张吉怀铁路土峪隧道危岩落石特征及防护措施研究

汪莹鹤，李时亮，李 炜，谭家华，郭周富

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063; 2.中铁二院工程集团有限公司,成都 610031)

1 概述

高陡岩质边坡崩塌、危岩落石是山区铁路主要工程地质问题之一,因设站、平顺度及其他因素综合控制,线路往往难以彻底规避。西南山区岩质边坡常具有高、陡、植被茂盛等特点,人员难以到达,存在勘察难度大、准确性低、措施选择欠合理等问题。因此,充分利用施工阶段的优势,采用分阶段、递进式的“空-天-地”一体化勘察手段,获取高精度勘察数据,并在此基础上开展危岩落石的分析及评价,针对性采取综合防治措施,对准确评判风险、有效防治危岩落石灾害,做到防治措施可行、经济技术合理具有重要意义。

目前国内学者对危岩落石开展了相关研究工作。一部分学者对危岩落石的分类、特征、防护措施、选线原则提出了自己的认识。梁伯仁[1]分析了危岩落石的分类、特征以及落石形成的基本条件,阐述了危岩落石的危害和防护措施,就铁路工程各阶段危岩落石的处理提出了自己的见解;丁浩江等[2]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、防护位置和具体措施,并给出危岩落石的防护建议;郑亚飞[3]结合长昆客运专线贵州段建设过程中危岩落石的防护,提出了危岩落石发育区高速铁路的选线思路和原则;王栋等[4]对某铁路隧道上部五类不同尺寸的高位危岩体进行三维运动轨迹数值模拟,认为弹跳高度、运动速度与危岩落石的质量无关,冲击能量大小与落石质量成正比,建议综合使用多种落石防护措施。

另一部分学者依托实际工程提出落石的评估标准、评估方法及防护原则。叶四桥等[5-6]进行危岩威胁区域预测,提出基于落石特性计算布设的拦石网布设原则和方法,认为主被动防治技术结合使用是较好的危岩落石防治思路;周文皎等[7]以丰沙线为依托,提出崩塌落石风险评估流程和评估标准,得到落石风险等级可结合风险事故发生的概率和事故损失等级确定;刘伟鹏等[8]建立了危岩落石综合评价体系,提出进行危岩落石评级的APH方法,并结合工程实际证明了该方法的可靠性和正确性。

还有一部分学者通过理论分析、数值模拟、现场调研的方法,依托具体工程提出危岩落石综合防护措施及建议。罗仁立等[9]对桥隧相接段危岩落石防护措施进行了研究,分析了各方案的适用条件、结构内力等,得出不同方案的适用条件;赵秋林[10]、唐红梅[11]、甘目飞[12]、刘宗峰[13]等利用Rockfall软件分析落石的运动轨迹,弹跳高度和冲击能量等,据此提出了综合防护措施;张猛[14]、罗田[15]、相志强[16]、宁超[17]等采用理论分析、数值模拟、室内模型试验等手段对危岩落石运动特征、落石影响因素、防护措施等方面做了系统性研究。

综上所述,已有成果大多针对依托工程和计算结果给出防护措施,现代化三维勘测技术运用不充分,对边坡的勘察方法、设计原则及各阶段的勘察措施总结不系统。以张吉怀铁路土峪隧道进、出口危岩落石整治工程为依托,对复杂硬质岩隧道洞口危岩落石的勘察、设计进行系统研究,并提出标准勘察设计方法及加固防护原则。

2 工程概况

2.1 隧道概况

土峪隧道位于湖南省张家界市永定区内,属于溶蚀中低山区,隧道主要穿越奥陶系红花园组(O1h)灰岩。如图1所示,隧道起讫里程为DK15+515.00～DK16+675.00,全长1 160 m,最大埋深为180 m,进口前接路基,出口桥隧相连。隧道进、出口危岩落石发育,隧道进口采用延长明洞,隧道出口设置了棚洞,避免落石对铁路运营安全的直接威胁。

图1 土峪隧道工程地质纵断面示意

2.2 进出口工程地质概况

土峪隧道进口为陡崖地貌,如图2所示,整体高约130 m,总体坡度40°～55°。上部垂直陡崖高约35 m,中部缓坡平台宽5～30 m,下部陡崖局部高度达25 m,中部缓坡至下部陡崖为疑似错落体。岩性为灰岩,中厚层状构造,岩质坚硬,溶蚀较明显,岩层产状122°∠13°。受构造影响,岩体节理裂隙发育,较破碎,节理走向152°～170°、200°～220°,倾角多大于80°,闭合,浅表多张开,部分已分离,无充填,延伸长度多大于5 m,节理间距0.3～1.0 m,切割较深。陡崖上危岩落石、错落体发育。隧道进口位于陡崖底部,存在危岩落石灾害的威胁。

图2 土峪隧道进口地貌特征

土峪隧道出口为陡崖、斜坡,如图3所示,高约40 m,坡度60°～75°。岩性为灰岩,中厚层状构造,岩层产状160°∠15°,岩体表层风化裂隙、溶蚀裂隙发育。受构造影响,隧道出口垂直节理裂隙发育,节理走向160°～170°、190°～210°,倾角多大于70°,闭合,浅表微张,表层充填黏土,深度无充填,延伸长度多大于2 m,节理间距0.3～1.2 m。在层面裂隙和垂向节理裂隙作用下,岩体被切割成块体,块径0.5～1.0 m,受重力作用及植被、水流冲刷等外应力作用影响,极易剥落形成落石灾害。经调查,该区域为当地的重点危岩落石灾害防治区,落石灾害频发。隧道从陡崖中部穿出,出口位置陡崖近垂直,存在危岩落石风险。

图3 土峪隧道出口地貌特征

土峪隧道隧址区地震动峰值加速度为0.05g,地震动反应谱特征周期为0.35 s。

2.3 综合勘察

对土峪隧道进、出口采用遥感解译、地质调绘、三维激光扫描等综合勘察手段,其技术路线见图4。

图4 土峪隧道综合勘察技术路线

(1)通过卫星遥感影像,从全局了解隧道进出口区域的不良地质概况,初步查明危岩落石的范围及分布特征。

(2)采用地质调绘,查明隧道进出口区域的岩性,测量层面和节理的产状、性质、特征,调查危岩落石的分布区域及范围。

(3)采用三维激光扫描技术,精确绘制进、出口的地形地貌,建立高精度三维数字模型;对人员无法到达的陡崖地段,采用人机交互手段,识别节理裂隙发育特征。

(4)综合上述手段的分析成果,评价洞口坡面整体稳定性,查明危岩体的成因、分布范围、规模等特征,对洞口危岩落石形成系统性的认识。

2.4 危岩落石成因及性质特征

隧道进出口岩性均为灰岩,受构造作用,岩体节理裂隙发育。在层面裂隙及垂直节理控制作用下,岩体被切割成方形块体,块径0.3～1 m,浅表裂隙面多张开,块体在重力作用下易发生倾倒、滑移、坠落式破坏,形成危岩落石灾害(图5)。

图5 层面裂隙及垂直节理控制形成危岩体

受节理裂隙切割,当下部存在临空面时,岩体在重力作用下易发生垂直滑动,形成错落体。隧道进口顶部岩体为疑似错落体(图6),规模约15 m×15 m,其顶部(上部陡崖底部)可见宽度约为20 cm的横向拉张裂缝,横向延伸长度约15 m,往岩体内部发展,错落体在长期地质作用下存在发生落石的风险。

图6 隧道进口处疑似错落体

3 危岩落石特征分析

3.1 模拟方法及参数

根据隧道进出口地形特征及危岩落石发育情况,分别在土峪隧道进、出口选取典型断面,利用落石分析软件Rockfall模拟洞口落石的运动轨迹,计算落石影响范围、弹跳高度和冲击能量等。落石在坡面滚动及碰撞后的能量衰减由法向阻尼系数Rn、切向阻尼系数Rt及动摩擦系数tanβ决定,参照TB 10035—2018《铁路特殊路基设计规范》[18],并结合土峪隧道进、出口的地质特征,给出坡面及防护措施的材料参数,见表1。为使模拟工况更加接近实际情况,在模拟计算时利用标准差对材料参数进行动态调整[2]。

表1 材料参数

3.2 落石运动轨迹

根据地形及危岩体特征,在进、出口典型断面分别选取2个落石发育位置,落石重度为23 kN/m3,落石质量取2 000 kg,每个落石点模拟100次,落石的初速度取0。进、出口各模拟200次落石运动,如图7所示。统计各落石的最终落点位置,得到落石落点分布柱状图,如图8所示。

图7 进出口落石运动轨迹

图8 落石落点统计柱状图

由图7、图8可知,落石开始滚动后,在缓坡段基本贴着坡面滚动或滑动,坡面由缓变陡时滚石会发生弹跳。隧道进口坡面陡峭,存在2处陡崖。81%的滚石越过了洞口,在隧道口0～25 m的范围内分布最多,也有少数滚石到达了距明暗分界46 m的位置;隧道出口坡面上缓下陡,落点1处掉落的滚石均在缓坡段运动一段距离后停在了坡面上,落点2的落石均越过了明暗分界,落在了距明暗分界30～50 m的位置。因此,土峪隧道进、出口危岩落石均有各自的特征,应针对性地研究防治措施。

3.3 冲击能量分析

统计分析落石在隧道进、出口范围的弹跳高度、平移速度及冲击能量的变化特征,分别见图9～图11,可见冲击能量与弹跳高度、平移速度密切相关。在缓坡段,落石基本是贴着坡面保持一定的速度运动,平移速度和冲击能量只在小范围内变化;当坡面由缓突然变陡时,滚石会飞离坡面,此时没有坡面阻力的影响,平移速度呈线性增大,冲击能量随之也线性增加;落石未越过明暗分界前,平移速度和冲击能量基本随着高度降低而增大,在陡坡段这种趋势非常明显。因此,在落石飞离坡面前采取被动防护网将落石拦截,能有效减小落石的冲击破坏。

图9 落石弹跳高度曲线

图10 落石平移速度曲线

图11 落石冲击能量曲线

4 危岩落石防护设计

结合模拟计算结果,对土峪隧道进、出口按照“主动整治、被动防护”的总体原则,制定了“清除危岩+坡面加固+棚洞/明洞+主被动网”的综合防护措施。

4.1 清除危岩、加固坡面

对于存在较大滑落风险的坡面孤石、浮石全部清除,对清除后的山坡坡面局部进行嵌补;对伸出坡面倒悬部分较薄且存在破碎掉落风险的危岩体,结合倒悬部分岩盘大小及完整性情况清除并整平倒悬部分;对伸出坡面倒悬部分较厚且存在破碎掉落风险的危岩体,清除整平破碎的倒悬部分,并对岩体采用自然边坡锚索加固;对伸出坡面倒悬部分较厚,石块完整性及连接性较好,且难以清除的部分采用嵌补支顶,并对岩体采用自然边坡锚索加固;清除全部疑似错落体,对清除后坡面锚索加固。土峪隧道出口危岩清理及坡面加固见图12。

图12 土峪隧道出口危岩清理及坡面加固

4.2 棚洞、明洞设计

4.2.1 无覆土设计

根据前文对滚石运动轨迹(图7)和落点分布统计(图8)的分析,隧道进、出口滚石越过明暗分界的概率较大,有必要在隧道口延长明洞或设置棚洞。

隧道进口与路基相接,采用延长明洞的方式较为合适,在明洞顶无回填土情况下,落石落点位置最远可到达距明暗分界46 m处。

隧道出口桥隧相接,多采用设置棚洞防护[19];在棚洞顶无回填土的情况下,落石落点位置最远可到达距明暗分界50 m处。

4.2.2 有覆土设计

据前人研究[10,12],明洞或棚洞顶部回填土具有缓冲作用,可避免落石与防护结构的直接接触,减小冲击力,故增加了明洞和棚洞顶部覆土工况的滚石运动轨迹计算。

明洞顶部覆盖回填土后,落石落点位置距洞口的距离明显减小,最远为20 m(图13)。因此,在设计时采用明洞覆盖回填土方案,且考虑10 m安全距离,明洞长度≮30 m,明洞顶回填土≮2 m。图14中落石在越过明暗分界前两次工况模拟的冲击能量包线基本重合,变化趋势一致;落石越过明暗分界后,明洞顶部覆土时落石冲击能量明显减小,小于400 kJ。

图13 隧道进、出口明洞/棚洞顶覆土后落点统计柱状图

图14 隧道进口明洞顶覆土前后冲击能量曲线

棚洞顶部覆盖回填土后,落石落点位置距洞口的距离明显减小,最远为40 m(图13),考虑10 m的安全距离,棚洞长度应大于50 m,与隧道口紧密相接,棚洞顶部回填土≮2 m。如图15所示,落石越过明暗分界后,在棚洞顶部覆土时落石冲击能量明显减小,小于500 kJ。

图15 隧道出口棚洞顶覆土前后冲击能量曲线

4.3 主被动网防护

土峪隧道进、出口边坡均存在陡崖,前文分析认为,落石易在陡崖处飞离坡面产生较大的冲击能量,在落石要发生运动和贴坡面运动阶段拦截落石很有必要,故采用主动防护网和被动防护网相结合的防治措施[20]。

对坡面清除危岩、锚索加固后,仍存在危岩落石风险,一是可能存在小规模的残留松散岩体,二是部分完整岩体因风化侵蚀、地震等作用有掉落的可能,在存在上述落石隐患的坡面设置主动防护网,从源头治理落石隐患;另外,对于能穿过主动防护网的小岩块及其他因素导致的主动防护网无法防护落石,可设置被动防护网拦截。图9显示,落石在陡崖处会发生明显弹跳,而在未发生明显弹跳前,进、出口坡面的落石弹跳高度在4 m之内。土峪隧道进口坡面清除疑似错落体后存在1处陡崖,可在陡崖顶部分别设置被动防护网,单清除加固后的边坡较陡,出于安全考虑,在边坡平缓地带设置2道被动防护网,共设置3道被动防护网;隧道出口存在1处陡崖,在陡崖顶部设置1道被动防护网,在棚洞顶部设置1道被动防护网,共2道被动防护网。根据模拟结果,缓坡处最大弹跳高度小于4 m,最大冲击能量小于600 kJ,故采用易修复被动防护网,防护能级750 kJ,网高5 m。隧道进出口主、被动防护设计如图16所示。

图16 危岩落石防护平面

5 防护效果及讨论

通过对张吉怀铁路土峪隧道进、出口危岩落石综合勘察、落石运动特征及防护措施研究,有针对性地提出了“清除危岩+坡面加固+棚洞/明洞+主被动网”的综合防护措施,保证了铁路隧道的施工及运营安全。图17为土峪隧道出口综合防护后效果。

图17 土峪隧道出口综合防护后效果

在此基础上,对山区铁路隧道口硬质岩陡峭边坡危岩落石的勘察方法和加固防护设计原则总结如下。

(1)对于高陡边坡,勘察期间可采用遥感解译、三维激光扫描、现场调查的“空-天-地”综合勘察手段,提高精度,查明危岩落石的分布范围和特征。

(2)在设计阶段前期,可利用落石模拟软件,结合洞口地形选取典型断面对落石的运动特征、冲击能量做系统性分析,得到落石的威胁范围、弹跳高度及冲击能量大小,为危岩落石防护设计提供依据。

(3)在防护措施设计时,可按照“主动整治、被动防护”的总体原则,按照“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。对于破碎、倒悬等存在较大滑落风险的孤石,应全部清除,对清除后的山坡坡面局部嵌补、自然边坡锚索加固;采用延长明洞或设置棚洞等防护措施可有效避免落石对铁路运营安全的直接威胁,明洞顶覆盖回填土可作为缓冲层大大减小落石冲击力;坡面设置主动防护网可在源头减小落石威胁;按照地形在陡崖顶部缓坡处设置被动防护网拦截滚石,避免滚石飞离坡面,以减小冲击力。

6 结论

依托张吉怀铁路土峪隧道,开展了隧道洞口高陡边坡危岩落石勘察及防护措施研究,得出以下结论。

(1)在传统勘察手段的基础上采用遥感解译、三维激光扫描等技术,精准查明了土峪隧道口危岩落石分布范围和特征,形成了一整套“空-天-地”综合勘察技术体系。

(2)通过对落石运动模拟,分析了土峪隧道洞口危岩落石的运动特征、威胁范围及冲击能量特征。

(3)在综合勘察和落石特征分析的基础上,对土峪隧道进出口采用了清除危岩、加固坡面、延长明洞/设置棚洞、主被动网结合的综合防护措施,保证了铁路运营安全。

(4)针对山区硬质岩陡峭边坡,提出了铁路隧道口危岩落石勘察方法及加固防护设计原则。