豐沙線危巖落石風險評估及整治

周文皎，習 奇，申文軍，魏少偉，張玉芳

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵路北京局集團有限公司 北京西工務段，北京 100860;3.中國鐵路北京局集團有限公司 工務處，北京 100860；4.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 研究背景

山區鐵路沿線復雜的地形條件以及惡劣的地質狀況往往會給列車的行車安全造成難以估計的隱患和危險[1]。如隧道進出口危巖，不穩定斜坡滑坡以及沿線塹坡崩塌落石等。一旦這些地質災害發生，必將給國民安全造成巨大損失。

近年來，在地震、強降雨等極端氣候的多重影響下，山區鐵路沿線地質災害呈現多發趨勢，引起了鐵路部門的高度重視[2]。其中，崩塌落石災害是最為普遍的災害類型之一，它分布廣、突發性強、危害大，所以，建立科學合理的危巖落石評估體系并且有效防治就顯得尤為重要了。

目前，國內外對崩塌落石評估工作研究相對不成熟。PIERSON等[3](1990年)經過多年的研究，提出了一套針對公路崩塌落石風險評估準則，稱之為Rock Fall Hazard Rating System(RHRS),其主要是以地形特征、地質概況、氣象、巖塊尺寸及崩塌規模大小、崩塌歷史等為因子，進行公路崩塌落石風險評估。科羅拉多州運輸部[4]也設計了一套系統，對州級公路中長期有巖崩問題的地段進行風險識別和分級(STOVER，1992年)。文獻[5]簡要總結了以往研究中地質災害的風險評價方法，并對風險評估的發展進行了展望；文獻[6]提出了隧道洞口落石風險評估方法，將隧道洞口段落石風險評估方式分為初步評估與細部評估兩大步驟；文獻[7]提出了隧道洞口段落石災害危險性等級評價方法；文獻[8]對辛泰線危巖落石進行分析和研究，并采取了相應的措施，使得病害得到了有效地整治；文獻[9-12]對我國西南地區不同線路隧道口危巖落石的形成機理、失穩模式及破壞后的運動特征進行分析，確定危巖落石的失穩滾落概率及路徑，并采取相應整治措施。但相關研究多以經驗為主，難以滿足鐵路沿線地質災害線長點多、基礎資料不完善、安全要求高的特點。基于現實需求和評估研究現狀，本文針對崩塌落石，采用安全性評價與風險評價相結合的定性、定量綜合評估方法[13]，并且對豐沙線危巖落石工點進行評價，依據評價結論提出處置對策。

2 崩塌落石風險評估方法

2.1 崩塌落石概念及分類

崩塌落石是穩定斜坡上個別巖塊的突然墜落；如巖塊尚未坍落，但已接近于極限平衡狀態時稱為危石。落石規模較小，巖塊體積從幾立方厘米至幾立方米不等。在運營線上，落石常造成鋼軌砸傷、橋梁砸壞、列車砸損及列車脫線、顛覆事故，危害極大。

崩塌落石主要包括3類：第1類是自然山體危崖陡壁上的不穩定巖塊或危石；第2類是裸露塹坡上的不穩定巖塊或危石；第3類是邊坡表層分布的由山體崩落的大小不一的危石。前兩類落石，其破壞主要取決于巖體結構面發育情況，而第3類落石，則主要取決于危石嵌入深度、表層土體整體穩定性等。

2.2 崩塌落石風險評估流程

風險等級是根據災害發生的危險性概率和風險事故損失來綜合評級的。風險等級可表征為風險事故發生的概率和事故損失的乘積。崩塌落石災害評估流程見圖1。

圖1 崩塌落石災害評估流程

2.3 崩塌落石風險評估標準

崩塌落石評估標準包括：①病害類型；②擋護設施適宜性評價；③擋護設施技術狀況評價;④病害危險性概率評價；⑤病害事故損失評價；⑥病害風險等級；⑦防治等級。

2.3.1 危險性概率評估

崩塌落石災害危險性是指災害發生的可能性。目前危巖穩定性計算方法共有4類，即基于有限元的靜力穩定性分析法、可靠度分析法、基于監測資料的比較辨識法和靜力解析法。本文采用靜力解析法對典型工點進行分析和研究。

崩塌落石穩定性判別標準見表1[6]。

表1 崩塌落石穩定性判別標準

崩塌落石穩定性判別標準與危險性概率的對應關系見表2。

表2 災害發生概率等級標準

2.3.2 事故損失評估

崩塌落石災害事故損失評估，按災害發生后影響范圍及恢復通車快慢劃分，見表3。

表3 事故損失等級評價

2.3.3 風險等級

風險等級可表征為風險事故發生的概率和事故損失的乘積。風險等級劃分見表4。

表4 風險等級劃分

注：表中代表極高風險(四級), 代表高度風險(三級), 代表中度風險(二級)， 空白代表低度風險(一級)。

2.3.4 防治等級

對應崩塌落石災害風險等級，提出災害防治等級和防治規劃，見表5。

表5 防治等級和防治規劃

3 實例分析

3.1 工程概述

豐沙線K54+080—K54+124下行右側邊坡自然坡坡率較陡，近垂直(見圖2)；坡面裸露，出露基巖以強～中風化白云質灰巖為主，巖層較薄，風化裂隙發育，表層巖體較破碎。現場測得巖層產狀為182°∠12°，3組貫通結構面，產狀分別為283°∠62°,31°∠82°,202°∠71°。線路走向約118°，邊坡坡向約198°。

3.2 病害描述

邊坡腳現有一高約1.5 m、寬0.6 m漿砌片石擋墻。K54+096—K54+106段存在一危巖探頭，距線路高約19～28 m，平均厚度約3.0 m，危巖體與自然山體結構面(202°∠71°)張開并貫通，基本分離，在暴雨等誘發因素作用下，極易崩落(見圖2)。

圖2 豐沙線K54+080—K54+124下行右側邊坡全貌

3.3 風險評估

3.3.1 風險危險性概率

根據當地氣象和地震資料顯示，該地區過去5年的年平均降雨量約200 mm，處于7度地震區。現場勘查可以看出該工點的災害類型是滑移式崩塌，危巖探頭厚度約2.0～3.5 m，總方量約40 m3，危巖體距線路高約19～28 m，坡腳距線路中心約9 m。危巖細部圖見圖3。

圖3 危巖細部

滑移式崩塌落石的穩定系數按照靜力解析法計算，具體計算公式為[7]

(1)

式中：K為危巖穩定系數；W為危巖體自重；Q為地震力，按Q=ξ×W確定，地震水平作用系數ξ取0.05；U為裂隙水壓力，本地區為干旱地區，取0；C為后緣裂隙黏聚力標準值，當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段黏聚力標準值按長度加權和加權平均值，未貫通段黏聚力標準值取巖石黏聚力標準值的0.4倍；φ為后緣裂隙內摩擦角標準值，當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段內摩擦角標準值按長度加權和加權平均值，未貫通段內摩擦角標準值取巖石內摩擦角標準值的0.95倍；θ為軟弱結構面傾角，外傾取正，內傾取負。

根據現場調查和查閱當地地勘資料可以得出，該工點危巖有3組貫通結構面，受雨水下滲、列車振動等諸多因素影響極易造成隱患發生。經過式(1)計算取W=5 000 kN/m3，Q=250 kN/m，U=0，C=25 kPa，θ=70°，φ=20 kPa,則K=1.046，依照表1可知該工點危巖不安全。對照表2確定其落石危險性概率屬四級,極可能發生。

3.3.2 風險事故損失

風險事故損失依據事故損失等級進行評估分析。據現場調查，該段邊坡可形成危巖體方量約40 m3，坡腳距線路水平距離約9 m，依據RockScience軟件落石軌跡計算分析得出，該危巖體發生崩塌落石后，會在原地面產生跳躍，現有擋墻1.5 m，落石的跳躍高度最高約4.8 m(如圖4所示)，最大沖擊能約 20 000 kJ，存在入侵線路的可能。一旦墜落極可能影響到鋼軌，危害到列車行駛安全，但能較快通車。對照表3可以得出該工點的事故損失等級為三級，屬于大風險。

圖4 崩塌落石軌跡分析

3.4 風險等級評價

根據表4，該工點對應的風險等級屬四級極高風險，需近期立即整治。

3.5 防治措施

由以上分析的結果可以看出，現有防治措施無法起到防治作用，一旦崩落極易造成侵線危害。所以對應的防治措施為：K54+080—K54+124段現有擋墻高度不足，拆除現有1.5 m擋墻；K54+092—K54+110段設置混凝土攔石墻；依據崩塌落石軌跡分析，攔石墻基礎埋深2 m，地面以上5.0 m(如圖5所示)； K54+080—K54+092段、K54+110—K54+124段設置混凝土擋墻，基礎埋深1.5 m，地面以上2.0 m。

圖5 K54+100設計斷面(單位：cm)

4 結論與建議

1)以豐沙線下行K54+080—K54+124右側邊坡崩塌落石為研究對象，采用靜力解析法對其穩定性進行計算和分析，并對該處危巖體的嚴重程度進行現場調查分析，應用崩塌落石風險評估方法進行分析，得出風險等級為四級，屬極高風險，應立即整治。

2)根據現場地質調查結果與評估結果分析，落石下落過程中的最大沖擊能約 20 000 kJ，最大跳躍高度約4.8 m，存在入侵線路的可能。拆除現有1.5 m擋墻，K54+092—K54+110段設置混凝土攔石墻，基礎埋深1 m，地面以上5.0 m；K54+080—K54+092段、K54+110—K54+124段設置混凝土擋墻，基礎埋深1.5 m，地面以上2.0 m。

[1]張玉芳，王春生，張從明.邊坡病害及治理工程效果評價[M].北京：科學出版社，2009.

[2]陳洪凱，唐紅梅，葉四橋，等.危巖防治原理[M].重慶：地震出版社,2006.

[3]PIERSON L A,DAVIS S A,VICKLE R.The Rockfall Hazard Rating System Implementation Manual[R].Washington:Oregon State Highway Division,1990.

[4]STOVER B K.Highway Rockfall Research Report[R].Denver:Colorado Geological Survey,1992.

[5]張春山，吳滿路，張業成.地質災害風險評價方法及展望[J].自然災害學報，2003，12(1)：96-102.

[6]王玉鎖，楊國柱.隧道洞口段危巖落石風險評估[J].現代隧道技術，2010,47(6)：33-39.

[7]葉四橋.隧道洞口段落石災害研究與防治[D].成都：西南交通大學，2008.

[8]翟繼偉.辛泰線危巖落石整治[J].路基工程，2012,30(3)：189-190,194.

[9]丁浩江，張廣澤，岳志勤.坪上隧道口危巖落石失穩模式及運動特征分析[J].鐵道工程學報,2015,32(12):7-11,29.

[10]羅章波.小平地隧道進口危巖落石分析及整治設計[J].隧道建設，2013,33(9)：768-773.

[11]亞南，王蘭生，趙其華，等.崩塌落石運動學的模擬研究[J].地質災害與環境保護，1996,7(2)：25-32.

[12]曾永紅，丁兆鋒，李寧.貴廣鐵路深路塹陡坡危巖落石整治方案設計[J].高速鐵路技術，2017，8(2)：20-23,48.

[13]魏少偉，雷大鵬，盧大緯，等.山區鐵路既有線地質災害的風險評估方法[J].鐵道建筑，2016，56(1)：47-52.