈作用，也會(huì)產(chǎn)生崩塌落石的危害。

2 邊坡崩塌落石產(chǎn)生的原因分析

高陡邊坡一般為基巖地層，坡面巖體主要受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、物理風(fēng)化及一些樹木的根劈作用，節(jié)理、裂隙發(fā)育，會(huì)導(dǎo)致山體邊坡巖體切割破碎，在多次降雨、長期根劈作用、地震及列車震動(dòng)等因素的影響下，也會(huì)加速巖體松動(dòng)，形成危巖。臨界狀態(tài)下，邊坡危巖在臨空面處，在某些因素激發(fā)下，松動(dòng)巖塊會(huì)脫離母體，在重力作用下向下滾落，順邊坡猛烈翻滾、跳躍并相互撞擊和滑動(dòng)，發(fā)生的過程稱為崩塌、落石。向下崩落危巖通常出現(xiàn)在地形坡度較陡的部位，尤其在受裂隙切割的高陡邊坡。落石有幾個(gè)較顯著的特點(diǎn)：

（1）發(fā)生時(shí)間的不確定性。

（2）運(yùn)動(dòng)速度快。

（3）在崩落過程中有翻倒、跳躍、滾動(dòng)、滑動(dòng)、墜落相互撞擊等運(yùn)動(dòng)形式，在撞擊后可能會(huì)形成破碎分塊，運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，難以準(zhǔn)確描述。

危巖落石與洞口邊坡特性有很大的關(guān)系，一般來說，坡面越陡越光滑，落石的運(yùn)動(dòng)速度越快，危害也越大。如果落石體積較大，一旦發(fā)生就會(huì)帶來人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失等巨大危害。

由于危巖落石的高速運(yùn)動(dòng)、高沖擊能量、在特定區(qū)域發(fā)生的時(shí)間和位置的不確定性、運(yùn)動(dòng)過程的復(fù)雜多變性。因此，要想防治危巖落石，必須根據(jù)落石產(chǎn)生的特點(diǎn)，弄清落石發(fā)生的原因，判斷所有可能發(fā)生危巖落石的基本條件，才能采取相應(yīng)的工程措施加以整治。

3 隧道洞口邊、仰坡落石的處理措施

3.1 主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

目前隧道洞口崩塌落石常用防治方法是在洞口邊、仰坡采用主動(dòng)、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)體系，防護(hù)網(wǎng)施工一般對運(yùn)營隧道洞口及相鄰工程影響小，只要保證施工期間不落石，就可避免對線路運(yùn)營產(chǎn)生影響。

落石發(fā)生體積較小、沖擊力有限，且地形條件允許時(shí)，可對邊坡進(jìn)行清理，清理后根據(jù)可能發(fā)生的落石的沖擊能量大小，可采用相應(yīng)能級(jí)的主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行預(yù)防，在一定作用下，使危石處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，避免崩落，主要是以預(yù)防為主，適用于邊坡落石范圍比較集中的隧道洞口，圖1為主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)常見類型的一種。

圖1 主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

當(dāng)?shù)匦螚l件不允許，主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)實(shí)施中風(fēng)險(xiǎn)高、成本大，或落石范圍較大，落石區(qū)域不確定性因素多時(shí)，可在隧道洞口上方適當(dāng)位置設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截落石，避免對隧道洞口及運(yùn)營線路造成破壞，圖2為被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)示意。

圖2 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的類型較多，目前國內(nèi)能生產(chǎn)的廠家也很多，設(shè)計(jì)施工中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、落石的能量大小、隧道洞口周邊地形條件等選用合理的防護(hù)網(wǎng)形式。

3.2 剛性、半剛性攔石墻

攔石墻自重大，由于隧道洞口邊坡高陡時(shí)，一般情況下受地形條件限制，施工難度大，且在落石撞擊時(shí)容易產(chǎn)生次生災(zāi)害，故不建議采用。

3.3 隧道洞口接長明洞措施

隧道洞口邊仰坡有落石危害時(shí)，也可采用接長明洞的方式進(jìn)行預(yù)防，明洞長度可根據(jù)落石滾落長度進(jìn)行計(jì)算確定。

3.3.1 落石對線路影響長度的計(jì)算

落石過程可采用Rockfall軟件進(jìn)行模擬，它是考慮到了巖塊的幾何形狀、大小和密度、初始運(yùn)動(dòng)方式、坡面幾何形態(tài)、坡面粗糙度、坡面滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)、法向和切向阻尼系數(shù)等基本輸入?yún)?shù)及其不確定性特征，可模擬得出落石的沖擊動(dòng)能、彈跳高度、運(yùn)動(dòng)軌跡及它們的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，較好地反映落石下落過程，為我們計(jì)算確定落石對線路的影響，并結(jié)合現(xiàn)場落石實(shí)際情況，為線路防護(hù)段落長度提供參考。

3.3.2 接長明洞方案

（1）柔性鋼棚洞方案

柔性鋼棚洞結(jié)構(gòu)主要組成部件有：鋼拱架＋鋼絞線＋端頭索具＋消能器＋環(huán)形網(wǎng)＋格柵網(wǎng)＋落石防護(hù)板＋支座?？刹捎眯弯摓橹黧w結(jié)構(gòu)，拱形剛架與隧道斷面基本吻合，并預(yù)留足夠的變形量，鋼拱架上連接直徑為18 mm、間距不大于300 mm的鋼絞線作為主要的吸能部件，每根鋼絞線的兩端分別連接消能器，鋼拱架外側(cè)設(shè)R×I～250環(huán)形網(wǎng)與網(wǎng)孔尺寸為50 mm×60 mm的雙絞六邊形格柵網(wǎng)（相關(guān)參數(shù)可根據(jù)實(shí)際調(diào)整），在線路頂部的鋼拱架底部焊接δ＝2 mm厚鋼板，避免小粒徑落石落在線路上。

鋼棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖如圖3所示。

圖3 鋼棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)效果圖

柔性結(jié)構(gòu)重量輕、制作安裝方便、對線路運(yùn)營影響小、美觀等；但強(qiáng)度低，承受落石沖擊能力差，鋼材耐久性差，需進(jìn)行防銹處理，后期維護(hù)成本高。

（2）鋼筋混凝土明洞結(jié)構(gòu)

可根據(jù)預(yù)測的落石沖擊力大小，采用30～70 cm厚的鋼筋混凝土明洞結(jié)構(gòu)。在明洞外側(cè)設(shè)緩沖材料，防止落石直接沖擊明洞結(jié)構(gòu)。

實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、地形條件、以及落石的特點(diǎn)等合理選用（表1）。

表1 方案比較表

橋隧相接地段，接長明洞如果沒有基礎(chǔ)條件時(shí)，可通過設(shè)置樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)上設(shè)置托梁支撐上部結(jié)構(gòu)。

3.4 洞口上方邊坡大孤石的處理措施

高陡邊坡地段，經(jīng)過長時(shí)間的風(fēng)化等自然作用，有可能會(huì)在隧道洞口上方邊坡上形成較大塊的孤石（如圖4、圖5所示）。

圖4 隧道洞口仰坡孤石

為保證運(yùn)營期隧道的安全，大孤石采用一次性徹底處理的可能性不大。一方面是由于孤石一般體積大，清理時(shí)如果控制不好，孤石一旦落在隧道洞口或與隧道洞口相接工程上，后果不堪設(shè)想；另一方面，如果對大孤石一次清理，會(huì)形成新的臨空面，可能會(huì)產(chǎn)生新的安全隱患。目前隧道出口大孤石處理主要有以下幾種方法。

圖5 孤石裂隙

（1）觀測方案

當(dāng)大孤石處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可選用觀測方案。清理大孤石上的小的危石及具有根劈作用的植物樹干，消除對巨大孤石整體或局部穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響的外部因素，布網(wǎng)和設(shè)置觀測點(diǎn)位，采用高密儀器長期觀測巨大孤石變化。觀測方案的優(yōu)點(diǎn)是投資低；缺點(diǎn)是未徹底消除其對行車安全的隱患。高陡邊坡一般位置受限，現(xiàn)場觀測困難，線路附近地表觀測，距離太遠(yuǎn)，裂縫細(xì)微變化難于識(shí)別；長期觀測要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，偶然人為疏忽可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果；也可采用儀器定時(shí)觀測，設(shè)定預(yù)警值，一旦發(fā)現(xiàn)大孤石發(fā)生劇烈變化超過預(yù)警值時(shí)，提前預(yù)警。

不管是采用現(xiàn)場觀測還是儀器觀測，都不能根治，對行車安全造成很大的隱患，一旦孤石失穩(wěn)崩落，后果可能不堪設(shè)想。

（2）網(wǎng)罩靜態(tài)爆破方案

為不影響運(yùn)營行車，對孤石采取全面網(wǎng)罩，逐層靜態(tài)爆破，就地人工破石，懸崖壁上攔石清方，人工清運(yùn)下山。優(yōu)點(diǎn)是能一次根除出口巨大孤石隱患；缺點(diǎn)是高陡邊坡實(shí)施靜態(tài)爆破要有專業(yè)性很強(qiáng)的施工隊(duì)伍，不能有絲毫的差錯(cuò)，操作工序及要求標(biāo)準(zhǔn)高，某個(gè)環(huán)節(jié)控制不嚴(yán)極有可能造成巨大孤石整體或部分下落，對鐵路特別是相接的橋梁等工程產(chǎn)生毀滅性的破壞，后續(xù)有可能引起新的次生病害。

（3）加固方案

對大孤石外部采取主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)包裹、錨拉鋼絞線外箍，巨大孤石本體采取預(yù)應(yīng)力錨索錨固，與巖石母體間的裂縫采用水泥砂漿填塞封閉，避免裂縫的繼續(xù)發(fā)展。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是加強(qiáng)了巨大孤石的整體穩(wěn)定性，不會(huì)對運(yùn)營期線路產(chǎn)生太大影響；缺點(diǎn)是大孤石可能位于溝邊懸崖上，錨索施作困難大，可靠性較難保證，施工過程中掉塊或塌方都會(huì)對線路安全產(chǎn)生威脅。

孤石受力示意圖如下圖6所示，對加固措施應(yīng)能提供的抗力計(jì)算基于以下假定：

圖6 大孤石的受力平衡示意圖

①假定大孤石沿結(jié)構(gòu)破裂面整體崩落，破裂面為近似直線。

②假定母巖穩(wěn)定，大孤石與母巖之間縫隙中填充物對孤石產(chǎn)生均勻推力。

③ 考慮到巖體的抗剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，因此，假定孤石初始破壞狀態(tài)是沿腳點(diǎn)傾覆破壞，而不是滑動(dòng)破壞。

基于以上假定，由∑MA＝0得：

高陡邊坡情況下，大孤石破裂面一般情況下近似于垂直，為簡化計(jì)算，可近似取α，β≈0進(jìn)行保守計(jì)算得以下簡化計(jì)算公式：

式中，K為安全系數(shù)；G為孤石自重，N；P為孤石受到破裂面裂隙的推力，可近似認(rèn)為均勻分布，N／m；F為孤石受到破裂面裂隙的推力，F(xiàn)＝P×d，N；F1為孤石底面尚未破裂范圍內(nèi)的有效拉力，N；a、b為裂隙的均布推力合力作用點(diǎn)至滾動(dòng)點(diǎn)的垂直、水平距離，m；c為孤石重心位置距滾動(dòng)點(diǎn)的水平距離，m；d為孤石受到破裂面裂隙的均布推力的作用范圍，m；e為孤石底面尚未破裂范圍內(nèi)的有效拉力至滾動(dòng)點(diǎn)的距離。

當(dāng)孤石沒有受到外界約束，即F抗＝0，孤石臨界破壞狀態(tài)下時(shí)，可以求得孤石失穩(wěn)破壞臨界狀態(tài)的簡化計(jì)算公式：

由上式可知，孤石自身如果能承受或通過采取一定措施后能承受上式右側(cè)的荷載時(shí)，孤石才能處于穩(wěn)定狀態(tài)，但由于實(shí)際情況下，孤石受力比較復(fù)雜，應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)。

4 結(jié)語

運(yùn)營期間隧道高陡邊坡出現(xiàn)落石危害，一般大面積清除不易實(shí)現(xiàn)，而且清理后的邊坡在經(jīng)過一定時(shí)期后又會(huì)形成新的風(fēng)化剝落層，威脅隧道洞口的安全，本文針對這種情況，對可采取的措施進(jìn)行了分析：

（1）在隧道洞口邊坡上采取主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行攔截消能，定期清理。在有條件的情況下以預(yù)防為主，優(yōu)先采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。隧道洞口高陡邊坡上落石不宜采用攔石墻進(jìn)行防護(hù)。

（2）隧道洞口采取接長明洞，明洞可采用鋼棚洞或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的形式。隧橋相連地段當(dāng)隧道洞口接長隧道明洞沒有基礎(chǔ)條件時(shí)，可采用樁基礎(chǔ)＋托梁的形式，托梁作為上部明洞結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

（3）針對隧道洞口上方邊坡可能產(chǎn)生的大孤石，可采用觀測、網(wǎng)罩靜態(tài)爆破及加固方案3種方式進(jìn)行處理。當(dāng)采用加固方案時(shí)，對孤石產(chǎn)生的荷載進(jìn)行了分析計(jì)算，并提出了加固措施應(yīng)能提供的最小抗力。

實(shí)際工程中，洞口邊坡落石病害形式較為復(fù)雜，需要采取兩種或兩種以上的落石處理措施，應(yīng)根據(jù)隧道洞口邊仰坡的地質(zhì)、地形條件，選用適當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

［1]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M].北京：人民交通出版社，2003.

［2]張國永.落石運(yùn)動(dòng)的理論分析及其治理［J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009，114（3）：132－134.

［3]羅章波.小平地隧道進(jìn)口危巖落石分析及整治設(shè)計(jì)［J].隧道建設(shè)，2013，33（9）：768－773.

［4]王玉鎖，楊國柱.隧道洞口段危巖落石風(fēng)險(xiǎn)評估［J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，335（6）：33－39.

［5]楊其新，關(guān)寶樹.落石沖擊力計(jì)算方法的試驗(yàn)研究［J].鐵道學(xué)報(bào)，1996，18（1）：101－106.

［6]孟祥連.寶成鐵路109隧道震災(zāi)特征及搶險(xiǎn)整治措施［J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，26（6）：91－94.