架空输气管道上方岩体崩塌灾害稳定性评估及治理

韩 超，黄 河，刘志伟，任路滨，李艳军

1.北京中地华安环境工程有限公司，北京 100085

2.中国石油化工股份有限公司天然气榆济管道公司，山东济南 250101

本文以某管道架空段上方崩塌灾害治理为例，在分析崩塌体基本特征的基础上，对崩塌灾害的成因机制、危害模式、稳定性进行了分析计算，确定了崩塌灾害发育的特征及可能的危害模式；据此设置了相关治理措施，同时针对施工期间架空管道可能遭受落石危害的特殊性，通过分析计算，从施工方法选择、埋地管道防护、架空管道防护等方面制定了对应的安全防护措施，保障了治理期间的管道安全[1-10]。可作为同类型灾害治理的参考。

1 崩塌灾害的基本特征

危岩体边坡岩性为中风化粉砂岩、泥岩、炭质泥岩互层，为管道建设期削坡及自然风化形成，坡体陡立，坡向181°，坡高19.8 m，宽23 m。风化裂隙极发育，岩体破碎，岩层产状：30°∠5°，发育2组节理：170°∠65°，110°∠90°，节理间距0.5～1 m不等，结构面结合程度差，部分裂隙贯通。管道在危岩体下以35°角由桁架与浆砌石基座保护转入埋地敷设，与危岩体坡面最近距离3 m，坡脚有崩积体压埋浆砌石基座及埋地管道现象，崩积块体最大粒径>1.5 m。坡体下部有风化掉块形成的负地形，致使上部岩体局部临空（见图1～图3）。

图1 危岩体全景照片

图2 危岩体成因及破坏模式

图3 危岩体剖面

2 崩塌成因机制、稳定性评价

2.1 成因机制

（1）危岩体形态。除坡体发育的2组节理外，岩体表面发育多条不规则垂向裂隙，多呈折线型，长度0.5～3 m不等，宽度2～6 cm，局部闭合，无充填，主要发育于坡体中上部。受不规则节理切割，形成多处随处危岩块体，三维边界清晰，部分块体重心投影位于坡面外部，呈临空状态。有崩塌发生，坡脚底部及管道桁架内有崩积物，对管道防腐层及浆砌石基座造成破坏。见图1～图3。

（2）地层岩性。坡体的岩性为粉砂岩-泥岩-粉砂岩互层，危岩体岩性构成了“相对硬-软-相对硬”岩性组合，软岩（炭质泥岩）2层，厚度在0.3、0.6 m，位于坡脚向上2.5、15 m高度。相对硬岩（粉砂岩）厚度0.8～2.5 m不等，软硬相间的岩石及层厚特征利于崩塌的发生。

（3）风化卸荷。危岩体各层岩石抗风化能力差异较大，风化剥蚀速度差异较大。炭质泥岩风化程度以强风化为主；粉砂岩抗风化能力相对较强，以弱～中风化为主。炭质泥岩风化剥离速度相对较快，坡体下部层位形成凹腔，致使上部岩体临空。

（4）地下水活动。危岩体存在基岩裂隙水渗流等地下水活动。在最下层炭质泥岩与砂岩接触层面有地下水渗出，冬季有结冰现象，在危岩体下部形成小型“冰瀑”。地下水活动及冻胀、冰劈作用加速了泥岩层的风化，是形成危岩体凹腔、影响危岩体稳定的因素之一。

2.2 破坏模式及稳定性评价

2.2.1 沿节理裂隙面滑移崩落

根据危岩体坡面、层理面、节理L1和节理L2的倾向、倾角（见表1）绘制的赤平投影图（见图4），可判断裂隙切割块体处于基本稳定状态，发生裂隙切割块体滑移崩塌的可能性较小。

表1 赤平投影参数

图4 赤平投影分析

2.2.2 随机块体崩落

危岩体受节理裂隙切割，发育多处小规模随机块体。岩体结构属层状碎裂结构、软硬相间的岩石组合，危岩体多呈现碎块状及板柱状。坡体实际坡度大于80°，近乎直立，局部负地形，块体重心投影位于坡面外，稳定性较差，有块体崩落发生。进一步发生随机块体崩落的可能性极大。

2.2.3 岩体整体破坏形式

软硬岩层的差异风化造成凹腔发育。夏季渗水软化，冬季遭受冻胀冰劈，岩体强度及结构受周期性条件影响持续衰减，裂隙更容易发育，加速危岩体的演化过程。凹腔发育会造成上部危岩体力传递不均，致使危岩体纵向裂缝扩展，呈现拉裂-倾倒等破坏模式。同时岩体的整体切割条件随裂缝发育的变化而变化，亦存在解体崩塌的可能性。综上所述，岩体裂缝拓展及整体切割条件受危岩体力学性质及凹腔发育速度的共同作用及影响，具有明显的时间效应，危岩体可能会出现复杂的拉裂→倾倒→崩溃的破坏形式。

对于由后缘岩体抗拉强度控制，且危岩体重心在倾覆点之外的情况，计算采用如下公式：

式中：F为稳定性系数；flk为危岩体抗拉强度标准值，kPa，自然工况取470，饱和工况取265；H为后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离，m，取12；h为后缘裂隙深度，m，取9；α为危岩体与基座接触面倾角，（°）；β为后缘裂隙倾角，（°），取84；W为危岩体自重，kN/m，经计算，自然工况取789.6，饱和工况取799.68；a为危岩体重心到倾覆点的水平距离，m，取1.4；Q为地震力，kN/m，计算得93.4；h0为危岩体重心到倾覆点的垂直距离，m，取6.9；V为后缘裂隙静水压力，kPa，计算得50；hw为裂隙充水高度，m取5；b为后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离，m。

危岩体稳定性计算评价采用三种工况。经计算，在工况1（自重）时，危岩体稳定系数2.42，处于稳定状态；在工况2（自重+暴雨）时，危岩体稳定系数1.02，处于欠稳定状态；在工况3（自重+暴雨+地震） 时，危岩体稳定系数0.89，处于不稳定状态。因此，在“自重+暴雨”及“自重+暴雨+地震工况”下，危岩体均有发生整体倾倒的可能。

3 崩塌灾害治理及管道安全防护

3.1 工程治理措施

采取“危岩体清理+锚杆挂网喷浆防护”的措施进行危岩体治理。对危岩体边坡进行分台阶清理，边坡中部设置两个平台，宽度2 m，每个台阶高约6 m，清理危岩体方量约1 332 m3。清理后采用锚杆挂网喷浆防护。采用SNS柔性防护网，锚杆材料选用φ20HRB400钢筋，锚杆行列间距2.5 m×2.5 m，长度3 m，孔径40 mm，砂浆强度为M30。喷浆防护采用水泥等级为P0 42.5R，混凝土等级为C20，喷浆厚度不小于80 mm。在坡体下部泥岩夹层段，设置积水槽并用碎石填充，防止冬季地下水冻胀对喷浆层的破坏，并布置一排PVC管排水孔，间距1 m，内置直径均为110 mm的PVC管，伸出喷浆层10 cm。

3.2 安全保障措施及管道防护

有别于常规崩塌灾害的治理，天然气管道的存在使得地质灾害治理工程实施方法的选择及施工空间有很大的局限。灾害治理过程需要对施工期管道保护给予足够的重视，防止治理工程实施过程中对管道可能造成的伤害。本次工程实施采取了以下几个方面的措施。

3.2.1 工程施工方法

管道走向与坡体坡向总体垂直且距离较近，需保证危岩清理的落石不对管道造成影响。危岩清理自上而下、自坡体内侧向外侧进行，单层清理厚度设定为1.0～1.5 m，每层层底清理为台阶状形态（见图5蓝线），坡体内侧深外侧浅，保障块石不向坡体外侧滚落；清理危岩块体的运移路径指定为“山嘴状”地形两侧的凹陷处（见图6青色线），不得使岩体自管道侧滚落。

图5 治理工程剖面

图6 治理工程布置平面示意

3.2.2 埋地管道防护

（1）埋地段管沟土换填。对现有崩塌体下管道实施管沟细砂土换填，防止原有回填土中碎石在落石冲击下可能对管道造成的伤害。

（2）埋地管道防护层。已有研究表明，当埋地油气管道穿越不稳定山体或可能崩塌的落石方量极大的严重崩塌区时，可以采取加大埋管深度或增加管道上部防护层厚度等方法，其可有效减小落石产生冲击荷载的破坏作用，保证管道的安全[11-12]。本文采用式（2）、式（3）落石冲击力计算公式计算防护层厚度[13]。

式中：P为落石冲击力，kPa；P（Z）为落石冲击缓冲层后陷入缓冲层的单位阻力，kPa；F为落石等效球体的截面积，m2；γ为缓冲层重度，即细砂堆积密度，kN/m3；φ为缓冲层内摩擦角，（°）；R为石块球半径，m；Q为石块重力，kN，根据多组节理裂隙间距，最大落石体积按2 m3计；γ1为落石重度，kN/m3；Z为落石冲击的陷入深度，m；vR为落石块体接触缓冲层时的冲击速度，m/s；g为重力加速度，m/s2，取9.80；H为坡高，m。计算取值及结果见表2。

表2 落石冲击力及陷入深度计算表

从表2可见，按18 m落石高度、2 m3最大落石体积计算，最大冲击压力1 588.59 kPa，满足管道防护安全要求。计算得落石冲击陷入深度1.4 m，目前管道埋深1.4～1.5 m，安全空间不足。因此实施如下防护措施：管沟换填后在地面上方堆置厚为0.9 m的砂土，增加安全埋设深度至1 m，使总埋深为2.3 m。

3.2.3 架空管道段的防护

采用了满堂脚手架、顶部钢板的措施对架空管道段进行防护，具体防护措施见图7。

图7 防护措施示意

4 结论

（1）对崩塌灾害成因机制及破坏模式的准确分析，是采取正确治理措施、有效消除风险的基础。本文对坡体结构、危岩体形态、诱发因素等方面通过定性分析和计算，确定崩塌灾害破坏模式为随机块体崩落、整体“拉裂→倾倒→崩溃”两种方式。

（2）架空管道上方危岩体崩塌对管道造成的危害形式为：随机块体崩落造成管道防腐层或管体刮痕、压坑；坡体整体“拉裂→倾倒→崩溃”式破坏，产生强大的瞬时冲击力和附加应力，造成管道变形、破裂甚至爆炸等毁灭性破坏。

（3）有别于常规崩塌灾害的治理，管道架空敷设使得灾害治理实施方法的选择及施工空间有很大局限。针对此种情况，本文探讨并实施了施工工法工序调整、埋地管道防护、架空管道架空防护等多种防护措施，有效保障了施工期管道的安全运营，可为类似工程提供参考。

（4）目前国内外针对崩塌落石对管道影响的研究较多，但是关于消除管道（特别是架空管道）受崩塌落石风险冲击的施工技术和防护措施的研究则少见，这是今后需进一步努力的方向。