某隧道高位危巖落石運動特征分析

(成都理工大學 四川 成都 610059)

危巖落石的運動特征通常與工程地質條件相關，由于高海拔地區常年受到風化剝削及冰雪融化作用，危巖落石異常發育且具有較大的重力勢能(最終一部分會轉化為沖擊動能)，因此對高海拔地區的危巖落石防治應采取不同的措施。本文擬分析危巖落石的運動特征，并根據運動特征初步提出危巖落石的防治措施建議。

一、工程概況

康定位于松潘-甘孜造山帶的東緣，在強烈的構造營力作用下，地殼不斷抬升，形成了筆架山、蛇海子山、白海子山等一系列呈北西向分布的山脊線。山體渾厚，區內最大高程6060m，位于線路左側的白海子山，距離擬建隧道線路大約18km，區內最低高程1310m，位于大渡河的河床，相對高差一般大于1000m，最大高差可達4500m以上。整體群山簇立，常年受到大渡河流域的沖刷，同時伴有季節性凍融循環(高海拔地帶)作用。峽谷延伸長，切割較深，為高位危巖體的形成提供了有利地形條件。

研究點(擬建隧道位置)地貌上屬高山峽谷地貌，地形起伏較大，有瓦斯溝流徑，瓦斯溝流向與構造線一致，為“V”型河谷，局部為“U”型。沖溝內堆積有沖洪積的漂塊石土，而兩側谷坡多為殘坡積、崩坡積物覆蓋，植被茂密，基巖零星出露，形成懸崖峭壁。

二、邊坡基本特征

該邊坡位于318國道瓦斯溝至康定段。邊坡坡頂線長300m，最大高差400m，水平坡長為450m，坡度50o～80o，邊坡整體呈現陡直趨勢，坡腳為318國道，318國道左方(往康定方向)為加油站，右方為瓦斯溝流域，河流岸邊有滾石堆積區，局部有網狀攔擋結構(見圖1)。

圖1 邊坡工程地質剖面圖

斜坡上覆為崩、堆積(Q4col)碎石土，坡殘積(Q4dl+el)粉質黏土；下伏基巖為灰白、灰黑色厚層澄江-晉寧期(γo2(4))斜長花崗巖為主。基巖為硬質脆性花崗巖，風化節理較嚴重，易形成掉塊。現場調查發現主要發育5組節理：①300°～310°∠24°，基本閉合，2-4條/m，延伸大于3m；②139°～149°∠21°，基本閉合，2-3條/m，延伸大于4m；③ 336°～346°∠69°，基本閉合，2-4條/m，延伸大于3m；④33°∠69°，基本閉合，2-3條/m，延伸大于4m；⑤ 75 ° ～85°∠24°，基本閉合，2-5條/m，延伸大于4m。坡面為：173°∠60°。在多組節理切割下，使得巖體破碎，巖塊多為松動，為危巖體的形成提供了有利的內部條件。

三、典型危巖體運動特征分析

為了對潛在典型危巖體可能發生的落石運動軌跡、能量分布和彈跳高度等特征參數進行定量計算。采用加拿大RockScience公司的巖石力學分析系列軟件中的Rockfall軟件模擬技術落石的運動特征。

計算模型采用如下假定：①邊坡簡化為由若干直線段連接而成的二維問題；②落石形狀假定為球體，質量均勻分布；③落石和坡面視為各向同性的彈塑性體；④不考慮運動過程中落石間的相互作用；⑤不考慮落石碰撞破裂的影響，假定落石始終保持完整。

計算過程如下：①根據坡面的巖性、坡面覆蓋層和植被特征，確定危巖體的法向恢復系數、切向恢復系數和動摩擦角等計算參數；②根據危巖的幾何形狀、大小和密度確定危巖的初始運動狀態(墜落、跳動、滾動和滑動)；③通過危巖體的運動方程計算危巖體的運動特征；④危巖體與坡面碰撞后，計算出撞擊點的坐標、能量、彈跳高度；⑤輸出危巖的運動軌跡、能量分布、彈跳高度等計算結果。

典型危巖體的長2.47m，寬1.63m，厚0.89m，質量約6200Kg。研究區域存在大量類似質量的危巖體，因此為了有效設置攔擋結構，規避下部建(構)造物的風險，需要了解潛在危巖體的運動特征。

危巖體的運動軌跡模擬見圖2的運動軌跡圖，由圖分析可知，滾石在初始運動階段以滾動為主，后期以彈跳飛躍運動為主，大量落石停積在水平距離400-500m的區域。根據落石軌跡特征分析可知，落石彈跳高度最高可達38m，其運動速度高達46m/s，沖擊能量達到7100kJ。其中最大彈跳高度、最大運動速度、最大沖擊能量大約都在水平距離350 m左右。在運動初始階段，速度增長較緩，當運動距離達到50m后，速度增長幅度變大，當到達350m后，逐漸趨于平緩，最后墜落至瓦斯溝流域后能量迅速減小直至停止。

上述模擬結果分析，首先考慮對該危巖體進行原位支撐加固，提高其穩定，防止發生滾落。同時，可以考慮在水平距離60m(高程大約2850m左右設置被動防護網)。由于該處落石的運動能量較小，可有效減小防護網的防護能量等級，提高防護網的攔截效率。但后期沖擊能量過大，攔截法無法適用，因此在隧道上部建議以疏導法為主。

圖2 典型危巖體的運動軌跡

圖3 總動能

四、結論

本文對康定市的某隧道進口高位危巖體運動特征進行了詳細分析，主要獲得以下結論：(1)通過對瓦斯溝至康定段某隧道進口高位危巖體的數值模擬發現：滾石的最大彈跳高度可達38m，最大速度可達46m/s，最大沖擊能量可達7100kJ，具有高速度、高能量的特點。(2)在隧道上部，由于沖擊能量過大，不建議使用攔截法，應以疏導法為主。