渝怀线K169隧道出口高陡危岩落石综合整治研究

合整治研究

摘要：渝怀铁路白涛至土坎段自然条件恶劣，地质环境复杂，构造活动强烈，悬崖峭壁、高陡斜坡分布众多危岩体，极易发生崩塌落石灾害，严重威胁渝怀铁路安全；针对渝怀线K169羊角碛隧道出口高位危岩落石的情况，通过地质调绘、倾斜摄影+激光雷达解译、无人机航拍处理获取边坡三维模型等手段查明分布特征，采用Rockfall软件选择代表性断面模拟研究危岩落石的运动轨迹，得到落石的弹跳高度、冲击能量包络图以及落石运动速度、落点统计等参数，为确定高陡危岩落石整治措施提供依据，并提出针对性处理措施，为类似地质条件高陡峡谷山区危岩落石的防治提供了参考。

关键词：渝怀线；高陡危岩落石；三维模型图；Rockfall软件；综合整治 1、前言

渝怀铁路白涛至土坎（K144～K169）段位于重庆市涪陵至武隆区间，线路总体沿乌江河谷展布，河谷狭窄，系中山峡谷地貌，自然斜坡陡峻，地形高差大，悬崖峭壁凸显；岩性以灰岩、白云岩、砂岩硬岩为主，局部分布泥岩、页岩软岩；构造作用强烈，穿越弹子山背斜、桐麻湾背斜、白马向斜、羊角背斜；年降雨量大。自然条件恶劣，地质环境复杂，悬崖峭壁、高陡斜坡分布众多危岩体，极易发生崩塌落石灾害，严重威胁渝怀铁路安全。本文以渝怀线K169羊角碛隧道出口高位危岩落石为例，在地质调绘、倾斜摄影+激光雷达解译、无人机航拍处理获取边坡三维模型的基础上，采用Rockfall软件选择代表性断面模拟研究危岩落石的运动轨迹，得到落石的弹跳高度、冲击能量包络图以及落石运动速度、落点统计等参数，为确定高陡危岩落石整治措施提供依据，并提出针对性处理措施，为类似地质条件高陡峡谷山区危岩落石的防治提供了参考。

2、工程地质条件

该段属低山地貌区，地貌呈下部陡坡上部陡崖状，陡崖与下部陡坡交界处有多级陡坎。坡体山高240m，坡向为152°，下部陡坡高约100m，坡度20°～40°，上部陡壁近直立，高约140m，坡表发育少量灌木与杂草，陡坎基岩裸露为志留系下统小河坝组（S1x）及龙马溪组（S1l）砂岩夹页岩，龙马溪组地层位于下部，岩质较软，形成缓坡，小河坝组地层位于上部，岩质较硬，形成陡坎，薄~中厚层状，局部巨厚层状，产状18°E/25°N，节理产状为N65°W/90°、S－N/90°，坡顶分布四层砂岩，在节理和层理的切割下形成危岩，局部加上砂泥岩差异性风化，岩块已经悬空，下部为一面坡，无缓冲平台，危岩一旦脱离母岩，对隧道出口及桥带来直接危害。受风化、地震和降雨等因素影响，陡壁上岩体稳定性可能下降，易发生高位大体积岩体崩落，可能侵线影响铁路安全。

3、危岩分布特征及稳定性分析 3.1危岩落石分区及规模

危岩体所处地形陡峭，岩层受层理、节理面的相互切割，使部分岩体脱离母岩，形成危岩，通过地质调绘、倾斜摄影+激光雷达解译、无人机航拍处理获取边坡三维模型相结合的调查方式，查明危岩体分布情况，根据三维模型图及现场调查成果，将为危岩分为A、B区。A区位于斜坡上部陡崖处，根据A区陡崖处危岩的分布可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区（图3-3）。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区位于二线隧道出口上方及左上方，危岩落石主要威胁到二线，偏右侧的危岩掉落后也可能砸到一线；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区位于一线隧道出口上方，主要威胁到一线。

图3-1危岩落石与铁路位置关系 图3-2陡壁探头危岩体发育和赤平投影图 危岩落石主要分布在陡坎上，沿岩层走向共形成三级大的陡坎，从下往上依次为一、二、三级，陡坎之间平台较窄。一级陡坎高25~30m，陡坎底面标高

272~285m，二级陡坎高40~48m，陡坎底面标高285~333m，三级陡坎高40~45m，陡坎底标高350~395m，顶部标高405~432m。陡坎上岩体主要被两组陡倾节理（N41°W/80°N，N36°E /81°S）切割，再加上岩层产状控制，岩体多被切割成块状，这两组节理贯通性好，间距1.5～19m不等，密闭～宽开，多为泥质充填，部分宽开节理无充填，张开缝隙达1.2m以上，受砂岩、页岩差异风化影响，陡坎上悬空的岩腔比比皆是，极易发生崩塌及掉块，极易发生崩塌和掉块的区域主要有如下图。

图

3-3 A区危岩落石分布图

A区目前仅局部采用了支顶嵌补、主动网包裹等措施，但存在防护能力不足、防护范围较小等问题。A区陡崖高约170m，分三级大的陡坎，陡倾节理发育，陡壁上危岩体从多，易产生滑移式、错断式崩塌，对上下行线隧道、桥梁危害巨大。

B区坡度30~40°，植被较发育，以灌丛为主，基岩裸露，坡面分布较多的危岩落石，现场有浆切片石拦石墙、被动网防护，目前稳定。但对A区崩塌落石防护太弱。

3.2危岩形成及破坏机理

该段岩性为砂岩夹页岩，软硬不均，差异风化严重，陡坎的岩质边坡表面风化剥落速度不一致，下伏的软岩退进形成岩腔，上部的硬岩向外悬挑，形成危岩。由于岩腔不断深入，硬岩日益悬挑，在自重作用下的弯曲剪应力不断增高，再与张拉地应力叠加，最后引发破坏，在某一危险截面上发育成主控裂隙面。主控裂隙形成后，在水、风化、植物根劈作用下不断发展，形成贯通裂隙。在自重力、地震力或者水压力作用下发生破坏，最终掉落或者崩塌。

4、落石运动轨迹模拟分析

为了更好的预测落石的运动能量和轨迹，合理选用防护网能级和布设位置，利用CRSP-3D软件进行三维模拟计算和Rockfall软件选用断面1、断面2两个代表性横断面进行模拟计算综合分析，横断与等高线垂直，与线路夹角约为30°，如图4-1。根据工程地质调查、三维模型和遥感解译结果，岩体主要为弱风化砂岩夹页岩，缓坡处为块石土，陡崖区域无植被覆盖，故本次模拟不考虑植被影响。计算初始条件如下：选取落石大小为0.5m³，进行计算，落石的密度取2500 kg/m3，侧质量为1250kg；落石从陡崖顶部开始下落，水平和竖向方向初始速度都设置为零；模拟计算参数选取见表1。

以断面1为例，模拟计算得到落石运动轨迹、落石弹跳高度、冲击能量包络图和落石落点位置统计图，如4-1~4-10图。

该断面落石在边坡顶部发生滚落运动中产生的最大弹跳高度为47m，最大冲击能量约1900kJ，隧道洞口位于x坐标为0位置处，大部分落石穿过洞口停留于坡脚，落石对洞口存在威胁。

碰撞系数及滚动摩擦系数 表1 代表性横断面计算结果 表2

法岩向恢体 复系数 切向恢复系数 动摩擦系数 砂岩夹页0.35 0.85 .7 0岩 块石土 0.30 0.80 .7 0

代表性断面 断面1 断面2 三维计算 最大弹跳高度(m) 7 45 120 最大冲击能量(kJ) 900 1700 1000 1

图4-1 边坡模拟断面位置 图4-2 模拟断面图

图4-3 落石运动轨迹图 图4-4 最大弹跳高度包络线

图4-5 最大冲击能量包络线 图4-6 落点统计图

图4-7 冲击高度云图 图4-8 冲击能量云图

图4-9 冲击速度云图 图4-10 冲击力云图

因此，结合理论计算结果和目前防护网的防护能级建议需进行清理或锚索加固等主动防护措施的危岩临界直径为0.5m。

5、危岩落石综合整治措施

鉴于该工点高陡危岩体陡崖区高度约170m高差较大、岩壁陡峭接近垂直，裂缝、临空危岩及风化剥落危石数量众多，发育形态各异等特点，单一的支护措施难以凑效，需针对不同裂缝、危石开展加固防护设计，采用多种防护措施进行整治。

针对该工点特性设计思路，提出了人工非爆清除危石、局部锚杆支顶与嵌补、覆盖式引导防护系统+张口式引导防护系统+被动柔性防护网系统组合防护、落石槽、桩板拦石墙、喷锚网、棚洞等多种加固措施的综合整治方案，具体设计措施如下。

（1）清除坡体上的危岩,对落石及脱离主体的危岩采用人工清除，清除后采用喷锚网封闭，对倒岩腔危岩采用锚杆混凝土支顶。

（2）仰坡上部陡崖区分三级采用能级2000KJ覆盖式引导防护系统+张口式引导防护系统组合防护，于最下一级张口式引导防护系统及隧道洞顶附近各设置一道能级1500KJ被动柔性防护网系统防护。

（3）下部距隧道洞口约60m处设置一道桩板拦石墙+能级1000KJ被动柔性防护网系统组合防护，共设置锚固桩36根，于桩板拦石墙后设置一道截水沟作为落石槽及陡崖顶部设置一道截水沟。

（4）一线隧道出口增设12m棚洞，棚洞型式采用刚架式棚洞，内墙采用桩墙结构，外墙采用桩柱结构，顶梁主要采用预制\"T\"型梁。

（5）设置自动化监测系统对高位危岩进行监测，主要通过视频监测、异物入侵监测、防护网振动及倾角监测相组合的方式，对落石冲击防护网及上道侵限事件开展监测，辅助设备管理单位进行安全运营管理。

代表性断面图

6、结论

渝怀铁路羊角碛隧道出口高位危岩整治工程已经竣工，经过加固整治后危岩体处的覆盖式引导防护系统、张口式引导防护系统、被动柔性防护网系统、桩板拦石墙运营状态良好，未发生落石崩塌等灾害，整治效果显著，有力保障了渝怀线运营安全。本工点设计、施工实践证明，高陡峡谷山区危岩落石勘察与整治应因地制宜，通过收集资料、地质测绘、激光雷达、无人机航拍处理获取边坡三维模型等手段详细查明危岩落石的分布和发育情况，采用计算软件对现场岩石抛扔轨迹进行模拟分析，根据防护网的防护能级计算出覆盖式引导防护系统、张口式引导防护系统、被动柔性防护网系统防护以及桩板拦石墙被动防护的落石等效直径临界值。针对不同裂缝、危岩的形态和特征，采用针对性整治措施，主被动防治技术组合使用是整治危岩落石较好的防治思路。

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作者简介：杨敏（1987-），男，工程师，主要从事公路、铁路路基工程设计工作。