汶馬高速桑坪隧道進口危巖落石防治措施研究

李兵，劉峰，馬洪生，張磊

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，成都610041）

1 引言

危巖落石是我國比較常見的地質災害，是山區三大地質災害之一[1，2]。對公路、鐵路建設及運營的危害是巨大的，同樣，這也一直是我國山地開發建設的重要制約因素[3]。隨著我國工程建設的快速發展，崩塌災害在我國呈現增長趨勢[4]。由于危巖落石災害分布較為零散，不連續，爆發隨機性強，導致目前并沒有很好的方式方法來對其進行調查，也很難得到較為準確的災害統計數據。但其造成的損失卻不遜于滑坡、泥石流等災害。例如，2007年6月10日,重慶市萬州區一輛客車被從山上滾落下來的一塊僅1m3的落石砸中,造成7死12傷的事故。2010年3月10日1時30分，陜西子洲縣雙湖峪鎮石溝村發生黃土崩塌災害，崩塌體積約8.9 ×104m3，造成27人死亡，等等[5]。根據相關統計，2020年上半年，我國發生地質災害1 747起，造成直接經濟損失10.1 億元，其中，崩塌災害有678起[6，7]。危巖落石的防治一直都是業內關注的焦點之一。復雜艱險山區目前很多工程路段橋梁與隧道洞口直接相連，導致經常有危巖落石落至隧道洞口及橋面上，嚴重威脅著行車和工程結構安全。

2 危巖特征分析

汶馬高速桑坪隧道進口在復雜的地質環境作用下，形成了多種類型的崩塌危巖（見圖1），按其破壞模式可以分為傾倒式、滑移式、墜落式以及滾落式。通過野外地質調查以及無人機航測技術進行危巖體定位，桑坪隧道口邊坡共有59塊危巖體。研究區危巖體數量最多的類型為墜落式危巖體，占總量的45.8 %，滑移式、傾倒式、滾落式危巖體數量分別占總量的23.7 %、20.0 %和8.5 %。研究區巖性主要為絹云母千枚巖，河谷下蝕速度快，卸荷強烈，因此，容易形成高陡斜坡，加之差異風化、地震、人類工程開挖的作用，邊坡凹腔發育，因此，墜落式危巖體在研究區發育最為廣泛。

圖1 桑坪隧道進口危巖照片

3 危巖體運動軌跡和危害范圍分析

落石運動軌跡和運動能量的研究方法主要有歷史落石事件調查、落石實驗和數值模擬[8]。由于危巖體所在位置地質條件較為惡劣，山高坡陡，現場無法進行落石試驗，同時，此地區歷史落石資料并不充足，所以，本文通過ArcGIS軟件對DSM（數字地表模型）進行切割得到真實地形剖面，使用RockFall軟件對危巖體的運動軌跡進行模擬。根據危巖體的分布位置，選擇了26個剖面模擬危巖體可能的運動軌跡及沖擊能量。根據危巖體運動軌跡預測結果并結合落石的威脅程度分析規劃出危險區域，并將其分為危險區域、較危險區域以及一般危險區域3級（見圖2）。根據分析結果，可判定隧道進口仰坡至第一跨橋梁路段約60m長范圍處于危險區域。

4 防治措施研究

4.1 防治措施

經過多年的工程實踐及研究，目前危巖防治技術措施主要可以分為主動防護技術體系以及被動防護技術體系兩大類。其中，主動防護技術主要是通過提高危巖體及邊坡的穩定性來降低其崩落的可能性，具體包括錨固工程、主動防護網、支撐等多種措施。而被動防護技術則是在假設危巖落石發生崩落時，能夠為危巖落石威脅的對象提供一個防護措施，具體包括明洞結構、落石槽以及被動防護網等多種措施。

圖2 危險區域等級劃分圖

由于桑坪隧道洞口邊仰坡高陡，巖體風化破碎，危巖發育，常規的危巖主動加固與被動防護措施造價高、處治難度大、工期長、長期效果差。本文提出一種適用于復雜山區的橋隧連接結構，包括防落石高填明洞和與其連通的常規明洞，常規明洞連通隧道暗洞，防落石高填明洞從下向上依次設置有樁基、承臺、擋土墻和回填土方，回填土方設置于擋土墻和基巖之間，防落石明洞設置于回填土方上，橋基與橫向擋土墻分開設置，橋臺的路面標高與常規明洞的路面標高平齊，通過防落石高填明洞來保護隧道口的安全。

為了增強明洞的防護能力，在擋土墻上設有側墻，側墻設置在防落石高填明洞的一側，并在側墻外側設有多個排水槽，頂部有格柵網。側墻與基巖之間設有路基回填料，其上設有緩沖層和隔水層。

上述技術方案在桑坪隧道口危巖防治效果明顯，相較于以往常規的治理方法，可以在保證抗沖擊能力和承載力的情況下減少工程造價。并且防落石高填明洞基礎和橋基分開設置，可以確保在不同沉降和地質災害的危害下，二者相互影響較小。

4.2 組合結構穩定性數值模擬計算

為了更加直觀地說明這種橋隧連接結構的穩定性，采用數值計算方法對組合結構兩級擋土墻的穩定性進行分析，對擋土墻材料以及周圍土體和隧道設置合理的參數，并對施工工序進行模擬，評價擋土墻的穩定性，并計算擋土墻的安全系數。由于桑坪隧道口距茂汶活動性大斷裂約7 km，歷來地震活動頻繁，屬強震區，所以，進行模擬計算時，選擇天然和地震2種工況。

4.2.1 模型的建立及網格劃分

以ZK56+440橫斷面作為計算對象，進行數值計算分析，數值計算分析如圖3所示。計算斷面中從上至下依次為千枚巖、回填路基填料、人工填土、卵石土。桑坪隧道左線明洞位于回填路基填料層中，并設置二級擋土墻，第一級擋土墻高為10.43 m，第二級擋土墻高為14.0 m。其中，第一級擋土墻墻體材料為C20混凝土，第二級墻體材料為C20片石混凝土。擋土墻下設置3m高的C30鋼筋混凝土承臺，承臺下為樁基礎，樁長28m。模型采用中等的網格密度以保證計算結果的準確性，對樁基承臺、擋墻及隧道結構等進行局部加密，并對結構附近的巖土體進行適當加密，網格劃分過程中自動考慮土層、結構、荷載及邊界條件。

圖3 數值計算模型圖

4.2.2 數值模擬結果分析

利用數值模擬，獲得了擋土墻后的土壓力分布，以及擋土墻截面的豎向沉降和應力分布云圖，并對兩級擋土墻的安全系數進行了計算。根據數值模擬計算結果，對于樁和承臺結構而言，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其位移和應力結果基本無變化。對于C20片石混凝土擋墻，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其應力結果基本無變化，相對而言，位移有較明顯的變化，尤其是水平位移。對于C20混凝土側墻，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其應力位移結果有較明顯的變化。C20混凝土側墻的水平位移自上而下逐漸減小，擋墻上部水平位移最小，下部水平位移最大。對于明洞結構，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其應力位移結果無明顯變化。對于模型巖土體，路基填料回填完成后和地震作用2種工況下，其應力位移結果無明顯變化。根據數值模擬計算結果，設計已采取相應措施，如在結構連接處（應力集中），增加這些連接處的強度；路基回填填料的最大豎向下沉位移達到56mm，設計要求嚴格控制施工工序，采取小型機械分層碾壓，路堤上部鋪設土工格柵，仰拱回填C20混凝土墊層，以減小不均勻沉降的影響。

就C20混凝土側墻和C20片石混凝土擋土墻的抗傾覆安全系數、抗滑移安全系數、抗震時安全系數分別計算，計算結果見表1。

表1 組合結構安全系數結果匯總表

5 結語

復雜艱險山區公路大多橋梁與隧道洞口直接相連，導致經常有危巖落石落至隧道洞口及橋面上，嚴重威脅行車和工程結構安全。本文通過對汶馬高速桑坪隧道進口危巖防治措施的研究，創新提出一種復雜山區橋隧連接結構，增強了隧道洞口路段的抗沖擊能力，增加了結構的穩定性。桑坪隧道出口危巖治理工程已經施工完畢2年有余，運營良好，治理效果明顯。