汶马高速桑坪隧道进口危岩落石防治措施研究

李兵，刘峰，马洪生，张磊

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都610041）

1 引言

危岩落石是我国比较常见的地质灾害，是山区三大地质灾害之一[1，2]。对公路、铁路建设及运营的危害是巨大的，同样，这也一直是我国山地开发建设的重要制约因素[3]。随着我国工程建设的快速发展，崩塌灾害在我国呈现增长趋势[4]。由于危岩落石灾害分布较为零散，不连续，爆发随机性强，导致目前并没有很好的方式方法来对其进行调查，也很难得到较为准确的灾害统计数据。但其造成的损失却不逊于滑坡、泥石流等灾害。例如，2007年6月10日,重庆市万州区一辆客车被从山上滚落下来的一块仅1m3的落石砸中,造成7死12伤的事故。2010年3月10日1时30分，陕西子洲县双湖峪镇石沟村发生黄土崩塌灾害，崩塌体积约8.9 ×104m3，造成27人死亡，等等[5]。根据相关统计，2020年上半年，我国发生地质灾害1 747起，造成直接经济损失10.1 亿元，其中，崩塌灾害有678起[6，7]。危岩落石的防治一直都是业内关注的焦点之一。复杂艰险山区目前很多工程路段桥梁与隧道洞口直接相连，导致经常有危岩落石落至隧道洞口及桥面上，严重威胁着行车和工程结构安全。

2 危岩特征分析

汶马高速桑坪隧道进口在复杂的地质环境作用下，形成了多种类型的崩塌危岩（见图1），按其破坏模式可以分为倾倒式、滑移式、坠落式以及滚落式。通过野外地质调查以及无人机航测技术进行危岩体定位，桑坪隧道口边坡共有59块危岩体。研究区危岩体数量最多的类型为坠落式危岩体，占总量的45.8 %，滑移式、倾倒式、滚落式危岩体数量分别占总量的23.7 %、20.0 %和8.5 %。研究区岩性主要为绢云母千枚岩，河谷下蚀速度快，卸荷强烈，因此，容易形成高陡斜坡，加之差异风化、地震、人类工程开挖的作用，边坡凹腔发育，因此，坠落式危岩体在研究区发育最为广泛。

图1 桑坪隧道进口危岩照片

3 危岩体运动轨迹和危害范围分析

落石运动轨迹和运动能量的研究方法主要有历史落石事件调查、落石实验和数值模拟[8]。由于危岩体所在位置地质条件较为恶劣，山高坡陡，现场无法进行落石试验，同时，此地区历史落石资料并不充足，所以，本文通过ArcGIS软件对DSM（数字地表模型）进行切割得到真实地形剖面，使用RockFall软件对危岩体的运动轨迹进行模拟。根据危岩体的分布位置，选择了26个剖面模拟危岩体可能的运动轨迹及冲击能量。根据危岩体运动轨迹预测结果并结合落石的威胁程度分析规划出危险区域，并将其分为危险区域、较危险区域以及一般危险区域3级（见图2）。根据分析结果，可判定隧道进口仰坡至第一跨桥梁路段约60m长范围处于危险区域。

4 防治措施研究

4.1 防治措施

经过多年的工程实践及研究，目前危岩防治技术措施主要可以分为主动防护技术体系以及被动防护技术体系两大类。其中，主动防护技术主要是通过提高危岩体及边坡的稳定性来降低其崩落的可能性，具体包括锚固工程、主动防护网、支撑等多种措施。而被动防护技术则是在假设危岩落石发生崩落时，能够为危岩落石威胁的对象提供一个防护措施，具体包括明洞结构、落石槽以及被动防护网等多种措施。

图2 危险区域等级划分图

由于桑坪隧道洞口边仰坡高陡，岩体风化破碎，危岩发育，常规的危岩主动加固与被动防护措施造价高、处治难度大、工期长、长期效果差。本文提出一种适用于复杂山区的桥隧连接结构，包括防落石高填明洞和与其连通的常规明洞，常规明洞连通隧道暗洞，防落石高填明洞从下向上依次设置有桩基、承台、挡土墙和回填土方，回填土方设置于挡土墙和基岩之间，防落石明洞设置于回填土方上，桥基与横向挡土墙分开设置，桥台的路面标高与常规明洞的路面标高平齐，通过防落石高填明洞来保护隧道口的安全。

为了增强明洞的防护能力，在挡土墙上设有侧墙，侧墙设置在防落石高填明洞的一侧，并在侧墙外侧设有多个排水槽，顶部有格栅网。侧墙与基岩之间设有路基回填料，其上设有缓冲层和隔水层。

上述技术方案在桑坪隧道口危岩防治效果明显，相较于以往常规的治理方法，可以在保证抗冲击能力和承载力的情况下减少工程造价。并且防落石高填明洞基础和桥基分开设置，可以确保在不同沉降和地质灾害的危害下，二者相互影响较小。

4.2 组合结构稳定性数值模拟计算

为了更加直观地说明这种桥隧连接结构的稳定性，采用数值计算方法对组合结构两级挡土墙的稳定性进行分析，对挡土墙材料以及周围土体和隧道设置合理的参数，并对施工工序进行模拟，评价挡土墙的稳定性，并计算挡土墙的安全系数。由于桑坪隧道口距茂汶活动性大断裂约7 km，历来地震活动频繁，属强震区，所以，进行模拟计算时，选择天然和地震2种工况。

4.2.1 模型的建立及网格划分

以ZK56+440横断面作为计算对象，进行数值计算分析，数值计算分析如图3所示。计算断面中从上至下依次为千枚岩、回填路基填料、人工填土、卵石土。桑坪隧道左线明洞位于回填路基填料层中，并设置二级挡土墙，第一级挡土墙高为10.43 m，第二级挡土墙高为14.0 m。其中，第一级挡土墙墙体材料为C20混凝土，第二级墙体材料为C20片石混凝土。挡土墙下设置3m高的C30钢筋混凝土承台，承台下为桩基础，桩长28m。模型采用中等的网格密度以保证计算结果的准确性，对桩基承台、挡墙及隧道结构等进行局部加密，并对结构附近的岩土体进行适当加密，网格划分过程中自动考虑土层、结构、荷载及边界条件。

图3 数值计算模型图

4.2.2 数值模拟结果分析

利用数值模拟，获得了挡土墙后的土压力分布，以及挡土墙截面的竖向沉降和应力分布云图，并对两级挡土墙的安全系数进行了计算。根据数值模拟计算结果，对于桩和承台结构而言，路基填料回填完成后和地震作用2种工况下，其位移和应力结果基本无变化。对于C20片石混凝土挡墙，路基填料回填完成后和地震作用2种工况下，其应力结果基本无变化，相对而言，位移有较明显的变化，尤其是水平位移。对于C20混凝土侧墙，路基填料回填完成后和地震作用2种工况下，其应力位移结果有较明显的变化。C20混凝土侧墙的水平位移自上而下逐渐减小，挡墙上部水平位移最小，下部水平位移最大。对于明洞结构，路基填料回填完成后和地震作用2种工况下，其应力位移结果无明显变化。对于模型岩土体，路基填料回填完成后和地震作用2种工况下，其应力位移结果无明显变化。根据数值模拟计算结果，设计已采取相应措施，如在结构连接处（应力集中），增加这些连接处的强度；路基回填填料的最大竖向下沉位移达到56mm，设计要求严格控制施工工序，采取小型机械分层碾压，路堤上部铺设土工格栅，仰拱回填C20混凝土垫层，以减小不均匀沉降的影响。

就C20混凝土侧墙和C20片石混凝土挡土墙的抗倾覆安全系数、抗滑移安全系数、抗震时安全系数分别计算，计算结果见表1。

表1 组合结构安全系数结果汇总表

5 结语

复杂艰险山区公路大多桥梁与隧道洞口直接相连，导致经常有危岩落石落至隧道洞口及桥面上，严重威胁行车和工程结构安全。本文通过对汶马高速桑坪隧道进口危岩防治措施的研究，创新提出一种复杂山区桥隧连接结构，增强了隧道洞口路段的抗冲击能力，增加了结构的稳定性。桑坪隧道出口危岩治理工程已经施工完毕2年有余，运营良好，治理效果明显。