铁路隧道明洞高陡边坡加固防护与监测方案研究

袁丛军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

在山区，受线路曲线半径的限制，不可避免的会出现铁路隧道穿越高陡岩质自然边坡或人工边坡的情况。从安全角度考虑，铁路隧道多遵循“早进晚出”的原则，通常会采用加长明洞的形式从高陡边坡下通过。其上部高陡边坡的稳定性与加固监测措施的可靠性，在很大程度上决定了明洞与线路长期运营的安全性，同时边坡落石的轨迹影响明洞接长的长度;落石冲击力的大小决定明洞回填层的厚度与明洞结构的强度;如何对这些问题进行正确的分析与评价是当前铁路工程设计中值得深入探讨与思考的课题。

高边坡稳定性分析的方法有多种，力学验算法与工程地质法应用较多，从实际工程情况来看，明洞上部的高陡边坡多为岩质边坡，如宜万铁路、南昆铁路、广深港铁路等此类边坡，基本为灰岩、石英砂岩或硅质岩等硬质岩形成的边坡陡坎，部分甚至高达100多m，且受多组节理面切割形成危岩落石崩落后堆积于边坡坡脚。因此，岩质边坡的稳定性在很大程度上受其主要不利结构面的控制，不太适宜采用均一介质体的圆弧法与直线滑动法计算。从工程设计实例来看，可采用回弹值法或类比法分析边坡整体稳定性，采用不利结构面组合的楔体稳定性法分析边坡局部稳定性，更接近于实际情况。

对于落石路径的分析一般根据可能滑动楔体的体积大小，采用现场滚石试验与室内RocFall计算软件进行落石路径的模拟计算，绘制出落石轨迹图。落石对下部明洞结构的冲击力计算多根据下落楔体的体积、落距及明洞上部回填土的厚度与材料特征进行计算。计算方法有隧道手册法、日本道路公团法、杨其新法等，从实际结果分析，采用隧道手册法更接近实际情况，能为铁路隧道明洞结构的设计提供较为合理的依据。

对于边坡的加固防护措施目前都有较为成熟的方法，高边坡的稳定性受控制性的张性不利结构面控制时多采用预应力锚索控制边坡整体的稳定性，采用挂网喷混及主被动网加强局部楔体的稳定性。从宜万铁路叶溪河高边坡、武黄城际铁路谈山隧道进口高边坡、广深港客运专线赤岗采石场高边坡等工程实例来看，均取得了较为理想的效果。

此类高边坡边坡变形主要是滑动位移，以前采用传统的观测桩方法，监测精度较低，费时费力，且因边坡高陡线路运营后人工测量的准确性与安全性难以保证，所以传统的监测方法已不适应于明洞高陡边坡的长期监测。目前的监测方案宜采用锚索计监测锚索预应力的变化与损失情况;采用位移计测量边坡表层与深层的滑动;采用固定式测斜仪测量边坡水平位移;由于运营后需要长期稳定的边坡监测数据，所以传感器数据采用自动化系统采集，实现远程无线、自动、实时的边坡监测预警。

2 工程实例

武黄城际铁路谈山隧道穿越湖北省黄石市谈家山脉，全长715m，最大埋深110m，隧道进口明洞段DK85+700～DK85+747位于人工开挖的采石场陡峭山壁下，边坡经长期采石开挖后高达110m左右。边坡高程95m以上的部分为沿主节理面形成的高约20～30m反坡陡坎;高程95m以下部分呈不规则的起伏坡面(如图1所示)。

图1 谈山隧道进口明洞段高边坡纵断面

2.1 边坡岩体结构与水文地质条件

边坡基岩为三叠系T1弱风化灰岩，灰褐色，岩质坚硬，中厚层状。从区域地质资料分析:高边坡无大型构造通过但受小型构造的影响，岩体节理裂隙发育，岩体较为破碎。地下水不发育，仅少量基岩裂隙水沿张性节理裂隙面渗出(如表1所示)。

表1 实测岩体结构面特征分析

2.2 边坡整体稳定性分析与评价

(1)边坡稳定坡角分析

从野外回弹仪现场实际测量值分析(如表2、表3所示)，其岩体强度相对较高，不存在明显的软弱夹层问题，将所测的11个回弹值剔除最大值和最小值后取平均值，再根据风化程度进行修正。有

式中 Rf——岩体风化层的回弹值;

fR——风化折减系数。

表2 实测岩体回弹值

表3 边坡稳定坡角分析

(2)楔体稳定性分析

根据实测的结构面，进行了结构面赤平投影与岩体结构面分布分析。

主节理面(编号A)走向近平行于岸坡方向，规模与间距均较大，延伸长度数十米，沿线路纵向间距2.5～4.0m，贯通性较好，形成倾向于大里程的陡倾反坡面，为影响边坡稳定的不利结构面。节理面(编号D)为一组密集的张性节理面，倾向于线路小里程方向，与密闭节理面C共同切割坡面岩体，在坡面形成有一定张开裂隙的小型楔体。通过楔体稳定性计算，节理面控制的岩体边坡的破坏模式主要为小型的楔体破坏模式，部分楔体稳定安全系数小于1.1，但因其规模不大，可能下落的岩体一般直径0.3～1.5m。

2.3 计算落石路径确定明洞加长的长度

选择明洞进口右边墙、左边墙纵断面图为典型断面，进行落石路径计算，采用RocFall落石仿真模拟计算软件进行落石路径计算，与现场的落石试验结果进行对比。坡面参数按照普通基岩出露面考虑法向恢复系数Rn取0.35、切向恢复系数Rt取为0.85，这两个参数均考虑0.04的标准差;摩擦角取为30°，标准差取 2°。

计算获取了落石的范围如下:右边墙剖面大部分落石落于距离坡角5～27m的范围内，少量落石会落于距坡脚38～40m处;左边墙剖面大部分落石落于距离坡脚7～22m。与现场落石试验结果对比，其计算的落石范围略偏大，计算结果偏于安全，当确定明洞需要延长的长度时，建议按最大落距加安全缓冲距离(5～8m)综合考虑。

2.4 计算落石冲击力作为明洞结构设计强度与回填土厚度的依据

落石的冲击力由下式计算

式中:v0—落石冲击速度/(m/s);t—冲击持续时间/s;h—缓冲层计算厚度/m;c—压缩波在缓冲土层中往复速度/(m/s);ν—回填土泊松比;E—回填土弹性模量/kPa;ρ—回填土密度/(kg/m3)。

假设条件根据回填土类型，取回填土泊松比ν为0.21，弹性模量E取4000 kPa，回填土密度ρ取21 t/m3则

2.5 边坡加固防护设计方案

根据分析与计算，隧道明洞高陡岩质边坡通常受构造影响，岩体不利结构面发育，坡面小型楔体分布，在外力作用下长期稳定性较差，可能沿临空面形成危岩落石甚至崩塌等灾害，工程设计中宜采取延长明洞，增加明洞回填厚度，设置边坡预应力锚索、防护网及自动化监测系统等综合措施进行加固防护与变形监测，以确保施工及运营的长期安全.

根据落石轨迹线路左侧29.5m，右侧30m宽范围内坡面按稳定坡角刷坡:在高程100m处设2m宽缓冲平台，下部边坡坡率1：0.3;上部边坡坡率1：0.5。

因明洞结构本身承受落石冲击力有限，为防止边坡沿主要结反倾不利结构面产生大的崩塌失稳，根据主不利结构面的走向、宽度与间距，对边坡采用预应力锚索加固，锚索索竖向间距4～6m，横向间距3m，矩形布置。锚索孔径110 mm，锚索设计长15～21m，锚固段长度10～15m，单孔锚固力450～600 kN，倾角15°。

为防止坡面小型楔体下落，明洞回填高程以上坡面采用主动拦石网防护，边坡顶部外7.5m处设被动拦石网。为防止地表水沿张开的不利结构面下渗，坡顶外设天沟，天沟与边坡顶之间C25混凝土封闭。

2.6 坡面变形监测方案

为保证施工与运营的长期安全，整个明洞上部高边坡坡面建立变形监测系统，边坡沿线路横向设置9个监测断面，每个断面分别于缓冲平台、及堑顶外2.0m各设置一个观测桩，用于监测边坡平台及边坡顶部的变形位移情况。监测断面在代表性位置安装锚索计，埋设在预应力锚索的锚头处，用于监测锚索预应力的变化，据钢绞线的数量采用多弦智能型，据锚固力选择量程在400～600 kN，灵敏度0.1 kN。为准确监测边坡平台的横向剖面沉降变化，在监测断面边坡平台处埋设静力水准仪。为测量边坡的深层滑动，沿边坡表面布置3个位移计，埋设深度大于锚索长度，各传感器数据均接入自动化采集系统。

3 结论

(1)从环境保护与工程安全角度综合考虑，铁路隧道明洞高陡岩质边坡刷坡时不宜过缓，边坡平台分级不宜过多，以避免从坡脚或平台分级处出现应力集中破坏。一般刷坡坡率在1：0.25～1：0.5，平台分级不宜多于3级，一般1～2级即可。缓冲平台分级宜选择自然边坡坡率变化或边坡植被发育的相对稳定位置。

(2)边坡稳定性与落石轨迹冲击力是边坡设计中至关重要的一环，在一定程度上决定隧道明洞接长的长度与明洞结构设计的强度，在勘察期间真实准确的现场回弹值测试与现场落石试验是有必要的。

(3)明洞上部回填缓冲土层厚度应当综合安全、技术及附近可用的土石材料的经济性综合考虑，由于落石冲击力的衰减与扩散效应，回填土缓冲层厚度并非越厚越好，对于一般落距在50～100m，楔体规模在1.5m3以内时，明洞上部采用碎石类土回填层时的厚度不宜大于4m，可按照2～4m控制，以避免过厚的回填土层增加明洞结构的荷载与变形。

(4)施工时爆破工艺的控制对刷坡后边坡的局部稳定性有直接的影响，应当根据坡面结构面形态、走向与间距，合理确定控制爆破钻孔的深度与装药量，以确保坡面的平顺与完整性，减少因人工爆破产生新的不稳定楔体。

(5)可靠完善的坡面及防排水系统是边坡长期稳定性的重要保证，考虑到此类边坡岩体通常发育2～3组张性节理面，除了在坡项设截水沟外，还应对坡顶与坡面采用混凝土封闭，并在坡面设置一定数量的泄水孔，纵横向间距可按15～20m考虑。

［1］TB10012—2007 J124—2007 铁路工程地质勘察规范［S］

［2］TB10025—2001 铁路路基支挡结构设计规范［S］

［3］TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］

［4］GB50330—2002 建筑边坡工程技术规范［S］