运营期间隧道洞口高陡边坡落石处理技术探讨

赵晓勇

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

1 引言

近年来，国内高速铁路飞速发展，线路条件要求高，桥隧比例重。线路向山区的延伸及受山区地形的限制，线路常常在崇山峻岭中穿行，不可避免地会碰到“V”型沟谷，出现大量的高陡边坡的铁路隧道。为了“保护环境、保护生态”，隧道洞口应尽量少刷坡或零刷坡，避免采用高边坡等防护形式，减少对隧道洞口原生植被的破坏。

由于线路的走向及场地的限制，许多隧道进出口的边、仰坡高陡，地质条件恶劣，在雨水及地震等自然灾害的作用下，会形成危岩、落石、崩塌等，对隧道洞口及相邻的桥梁等结构及线路造成危害，影响运营。如2008年“5.12”大地震中，宝成线109隧道就是由于边坡崩塌及落石，破坏了隧道洞口结构，造成了严重的损失。同时，隧道投资大，一旦建成，一般情况下不会轻易改线重建。因此，在发现隧道洞口有潜在危害时，通常情况下都是采取措施进行处理。在采取措施处理过程中，应保证线路的正常运营，因此，研究运营隧道高、陡边坡崩塌落石病害的处理措施，保证线路结构安全及列车运行安全，显得尤为重要。

在隧道工程修建前，应对隧道洞口边坡进行详细调查，当发现有崩塌落石隐患时，应及时采取措施进行彻底处理，避免将安全隐患遗留至运营期。因为在运营期采取措施处理时，会对列车运营产生影响，制约因素多，不利于施工。但是，即使隧道施工时处于稳定状态的边坡，经过长时间的风吹日晒、降雨、地震以及根劈作用，也会产生崩塌落石的危害。

2 边坡崩塌落石产生的原因分析

高陡边坡一般为基岩地层，坡面岩体主要受区域地质构造、物理风化及一些树木的根劈作用，节理、裂隙发育，会导致山体边坡岩体切割破碎，在多次降雨、长期根劈作用、地震及列车震动等因素的影响下，也会加速岩体松动，形成危岩。临界状态下，边坡危岩在临空面处，在某些因素激发下，松动岩块会脱离母体，在重力作用下向下滚落，顺边坡猛烈翻滚、跳跃并相互撞击和滑动，发生的过程称为崩塌、落石。向下崩落危岩通常出现在地形坡度较陡的部位，尤其在受裂隙切割的高陡边坡。落石有几个较显著的特点：

（1）发生时间的不确定性。

（2）运动速度快。

（3）在崩落过程中有翻倒、跳跃、滚动、滑动、坠落相互撞击等运动形式，在撞击后可能会形成破碎分块，运动形式复杂，难以准确描述。

危岩落石与洞口边坡特性有很大的关系，一般来说，坡面越陡越光滑，落石的运动速度越快，危害也越大。如果落石体积较大，一旦发生就会带来人身伤亡和财产损失等巨大危害。

由于危岩落石的高速运动、高冲击能量、在特定区域发生的时间和位置的不确定性、运动过程的复杂多变性。因此，要想防治危岩落石，必须根据落石产生的特点，弄清落石发生的原因，判断所有可能发生危岩落石的基本条件，才能采取相应的工程措施加以整治。

3 隧道洞口边、仰坡落石的处理措施

3.1 主、被动防护网

目前隧道洞口崩塌落石常用防治方法是在洞口边、仰坡采用主动、被动防护网防护体系，防护网施工一般对运营隧道洞口及相邻工程影响小，只要保证施工期间不落石，就可避免对线路运营产生影响。

落石发生体积较小、冲击力有限，且地形条件允许时，可对边坡进行清理，清理后根据可能发生的落石的冲击能量大小，可采用相应能级的主动防护网进行预防，在一定作用下，使危石处于相对稳定状态，避免崩落，主要是以预防为主，适用于边坡落石范围比较集中的隧道洞口，图1为主动防护网常见类型的一种。

图1 主动防护网

当地形条件不允许，主动防护网实施中风险高、成本大，或落石范围较大，落石区域不确定性因素多时，可在隧道洞口上方适当位置设置被动防护网拦截落石，避免对隧道洞口及运营线路造成破坏，图2为被动防护网示意。

图2 被动防护网

主、被动防护网的类型较多，目前国内能生产的厂家也很多，设计施工中应根据地质条件、落石的能量大小、隧道洞口周边地形条件等选用合理的防护网形式。

3.2 刚性、半刚性拦石墙

拦石墙自重大，由于隧道洞口边坡高陡时，一般情况下受地形条件限制，施工难度大，且在落石撞击时容易产生次生灾害，故不建议采用。

3.3 隧道洞口接长明洞措施

隧道洞口边仰坡有落石危害时，也可采用接长明洞的方式进行预防，明洞长度可根据落石滚落长度进行计算确定。

3.3.1 落石对线路影响长度的计算

落石过程可采用Rockfall软件进行模拟，它是考虑到了岩块的几何形状、大小和密度、初始运动方式、坡面几何形态、坡面粗糙度、坡面滑动和滚动摩擦系数、法向和切向阻尼系数等基本输入参数及其不确定性特征，可模拟得出落石的冲击动能、弹跳高度、运动轨迹及它们的统计结果，较好地反映落石下落过程，为我们计算确定落石对线路的影响，并结合现场落石实际情况，为线路防护段落长度提供参考。

3.3.2 接长明洞方案

（1）柔性钢棚洞方案

柔性钢棚洞结构主要组成部件有：钢拱架＋钢绞线＋端头索具＋消能器＋环形网＋格栅网＋落石防护板＋支座。可采用型钢为主体结构，拱形刚架与隧道断面基本吻合，并预留足够的变形量，钢拱架上连接直径为18 mm、间距不大于300 mm的钢绞线作为主要的吸能部件，每根钢绞线的两端分别连接消能器，钢拱架外侧设R×I～250环形网与网孔尺寸为50 mm×60 mm的双绞六边形格栅网（相关参数可根据实际调整），在线路顶部的钢拱架底部焊接δ＝2 mm厚钢板，避免小粒径落石落在线路上。

钢棚洞防护结构轴侧图如图3所示。

图3 钢棚洞防护结构效果图

柔性结构重量轻、制作安装方便、对线路运营影响小、美观等；但强度低，承受落石冲击能力差，钢材耐久性差，需进行防锈处理，后期维护成本高。

（2）钢筋混凝土明洞结构

可根据预测的落石冲击力大小，采用30～70 cm厚的钢筋混凝土明洞结构。在明洞外侧设缓冲材料，防止落石直接冲击明洞结构。

实际工程中，应根据工程地质条件、地形条件、以及落石的特点等合理选用（表1）。

表1 方案比较表

桥隧相接地段，接长明洞如果没有基础条件时，可通过设置桩基础，桩基础上设置托梁支撑上部结构。

3.4 洞口上方边坡大孤石的处理措施

高陡边坡地段，经过长时间的风化等自然作用，有可能会在隧道洞口上方边坡上形成较大块的孤石（如图4、图5所示）。

图4 隧道洞口仰坡孤石

为保证运营期隧道的安全，大孤石采用一次性彻底处理的可能性不大。一方面是由于孤石一般体积大，清理时如果控制不好，孤石一旦落在隧道洞口或与隧道洞口相接工程上，后果不堪设想；另一方面，如果对大孤石一次清理，会形成新的临空面，可能会产生新的安全隐患。目前隧道出口大孤石处理主要有以下几种方法。

图5 孤石裂隙

（1）观测方案

当大孤石处于稳定状态时，可选用观测方案。清理大孤石上的小的危石及具有根劈作用的植物树干，消除对巨大孤石整体或局部稳定产生不利影响的外部因素，布网和设置观测点位，采用高密仪器长期观测巨大孤石变化。观测方案的优点是投资低；缺点是未彻底消除其对行车安全的隐患。高陡边坡一般位置受限，现场观测困难，线路附近地表观测，距离太远，裂缝细微变化难于识别；长期观测要耗费大量的人力、物力和财力，偶然人为疏忽可能导致严重后果；也可采用仪器定时观测，设定预警值，一旦发现大孤石发生剧烈变化超过预警值时，提前预警。

不管是采用现场观测还是仪器观测，都不能根治，对行车安全造成很大的隐患，一旦孤石失稳崩落，后果可能不堪设想。

（2）网罩静态爆破方案

为不影响运营行车，对孤石采取全面网罩，逐层静态爆破，就地人工破石，悬崖壁上拦石清方，人工清运下山。优点是能一次根除出口巨大孤石隐患；缺点是高陡边坡实施静态爆破要有专业性很强的施工队伍，不能有丝毫的差错，操作工序及要求标准高，某个环节控制不严极有可能造成巨大孤石整体或部分下落，对铁路特别是相接的桥梁等工程产生毁灭性的破坏，后续有可能引起新的次生病害。

（3）加固方案

对大孤石外部采取主动防护网包裹、锚拉钢绞线外箍，巨大孤石本体采取预应力锚索锚固，与岩石母体间的裂缝采用水泥砂浆填塞封闭，避免裂缝的继续发展。这种方法的优点是加强了巨大孤石的整体稳定性，不会对运营期线路产生太大影响；缺点是大孤石可能位于沟边悬崖上，锚索施作困难大，可靠性较难保证，施工过程中掉块或塌方都会对线路安全产生威胁。

孤石受力示意图如下图6所示，对加固措施应能提供的抗力计算基于以下假定：

图6 大孤石的受力平衡示意图

①假定大孤石沿结构破裂面整体崩落，破裂面为近似直线。

②假定母岩稳定，大孤石与母岩之间缝隙中填充物对孤石产生均匀推力。

③ 考虑到岩体的抗剪切强度远大于其抗拉强度，因此，假定孤石初始破坏状态是沿脚点倾覆破坏，而不是滑动破坏。

基于以上假定，由∑MA＝0得：

高陡边坡情况下，大孤石破裂面一般情况下近似于垂直，为简化计算，可近似取α，β≈0进行保守计算得以下简化计算公式：

式中，K为安全系数；G为孤石自重，N；P为孤石受到破裂面裂隙的推力，可近似认为均匀分布，N／m；F为孤石受到破裂面裂隙的推力，F＝P×d，N；F1为孤石底面尚未破裂范围内的有效拉力，N；a、b为裂隙的均布推力合力作用点至滚动点的垂直、水平距离，m；c为孤石重心位置距滚动点的水平距离，m；d为孤石受到破裂面裂隙的均布推力的作用范围，m；e为孤石底面尚未破裂范围内的有效拉力至滚动点的距离。

当孤石没有受到外界约束，即F抗＝0，孤石临界破坏状态下时，可以求得孤石失稳破坏临界状态的简化计算公式：

由上式可知，孤石自身如果能承受或通过采取一定措施后能承受上式右侧的荷载时，孤石才能处于稳定状态，但由于实际情况下，孤石受力比较复杂，应考虑一定的安全系数。

4 结语

运营期间隧道高陡边坡出现落石危害，一般大面积清除不易实现，而且清理后的边坡在经过一定时期后又会形成新的风化剥落层，威胁隧道洞口的安全，本文针对这种情况，对可采取的措施进行了分析：

（1）在隧道洞口边坡上采取主、被动防护网进行拦截消能，定期清理。在有条件的情况下以预防为主，优先采用主动防护网。隧道洞口高陡边坡上落石不宜采用拦石墙进行防护。

（2）隧道洞口采取接长明洞，明洞可采用钢棚洞或钢筋混凝土结构的形式。隧桥相连地段当隧道洞口接长隧道明洞没有基础条件时，可采用桩基础＋托梁的形式，托梁作为上部明洞结构的基础。

（3）针对隧道洞口上方边坡可能产生的大孤石，可采用观测、网罩静态爆破及加固方案3种方式进行处理。当采用加固方案时，对孤石产生的荷载进行了分析计算，并提出了加固措施应能提供的最小抗力。

实际工程中，洞口边坡落石病害形式较为复杂，需要采取两种或两种以上的落石处理措施，应根据隧道洞口边仰坡的地质、地形条件，选用适当的方法。

［1]关宝树.隧道工程设计要点集［M].北京：人民交通出版社，2003.

［2]张国永.落石运动的理论分析及其治理［J].中国高新技术企业，2009，114（3）：132－134.

［3]罗章波.小平地隧道进口危岩落石分析及整治设计［J].隧道建设，2013，33（9）：768－773.

［4]王玉锁，杨国柱.隧道洞口段危岩落石风险评估［J].现代隧道技术，2010，335（6）：33－39.

［5]杨其新，关宝树.落石冲击力计算方法的试验研究［J].铁道学报，1996，18（1）：101－106.

［6]孟祥连.宝成铁路109隧道震灾特征及抢险整治措施［J].铁道工程学报，2009，26（6）：91－94.