丰沙线危岩落石风险评估及整治

周文皎，习 奇，申文军，魏少伟，张玉芳

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中国铁路北京局集团有限公司 北京西工务段，北京 100860;3.中国铁路北京局集团有限公司 工务处，北京 100860；4.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 研究背景

山区铁路沿线复杂的地形条件以及恶劣的地质状况往往会给列车的行车安全造成难以估计的隐患和危险[1]。如隧道进出口危岩，不稳定斜坡滑坡以及沿线堑坡崩塌落石等。一旦这些地质灾害发生，必将给国民安全造成巨大损失。

近年来，在地震、强降雨等极端气候的多重影响下，山区铁路沿线地质灾害呈现多发趋势，引起了铁路部门的高度重视[2]。其中，崩塌落石灾害是最为普遍的灾害类型之一，它分布广、突发性强、危害大，所以，建立科学合理的危岩落石评估体系并且有效防治就显得尤为重要了。

目前，国内外对崩塌落石评估工作研究相对不成熟。PIERSON等[3](1990年)经过多年的研究，提出了一套针对公路崩塌落石风险评估准则，称之为Rock Fall Hazard Rating System(RHRS),其主要是以地形特征、地质概况、气象、岩块尺寸及崩塌规模大小、崩塌历史等为因子，进行公路崩塌落石风险评估。科罗拉多州运输部[4]也设计了一套系统，对州级公路中长期有岩崩问题的地段进行风险识别和分级(STOVER，1992年)。文献[5]简要总结了以往研究中地质灾害的风险评价方法，并对风险评估的发展进行了展望；文献[6]提出了隧道洞口落石风险评估方法，将隧道洞口段落石风险评估方式分为初步评估与细部评估两大步骤；文献[7]提出了隧道洞口段落石灾害危险性等级评价方法；文献[8]对辛泰线危岩落石进行分析和研究，并采取了相应的措施，使得病害得到了有效地整治；文献[9-12]对我国西南地区不同线路隧道口危岩落石的形成机理、失稳模式及破坏后的运动特征进行分析，确定危岩落石的失稳滚落概率及路径，并采取相应整治措施。但相关研究多以经验为主，难以满足铁路沿线地质灾害线长点多、基础资料不完善、安全要求高的特点。基于现实需求和评估研究现状，本文针对崩塌落石，采用安全性评价与风险评价相结合的定性、定量综合评估方法[13]，并且对丰沙线危岩落石工点进行评价，依据评价结论提出处置对策。

2 崩塌落石风险评估方法

2.1 崩塌落石概念及分类

崩塌落石是稳定斜坡上个别岩块的突然坠落；如岩块尚未坍落，但已接近于极限平衡状态时称为危石。落石规模较小，岩块体积从几立方厘米至几立方米不等。在运营线上，落石常造成钢轨砸伤、桥梁砸坏、列车砸损及列车脱线、颠覆事故，危害极大。

崩塌落石主要包括3类：第1类是自然山体危崖陡壁上的不稳定岩块或危石；第2类是裸露堑坡上的不稳定岩块或危石；第3类是边坡表层分布的由山体崩落的大小不一的危石。前两类落石，其破坏主要取决于岩体结构面发育情况，而第3类落石，则主要取决于危石嵌入深度、表层土体整体稳定性等。

2.2 崩塌落石风险评估流程

风险等级是根据灾害发生的危险性概率和风险事故损失来综合评级的。风险等级可表征为风险事故发生的概率和事故损失的乘积。崩塌落石灾害评估流程见图1。

图1 崩塌落石灾害评估流程

2.3 崩塌落石风险评估标准

崩塌落石评估标准包括：①病害类型；②挡护设施适宜性评价；③挡护设施技术状况评价;④病害危险性概率评价；⑤病害事故损失评价；⑥病害风险等级；⑦防治等级。

2.3.1 危险性概率评估

崩塌落石灾害危险性是指灾害发生的可能性。目前危岩稳定性计算方法共有4类，即基于有限元的静力稳定性分析法、可靠度分析法、基于监测资料的比较辨识法和静力解析法。本文采用静力解析法对典型工点进行分析和研究。

崩塌落石稳定性判别标准见表1[6]。

表1 崩塌落石稳定性判别标准

崩塌落石稳定性判别标准与危险性概率的对应关系见表2。

表2 灾害发生概率等级标准

2.3.2 事故损失评估

崩塌落石灾害事故损失评估，按灾害发生后影响范围及恢复通车快慢划分，见表3。

表3 事故损失等级评价

2.3.3 风险等级

风险等级可表征为风险事故发生的概率和事故损失的乘积。风险等级划分见表4。

表4 风险等级划分

注：表中代表极高风险(四级), 代表高度风险(三级), 代表中度风险(二级)， 空白代表低度风险(一级)。

2.3.4 防治等级

对应崩塌落石灾害风险等级，提出灾害防治等级和防治规划，见表5。

表5 防治等级和防治规划

3 实例分析

3.1 工程概述

丰沙线K54+080—K54+124下行右侧边坡自然坡坡率较陡，近垂直(见图2)；坡面裸露，出露基岩以强～中风化白云质灰岩为主，岩层较薄，风化裂隙发育，表层岩体较破碎。现场测得岩层产状为182°∠12°，3组贯通结构面，产状分别为283°∠62°,31°∠82°,202°∠71°。线路走向约118°，边坡坡向约198°。

3.2 病害描述

边坡脚现有一高约1.5 m、宽0.6 m浆砌片石挡墙。K54+096—K54+106段存在一危岩探头，距线路高约19～28 m，平均厚度约3.0 m，危岩体与自然山体结构面(202°∠71°)张开并贯通，基本分离，在暴雨等诱发因素作用下，极易崩落(见图2)。

图2 丰沙线K54+080—K54+124下行右侧边坡全貌

3.3 风险评估

3.3.1 风险危险性概率

根据当地气象和地震资料显示，该地区过去5年的年平均降雨量约200 mm，处于7度地震区。现场勘查可以看出该工点的灾害类型是滑移式崩塌，危岩探头厚度约2.0～3.5 m，总方量约40 m3，危岩体距线路高约19～28 m，坡脚距线路中心约9 m。危岩细部图见图3。

图3 危岩细部

滑移式崩塌落石的稳定系数按照静力解析法计算，具体计算公式为[7]

(1)

式中：K为危岩稳定系数；W为危岩体自重；Q为地震力，按Q=ξ×W确定，地震水平作用系数ξ取0.05；U为裂隙水压力，本地区为干旱地区，取0；C为后缘裂隙黏聚力标准值，当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段黏聚力标准值按长度加权和加权平均值，未贯通段黏聚力标准值取岩石黏聚力标准值的0.4倍；φ为后缘裂隙内摩擦角标准值，当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段内摩擦角标准值按长度加权和加权平均值，未贯通段内摩擦角标准值取岩石内摩擦角标准值的0.95倍；θ为软弱结构面倾角，外倾取正，内倾取负。

根据现场调查和查阅当地地勘资料可以得出，该工点危岩有3组贯通结构面，受雨水下渗、列车振动等诸多因素影响极易造成隐患发生。经过式(1)计算取W=5 000 kN/m3，Q=250 kN/m，U=0，C=25 kPa，θ=70°，φ=20 kPa,则K=1.046，依照表1可知该工点危岩不安全。对照表2确定其落石危险性概率属四级,极可能发生。

3.3.2 风险事故损失

风险事故损失依据事故损失等级进行评估分析。据现场调查，该段边坡可形成危岩体方量约40 m3，坡脚距线路水平距离约9 m，依据RockScience软件落石轨迹计算分析得出，该危岩体发生崩塌落石后，会在原地面产生跳跃，现有挡墙1.5 m，落石的跳跃高度最高约4.8 m(如图4所示)，最大冲击能约 20 000 kJ，存在入侵线路的可能。一旦坠落极可能影响到钢轨，危害到列车行驶安全，但能较快通车。对照表3可以得出该工点的事故损失等级为三级，属于大风险。

图4 崩塌落石轨迹分析

3.4 风险等级评价

根据表4，该工点对应的风险等级属四级极高风险，需近期立即整治。

3.5 防治措施

由以上分析的结果可以看出，现有防治措施无法起到防治作用，一旦崩落极易造成侵线危害。所以对应的防治措施为：K54+080—K54+124段现有挡墙高度不足，拆除现有1.5 m挡墙；K54+092—K54+110段设置混凝土拦石墙；依据崩塌落石轨迹分析，拦石墙基础埋深2 m，地面以上5.0 m(如图5所示)； K54+080—K54+092段、K54+110—K54+124段设置混凝土挡墙，基础埋深1.5 m，地面以上2.0 m。

图5 K54+100设计断面(单位：cm)

4 结论与建议

1)以丰沙线下行K54+080—K54+124右侧边坡崩塌落石为研究对象，采用静力解析法对其稳定性进行计算和分析，并对该处危岩体的严重程度进行现场调查分析，应用崩塌落石风险评估方法进行分析，得出风险等级为四级，属极高风险，应立即整治。

2)根据现场地质调查结果与评估结果分析，落石下落过程中的最大冲击能约 20 000 kJ，最大跳跃高度约4.8 m，存在入侵线路的可能。拆除现有1.5 m挡墙，K54+092—K54+110段设置混凝土拦石墙，基础埋深1 m，地面以上5.0 m；K54+080—K54+092段、K54+110—K54+124段设置混凝土挡墙，基础埋深1.5 m，地面以上2.0 m。

[1]张玉芳，王春生，张从明.边坡病害及治理工程效果评价[M].北京：科学出版社，2009.

[2]陈洪凯，唐红梅，叶四桥，等.危岩防治原理[M].重庆：地震出版社,2006.

[3]PIERSON L A,DAVIS S A,VICKLE R.The Rockfall Hazard Rating System Implementation Manual[R].Washington:Oregon State Highway Division,1990.

[4]STOVER B K.Highway Rockfall Research Report[R].Denver:Colorado Geological Survey,1992.

[5]张春山，吴满路，张业成.地质灾害风险评价方法及展望[J].自然灾害学报，2003，12(1)：96-102.

[6]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，2010,47(6)：33-39.

[7]叶四桥.隧道洞口段落石灾害研究与防治[D].成都：西南交通大学，2008.

[8]翟继伟.辛泰线危岩落石整治[J].路基工程，2012,30(3)：189-190,194.

[9]丁浩江，张广泽，岳志勤.坪上隧道口危岩落石失稳模式及运动特征分析[J].铁道工程学报,2015,32(12):7-11,29.

[10]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.

[11]亚南，王兰生，赵其华，等.崩塌落石运动学的模拟研究[J].地质灾害与环境保护，1996,7(2)：25-32.

[12]曾永红，丁兆锋，李宁.贵广铁路深路堑陡坡危岩落石整治方案设计[J].高速铁路技术，2017，8(2)：20-23,48.

[13]魏少伟，雷大鹏，卢大纬，等.山区铁路既有线地质灾害的风险评估方法[J].铁道建筑，2016，56(1)：47-52.