李恭晨

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

高速铁路为线性工程，其跨越区域大，穿越地貌、地质单元多样，工程建设较为复杂[1]。尤其在山区，危岩落石等地质灾害发生较为频繁，会对正在建设或已经运营的高速铁路造成巨大的威胁[2-4]。

目前，针对危岩落石的研究已经有许多成果，危岩落石发生崩塌的因素主要分为内部主控因素和外部致灾因子，并对各种因素导致崩塌的成因进行分析[5-10]。王栋采用无人机影像技术对项目附近危岩落石进行识别和调查，认为该技术在北方植被较少的山区效果较好[11]；
刘桂卫提出在山区采用遥感技术来判断危岩落石的分布范围，但仅能对危岩落石分布范围提供初步的判断[12]；
DU等提出了一种基于LDV技术的危岩落石的辨别技术，根据危岩落石和完整基岩指标数据的不同来区别危岩与稳定岩体[13]；
葛大庆等综合分析了InSAR在危岩落石识别效果，并对崩塌预警进行了深入探索[14-16]。另外，吴少元采用信息量模型对危岩落石发生崩塌进行易发性评价，但所需的数据较大，且依赖于前期调查数据的质量[17]；
胡涛采用径向神经网络法对崩塌做出易发性评价[18]；
林报喜将XGBoost机器学习模型与GIS技术相结合来对崩塌进行易发性评估[19]；
苏生瑞等基于EW-AHP和未确知测度理论对崩塌进行危险性评价，减少了以往危险评价打分的主观性[20-21]，以上3个方法效果较好，但实际操作难度较大。

危岩落石崩塌的轨迹方向和滚落区域对于工程的前期选线和建设有着指导意义[22-23]。对于危岩落石崩塌轨迹的研究，多采用rockfall软件进行数值模拟，其结果与现场推石试验结果相接近[24-26]。Rockfall软件为二维数值模拟软件，崩塌方向存在主观性，故三维数值模拟崩塌轨迹成为学者们研究的热点方向[27-28]。黄小福研究在地震条件下危岩落石的崩塌运动特征，着重强调竖向地震荷载对崩塌运动特征的影响[29]。

综上，危岩落石危险性评估体系和流程尚不完善，以下结合具体工程实例，采用人工调查统计分析的方法，对隧道进出口进行危岩落石的稳定性和风险评估，并提出相应的工程措施建议。

1.1 项目概况

某高速铁路晏家塆隧道位于中低山丘陵，为双线隧道，隧道全长867 m，最大埋深126.67 m，隧道入口附近有村落。区内最低点高程约193 m，最高点位坡顶平台，高程约287 m，相对高差约94 m(见图1)。主要地层为燕山晚期花岗岩。地表多为强风化层，岩层呈碎石状，厚5～15 m；
其下弱风化层厚度大于50 m，岩层结构清晰完整，岩体呈大块状结构。隧道区地下水类型主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，洞口附近为大埠口河，水系发育，岩石冲刷严重，岩石软硬不均及风化严重；
构造运动活跃，大里程方向的山顶附近有一处断层，岩体节理裂隙发育，主要为3组节理(见图2)。在风化、雨水等外营力作用下，沿节理裂隙发生破环形成多个大小不等的落石、危岩等不良地质体，落石、孤石滚落倾向87°～91°，坡度30°～36°，在重力作用下沿坡滚动或者倾倒式破坏，严重影响隧道安全。

图1 基于三维影像的地形地貌及危岩落石体分布

1.2 危岩形成机制及分布特征

本工点危岩体分布在中低山丘陵地带自然斜坡坡面，由于岩体节理裂隙发育及差异风化作用，危岩主要以孤石、落石的形式分布(见图3)，块径0.5～4.5 m，形状以椭球、立方体为主。对线路主要造成的危害为不稳定孤石顺坡滚落、滑落。通过调查后分析，对工程造成危害的典型危岩体有4处(W1～W4)，单个体积83～221 m3，总体积为642.01 m3；
碎石散落区5处(L1～L5)，总面积为1514.64 m2，总体积为757.32 m3，统计信息见表1、表2。

表1 危岩体统计汇总

表2 碎石散落区统计汇总

本工点危岩体主要影响隧道入口和DK150+308.76～DK150+420范围内的大埠口河大桥，其工程地质断面见图4。

图4 工程地质断面

2.1 危岩落石灾害风险评估

铁路建设工程风险分级应根据风险事件发生概率的等级、风险事件发生后果的等级，评定相应风险的等级。将外业调查成果代入表3、表4，来确定风险事件发生概率的等级。由表3、表4可知，该隧道进口边坡为直线形边坡，结构面发育，坡面有堆积体，得出该隧道进口危岩落石风险事件发生概率为4。

表3 风险事件发生概率评判标准

表4 风险事件发生概率等级标准

风险事件发生后果等级按严重程度分为5级，见表5。由表5可知，风险事件发生的后果等级主要考虑人员伤亡、稳定影响、环境影响、经济损失、工期延误和功能缺失等方面，最后得出该隧道进口危岩落石风险事件发生后果等级为4。

表5 风险事件发生后果等级标准

根据《铁路建设工程风险管理技术规范》，铁路建设工程风险等级可根据风险事件发生的概率等级和后果等级划分(分为极高、高度、中度、低度4级)，即与TBl0012—2019《铁路工程地质勘察规范》中的极高风险、高风险、中风险、低风险4个等级相对应(见表6)。

表6 风险等级标准

由表6可知，该隧道进口危岩落石风险事件发生概率和后果等级均为4，因此，该隧道危岩落石风险等级为高风险。

当风险评价等级为高风险、极高风险时，需对该工点进行定量评估；
结果为中风险时，需对该工点进行定性评估；
低风险工点则在必要情况下采取简要的防治措施，不必对其详细评估。该隧道危岩落石为高风险，需定量评估隧道危岩落石稳定性。

2.2 典型危岩体稳定性评价

以野外调查的结构面数据为基础，统计结构面的方向、张开程度、密度、贯通程度等来确定优势节理、危岩体大小以及主崩方向。赤平投影分析方法可以确定边坡临空面与岩体中结构面的相互组合关系，以及优势结构面组合切割体可能失稳滑移的方向。因此，危岩体稳定性的结构面组合评价主要采用基于野外调查统计的数据进行赤平投影分析，主要考虑“优势结构面组合交线的倾向和倾角”2个因素。挑选W4作为典型危岩体进行稳定性评价，W4中节理1、节理2和节理3的密度和贯通程度较大，为优势节理，危岩形态为楔形体，体积为220.04 m3，主崩方向为89°，高程为258.8 m。由图5综合判断，W4危岩体如若发生破坏，则为由底部岩体抗拉强度控制的倾倒式破坏。

图5 W4危岩赤平投影

根据现场对危岩的调查后分析，危岩体裂隙面大多平直光滑，呈微张状，裂隙抗剪强度低，综合考虑裂隙的贯通程度，结合室内试验，最终确定花岗岩的天然和饱和状态下的强度参数见表7。

表7 花岗岩物理力学指标统计

裂隙和滑动面参数组要包括后缘裂隙深度、裂隙充水深度、滑动面长度、滑动面倾角等。由于勘查区内岩体裂隙较发育，裂隙蓄水能力较差，天然状态下各危岩体裂隙充水高度为0 m，其他参数从计算剖面中量取和现场观察。

由底部岩体抗拉强度控制时，计算过程见图6、式(1)。

图6 倾倒式危岩稳定性模型

(1)

式中，hw为后缘裂隙充水高度；
a为危岩体重心到倾覆点的水平距离；
b为后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离；
h0为危岩体重心到倾覆点的垂直距离；
flk为危岩体抗拉强度标准值，根据岩石抗拉强度标准值乘以0.4的折减系数确定；
α为危岩体与基座接触面倾角(外倾时取正值，内倾时取负值)；
β为后缘裂隙倾角；
W为危岩体自重；
Q为地震力，取0.05；
V为裂隙水压力，根据不同工况按规定计算。

将W4相关调查数据代入式(1)中，倾倒式危岩体在各种情况的稳定性系数见表8。

表8 倾倒式危岩稳定性计算

按危岩体的稳定性系数F来对危岩体稳定性进行量化判断，根据评价标准(见表9)，最后综合判定W4为不稳定危岩。

表9 危岩稳定状态划分

目前，在落石运动特征计算分析方面，主要的计算方法为运动学的经验公式计算，通过对落石运动过程的简化，分析落石的运动距离、运动速度、运动能量和弹跳高度等，采用Rockfall软件模拟此过程。

由于落石运动的复杂性，目前采用理论方法研究落石碰撞恢复系数的难度大。以美国科罗拉多州格伦伍德峡谷仿真岩块试验为参考，结合现场边坡岩性、植被、边坡坡度等情况而确定如下(见表10、表11)。

表10 法向恢复系数和切向恢复系数

表11 坡面摩擦系数

坡面特性参数按有植被的碎石坡取值，W3体积较小，且处于山沟较缓处，弹跳高度和冲击能相对其他危岩明显较小，故不计算。表12为基于Rockfall计算得到的各危岩体最大落差、最大水平落距、最大弹跳高度及达到隧道口的冲击能。分析可知，危岩体最大落距可达坡底，弹跳高度较高，冲击能较大，严重威胁山下村庄及建设的铁路安全，需对该区域危岩落石进行处理。

表12 基于Rockfall计算结果

根据《铁路工程危岩防治技术规程》，该工点危岩落石主要影响隧道洞口和DK150+308.76～DK150+420范围内的大埠口河大桥。危害程度重大，防治等级为二级。根据勘察结果，在分析危岩体破坏机制、稳定性及运动路径的基础上，建议采用“表层危岩清除+主、被动防护网+隧道接长明洞”的综合治理方案：①清除不稳定危岩体(W1、W2、W3、W4)、碎石散落区(L1～L5)区及边坡坡面的小体积单体落石；
②晏家湾入口堑顶上方设置被动防护网；
③晏家湾隧道入口施作接长明洞。

(1)发现典型危岩体4处(W1～W4)，单个体积83～221 m3，总体积约642 m3，滚落方向89°；
根据《铁路工程危岩防治技术规程》，该工点危岩落石主要影响隧道洞口和DK150+308.76～DK150+420范围内的大埠口河大桥，其危害程度重大，防治等级为二级。

(2)根据勘察结果，在分析危岩体破坏机制、稳定性及运动路径的基础上，采用“表层危岩清除+主被动防护网+隧道接长明洞”的综合治理方案。

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