寶臺山隧道進(jìn)出口危巖落石防治措施研究

張宏

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 建設(shè)部，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

在直立陡坡黃土梁峁區(qū)，地面破碎、地形起伏較大，此類鐵路工程隧道洞口面臨危巖落石威脅，危巖體產(chǎn)生崩塌落石是典型坡面地質(zhì)災(zāi)害，給鐵路運(yùn)營及安全造成嚴(yán)重的影響，如何有效處理危巖落石危害成為現(xiàn)階段鐵路工程熱點(diǎn)課題之一［1-3］。

葉四橋等［4］為厘清落石形狀、塊度大小和運(yùn)動模式對其運(yùn)動特征的影響規(guī)律，進(jìn)行了112塊落石現(xiàn)場試驗(yàn)；孔偉［5］通過PFC 軟件模擬了危巖落石運(yùn)動過程，并與理論運(yùn)動學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，最終編制了落石危險(xiǎn)分布圖。丁浩江等［6］提出了危巖落石的4 種失穩(wěn)模式，針對坪上隧道提出了危巖落石整治方法，并給出危巖落石的防護(hù)建議；通常采用Rockfall 軟件模擬落石運(yùn)動軌跡及沖擊能量，確定危石的威脅范圍，建立風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，并將風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)進(jìn)行量化［7-8］；花曉鳴等［9］運(yùn)用Rockfall 軟件建立了高陡邊坡落石運(yùn)動分析模型，系統(tǒng)地研究了落石的運(yùn)動特征。莫志藝［10］提出一種基于800 MHz通信傳輸?shù)奈r落石監(jiān)測系統(tǒng)。

基于中衛(wèi)—蘭州鐵路（中蘭鐵路）（甘肅段）的危巖落石現(xiàn)場調(diào)查情況，并以寶臺山隧道為例，通過評估其危巖穩(wěn)定性，對危巖體崩落的可能性及崩落后到達(dá)威脅對象區(qū)域可能性選用合適的方法進(jìn)行定量預(yù)測，通過Rockfall 軟件研究不同落石軌跡預(yù)測線危巖落石的運(yùn)動軌跡、動能、彈跳高度、落點(diǎn)位置等運(yùn)動特征，并提出安全合理的防治措施。

1 工程概況

1.1 中蘭鐵路（甘肅段）線路概況

中蘭鐵路（甘肅段）位于白銀市和蘭州新區(qū)境內(nèi)。正線經(jīng)白銀市平川區(qū)、靖遠(yuǎn)縣、白銀區(qū)，向西經(jīng)蘭州新區(qū)接至既有中川機(jī)場線樹屏站，是京蘭客專的重要組成部分，是我國“一帶一路”倡議發(fā)展核心區(qū)域的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施。中蘭鐵路（甘肅段）正線長度173.458 km，新建雙線隧道25.598 km/15 座，占此段正線長度的14.8%。其中，寶臺山隧道位于白銀市白銀區(qū)四龍鎮(zhèn)和強(qiáng)灣鄉(xiāng)境內(nèi)。中蘭鐵路（甘肅段）線路走向見圖1。

圖1 中蘭鐵路線路（甘肅段）走向示意圖

1.2 寶臺山隧道的地形地貌

隧址區(qū)地貌屬黃土梁峁區(qū)，地形起伏較大，沖溝發(fā)育，一般海拔標(biāo)高1 503～1 695 m，相對高差10～70 m。植被稀疏，主要為低矮的雜草，大多為荒山、荒坡，交通不便。

1.3 寶臺山隧道進(jìn)口處地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

寶臺山隧道進(jìn)口處陡坡由第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土、白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂巖組成。泥巖夾砂巖，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理、裂隙產(chǎn)狀傾向線路中線。寶臺山隧道進(jìn)口見圖2。

圖2 寶臺山隧道進(jìn)口

針對寶臺山隧道進(jìn)口段危巖落石穩(wěn)定情況，在區(qū)域地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了詳細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)查，利用赤平投影法對危巖落石的整體穩(wěn)定性進(jìn)行評估，得出結(jié)論：危巖落石分布于寶臺山隧道進(jìn)口D1K174+100 處，右側(cè)直立陡坡為潛在崩塌體，距線路20～30 m，陡坡高約20 m，在重力及傾覆力矩作用下，陡坡巖體可能沿裂隙向線路滑移及崩塌，存在安全隱患，影響隧道進(jìn)口安全。

2 模擬計(jì)算

2.1 模擬落石路線依據(jù)

采用赤平投影法進(jìn)行評估，對孤石的崩塌、滑動可能性進(jìn)行初步定性評價(jià)，并對孤石可能的失穩(wěn)模式或破壞機(jī)制作出準(zhǔn)確判斷。

赤平投影法評估理論：赤平投影圖解法通過對巖質(zhì)危巖體及其巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的大量調(diào)查統(tǒng)計(jì)，充分掌握其優(yōu)勢軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀特征，選取危巖體的優(yōu)勢軟弱結(jié)構(gòu)面，以赤平投影理論為基礎(chǔ)，分析對危巖體穩(wěn)定性的影響。

有2組優(yōu)勢軟弱結(jié)構(gòu)面的危巖體，穩(wěn)定性由交線的產(chǎn)狀控制，分為以下3種情況：

（1）交線傾向坡內(nèi)。在赤平投影圖上，2組結(jié)構(gòu)面投影弧交線與坡面投影弧相對說明是穩(wěn)定的（見圖3（a））。

（2）交線的傾向與坡面傾向一致，但其傾角小于坡角。在赤平投影圖上結(jié)構(gòu)面投影弧交線與坡面弧同在一側(cè)，但位于坡面弧的外側(cè)。這種情況說明是不穩(wěn)定的（見圖3（b））。

（3）交線的傾向與坡面傾向一致，但其傾角大于坡角。這種情況是基本穩(wěn)定的（見圖3（c））。

圖3 軟弱面邊坡赤平投影及穩(wěn)定情況

2.2 模型建立

根據(jù)寶臺山隧道的地質(zhì)情況及赤平投影法，提出2 種落石軌跡預(yù)測線（見圖4），具體落石軌跡預(yù)測線縱向高度見圖5，并用于落石的模擬計(jì)算。

2007年實(shí)行課程標(biāo)準(zhǔn)后的高考，10年來隨高中課程改革的不斷推進(jìn)，使用課標(biāo)的省份逐漸增加，考生的常模不斷發(fā)生變化，高考試卷的難度也根據(jù)考生群體的變化逐年調(diào)整，以適應(yīng)考生水平的變化.10年來數(shù)學(xué)試卷的難度怎樣？選擇題、填空題、解答題三種題型中哪種題型的難度比較穩(wěn)定？

圖4 落石軌跡預(yù)測線

圖5 落石軌跡

具體的落石計(jì)算輸入條件：在斜面頂部下落時(shí)，水平初速度為0，豎向初速度為0。計(jì)算落石為半徑0.15 m，大致方量為0.12 m3。落石的密度為2 500 kg/m3。落石質(zhì)量為300 kg。跌落統(tǒng)計(jì)次數(shù)采用1 000 次，并根據(jù)此次數(shù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)。

2.3 落石軌跡預(yù)測線1模擬結(jié)果

落石軌跡預(yù)測線1的模擬結(jié)果見圖6。

圖6 落石軌跡預(yù)測線1的模擬結(jié)果

通過落石分析軟件計(jì)算結(jié)果可知，落石在邊坡上部發(fā)生滾落運(yùn)動中產(chǎn)生的最大彈跳高度為15 m，最大沖擊能量約為110 kJ，大部分落石落點(diǎn)位于洞口所在范圍，對洞口影響較大。

2.4 落石軌跡預(yù)測線2模擬結(jié)果

落石軌跡預(yù)測線2的模擬結(jié)果見圖7。

圖7 落石軌跡預(yù)測線2的模擬結(jié)果

通過落石分析軟件計(jì)算結(jié)果可知，落石在邊坡上部發(fā)生滾落運(yùn)動中產(chǎn)生的最大彈跳高度為6.7 m，最大沖擊能量約為230 kJ，少部分落石落點(diǎn)位于洞口所在范圍。

3 治理措施

根據(jù)圖6（b）可知，在軌跡47 m 處落石彈跳高度小于1 m，設(shè)置1 個(gè)5 m 高被動網(wǎng)，可攔截部分落石。在65 m 處落石彈跳高度小于4 m，設(shè)置1 道6 m 高的攔石墻均能有效攔截落石，防止落石滾動上線（見圖8）。

圖8 軌跡1落石防護(hù)措施示意圖

根據(jù)圖7（b）可知，在軌跡95～140 m，落石彈跳高度小于1 m，但140 m 后落石運(yùn)動軌跡較陡，彈跳高度和沖擊能力快速增加，在此設(shè)置1 道6 m 高的攔石墻攔截落石，在其未彈起時(shí)防止落石滾動上線（見圖9）。

圖9 軌跡2落石防護(hù)措施示意圖

綜合計(jì)算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，攔石墻具體防護(hù)位置示意見圖10。

圖10 攔石墻防護(hù)位置示意圖

經(jīng)過計(jì)算，落石軌跡1對隧道洞口影響比較大。并依據(jù)計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場實(shí)際情況提出寶臺山隧道中衛(wèi)端洞口端部防護(hù)原則如下：

（2）首先對直立陡坡進(jìn)行削坡后采用錨桿框架梁防護(hù)，減少落石可能性，錨桿長12 m，一級坡坡率為1∶1.21，二、三級坡坡率為1∶1，分級平臺寬2 m。

（3）土石分界線以下設(shè)高6 m 厚1.85 m 的C25 混凝土擋墻，在軌跡1 的47 m 處設(shè)置1 個(gè)5 m 高被動網(wǎng)，土質(zhì)坡面按1∶1分級開挖放坡，每8 m分1級，以減小落石的彈跳高度，坡腳及坡頂采用50 cm 厚C25 混凝土護(hù)腳進(jìn)行護(hù)砌，以抵抗落石的沖擊能量。

4 結(jié)論

以中蘭鐵路寶臺山隧道為例，通過現(xiàn)場調(diào)研和落石分析軟件計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）通過寶臺山隧道的地質(zhì)情況及赤平投影法判斷所得，在重力及傾覆力矩作用下，陡坡巖體可能沿裂隙向線路滑移及崩塌，存在安全隱患，影響隧道進(jìn)口安全。

（2）通過對落石軌跡1計(jì)算結(jié)果可知，落石在邊坡上部發(fā)生滾落運(yùn)動中產(chǎn)生的最大彈跳高度為15 m，最大沖擊能量約為110 kJ，大部分落石落點(diǎn)位于洞口所在范圍，對洞口影響較大。

（3）通過對落石軌跡2計(jì)算結(jié)果可知，落石在邊坡上部發(fā)生滾落運(yùn)動中產(chǎn)生的最大彈跳高度為6.7 m 在145 m 處，最大沖擊能量約為230 kJ，少部分落石落點(diǎn)位于洞口所在范圍。

（4）針對寶臺山隧道危巖落石應(yīng)采用對直立陡坡進(jìn)行削坡后采用錨桿框架梁防護(hù)，土石分界線以下設(shè)高6 m 厚1.85 m 的C25 混凝土擋墻，并分三級進(jìn)行放坡，一級坡坡率為1∶1.21，二、三級坡坡率為1∶1，分級平臺寬2 m。