復雜山區隧道洞口段危巖及斜坡穩定性影響因素及防護措施研究

摘要 我國西部山區地質條件惡劣，地層巖性復雜、構造作用強烈、不良地質及特殊巖土發育，鐵路沿線山體陡峭，巖體眾多，極易受構造、卸荷和凍融影響，產生崩塌、掉塊、落石等危害。通過現場工程地質調查、無人機高精度影像等技術，探明鐵路沿線斜坡及危巖體發育情況，根據其對線路影響程度，采取不同的防護措施，保障鐵路運營的安全。

關鍵詞 鐵路隧道；危巖落石；岸坡穩定；地質勘探；防護措施

中圖分類號 U456.3⁺3 文獻標志碼 A

0引言

我國西部山區鐵路隧道工程需要面對崇山峻嶺、地形高差、地震頻發、復雜地質、季節凍土、山地災害、高原缺氧以及生態環保等建設難題［1-2］。集合了山嶺重丘、高原高寒、風沙荒漠、雷雨雪霜等多種極端地理環境和氣候特征，全線地形陡峻，受構造、卸荷和凍融等影響，坡體較破碎，隧道進出口斜坡高陡、跨越大江深切河谷，卸荷嚴重，特殊的地形地貌、地質構造使得巖體異常破碎，對隧道洞口及線路帶來極大威脅，因此，通過現場工程地質調查、無人機高精度影像等技術，探明鐵路沿線危巖體發育情況，根據其對線路影響程度，采取不同防護措施，保障鐵路運營的安全具有重要意義。

國內外有關學者對隧道洞口危巖穩定性和防護措施進行了研究。劉文元等［3］結合工程實際案例，對公路隧道冒頂事故的原因進行了分析，針對性的提出事故解決方案，并探討了不良地質段隧道洞口冒頂坍塌事故的預防措施。張乾坤等［4］以一客運專線黃土隧道洞口山體滑坡為實例，從地形地貌、滑坡形態、施工影響、過程管理等方面對滑坡原因進行了分析，探討了滑坡產生的原因，總結了關于黃土隧道洞口邊坡穩定性分析經驗與管控技術要點。張輝［5］從破壞影響因素、破壞機理、破壞模式等方面著手，結合車腳山隧道現場實際資料，運用MIDASGTSNX進行二維平面和三維模擬，最后通過現場監測數據，得到邊仰坡的破壞機理及影響因素，并驗證了管棚超前支護對保證邊仰坡穩定的重要性。彭雪峰等［6］以曾家巖二標段火鳳山隧道洞口邊坡為研究背景，結合國內外相關資料，對邊坡的穩定性分析方法進行了簡單闡述，并利用數值模擬模擬得到在不同工況下的邊仰坡安全系數，通過對比得到最優預加固方案。汪精河等［7］以成都至蘭州鐵路某隧道洞口落石防護工程為背景，提出采用聚苯乙烯泡沫輕質混合土代替砂墊層作為明洞回填材料，結果表明采用較小的墊層厚度即可取得很好的消能效果，是一種優良的落石防護墊層材料。梁安寧［8］為了確保隧道能夠安全地進行建設和運營，針對隧道洞口處的危巖落石，提出了4種防治措施，設置攔石溝對危巖落石進行主動攔截，采用被動防護網覆蓋再坡度較緩的地帶，隧道洞門加厚加強，加設柔性棚洞，有效對危巖落石災害進行防治。趙曉勇［9］對隧道洞口上方可能產生病害的孤石，給出受力公式并推導孤石穩定的臨界條件和提出在運營期間，隧道洞口落石病害的防治措施及其適用條件。

本文以某復雜山區隧道工程為依托，基于地勘和調研資料，分析了隧道洞口處危巖落石的穩定性控制影響因素，通過對斜坡及危巖體進行穩定性評價分析，得到了其穩定性系數及安全等級，并結合線位展布特征及工程形式，評價危巖落石失穩對鐵路隧道的影響，并提出針對性的治理工程措施與防護建議，可為鐵路沿線隧道洞門安全施工提供可靠的技術支撐，同時為其他頻發危巖落石地區的隧道洞口的穩定性評價及防護提供可靠的技術支撐和指導。

1斜坡及危巖穩定性影響因素

隧道跨越多個地質構造塊體，經過多條河谷卸荷區，主要在高寒高海拔區域運行，工程斜坡、危巖和潛在不穩定自然斜坡往往受不同因素控制，通過現場工程地質調查、無人機高精度影像、高分遙感影像、GoogleEarth影像室內解譯危巖體、查閱相關資料得出，鐵路沿線危巖發育及斜坡穩定性主要受地震（構造活動）、凍融、卸荷、巖性、坡體結構及地形等因素控制。

1.1地震及構造作用

研究區地質構造復雜，鐵路沿線構造活躍，新生代構造運動發育，局部發育活斷層，為地震多發區。大型地震可能誘發大規模斜坡失穩事件，中、小型地震可能導致斜坡內部裂縫萌生擴展，劣化巖體參數（圖1），形成坡表松散堆積物，對工程斜坡和隧道進出口危巖穩定性具有重要影響。

1.2凍融風化作用

對高寒地區而言，凍融作用是風化作用的重要組成部分，甚至起著主控作用，經過多年凍融循環，高寒區巖體的完整性、均勻性被破壞，在其他風化作用和構造作用共同影響下，形成受節理裂隙切割和力學強度劣化嚴重的巖體，導致凍融層巖體逐漸被節理裂隙切割和崩解（圖2），在斜坡表層形成松散堆積物對地質災害發育、斜坡穩定性以及部分隧道和路基建設具有重要影響。

1.3斜坡卸荷帶

在某些特殊不利地質條件組合下，可能會出現斜坡卸荷帶發育深度異常大的現象（圖3），卸荷帶發育深度與高程存在正相關關系，高程越高，卸荷帶發育深度也相對較深；同一斜坡坡頂部位最早產生卸荷作用，卸荷作用時間最長，卸荷帶發育深度較深，坡腳部位卸荷作用時間最短，卸荷發育深度也較淺。同一高程的斜坡，卸荷帶發育深度也可能存在很大差異，這與斜坡形態特征、巖體結構特征等有很大差異。

1.4地形坡度及高差

鐵路沿線海拔落差大，受河谷深切及構造作用，局部地段坡度可達40°～50°，高差達800～1000m，這為危巖崩塌發育提供了較好的地形條件（圖4）。地形坡度是危巖發育的重要控制因素，斜坡高差決定了危巖破壞的能量大小及影響范圍，針對坡度大、高差大的隧道進出口斜坡進行危巖崩塌調查能快速篩查出危巖發育情況。

1.5巖性及坡體結構

斜坡巖性對危巖發育、規模及破壞形式具有較好的對應關系，軟質巖往往風化后形成崩坡積物，或者形成小規模危巖，以小型掉塊為主，難以發生整體失穩；而硬質巖自穩性較好，常形成坡度大、高差大的斜坡，多形成較大規模危巖見圖5（a），在地震作用下可能沿貫通結構面發生整體失穩。

坡體結構影響危巖發育及破壞模式，反傾坡常形成傾倒式危巖，順頂傾坡常形成滑移式危巖：地層層面是巖體中延伸及貫通性最好的一組結構面，若次生結構面切割巖體后，與層面形成不利結構面組合，則容易沿斜坡傾向發生失穩破壞；斜向坡表層巖體自穩性較差，容易崩落形成空腔，進而導致凹腔上部巖體繼續崩落見圖5（b），下部崩積物增大，但危巖規模往往較小，難以整體失穩。

2斜坡及危巖落石對線路影響情況

該研究區區域構造、氣候巖性都會隨海拔的變化發生轉變，不同的工程分區，其不良地質所受控制性因素不同。為方便區分，將全線斜坡及危巖調查情況先按區域劃分來做全線調查情況分析，再針對其中重點對象作防護措施處理。

2.1重點斜坡調查情況分析

經過調查分析，研究區內共計斜坡23個，針對現場工程地質條件、斜坡地形地貌、巖性構造、斜坡巖體結構、危巖體發育和巖體卸荷進行了調查，統計了13個對鐵路沿線產生不利影響的斜坡情況（表1）。

2.2重點危巖體調查情況分析

經過調查分析，研究區內共計危巖體30余個，針對現場工程地質條件、斜坡地形地貌、巖性構造、斜坡巖體結構、危巖體發育和巖體卸荷進行了調查，統計了25個對鐵路沿線產生不利影響的危巖體情況（表2）。

3隧道洞口危巖防護措施

用于隧道洞口邊坡的危巖落石防護主要有兩種形式，分為主動防護技術和被動防護技術（圖6）。主動防護技術是指對穩定性評價后存在風險的邊坡及危巖落石帶進行主動加固，從源頭上防止滾石災害的發生。而被動防護技術則是允許邊坡上的危巖落石發生一定的運動，在危巖落石運動的過程中采取一定的限制措施，例如設置攔擋結構，同時對隧道洞口采取一定的加固措施，從而防止危巖落石體對隧道洞口造成影響。下面是具體的危巖落石防治措施介紹。

3.1主動防護技術

3.1.1清除法

清除方法是指通過鉆孔、剝離和小爆破去除個別危險巖體，在危險巖石去除過程中，應加強監測，避免在去除過程中形成新的不穩定巖體，去除方法更經濟，但去除過程需要很長時間，施工人員的危險性更大。

3.1.2SNS主動防護網設計

SNS主動防護網的柔性特征是將局部集中荷載向整個網絡四周均勻傳遞，以充分發揮整體的防護能力，即局部受載、整體作用，從而使網絡能承受較大的荷載并降低對單根錨桿錨固力的要求（圖7）。

3.1.3錨噴與錨固技術

錨噴是指聯合使用錨桿、錨索、噴射混凝土、鋼絲網，使巖土與土之間的聯合作用成為主動支撐系統，錨噴法技術成熟，施工速度快，適應性強，但會破壞邊坡表面的植被。錨噴是指錨桿、錨索、噴射混土、鋼筋網聯合使用的方法，與巖土體之間共同作用成為主動支護體系，錨噴方法技術成熟、施工快，適應性強，但會破壞邊坡表層的植被。

3.1.4排水法

由于雨季降雨比較集中，基巖裂隙中的水往往不能及時排出。雨水不僅增加了巖體的重量，還轉化了邊坡上滾石形成的地下水，產生動、靜水壓力，削弱了邊坡的物理力學性質。春秋兩季巖體中裂隙水的反復凍融循環，會造成巖石的風化，加速滾石的脫落。常用的邊坡排水設施包括邊坡排水孔、排水溝和截水溝。

3.2被動防護技術

3.2.1被動防護網設計

在使用分離式被動防護網結構時，可以使用鋼絲繩網進行固定。在減壓環和鋼柱的支撐下，可以組合成一個整體結構，有利于提高危巖的整治效果。攔截落石時，鋼絲繩可以自由滑動，鋼柱不再作為主要受力構件，而是作為支撐構件，可以防止鋼柱受力，避免在落石沖擊下產生彎曲的現象。對于分離式被動防護網結構，其在山區危巖治理中的應用，有利于改變傳統的處理方式和方法，提高工作效果。

3.2.2擋石墻

擋石墻一般設置在較緩坡度地區的坡腳處，主要起到堆積和攔截落石的作用。擋石墻分為漿砌塊石擋石墻、加筋格柵擋石墻和鋼筋混凝土擋石墻3種。砂漿塊石擋土墻原材料易得，能為邊坡提供一定的支撐力，并結合落石槽與被動防護網體系，對滾石、掉塊起到有效防護作用（圖8）。

3.2.3棚洞

在坡度較大、高度較高的斜坡處發育的落石，可以采用碰到等結構進行防控，能起到有效抵擋落石和緩沖的作用。由于棚洞施工容易，并且對周圍環境影響小，后期維護方便，很多隧道洞口處都會設置不同類型的棚洞。根據外形等特征，棚洞可分為拱形、半拱形、框架式。拱形棚洞和半拱形棚洞以斜坡為支撐，依靠側墻分別承受拱頂和斜坡方向傳來的垂直壓力和水平壓力；由于框架式棚洞獨立于坡體的特性，經常采用，其在通風采光方面有很大優勢。

隨著研究的進展，近年來出現了柔性棚洞、減震消能棚洞、新型緩沖棚洞等（圖9）。與傳統的棚架相比，新型棚洞不僅建設速度更快、成本更低，并且其在耗能方面優勢也很突出。新型棚洞具有安全、適用、環保的優點，其工程應用價值較高。

3.3總體原則

基于定性和定量兩大原則，提出了斜坡及危巖穩定性綜合評價方法，得到了隧道洞口斜坡及危巖穩定性評價結果。基于危巖穩定性分析的結論，探究適用于復雜艱險山區隧道洞口段危巖的防護形式及治理措施，得到了隧道洞口的設置原則，提出了“分區治理，分級防控，主動攔截，被動支護”的綜合防控關鍵技術。主要原則如表3所示。

3.4斜坡及危巖防護措施

根據斜坡及危巖所在區域工程地質特征及其穩定性狀況，對各區域斜坡及危巖進行以下防護措施處理（表4）。

對于復雜艱險山區這種復雜多樣的危巖防治工程，采用單一的防控技術進行治理和防控，往往具有很大的風險性，容易產生很大的安全隱患。因此，為了盡可能解決各種情況導致的潛在安全問題，可以將主動防護技術結合被動防護技術一起聯合使用，即將清除法、SNS主動防護網、錨噴與錨固技術、排水法等主動防護技術和被動防護網、擋石墻、棚洞等被動防護技術相結合，形成一套聯合防控體系。

4結束語

通過對復雜山區鐵路沿線隧道洞口處危巖落石進行調研分析，得到了其穩定性控制影響因素，并結合鐵路隧道線位展布特征及工程形式，評價危巖落石及邊坡失穩對隧道洞口的影響，并提出針對性的治理工程措施與防護建議：

（1）通過現場工程地質調查、無人機高精度影像等技術探明鐵路沿線斜坡及危巖體發育情況，并對其穩定性影響因素進行了總結。

（2）在綜合勘探和穩定性分析的基礎上，對不同發育程度斜坡及危巖采取清除孤石、施做擋土墻、抗滑樁、鋪設主被動防護網等處置措施，優化線路走向，保障鐵路運營安全。

參考文獻

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