铁路隧道洞口高陡仰坡危岩落石防治措施研究

袁云洪

（中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南 昆明 650200）

0 引言

沟谷深切的山区相对高差大，岸坡陡峻，裸露基岩卸荷裂隙发育，受选线制约，铁路工程隧道洞口及邻近桥梁面临危岩落石威胁，给铁路运营及安全造成严重的影响，如何有效处理高陡仰坡危岩落石危害成为现阶段铁路工程热点课题之一[1-3]。鉴于此，本文以大临铁路三家村隧道出口高陡仰坡危岩落石综合防护治理为背景，通过对岸坡进行勘察，分析危岩分布情况、危岩结构、稳定性和落石运动特征，并考虑极端天气条件下其他区域对铁路工程的影响，针对性展开分区域、多级防护，确保铁路工程结构和运营安全。

1 工程概况

大临铁路为设计时速160km/h的客货共线单线铁路，穿行于云南省西南部地区，沟谷深切，地形陡峻，隧道占比77%。三家村隧道位于大理州南涧县小湾东镇境内，隧道全长1 410m，隧道最大埋深350m。隧道横穿瓦怒卜山山脊，出口洞口仰坡岩体破碎，风化卸荷严重。隧道所在区域属中山侵蚀、剥蚀地貌，地形起伏大，冲沟发育。地面高程为1200～1800m，相对高差600m，自然横坡为40～60°，局部陡峻，坡度大于70°。坡上覆土层较薄，进出口端坡面植被较差，基岩出露。本隧道处于公郎弧形构造带内，工程区地震动峰值加速度为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.45s。

2 危岩发育特征

2.1 危岩岩体分布及结构特征

通过现场实地调查及无人机航拍，划分隧道出口测区岸坡潜在主要危岩体分布。针对危岩分布进行标识，将对三家村隧道出口影响较为重要的危岩分布重点划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个分区。其中Ⅰ区是调查区内对在建线路三家村隧道口危害最为严重的危岩分布。该危岩位于线路正上方200m 范围内的岩质边坡中，危岩下方坡脚处测量边坡的产状大致为120°∠65°，危岩分布处坡面较陡并多处呈凹陷地形，卸荷裂隙贯通张开明显，浅表层顺坡结构面大多已经贯通；Ⅱ区分布于Ⅰ区沿线路方向右侧，坡面陡峭，大量基岩被坡积物覆盖，出露的基岩结构面非常发育，部分基岩顺坡面的结构面已经贯通。该区域位于线路右侧，但部分落石有越过冲沟对线路构成危害的可能；Ⅲ区位于调查区边坡坡顶位置，Ⅱ区上方，与线路有一定距离，分布面积较广，调查发现该处危岩是该区域内岩体受风化剥蚀和卸荷拉张裂隙共同作用产生的，如果发生危岩崩塌也会对线路造成一定危害。

2.2 岸坡稳定性分析

调查认为三家村隧道出口边坡危岩体发育主要受地形地貌、风化卸荷、差异风化、地震、降雨、列车运营等因素影响。三家村隧道危岩体发育机理主要有风化卸荷-剪切滑移破坏和风化卸荷-拉裂-倾倒破坏两种潜在类型。

基于Sarma计算法，对边坡卸荷体在两种滑动面类型下的稳定性进行评价。计算结果表明，隧道出口边坡卸荷体在自然及地震状态下整体处于稳定状态。在自然及地震工况下不会沿着潜在卸荷面发生整体大规模的滑移崩塌现象，但随着构造及卸荷的不断发展，边坡将会沿着坡面进一步发生风化卸荷-拉裂-倾倒剥落-崩落破坏，有可能会出现坡面危岩体季节规律性的崩落现象，威胁铁路工程施工及运营安全。

3 危岩落石运动特征

根据现场调查结构面切割岩体尺寸，通过数值模拟计算软件模拟危岩的运动。危岩体在边坡上的运动以滚动和弹跳为主，会对隧道洞口及桥梁工程产生影响，下部危岩体都能到达距离隧道洞口水平39.7m处。危岩体平均弹跳高度能达到2.22m，最大弹跳高度达3.963m；平均冲击速度能达18.5m/s，最大速度值能达到24.90m/s。

为保障隧道洞口边坡崩塌落石不影响行车安全，隧道前方应接引明（棚）洞。通过能量统计发现，在水平位移由441m 向444m 过渡时，危岩体能量快速衰减，当水平位移位于442～444m 区间时，能量已衰减到足够小，综合考虑仰坡防护措施、明（棚）洞高度等因素，外接长度不小于14m，可有效保障行车安全。

4 高陡仰坡危岩落石防治措施

4.1 仰坡危岩清理及加固处理

对于Ⅰ区的直接影响区域范围陡崖处及隧道口上方其他基岩裸露裂隙发育区域，进行浅表岩体清除，同时采用嵌补、灌浆方式加固岩体表层。坡面嵌补采用M10 浆砌片石，灌浆采用M30水泥浆无压灌注。

隧道口正上方33m 范围的陡崖区采用锚索（锚杆）竖梁加固。上面5排采用锚索（长度20m），下面3排采用长锚杆（长度12m）。竖梁节点间距为4m，竖梁采用C35 钢筋混凝土现场浇筑。竖梁锚索单孔均为4 束，锚索钻孔采用φ115mm 钻孔，与水平面下倾角呈20°，每孔锚索设计锚固段长9m，全部锚入基岩中，自由段长11m，采用M35 水泥砂浆或纯水泥浆灌注。锚杆设置在框架梁的节点上，采用单根φ32HRB400 螺纹钢筋制作，锚杆长度为12m，钻孔直径采用φ110mm，与水平面呈20°施作，孔内灌注M35 水泥砂浆。

4.2 防护网设置

将主动防护网设置于Ⅱ区靠近线路侧，以及隧道出口上方其他基岩出露区域；帘式防护网设置于Ⅰ区的直接影响区域，敞口式帘式网入口标高1 440，下缘标高为1 330，宽度范围为左侧42m至右侧45m；柔性被动防护网防护，防护网立柱高度为6m，共设3道，具体位置如下：

（1）于山脊1590 顶标高处设一道人字形被动防护网，对该标高以上的坡面落石进行拦挡、引导，设置长度为180m；

（2）于山脊1490 顶标高处设一道人字形被动防护网，对1490～1590 标高范围内的坡面落石进行拦挡、引导，设置长度为140m；

（3）于隧道顶标高1330 处，即帘式防护网出口处设一道被动防护网，设置长度为120m。

4.3 外接棚洞设置及棚洞结构检算

（1）外接棚洞设置

在隧道出口DK90+605—DK90+619 段设置外接棚洞，长14m，净空高度为7.1m，该段坡面地形陡峻，棚洞结构需结合地形设置。棚洞顶部设有厚度为2m 的回填土层，回填土层横向下坡，两侧设耳墙，高1.5m。棚洞洞门端墙在T形梁以上高2m，端墙通过接茬钢筋与下部T形梁连接。T形梁顶宽1m，腹板宽0.4m，高1.3m，长10.2m，横向设置，铺在纵向钢架上，通过支座与钢架连接。

（2）棚洞结构检算

落石冲击荷载根据《铁路工程技术手册（路基）》和《铁路工程技术手册（隧道）》计算，结合现场实际调查，最大落石质量为500kg，计算冲击荷载为64.03kPa，至梁顶投影面积简化为正方形（2.58m×2.58m），为移动荷载，移动步距按2m 分别计算后求包络值。其余永久荷载为结构自重、缓冲填土层自重。棚洞结构计算模型采用荷载-结构模型，采用通用有限元软件计算，按概率极限状态法进行结构检算。钢筋混凝土标号为C35，钢筋等级为HRB400，钢筋净保护层厚度为40mm，控制单元计算值见表1，配筋计算结果为：8根φ25、5根φ22、4根φ20。

表1 T梁（0.4m×1.3m）结构控制单元计算值

5 结论

本文通过分析三家村隧道出口高陡仰坡围岩落石发育特征和运动特征，结合数值计算分析，得出如下结论：

（1）考虑在极端条件（如地震、暴雨）下，Ⅱ区、Ⅲ区危岩体可能沿线路右侧冲沟跌落到铁路工程范围内，故该区域危岩体以被动防护网为主，引导危岩体运动方向，局部邻近线路的裸露基岩采用主动防护网防护。

（2）危及铁路工程的危岩体主要为Ⅰ区，在边坡上的运动以滚动和弹跳为主。针对该区域先采取清除浅表危岩体、补嵌、灌浆等方式，然后通过锚杆（索）框架竖梁+主（被）动防护综合防治。

（3）结合地形、地质情况与落石运动特征等，外接棚洞14m，以防止落石进入铁路运营线路，确保运营安全。