花山岭隧道进出口落石特征及防治研究

任玉鹏

（中国铁路兰州局集团有限公司 银川工程建设指挥部，宁夏 银川 750000）

1 概述

对于危岩落石崩塌轨迹的研究，多采用Rockfall 软件进行数值模拟，其结果与现场推石试验结果相接近［1-4］。丁浩江等［5］提出了危岩落石的4 种失稳模式，针对坪上隧道提出了危岩落石整治方法并给出防护建议；肖智勇［6］利用Rockfall计算软件获得了花岗岩开采区危岩边坡岩体运动轨迹及冲击能量并提出防治建议。以花山岭隧道进口为例，通过Rockfall 软件研究不同落石轨迹预测线危岩落石的运动轨迹、动能、弹跳高度、落点位置等运动特征，并提出安全合理的防治措施。

李恭晨［7］在分析危岩体破坏机制、稳定性及运动路径的基础上，提出了一种“表层危岩清除+主被动防护网+隧道接长明洞”的综合治理方案。王凯林等［8］基于Rockfall 等软件，提出适用于高速铁路常用跨度32 m简支箱梁的钢筋混凝土刚架式桥梁-棚洞一体化结构设计方案，取得较好的效果。

2 工程概况

2.1 地形地貌

花山岭隧道位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头区香山乡境内。隧道位于低中山区，地形起伏较大，地面高程约1 699.2～1 766.3 m，相对高差20～66 m。自然边坡坡率一般为35°～45°，局部为45°～65°。隧道进口洞门仰坡山体垂高91 m，洞门左侧山体垂高62 m，坡面陡立，基岩裸露，基岩主要为寒武系中统香山群狼嘴子组砂岩夹板岩，强风化～弱风化，岩层产状较陡，主要发育2组节理，节理裂隙发育，岩体破碎。受剥蚀影响，山坡表层岩体风化严重（见图1）。

图1 花山岭隧道进口全貌

2.2 地层岩性及地质构造

花山岭隧道进口基岩裸露，基岩主要为寒武系中统香山群狼嘴子组砂岩夹板岩，强风化～弱风化，岩层产状较陡，主要发育2组节理，节理裂隙发育，岩体破碎。花山岭隧道位于卫宁北山东西向构造和陇西旋卷构造体系组成的复合构造体系内。卫宁北山东西向构造是受南北向主压应力作用的结果，陇西旋卷构造体系的主压应力为南西—北东方向的挤压，其外旋层相对内旋层呈现出逆时针方向的扭动。节理产状1：305°∠81°，节理微张～张开，延伸性较差，局部填充泥质，节理平均间距约5～15 cm；节理产状2：20°∠83°，节理微张，延伸性一般，节理平均间距约3～20 cm。

局部岩体存在脱离母体向线路大里程方向与左侧冲沟滚落崩塌的可能，向线路右侧滚落崩塌的可能性及影响相对较小。危岩体范围及体积较大，呈块状～碎散状，岩性由灰绿色砂岩夹板岩及其不同程度的风化物组成，以强～弱风化为主，节理裂隙发育，岩体破碎，岩石表层风化严重。岩体中主要发育2组不利结构面，结构面控制危岩体崩塌、落石的发生。

3 危岩落石稳定性评估

针对花山岭隧道进口顶部危岩落石稳定情况，在区域地质条件分析的基础上，进行了详细的工程地质调查，利用赤平投影法对危岩落石的整体稳定性进行评估。根据花山岭隧道进口危岩落石几何特征，分2个典型断面对崩塌、滑动可能性进行评价。

3.1 线路左侧边坡

边坡高度约55 m，坡向约306°，坡角约35°，主要为砂岩夹板岩，强风化，结构面受风化影响较为杂乱，节理裂隙很发育，主要发育节理：J1 为300°∠32°、J2为20°∠83°。根据线路左侧边坡结构面赤平投影分析（见图2），边坡目前整体处于基本稳定状态，局部岩体易脱离母体，形成落石，易发生崩塌。

图2 线路左侧边坡结构面赤平投影

3.2 线路大里程方向边坡

边坡高度约80 m，坡向约24°，坡角约34°，主要为砂岩夹板岩，强风化，结构面受风化影响较为杂乱，节理裂隙很发育，主要发育节理：J1 为300°∠32°、J2为20°∠83°。根据线路大里程方向边坡结构面赤平投影分析（见图3），边坡目前整体处于基本稳定状态，局部岩体易脱离母体，形成落石，易发生崩塌。

图3 线路大里程方向边坡结构面赤平投影

根据各典型断面的赤平投影分析结果如下：花山岭隧道进口岩性以砂岩夹板岩为主，节理裂隙发育，岩体破碎，主要发育2组不利结构面，岩体结构及稳定性受结构面控制，危岩体体积较大，呈块状～碎散状。边坡目前整体处于基本稳定状态，局部岩体易脱离母体，形成落石。在降水、冻胀、振动及持续风化等外界条件作用下，局部危岩体存在落石及崩塌的可能。

4 危岩落石模拟计算及分析

4.1 模拟计算

根据花山岭隧道的地质情况及赤平投影法，提出3 条落石轨迹预测线（见图4），采用Rockfall 软件进行落石的模拟计算。

图4 落石轨迹预测线平面

4.2 模拟结果

通过Rockfall 软件研究不同落石轨迹预测线下危岩落石的运动轨迹、动能、弹跳高度、落点位置等运动特征，落石轨迹预测线1模拟结果见图5。

图5 落石轨迹预测线1

预测线1落石在边坡上部发生滚落运动中产生的最大弹跳高度为3.9 m，最大冲击能量约为130 kJ，大部分落石落点位于洞口所在范围。

预测线2落石在边坡上部发生滚落运动中产生的最大弹跳高度为0.64 m，最大冲击能量约为110 kJ，大部分落石落点位于交叉里程所在范围。

预测线3落石分析软件计算结果可知，落石在边坡上部发生滚落运动中产生的最大弹跳高度为0.054 m，最大冲击能量约为42 kJ，极少部分落石落点位于交叉里程所在范围。

4.3 模拟结论

由模拟结果可以看出，主要危岩落石风险来源为仰坡方向，落点最大到隧道洞口外25 m，最大弹跳高度3.9 m，洞口上方的最大冲击能量约为90 kJ；花山岭隧道进口危岩落石存在影响运营安全的风险。

5 危岩落石处理措施

隧道洞口危岩落石处理措施应按照“主动整治、被动防护”的总体原则，“宁强勿弱、杜绝后患”动态设计，结合隧道口的地形特点及危岩落石性质特征，选择具体可行的综合防护措施。依据计算结果及现场实际情况提出花山岭隧道进口处理方案：

（1） 在原14 m 洞门标准衬砌的基础上，新增25.59 m护桥棚洞结构。

（2）边仰坡开挖线外落石区设置主动防护网，洞顶上方设置被动防护网，防护网高度5 m，长130 m；防止进入交叉里程，威胁铁路运行安全。

（3）洞口永久边仰坡采用锚杆框架梁防护，加固洞口上方落石，从源头上降低落石的风险。

6 结束语

治理危岩落石是一项十分复杂的工作，对于可能产生危岩落石的情况，应对现场进行详细勘察，对危石产生原因、现场状态进行评估，推测可能发生的坠石形态，同时对落石轨迹、弹跳高度、运动能量、产生的冲击力等进行系统地研究，从而决定危岩落石的治理方案。

通过花山岭隧道进口危岩落石整治成功的实例，研究预测方法及计算方式可为其他铁路及公路危岩落石计算及治理提供参考。