拉林鐵路隧道洞口高位高陡危巖體發育類型及風險評估

宋國壯 張玉芳

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

在地震、極端氣候等多重誘發因素影響下，山區鐵路沿線地質災害多發，對線路施工和運營安全造成嚴重威脅[1-2]。崩塌落石是最為常見的災害類型之一，特別是拉林鐵路，沿線存在風險隱患的高位高陡危巖體所處自然斜坡高達幾百米甚至千余米，其發育條件復雜，規模數量巨大，危害程度嚴重，屬國內外罕見。因此，針對高位高陡危巖體提出科學合理、有針對性、可操作性的風險評估方法迫在眉睫。

文獻[3]提出了隧道洞口落石風險評估方法，將風險評估方式分為初步評估與細部評估兩大步驟。文獻[4]通過對危巖落石影響因素發育條件打分，提出了隧道洞口段落石災害危險性等級評估方法。文獻[5-6]從落石的致災可能性和致災嚴重性2個方面進行綜合評估，并應用于多條隧道洞口的落石災害風險評估。

針對拉林鐵路等極復雜艱險山區鐵路高位高陡危巖體災害，目前常用風險評估方法的評價指標不夠全面、針對性和可操作性不強。本文通過現場調查、資料分析等手段，在充分剖析拉林鐵路高位高陡危巖體發育類型及工程特點的基礎上，綜合考慮影響危巖體災害發生可能性、嚴重程度的各類因素，提出基于指標體系法的定量風險評估技術體系。以期為山區鐵路高位高陡危巖體災害的風險評估提供借鑒。

1 工程概況

新建拉林鐵路位于西藏自治區東南部，線路全長435.48 km，其中：橋梁120座，共計84.510 km，占線路總長度的20.96%；隧道47座，共計216.465 km，占線路總長度的53.70%。

1.1 地形地貌

拉林鐵路位于青藏高原東南部，屬于岡底斯山與念青唐古拉山、喜馬拉雅山之間的藏南谷地、雅魯藏布江中游，海拔2 800～3 700 m，山高谷深，氣候極端惡劣。山脈多呈東西向縱貫延展，谷嶺相間，地勢起伏跌宕，總體由西北向東南傾斜。

1.2 地層巖性

地層總體北傾、由南向北時代變新，地層連續、層序清晰。沿線主要分布有新生界、中生界、古生界、元古界沉積巖、巖漿巖、變質巖及各種成因的松散堆積層。其中以巖漿巖、變質巖相對發育，未變質的沉積巖相對較少，地層巖性復雜。

1.3 區域地質構造

按照板塊構造觀點，研究區位于青藏高原岡底斯-拉薩地塊、喜馬拉雅地塊及二者之間的雅魯藏布江縫合帶。岡底斯-拉薩地塊由一系列彼此平行展布的斷裂帶與線性褶皺組成，斷裂帶規模巨大，斷裂帶寬度一般都在100 m以上；喜馬拉雅地塊位于雅魯藏布江深大斷裂以南，由一系列EW向展布的斷裂和褶皺組成。

1.4 水文條件

地下水類型按埋藏條件及賦存介質分為裂隙性潛水及孔隙性潛水。裂隙性潛水賦存于巖體的裂隙及構造帶之中，孔隙性潛水賦存于第四系松散層中。地下水主要補給源為大氣降水或高山冰雪融水，隨季節變化明顯，雅魯藏布江河床為地下水的排泄基準面。

2 高位高陡危巖體發育類型

在對拉林鐵路重點控制性隧道洞口邊仰坡高位高陡危巖體病害開展現場調查的基礎上，充分剖析其工程地質條件、發育特點、潛在破壞模式等因素，將沿線高位高陡危巖體發育類型大致劃分為陡坡斷崖裸露硬巖危巖體、破碎陡坡裸露硬巖危巖體、陡坡突兀硬巖危巖體及陡坡裸露軟巖危巖體4種。

2.1 陡坡斷崖裸露硬巖危巖體

隧道口所處自然斜坡陡立、斷崖交錯、陡壁成層，大多為崩塌落石殘壁。坡體主要由硬質巖組成，呈巨塊狀、塊狀，節理交叉切割。多組結構面的組合體在地震、冰劈、根劈、風化等外營力作用下易形成崩塌，表層松動巖塊、活石易形成落石。代表性工點包括巴玉隧道進口、祝拉崗隧道進口等。

2.2 破碎陡坡裸露硬巖危巖體

自然邊坡坡體由破碎巖體組成，坡度通常為40°～60°，表層松散、坡面凹凸不平，分布大量松動巖塊，或有裂隙陡坎、突兀巖體。在冰劈、風化、地震、沖刷等作用下表層松動巖塊易形成滾動落石，陡坎或突兀巖體易形成小型崩塌。代表性工點包括拉嘎隧道進口等。

2.3 陡坡突兀硬巖危巖體

自然斜坡坡體由硬巖組成，坡度大多為30°～50°。坡面植被較發育，發育突兀孤石、孤石林。在根劈、冰劈、冰蝕、沖刷等外營力作用下，大塊突兀巖體易形成新型崩塌，表層松石、浮石易形成落石。代表性工點包括朗賽嶺隧道出口（圖1）等。

圖1 朗賽嶺隧道出口陡坡突兀硬巖危巖體

2.4 陡坡裸露軟巖危巖體

自然斜坡坡體由軟質巖組成，坡度為40°～70°。表層巖體大多呈碎裂狀，局部呈塊狀，坡面凹凸不平，或有陡坎懸空、巖體倒掛。在風化、溶蝕、冰蝕、根劈等外營力作用下極易形成大小不一的落石，懸空、倒掛危巖體發育至一定程度時形成崩塌。代表性工點包括熱當隧道進口等。

3 基于指標體系法的風險評估技術體系

運用指標體系法對高位高陡危巖體災害風險進行定量評估的總體思路是在充分收集資料和現場地質調查的基礎上，開展崩塌落石失穩的災害發生可能性及嚴重程度評估，制定風險矩陣并劃分風險等級。依據風險等級及對鐵路工程可能造成的潛在破壞規模，提出風險控制對策?；谥笜梭w系法進行風險評估的工作流程見圖2。

圖2 基于指標體系法的風險評估流程

3.1 災害可能性評估

通過充分考慮高位高陡危巖體所處地形地貌、高度規模，坡面巖體結構、植被情況、外營力作用、工程整治措施等影響危巖體失穩的關鍵風險因素，選取高位高陡危巖體所處地形植被、高度規模、巖體結構、誘發因素及工程整治措施5大類因素、劃分為19個評估指標，對每一指標分別進行打分作為評估分值，從而實現對高位高陡危巖體災害發生可能性進行定量評估。

高位高陡危巖體災害發生可能性評估指標體系見表1。根據收集資料和現場調查的深度，可對表1中指標進行取舍，對確定的指標進行打分。重要性系數計算公式為

式中：γij為權重系數，i=1，2，3，4，5，j=1，2，…，z，其中z為第i類評估指標（包括重要指標）的數量；n為評估指標（重要指標）的項數；m為重要性排序的序號，m≤n。

高位高陡危巖體可能性綜合分值計算公式為

式中：F1為事故發生可能性分值；Sij為評估指標分值；Rij為評估指標基本分值。

計算出F1值后，確定不同災害發生可能性等級及分值范圍，見表2。

表1 高位高陡危巖體災害發生可能性評估指標體系

表2 高位高陡危巖體災害發生可能性等級

3.2 災害嚴重程度評估

高位高陡危巖體事故嚴重程度既與致災體本身特征有關，也與危及的隧道洞口等承災體的能力密切相關[7]。選取承災體能力和致災體能量兩大因素、3個評估指標，對災害嚴重程度進行定量評估，指標體系見表3。

嚴重程度重要性排序、綜合分值計算參考可能性評估方法確定。計算得出災害嚴重程度分值F2后，確定不同災害嚴重性等級的分值范圍，見表4。

3.3 風險等級及控制對策

根據災害發生可能性和發生后嚴重程度劃分等級建立風險矩陣，確定高位高陡危巖體風險等級[8]。高位高陡危巖體災害風險評估矩陣見表5。

表3 高位危巖體災害事故嚴重程度評估指標體系表

高位高陡危巖體災害風險控制對策是以災害類型、成因、水文、工程條件變化等因素為前提，在災害風險評估結果的基礎上，建立風險接受準則，提出風險避免和風險排除措施，針對風險可能性及嚴重程度提出風險整治建議或有針對性的處治措施。

表4 高位危巖體災害嚴重程度等級

根據風險等級評估結果與接受準則，提出風險控制對策，見表6。

表6 風險接受準則與控制對策

4 實例分析

4.1 工程概況

江木拉隧道出口自然斜坡山體陡峭，坡度約60°，坡頂距軌面高差約340 m。坡面基巖裸露，邊坡揭露地層主要以強-中風化花崗巖為主，塊狀結構。巖體結構面相互切割，現場量測得到臨空結構面產狀為198°∠59°。

4.2 病害描述

自然斜坡坡面巖體松散，節理裂隙發育，坡面危巖孤石眾多，屬陡坡斷崖裸露硬巖危巖體。大規模危巖體在外營力作用下易發生沿組合結構面的滑移式崩塌，小規模松動巖體、活石易發生崩落，對線路運營安全產生較大威脅。

4.3 既有工程整治措施

針對隧道洞口高位危巖體病害情況，現有的工程防護設計措施為：①清除坡面松動的危巖孤石；②采用漿砌片石對部分危巖體進行嵌補支頂；③洞頂上方布設寬60 m、高5 m的被動防護網。

4.4 風險評估結果

4.4.1 災害可能性

根據收集資料和現場調查深度，結合表1，選取16個指標進行打分并進行重要性排序，根據式（1）及式（2）分別計算權重系數γij和評估分值Sij。災害可能性評估結果見表7。經計算得F1=74.467，災害可能性等級為4級：很可能。

表7 江木拉隧道出口高位高陡危巖體災害可能性評估結果

4.4.2 災害嚴重程度

參考災害可能性分級方法計算嚴重程度3個評估指標的權重系數及綜合分值，計算結果見表8。經計算得F2=80.007，災害嚴重程度等級為4級：特大。

表8 江木拉隧道出口高位高陡危巖體災害嚴重程度評估結果

4.4.3 風險等級及整治措施

根據災害發生可能性及嚴重程度評估等級劃分結果，對照表5及表6確定危巖體風險等級及控制對策，見表9。

評估結果表明，江木拉隧道出口高位高陡危巖體風險等級為Ⅳ級，存在極高風險，對線路運營安全存在一定隱患。

表9 江木拉隧道出口高位高陡危巖體風險等級及控制對策

建議采用如下整治措施，以對災害風險進行控制：①現有被動網向兩側延伸，并在明洞洞頂平臺上方增設攔石墻；②大塊危石和順坡向結構面發育區域面增設錨固結構+主動防護網；③針對個別大塊危石增設變形監測等措施。

5 結語

1）對拉林鐵路20余處隧道洞口邊仰坡高位高陡危巖體病害開展現場調查，根據其工程地質條件、發育特點、潛在破壞模式等因素，將其發育類型劃分為陡坡斷崖裸露硬巖危巖體、破碎陡坡裸露硬巖危巖體、陡坡突兀硬巖危巖體及陡坡裸露軟巖危巖體4大類。

2）在山區鐵路沿線危巖體災害評估實踐基礎上，結合拉林鐵路高位高陡危巖體發育特點，選取地形植被、危巖體高度規模、巖體結構、誘發因素、工程整治措施5大類因素共19個評估指標，建立了危巖體災害發生可能性評估體系；選取危巖體危害對象、體積及運動方式作為事故嚴重程度評估指標，最終構建了適用于拉林鐵路高位高陡危巖體災害風險的定量評估技術體系。

3）以江木拉隧道出口為評估實例，對該技術體系的應用及操作性進行了闡述和示范，并提出了整治措施建議?？蔀闃O復雜艱險山區鐵路高位高陡危巖體災害風險評估提供借鑒。