危巖穩定狀態評價方法

姚國專，蔡德鉤，閆宏業，陳鋒，張千里

(1.貴州大學資源與環境工程學院，貴州貴陽 550025;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081; 3.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

危巖穩定狀態評價方法

姚國專1，2，蔡德鉤2，3，閆宏業2，3，陳鋒2，3，張千里2，3

(1.貴州大學資源與環境工程學院，貴州貴陽 550025;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081; 3.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

危巖崩塌是鐵路和公路沿線主要的地質災害之一。本文從危巖穩定性影響因素、分析方法、危巖狀態評估及危巖落石整治四個方面對危巖穩定狀態評價方法國內外研究現狀進行總結。分析了人工觀測、應力應變監測、電磁場差異探測和激光掃描等方法在危巖穩定狀態評價中的應用，指出由于受儀器精度、測量方法和測試條件限制，危巖穩定狀態測試評估結果存在較大誤差。介紹了基于振動特性的危巖穩定狀態評價新方法，指出非接觸式檢測危巖穩定狀態技術在鐵路、公路交通中的應用前景。

危巖 穩定性 測試技術 評價方法

危巖是指位于陡崖或陡坡上被巖體結構面切割，在地表風化、重力、地震、水體等誘發因素作用下處于不穩定、欠穩定或極限平衡狀態的巖體，廣義的危巖包括崩塌、落石和危巖體等。

危巖崩塌是一種全球性的山地地質災害，具有突發、快速、強致災等特性，危巖崩塌和滾落嚴重威脅著山區居民生命財產、城鎮建設、交通運輸等安全。我國是一個危巖災害頻繁發育的國家，危巖災害集中分布在15個地區，累計173萬km2，占全國國土總面積的18% ，橫斷山區、三峽庫區、天山山區、云貴高原周邊地區等是危巖集中分布的地區，我國每年產生的危巖崩塌災害達8 000次以上，造成上百人傷亡，直接經濟損失高達數億元［1］。

1 危巖穩定性影響因素

危巖體發育是內、外部條件共同作用的結果。內在條件主要包括巖性、巖體結構和地形地貌，外部條件包括水體因素、風化因素、地震因素、植被因素、人類活動中開挖、爆破等。地形地貌、地層巖性、地質構造是危巖體形成的物質基礎，降雨和地下水的影響，地震的影響及風化作用等對危巖體的形成和發展起著重要的作用［2］。在此基礎上，一些學者還分析了其它因素，如底部大規模采空和熱應力的交變作用對危巖體形成的影響，指出底部大規模采空是某些危巖體形成的主要原因，熱應力的交變作用是危巖體形成的重要因素［3］。

危巖形成因素也是危巖穩定性影響因素，很大程度上危巖形成因素控制了危巖后期發展狀態。國內學者選取地形地貌、地層巖性、巖體結構、重力作用、水體作用、風化作用和土地利用類型7個影響危巖崩塌發生的因素，建立危巖穩定性評價指數模型，根據穩定性指數將危巖穩定性分為4級:穩定、基本穩定、穩定性差、穩定性極差。并結合實例，對危巖體進行了穩定性模糊評價，結果與實際調查情況基本一致，說明了這7個危巖崩塌影響因素作為危巖穩定性評價指標的合理性，為危巖監測和治理提供了重要依據［4］。國外學者Wetzel將危巖體后部貫通或斷續貫通且力學強度較低的帶定義為主控結構面，其非線性失穩擴展是危巖失穩的根本原因［5］。

2 危巖失穩模式

危巖體失穩模式即破壞模式，是危巖體穩定性及治理研究的基礎。由于研究區域、分類角度的不同，危巖體失穩模式存在著多種分類方案。

日本的山田剛二等［6］按地質情況(主要是按危巖體的物質組成)，將危巖失穩劃分為崩積土崩塌、表層土崩塌、沉積土崩塌和基巖崩塌，同時又從危巖體崩塌失穩的運動模式分為坍塌型和滑走型。

張倬元等［7］按危巖體的控制條件及失穩機理將危巖體分為貼坡式、懸掛式、孤立式、板裂式、碎裂式、砌塊式和軟弱基座式7個基本類型。

陳洪凱等［8］從危巖體破壞的力學機理出發，將危巖體分為滑塌式危巖、墜落式危巖和傾倒式危巖(見圖1)，對于滑塌式危巖主要考慮壓剪作用下沿著主控結構面滑移變形問題;對于墜落式危巖主要考慮巖體在自重等作用下受拉破壞的問題;而對于傾倒式危巖主要關注其在荷載作用下端部與臨空面交點處抗傾穩定性問題。該分類方案突顯了危巖的幾何形態、清晰了危巖主控結構面的受力機理，該分類系統簡明，便于對危巖的穩定性進行分析與計算，以及選擇合理的治理方案，具有較好的參考價值。

3 危巖穩定狀態分析方法

危巖發生破壞失穩是一種復雜的地質災害過程，由于危巖內部結構的復雜性和物質組成的不同，造成邊坡破壞具有不同模式。對于不同的破壞模式采用不同的分析方法及計算公式來分析其穩定狀態。

危巖體穩定性分析方法主要有定性分析方法、極限平衡法、數值分析法和不確定性分析方法四類。定性方法主要有歷史成因分析法、工程地質類比法和赤平投影圖解法等;極限平衡法主要有剛體極限平衡法、Sarma法等;數值分析法主要有有限元FEM法、邊界元BEM法、離散元DEM法等;不確定性分析方法主要有灰色聚類法、比較識別法、可靠度分析法、時序分析法等。

劉建東等［9］采用赤平投影圖解法分析某電廠高100 m以上裂隙巖體邊坡的優勢結構面及潛在破壞模式，統計巖體結構優勢中心，有效地評估了該邊坡的穩定狀態。陳洪凱等［10］根據危巖失穩模式分類及其具體工程特點，采用極限平衡法，利用滑移破壞面上的抗滑力(矩)與滑動力(矩)之比即穩定系數作為判定危巖體的穩定性指標，能較準確地評定危巖的穩定狀態［1］。白永健等［11］利用3DEC數值模擬軟件，模擬了邊坡開挖后坡體變形特征。數值模擬結果表明，邊坡淺表層塊體以及控制性塊體穩定性較差。謝全敏［12］采用了可靠度分析法(蒙特卡羅邊界法)。并將此方法應用于清紅電站Ⅴ號危巖塊體的計算和穩定性評價，其結果與實際監測成果基本吻合。

4 危巖狀態測試與評估技術

山區鐵路和公路沿線的危巖造成的崩塌落石已經成為一種危害比較嚴重的災害，嚴重威脅公路及沿線的生命財產安全。由于其災害的發生具有突發性和毀滅性等特點，因此對鐵路和公路沿線可能造成崩塌落石的山區進行測試評估非常關鍵。

目前我國還沒有對鐵路和公路交通沿線危巖安全評估技術進行全面系統的研究，也沒有修訂交通線路上危巖狀態測試與評估的相關標準和規范。目前鐵路沿線危巖的評估工作主要是引進國外的一些方法或現行標準。但是實際上，危巖狀態測試和評估不僅僅是檢查危巖是否符合標準，而是應該評價該鐵路和公路沿線危巖穩定狀態是否能為道路使用者提供安全的行車環境。目前，危巖狀態測試與評估技術主要有以下幾方面。

4.1 人工觀測

我國鐵路系統危巖、孤石的檢測很長一段時間是靠一線人員的巡山調查，建立巡查制度，對危險區段的危巖、孤石進行逐一編號、登記、造冊，設置警示標識，然后定期定點進行重點檢查，密切關注變化動向，確定采取的防治措施;對無法直接觀測的裂縫危巖體，有時甚至采用定點、定專人、定工具，用探測法分析判斷裂縫變化，確定危巖危石的危險程度;尤其是汛期鐵路的行車安全，對于確定為危險處所的地段，鐵路部門往往配備固定人員進行全天候看守和監視(見圖2)。其調查一般覆蓋面廣，但較籠統。其對危巖評定的依據大多根據目測結果，對危巖大小、形態、背后裂縫狀態、地區條件、風化狀態等進行綜合判定，往往帶有較大的主觀性。

4.2 應力應變監測法

4.2.1 光纖傳感變形監測法

危巖失穩是一個緩慢的累積過程，內部變形逐步擴大，到達一定極限時，可能在外界雨水、地震等作用下瞬間發現滑坡等災害，因此實施在線的、長期的危巖內部變形監測，了解內部變形的走勢和規律，對危巖失穩發展過程有著重大意義。近年來，逐漸采用光纖光柵傳感技術實時監測危巖變形［13－14］，將光纖光柵等間距布置于類似于測斜管的柔性變形桿上，利用桿隨坡體彎曲變形產生的表面應變，來反推桿的變形，從而對變形實時監控。目前國內關于光纖光柵坡面位移監測的研究及工程應用很少，暫沒有成熟的專門用于坡面位移監測的光纖光柵傳感器。

4.2.2 錨桿應力監測法

危巖體內部應力變化也是衡量危巖狀態發展的重要。因為在地質體變形的過程中必定伴隨著其內部應力的變化，所以監測危巖體內應力的變化對衡量危巖穩定狀態十分必要。常用于危巖內部應力變化監測的儀器是錨桿應力計。國內外關于錨桿應力測量的研究很多，從機械式、振弦式到光纖傳感類，監測手段和方法創新不斷［15］，但我國直接應用錨桿實時監測危巖應力變化的時間并不長，主要是先進行巖質邊坡蠕變與錨桿預應力損失耦合效應分析，再根據坡體內錨桿預應力損失變化規律達到推測坡體應力變化的目的［16］。

4.3 電磁場差異探測法

工程物探法是目前解決工程地質問題中常用的方法。工程物探法中的瞬變電磁法在危巖裂縫檢測中應用較為廣泛。其原理是危巖斷裂產生瞬態的磁場引起巖體內部形成渦流，渦流隨時間的推移不斷向巖體內部擴散，通過磁場變化率dB/dT來計算不同裂隙發育程度危巖的電阻率，從而達到探明裂縫發育程度的目的［17］。

4.4 激光掃描技術

近些年鐵路工務部門采取了一些先進的手段進行危巖的檢測。采用車載激光掃描設備，對鐵路沿線兩側的危巖進行定期掃描(見圖3)，快速獲取危巖體點云特征，非接觸得到所需的高陡斜坡危巖體幾何與地質信息，包括危巖體定位，體積量測及節理裂隙統計等，可獲取傳統方法無法取得的成果［18］。但該技術還需進一步改進，對于一些對激光反射不敏感的實體(雨水和植被等)，易出現掃描盲區，并且易受到霧氣的影響，使掃描效果有所降低。這種方法掃描的精度有限。

4.5 振動特性測評法

隨著檢測技術的發展，國內外開始采用先進的檢測手段進行危巖的振動檢測，通過分析同一振動環境中不同穩定狀態危巖體的振動差異，以及危巖與基巖的振動差異，初步形成了基于振動特性的危巖穩定狀態評價新方法，為鐵路列車的安全運營提供新的預警手段。

在國內，西南交通大學的李秉生等［19］對結構條件振動效應與鐵路巖質邊坡振動機理進行了探索性的研究，結果表明在列車振動激勵下，不同結構面巖質邊坡振動響應的強烈程度存在差異性，證實了巖體不同的結構面類型會對其振動響應產生影響。課題組通過建立墜落式危巖振動特性室內試驗模型(見圖4)，獲取不同穩定狀態下危巖體試塊振動特性。試驗結果表明，隨著危巖體試塊與基巖粘結面積的增加(粘結面積分別為危巖體試塊面積的12.5% ，25% ，37.5% 和50% ，粘結面積越大危巖體試塊的穩定性越好)，危巖體卓越頻率和阻尼比隨之增加，危巖體與基巖的RSM加速度振幅比隨之減小，說明危巖穩定性與卓越頻率、阻尼比和危巖體與基巖的RMS加速度振幅比存在一定對應關系。

在國外，日本鐵道綜合研究所應用巖盤斜面檢測系統對不穩定危巖體和穩定基巖在無外界激勵作用下進行同步微振動的檢測，發現危巖體上檢測到的微振動在頻域上出現多個峰值且幅值較大，而基巖上檢測到的振動峰值少且幅值較小。在時域上危巖體振動波動大，而基巖上的振動波動小且時域曲線趨近于零線(見圖5);緒方健治等進一步驗證了利用振動特性判斷落石危險度的可行性，但是沒有提出危巖落石危險度的判斷標準。

圖4 危巖體試塊振動特性測試

圖5 危巖體與基巖的振動差異性

5 危巖落石整治

由于危巖受多種致災因子共同作用，危巖治理屬于一個系統工程，應在充分調查分析其發育的地質環境的基礎上，采用清除、攔擋、支撐、錨固等一種或幾種方法進行有效治理，同時要加強排水和監測工作。

5.1 清除危巖

對節理發育，結構破碎，與母巖嚴重脫離的孤石采取人工清除的措施。通常的方法有風槍鑿巖、人工鑿石、靜態爆破等。對于大型危巖體，常采用淺孔松動爆破。但爆破清除危巖體過程中，致使危巖體穩定性劣化，加劇了下覆危巖的危險性。

5.2 主動防護

主動防護是對危巖單體進行工程結構防治避免其發生失穩的技術，包括支撐、錨固、灌漿、封填及排水等技術。由于危巖單體有多條卸荷裂縫發育且寬度較寬，錨固的長度、錨固位置不好確定，錨固效果也不易確定［20］。

5.3 被動防護

被動防護是對可能失穩的危巖單體或群體進行工程結構防治避免造成災害的防治技術，包括攔石墻、攔石柵欄、遮擋防護、SNS被動防護網及森林防護等。對零星的小規模崩塌落石可采用這種方法處理。如坡(堆)積層危巖落石采用此方法治理效果顯著，但對大規模的崩塌落石效果不明顯［21］。

5.4 聯合防治法

危巖防治是個復雜的工程，采用單一的方法難以取得滿意的防治效果，因此，在危巖防治技術發展中，產生了主動—被動聯合防治法，主動—被動聯合防治法主要包括錨固—攔擋聯合法和錨固—支撐聯合法，聯合防治法在危巖落石治理中取得了良好效果［22］。

6 存在的問題及展望

6.1 存在的問題

1)危巖所處地質環境復雜，由于形成機制不同，不同類型的危巖體邊界條件不易查明，地質參數亦不易獲取，對其穩定分析的結論往往不夠準確。

2)我國鐵路危巖檢測方法依靠一線工作人員的經驗判斷，帶有一定的主觀性，而近期采用的先進檢測手段存在精度較低、費用較高、不具普遍適用的特點。

3)應力應變監測、激光掃描和電磁場差異探測等方法在危巖穩定狀態評價中應用時，一方面由于受到儀器精度、測量方法和測試條件等限制，測試結果存在較大的誤差;另一方面，利用這些方法獲得的指標沒有形成與危巖體穩定性一一對應的關系，現階段往往只是利用這些指標粗略評估危巖的穩定狀態。

4)國內外對危巖振動特性進行了一定的研究，并且提出了利用危巖振動特性進行危巖穩定狀態評價的新方法，但該研究尚處于起步階段，未形成多種穩固狀態下危巖振動特性理論分析體系，也未提出系統的危巖評價標準。

5)危巖落石破壞的個體差異性強，還有較多的不利因素尚未被人們完全認識，目前工程界對危巖落石的治理設計偏于保守。

6.2 展望

中國公路和鐵路已進入客運高速和貨運重載時代，給日常生活帶來方便的同時也增加了行車的風險。車輛的運行速度如此之快，公路和鐵路沿線大量危巖落石嚴重威脅著行車安全。因此，如何對公路和鐵路沿線不同穩固狀態的危巖進行準確有效評估，特別是對已經處于臨界失穩狀態的危巖進行準確判斷并提出相應的有效防治措施是當前山區交通工程項目面臨的重要課題。

研究危巖不同穩固狀態下有效評價指標體系，形成非接觸的、不干擾工程建設及公路鐵路運營的、便于操作的危巖檢測方法，并進一步形成系統的危巖穩固狀態評價技術，是山區公路鐵路運營安全亟待解決的問題。非接觸檢測技術在我國公路和鐵路運營中成功的應用不僅具有工程實際意義，還具有較大的經濟效益和社會效益。

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Assessment method of stability of dangerous rocks

YAO Guozhuan1，2，CAI Degou2，3，YAN Hongye2，3，CHEN Feng2，3，ZHANG Qianli2，3
(1.College of Resource and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High－speed Railway，Beijing 100081，China; 3.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Dangerous rocks is one of the major geological hazard for railway and highway.The paper systematically summarized the domestic and foreign researches on assessment method of stability of dangerous rocks from four perspectives including stability，analysis approaches，status evaluation and treatment.It studies the application of manual observation，stress and strain monitor，differential detection on electromagnetic field and laser scanning in stability analysis of dangerous rocks，pointing out the visible error occurred due to the limitation posed by equipment precision，measurement approaches and environmental conditions.On this basis，the paper works out a new method based on vibration characteristics for stability analysis，which by making use of a non－contact means of detection enjoys great application prospect in both railways and highways.

Dangerous rocks;Stability;T esting technique;Assessment method

P642.22;U213.1+3

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.27

(責任審編 葛全紅)

1003－1995(2015)10－0126－06

2015－09－05;

2015－09－12

中國鐵路總公司鐵道科學技術研究發展中心科研項目(J2014G006);中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2014Z003－A，2014Z003－B，2014Z003－D);中國鐵道科學研究院基金項目(2013Y024)

姚國專(1989—)，男，碩士研究生。