铁路隧道高陡边坡危岩落石稳定性评价与整治建议

王青川

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 引言

伴随我国经济建设的加快，高速铁路加速向山区挺进。受山区地形地质条件制约，隧道洞口高陡边坡不可避免会遇到危岩落石灾害问题，“地质选线、减灾选线”[1]在选线期间越显重要。危岩体的发育和形成为一个长期的动态发展过程，内部结构面的延伸发展复杂，潜在的危岩落石风险隐患对铁路安全影响巨大。为减少危岩落石对铁路建设及运营危害，选线期间需对隧道洞口边坡区存在的危岩落石进行详细调查，在传统地质调查及无人机遥感影像图解译等非接触测量技术支持下，快速高效查明危岩边坡的岩性组合、结构特征，准确查明危岩的分布位置、形态参数，分析其形成机制、类型，进行稳定性与工程影响评价，为工程防治方案设计提供可靠依据，做到“早发现、早解决”。

1 概述

1.1 地形地貌

隧道地处鄂西神农架林区，属溶蚀构造剥蚀中低山地貌，峰谷相间。隧道进口仰坡上陡下缓，地面高程340～570m，上部裸露岩壁坡角80°～85°；中下部坡崩积堆积体呈扇形，坡度35°～45°，植被茂密。

1.2 地层岩性

隧道进口地表主要为第四系全新统坡崩积（Q4dl+col）角砾、碎石土夹孤石等，下伏基岩为震旦系灯影组（Z2dn）白云岩夹灰岩、页岩。

1.3 地质构造及地震动参数

测区位于新华夏系构造带，隧道穿越于新华断裂与林家湾断层之间，构造作用强烈。地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s。

1.4 水文地质

洞口仰坡面地表水不发育，主要由降雨后形成暂时性流水。第四系土层孔隙水及岩溶裂隙水主要由降雨补给，雨后短时期内地下水较丰富，属HCO3-—Ca2+.Mg2+型水，对混凝土结构一般无侵蚀性。

2 危岩体发育特征及稳定性评价

2.1 危岩体基本特征

山顶陡壁无法近距离调查，基于无人机遥感影像图解译，结合现场调查结果统计，共发现10 处孤石及3处危岩群（W4、W12、W13），如图1 所示。

图1 危岩体分布平面

孤石主要为停积在边坡中下部堆积体表层，单体方量0.28～5.4m3。危岩群主要位于坡顶基岩陡壁，被多组陡倾结构面切割，单块方量0.12～4m3。岩层产状N55°～60°E/16°～20°N；主要节理：N0°～20°E/62°～82°S、N15°E～N45°W/72°N、N80°～90°W～N80°～90°E/75°～80°S，节理面延伸0.4～0.8m，一般无充填，间距1～2m。

2.2 危岩体稳定性分析

为合理评价危岩体与工程危险性的关系，便于后期治理的统筹性和可操作性，从危岩体结构特征、规模、破坏方式、稳定性以及工程影响等因素考虑，将隧道进口边坡划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区，对各区分别进行稳定性评价。

2.2.1 影响因素分析

（1）地形地貌：陡峻地形易使岩体后缘产生拉应力，利于岩体卸荷作用产生崩塌。

（2）地层岩性及完整程度：岩体在层面、构造节理等结构面切割下形成厚度不均、不连续、独立的楔形体，不利结构体在暴雨、地震等因素作用下易失稳。

（3）风化卸荷作用：风化作用将降低岩石质量及结构面力学性质，差异性风化易形成临空面，临空岩体卸荷会使原生节理面进一步延伸、扩展甚至贯通，持续加剧危岩体失稳。

（4）降雨影响：雨水沿节理裂隙渗入岩体后，既增加容重，又大幅降低结构面抗剪强度，从而使危石崩落的发生。雨水沿土体孔隙下渗后，易发生堆积体坡面变形溜坍，从而使坡面孤石失去支撑而发生滑移、滚落。

（5）地震影响：被各种结构面强烈切割形成的自身稳定性较差的岩体，在地震动力作用下，容易发生崩塌落石。

（6）人为活动：隧道施工爆破、洞口植被破坏、后期列车振动等，也是边坡岩体失稳的潜在影响因素。

2.2.2 定性分析

在充分研究边坡区的地质环境、边坡岩体结构特征、变形破坏迹象以及变形破坏模式的基础上，从地质史的角度对边坡岩体的发展演化进行分析，结合赤平投影（图2）所反应的结构面不利组合等因素，预判潜在危岩体发展趋势，综合对边坡岩体所处的稳定性状态进行定性分析评价，结果如表1 所示。

表1 边坡危岩体定性分析统计

图2 Ⅱ区W13 危岩群代表性赤平投影

2.2.3 定量计算分析

在定性分析的基础上，开展稳定性系数定量计算，为危岩体的治理施工提供参考。孤石脱离母岩后停留在坡表或嵌入覆盖层一定深度，通过与坡面的摩擦力、嵌合力或植被的拦挡维持现状，规模较小，地形条件较好，整治相对容易。因此重点对危岩群进行定量计算分析，采用极限平衡法计算稳定性系数K[2-3]。

依据勘察报告，并结合地区经验，查阅相关手册[4]，综合选取力学参数（表2）对典型危岩群稳定性系数K进行计算，结果如表3 所示。

表2 危岩体物理力学参数

表3 典型危岩体稳定性计算结果

根据计算结果按照表4 评价标准，危岩群目前处于欠稳定～基本稳定状态，与现场调查定性分析基本相符，在受到外部条件影响下，危岩体可能发生失稳坠落。

表4 危岩稳状态

3 工程影响分析评价

根据隧道进口边坡上部危岩体分布特征及地形分析，危岩体坠落失稳后运动模式主要为滚动滑动方式。综合地质测绘、稳定性评价及Rockfall 软件100 次路径模拟计算成果（图3、表5），各区危岩体对隧道洞口的影响评价如下。

图3 1-1' 剖面落石运动轨迹数值模拟

表5 各区危岩体主要运动参数计算结果

（1）Ⅰ、Ⅲ区危岩体规模以中小型为主，天然状态下稳定性较好，但在暴雨工况、地震工况下一旦失稳，其运动路径主要呈散射状向下滚动，其滚动后最终位于隧道口两侧，不会直接威胁隧道洞口。

（2）Ⅱ区危岩体在天然状态下稳定，但在暴雨工况、地震工况下会失稳，虽然大部分岩块动能较小，但W9、W13 的动能较大，且其运动路径呈散射状向下滚落后停留在隧道口周围，直接威胁铁路工程及运营安全。

4 工程防治措施建议

在工程实践中，针对不同类型与规模的危岩体防护治理的方法各有不同，根据边坡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区与铁路位置关系、危岩体运动特征模拟计算成果，综合考虑危岩治理施工方案可行、投资经济合理、工程安全可靠等因素，建议采用“分区治理、分级防护”[5]理念，对各区采取不同的防治措施，加强对Ⅱ区危岩体进行综合整治。

（1）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区孤石采取清除、嵌补、支撑等处理。对Ⅱ区下部缓坡地带坡崩积堆积体采用抗滑桩+锚杆（索）框架梁防护。

（2）边坡Ⅱ区顶部陡崖区（W13）：先对坡面松动或易掉落的危岩进行清除、打刷处理；无清除条件的危岩体采取锚杆（索）加固，并对贯通裂隙进行灌浆；陡坡中危岩体凹腔采取支顶或嵌补加固。最后设置“覆盖式引导防护网+落石槽”防治措施。

（3）根据Rockfall 落石轨迹分析成果，结合地形地质条件于洞口仰坡设置一道或多道被动防护网，以及明洞等措施。

（4）加强对Ⅰ、Ⅲ区W4、W12 危岩群巡视，可不设置工程防护措施。

（5）坡表植被对大量孤石起到阻拦、缓冲作用，危岩体治理过程中，重视植被保护。

（6）危岩体的发育和形成为一个长期的动态发展过程，陡崖区岩体受降雨、风化、卸荷等因素长期作用，加之岩体内部结构面和裂隙的延伸发展较隐蔽和复杂，施工期间加强核查，动态设计，确保危岩体整治不留隐患。

5 结语

通过对危岩体的野外调查、无人机航拍图解译、稳定性评价、Rockfall 软件模拟分析，得出以下认识。

（1）隧道洞口虽不具备产生大规模整体变形破坏的基本地质条件，但仰坡基岩陡崖高，节理发育，风化卸荷较强，其地形地貌、地层岩性、水文等因素有利危岩落石灾害的孕育和发育。

（2）从边坡危岩体自身结构特征、规模、破坏方式、稳定性及工程影响等方面，Ⅱ区危岩体直接威胁铁路安全。

（3）根据地形地质条件，对高陡边坡危岩体遵循“分区治理、分级防护、主动覆盖、被动拦截，动态设计”整治理念，采取清除、打刷、嵌补、支顶、锚固、灌浆、拦挡、覆盖式引导防护网及明洞等综合防护措施。