李恭晨

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

高速鐵路為線性工程，其跨越區(qū)域大，穿越地貌、地質(zhì)單元多樣，工程建設(shè)較為復(fù)雜[1]。尤其在山區(qū)，危巖落石等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，會(huì)對正在建設(shè)或已經(jīng)運(yùn)營的高速鐵路造成巨大的威脅[2-4]。

目前，針對危巖落石的研究已經(jīng)有許多成果，危巖落石發(fā)生崩塌的因素主要分為內(nèi)部主控因素和外部致災(zāi)因子，并對各種因素導(dǎo)致崩塌的成因進(jìn)行分析[5-10]。王棟采用無人機(jī)影像技術(shù)對項(xiàng)目附近危巖落石進(jìn)行識(shí)別和調(diào)查，認(rèn)為該技術(shù)在北方植被較少的山區(qū)效果較好[11]；劉桂衛(wèi)提出在山區(qū)采用遙感技術(shù)來判斷危巖落石的分布范圍，但僅能對危巖落石分布范圍提供初步的判斷[12]；DU等提出了一種基于LDV技術(shù)的危巖落石的辨別技術(shù)，根據(jù)危巖落石和完整基巖指標(biāo)數(shù)據(jù)的不同來區(qū)別危巖與穩(wěn)定巖體[13]；葛大慶等綜合分析了InSAR在危巖落石識(shí)別效果，并對崩塌預(yù)警進(jìn)行了深入探索[14-16]。另外，吳少元采用信息量模型對危巖落石發(fā)生崩塌進(jìn)行易發(fā)性評價(jià)，但所需的數(shù)據(jù)較大，且依賴于前期調(diào)查數(shù)據(jù)的質(zhì)量[17]；胡濤采用徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對崩塌做出易發(fā)性評價(jià)[18]；林報(bào)喜將XGBoost機(jī)器學(xué)習(xí)模型與GIS技術(shù)相結(jié)合來對崩塌進(jìn)行易發(fā)性評估[19]；蘇生瑞等基于EW-AHP和未確知測度理論對崩塌進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)，減少了以往危險(xiǎn)評價(jià)打分的主觀性[20-21]，以上3個(gè)方法效果較好，但實(shí)際操作難度較大。

危巖落石崩塌的軌跡方向和滾落區(qū)域?qū)τ诠こ痰那捌谶x線和建設(shè)有著指導(dǎo)意義[22-23]。對于危巖落石崩塌軌跡的研究，多采用rockfall軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果與現(xiàn)場推石試驗(yàn)結(jié)果相接近[24-26]。Rockfall軟件為二維數(shù)值模擬軟件，崩塌方向存在主觀性，故三維數(shù)值模擬崩塌軌跡成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)方向[27-28]。黃小福研究在地震條件下危巖落石的崩塌運(yùn)動(dòng)特征，著重強(qiáng)調(diào)豎向地震荷載對崩塌運(yùn)動(dòng)特征的影響[29]。

綜上，危巖落石危險(xiǎn)性評估體系和流程尚不完善，以下結(jié)合具體工程實(shí)例，采用人工調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析的方法，對隧道進(jìn)出口進(jìn)行危巖落石的穩(wěn)定性和風(fēng)險(xiǎn)評估，并提出相應(yīng)的工程措施建議。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

某高速鐵路晏家塆隧道位于中低山丘陵，為雙線隧道，隧道全長867 m，最大埋深126.67 m，隧道入口附近有村落。區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)高程約193 m，最高點(diǎn)位坡頂平臺(tái)，高程約287 m，相對高差約94 m(見圖1)。主要地層為燕山晚期花崗巖。地表多為強(qiáng)風(fēng)化層，巖層呈碎石狀，厚5～15 m；其下弱風(fēng)化層厚度大于50 m，巖層結(jié)構(gòu)清晰完整，巖體呈大塊狀結(jié)構(gòu)。隧道區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，洞口附近為大埠口河，水系發(fā)育，巖石沖刷嚴(yán)重，巖石軟硬不均及風(fēng)化嚴(yán)重；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，大里程方向的山頂附近有一處斷層，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，主要為3組節(jié)理(見圖2)。在風(fēng)化、雨水等外營力作用下，沿節(jié)理裂隙發(fā)生破環(huán)形成多個(gè)大小不等的落石、危巖等不良地質(zhì)體，落石、孤石滾落傾向87°～91°，坡度30°～36°，在重力作用下沿坡滾動(dòng)或者傾倒式破壞，嚴(yán)重影響隧道安全。

圖1 基于三維影像的地形地貌及危巖落石體分布

1.2 危巖形成機(jī)制及分布特征

本工點(diǎn)危巖體分布在中低山丘陵地帶自然斜坡坡面，由于巖體節(jié)理裂隙發(fā)育及差異風(fēng)化作用，危巖主要以孤石、落石的形式分布(見圖3)，塊徑0.5～4.5 m，形狀以橢球、立方體為主。對線路主要造成的危害為不穩(wěn)定孤石順坡滾落、滑落。通過調(diào)查后分析，對工程造成危害的典型危巖體有4處(W1～W4)，單個(gè)體積83～221 m3，總體積為642.01 m3；碎石散落區(qū)5處(L1～L5)，總面積為1514.64 m2，總體積為757.32 m3，統(tǒng)計(jì)信息見表1、表2。

表1 危巖體統(tǒng)計(jì)匯總

表2 碎石散落區(qū)統(tǒng)計(jì)匯總

本工點(diǎn)危巖體主要影響隧道入口和DK150+308.76～DK150+420范圍內(nèi)的大埠口河大橋，其工程地質(zhì)斷面見圖4。

圖4 工程地質(zhì)斷面

2 危巖落石災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估和穩(wěn)定性評價(jià)

2.1 危巖落石災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估

鐵路建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)分級應(yīng)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率的等級、風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后果的等級，評定相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的等級。將外業(yè)調(diào)查成果代入表3、表4，來確定風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率的等級。由表3、表4可知，該隧道進(jìn)口邊坡為直線形邊坡，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，坡面有堆積體，得出該隧道進(jìn)口危巖落石風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率為4。

表3 風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率評判標(biāo)準(zhǔn)

表4 風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率等級標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后果等級按嚴(yán)重程度分為5級，見表5。由表5可知，風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的后果等級主要考慮人員傷亡、穩(wěn)定影響、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)損失、工期延誤和功能缺失等方面，最后得出該隧道進(jìn)口危巖落石風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后果等級為4。

表5 風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后果等級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鐵路建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》，鐵路建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)等級可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率等級和后果等級劃分(分為極高、高度、中度、低度4級)，即與TBl0012—2019《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中的極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級相對應(yīng)(見表6)。

表6 風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn)

由表6可知，該隧道進(jìn)口危巖落石風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率和后果等級均為4，因此，該隧道危巖落石風(fēng)險(xiǎn)等級為高風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級為高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需對該工點(diǎn)進(jìn)行定量評估；結(jié)果為中風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需對該工點(diǎn)進(jìn)行定性評估；低風(fēng)險(xiǎn)工點(diǎn)則在必要情況下采取簡要的防治措施，不必對其詳細(xì)評估。該隧道危巖落石為高風(fēng)險(xiǎn)，需定量評估隧道危巖落石穩(wěn)定性。

2.2 典型危巖體穩(wěn)定性評價(jià)

以野外調(diào)查的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面的方向、張開程度、密度、貫通程度等來確定優(yōu)勢節(jié)理、危巖體大小以及主崩方向。赤平投影分析方法可以確定邊坡臨空面與巖體中結(jié)構(gòu)面的相互組合關(guān)系，以及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合切割體可能失穩(wěn)滑移的方向。因此，危巖體穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)面組合評價(jià)主要采用基于野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行赤平投影分析，主要考慮“優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向和傾角”2個(gè)因素。挑選W4作為典型危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，W4中節(jié)理1、節(jié)理2和節(jié)理3的密度和貫通程度較大，為優(yōu)勢節(jié)理，危巖形態(tài)為楔形體，體積為220.04 m3，主崩方向?yàn)?9°，高程為258.8 m。由圖5綜合判斷，W4危巖體如若發(fā)生破壞，則為由底部巖體抗拉強(qiáng)度控制的傾倒式破壞。

圖5 W4危巖赤平投影

根據(jù)現(xiàn)場對危巖的調(diào)查后分析，危巖體裂隙面大多平直光滑，呈微張狀，裂隙抗剪強(qiáng)度低，綜合考慮裂隙的貫通程度，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，最終確定花崗巖的天然和飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)見表7。

表7 花崗巖物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

裂隙和滑動(dòng)面參數(shù)組要包括后緣裂隙深度、裂隙充水深度、滑動(dòng)面長度、滑動(dòng)面傾角等。由于勘查區(qū)內(nèi)巖體裂隙較發(fā)育，裂隙蓄水能力較差，天然狀態(tài)下各危巖體裂隙充水高度為0 m，其他參數(shù)從計(jì)算剖面中量取和現(xiàn)場觀察。

由底部巖體抗拉強(qiáng)度控制時(shí)，計(jì)算過程見圖6、式(1)。

圖6 傾倒式危巖穩(wěn)定性模型

(1)

式中，hw為后緣裂隙充水高度；a為危巖體重心到傾覆點(diǎn)的水平距離；b為后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點(diǎn)之間的水平距離；h0為危巖體重心到傾覆點(diǎn)的垂直距離；flk為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.4的折減系數(shù)確定；α為危巖體與基座接觸面傾角(外傾時(shí)取正值，內(nèi)傾時(shí)取負(fù)值)；β為后緣裂隙傾角；W為危巖體自重；Q為地震力，取0.05；V為裂隙水壓力，根據(jù)不同工況按規(guī)定計(jì)算。

將W4相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)代入式(1)中，傾倒式危巖體在各種情況的穩(wěn)定性系數(shù)見表8。

表8 傾倒式危巖穩(wěn)定性計(jì)算

按危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)F來對危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行量化判斷，根據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表9)，最后綜合判定W4為不穩(wěn)定危巖。

表9 危巖穩(wěn)定狀態(tài)劃分

3 典型危巖體破壞后運(yùn)動(dòng)路徑分析

目前，在落石運(yùn)動(dòng)特征計(jì)算分析方面，主要的計(jì)算方法為運(yùn)動(dòng)學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通過對落石運(yùn)動(dòng)過程的簡化，分析落石的運(yùn)動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)能量和彈跳高度等，采用Rockfall軟件模擬此過程。

由于落石運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，目前采用理論方法研究落石碰撞恢復(fù)系數(shù)的難度大。以美國科羅拉多州格倫伍德峽谷仿真巖塊試驗(yàn)為參考，結(jié)合現(xiàn)場邊坡巖性、植被、邊坡坡度等情況而確定如下(見表10、表11)。

表10 法向恢復(fù)系數(shù)和切向恢復(fù)系數(shù)

表11 坡面摩擦系數(shù)

坡面特性參數(shù)按有植被的碎石坡取值，W3體積較小，且處于山溝較緩處，彈跳高度和沖擊能相對其他危巖明顯較小，故不計(jì)算。表12為基于Rockfall計(jì)算得到的各危巖體最大落差、最大水平落距、最大彈跳高度及達(dá)到隧道口的沖擊能。分析可知，危巖體最大落距可達(dá)坡底，彈跳高度較高，沖擊能較大，嚴(yán)重威脅山下村莊及建設(shè)的鐵路安全，需對該區(qū)域危巖落石進(jìn)行處理。

表12 基于Rockfall計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《鐵路工程危巖防治技術(shù)規(guī)程》，該工點(diǎn)危巖落石主要影響隧道洞口和DK150+308.76～DK150+420范圍內(nèi)的大埠口河大橋。危害程度重大，防治等級為二級。根據(jù)勘察結(jié)果，在分析危巖體破壞機(jī)制、穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)路徑的基礎(chǔ)上，建議采用“表層危巖清除+主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+隧道接長明洞”的綜合治理方案：①清除不穩(wěn)定危巖體(W1、W2、W3、W4)、碎石散落區(qū)(L1～L5)區(qū)及邊坡坡面的小體積單體落石；②晏家灣入口塹頂上方設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)；③晏家灣隧道入口施作接長明洞。

4 結(jié)語

(1)發(fā)現(xiàn)典型危巖體4處(W1～W4)，單個(gè)體積83～221 m3，總體積約642 m3，滾落方向89°；根據(jù)《鐵路工程危巖防治技術(shù)規(guī)程》，該工點(diǎn)危巖落石主要影響隧道洞口和DK150+308.76～DK150+420范圍內(nèi)的大埠口河大橋，其危害程度重大，防治等級為二級。

(2)根據(jù)勘察結(jié)果，在分析危巖體破壞機(jī)制、穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)路徑的基礎(chǔ)上，采用“表層危巖清除+主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+隧道接長明洞”的綜合治理方案。