小平地隧道进口危岩落石分析及整治设计

罗章波

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引言

隧道洞口落石防治一直是铁路安全防护的难题，在工程措施安全、合理和经济3方面找到一个最佳点较难把握。在我国修建年代较早的个别隧道中，洞口防护措施弱，山体大面积风化剥落，铁路运营安全存在较大隐患，急需进行综合性的病害整治。以往洞口落石防治过分强调措施的安全性，较少综合性地考虑合理性和经济性。

由于工程条件各不一样，防护措施没有统一的标准，较强的措施安全性高，但不一定经济;措施简单，安全性就难以保证。张国永［1］根据某孤立的大型凸型边坡危岩落石灾害的高速运动、高冲击能量、多发性以及运动过程的复杂性等特征，通过基础物理的碰撞计算方法和离散单元法，确定落石的运动轨迹和能量，并针对性地进行了防护。唐红梅等［2］根据三峡库区危岩崩塌的地质灾害，将危岩的运动过程分为初始运动过程、碰撞过程、滑动过程和滚动过程4个阶段，获取各个阶段运动轨迹方程，并通过工程实例验证了路径分析计算的合理性。王玉锁等［3］根据兰渝线范家坪隧道出口危岩落石工程设计，提出采用初步定性评估和细部定量评估的风险评估方法，预测了出口仰坡危岩落石运动轨迹，预测结果表明原设计的明洞长度不能满足防治山上危岩落石的要求。

国外，尤其是发达国家在危岩落石灾害防治研究方面起步较早，如荷兰学者Van Westen C.J.开发出了一部山区落石滚落速率计算模型，并据此绘出了研究区内落石速率分布图，为采取相应的治理措施提供了方便。

本文从危岩落石的发生机制、弹跳高度、运动能量、防治措施等方面进行综合研究，提出结合隧道洞口具体情况的综合防护措施。该研究对工程地质灾害进行了系统的量化评价，与以往的研究相比，该研究更全面，措施更有针对性，可为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道工程概况

成昆铁路小平地隧道全长419 m，为单线电气化铁路隧道。隧道进口与铁路桥相连通，隧道口处边坡高陡，斜坡整体坡度约72°，坡体相对铁路桥的高差达130 m，陡坎处基岩出露，岩石节理裂隙发育，坡表植被较发育，为典型的中山地貌。由于列车行驶造成的震动等原因，原本节理裂隙较发育的岩石进一步松动，从而形成了崩塌落石等潜在灾害，对铁路运营产生安全隐患［4］。隧道洞口平面见图1，洞口纵断面见图2。

图1 洞口平面图Fig.1 Plan of entrance section

隧道采用直墙整体式衬砌，无仰拱。Ⅲ级围岩衬砌采用C20混凝土整体灌筑，Ⅳ，Ⅴ级围岩衬砌采用C15混凝土整体灌筑，喷锚衬砌采用C20混凝土，铺底采用 C15 混凝土［5］。

1.2 进口工程地质

第四系崩坡积物覆盖较薄，基岩大面积裸露，下伏基岩为前震旦系石英砂岩(Pt1kn22)，主要节理为NE70°/SE80°，S － N/90°，岩层层理产状 NE45°/NW 72°，风化不均，部分风化核体孤悬于陡崖，形成危石，对铁路工程造成极大威胁［6］。

图2 洞口纵断面图Fig.2 Longitudinal profile of entrance section

2 洞口危岩落石分析

2.1 落石的运动轨迹

落石模拟计算采用Rockfall软件进行。陡崖少量部位为裸露的基岩，大多地段为崩坡积、残坡积物(碎石堆积体)，植被发育。根据砂岩风化的情况和节理裂隙的发育情况，从偏于安全的角度考虑，陡崖坡面的弹性系数取值见表1。

表1 材料参数表Table 1 Material parameters

根据现场调查情况，由于岩石节理裂隙发育，该铁路边坡的单块落石方量取0.2 m3，岩石密度按2 500 kg/m3考虑，故模拟计算时，取落石质量为500 kg。根据现场踏勘，从偏于保守的角度考虑，落石的形状为近于圆形落石。

共进行了100次落石模拟。根据模拟分析结果，在距洞门33 m处，只有3个落石穿过，即落石到达距洞门33 m的概率为3%。以此类推，落石通过距洞门30，28，25，22，14 m处的概率分别为16%，54%，68%，73%，90%。需要说明的是，距洞门较近处的落石概率包含了较远处的概率。落石运动轨迹见图3。从图3中可以看出，落石最终主要落在25 m和28 m左右处，概率分别为38%和14%。

图3 落石运动轨迹示意图Fig.3 Rock fall route

由于边坡较陡，且坡高较大，落石落下和再次弹起都将沿铁路滚动，严重危及列车运营安全。

在距隧道洞顶高约13 m处的落石最大弹跳高度约为4 m，但概率较小(≤10%)，弹跳高度一般都在2 m以内，该处落石最大能量约160 kJ。在进行的100次模拟中，仅有一次达到160 kJ，其概率仅为1%，超过80%的落石能量均在100 kJ以内。落石弹跳高度和能量折线图见图4。

图4 落石弹跳高度和能量折线图Fig.4 Rock bounce height and energy curve

综合以上情况，被动防护网的高度取5 m。

2.2 落石速度分析

在隧道上方13 m位置设置1处被动防护网，防护网高5 m。结构配置:钢柱+基座+支撑绳+拉锚系统+环形网+双绞六边形网+卸扣，防护等级能力按1 000 kJ设计。此次计算按最不利位置考虑，提高安全系数。计算得到不同高度的危岩落石滚落到防护网处的速度值，计算结果如图5所示。

图5 速度随落石高度的变化Fig.5 Curve of rock fall speed Vs rock fall height

从图5中可以看到，落石的速度与高度成近似正比例关系。根据小平地隧道地形图，危岩落石最大高度按100 m考虑，最终得到的速度值为31.6 m/s，运动过程中最大动能约为249.6 kJ。

2.3 落石冲击力分析

落石冲击力是明洞、棚洞及防护网等落石被动防治结构设计依据的主要荷载之一。冲击力过大，会对结构物直接造成变形、开裂等破坏。采用日本道路公团推荐的公式［7］来计算最大冲击力

式中:pmax为落石最大冲击力，kN;m为落石质量，t;λ为拉梅常数，建议取1 000 kN/m2;H为石块坠落高度，m。

对不同质量、不同高度处的落石进行计算，落石冲击力计算结果如图6所示。

图6 冲击力随落石高度的变化Fig.6 Curves of falling rock impact Vs rock fall height

从计算结果看，最大冲击力随落石高度及质量的增大而增加。根据现场调查及三维激光扫描技术，小平地隧道洞口上方单块落石质量按500 kg考虑，落石在高度为100，90，80，70 m时的最大冲击力分别为333.6，313.1，291.8，269.3 kN。

3 防护设计安全分析

3.1 被动防护网高度安全分析

此次被动防护网高度按5 m设计。一旦危岩落石在下落过程中的腾跃高度超过5 m，落石就很可能滚落到下方铁路上，对隧道洞口的柔性防护钢棚洞造成破坏，直接影响铁路的运营安全。通过公式计算，得到落石落在不同位置反射后的极限高度。分别计算了落石在距离被动防护网0.5，1，1.5，2，2.5，3 m 等反射后的高度，计算结果如图7所示。

式中:vi为石块落至O点时的反射速度，m/s;β为石块反射速度vi的方向和坐标垂直轴间的夹角，(°);g为重力加速度，m/s2。

图7 高程随落石距离的变化Fig.7 Curve of elevation Vs rock fall distance

从计算结果来看，落石反弹后均不会越过5 m高的被动防护网。

3.2 柔性钢棚洞的结构分析

为了保证铁路安全，在距洞门以上13 m位置处设置被动防护网，用以拦截较大落石;另外，在沿洞口水平方向修建悬臂式柔性棚洞，用以阻拦防护网以下的山体落石。

1)计算模型。利用MIDAS－GEN软件建立三维有限元模型，见图8。

图8 棚洞计算模型Fig.8 Shed tunnel calculation model

2)计算参数。根据实测地形，防护网下部坡面的落石至钢棚洞的最大距离为13 m。按偏于保守考虑，采用300 kg落石坠落15 m计算冲击作用，计算软件为MIDAS－GEN，计算公式同式(1)。

根据相应技术规范，确定在有限元分析中，钢结构(Q235)的物理力学参数如表 2 所示［8－9］。

表2 有限元分析参数取值表Table 2 Parameters for finite element analysis

3)计算结果分析。重点计算结构的力学行为特征。通过计算分析，柔性钢棚洞变形、支座受力及结构应力情况分别如图9—11所示。

图9 棚洞受冲击后变形(单位:mm)Fig.9 Deformation of shed tunnel after being impacted(mm)

图10 棚洞受冲击后支座受力(单位:kN)Fig.10 Load on supports of shed tunnel after being impacted(kN)

图11 棚洞受冲击后结构应力Fig.11 Structural stress of shed tunnel after being impacted

在不考虑风压情况下，受到落石荷载冲击时，钢架的最大变形量约为7.8 mm;考虑风压时，钢架的最大变形量约为9.6 mm。

在荷载及风压作用下，上部支座的锚杆总共抗拔力约为65 kN。每个支座为4根热轧无缝钢管连接，每根钢管需承受力约16 kN。

从计算结果可以看出，在荷载及风压作用下，结构受冲击时，对棚洞结构的影响较小，最大应力值约为0.39 MPa，可以满足结构安全要求。

3.3 柔性钢棚洞长度分析

为防止被动防护网下方落石滚落影响铁路安全，沿铁路桥修筑柔性钢棚洞，设计防护能量为45 kJ，沿隧道洞门外缘在线路方向钢棚洞长9 m。根据落石运动轨迹计算公式的计算结果如图12所示，穿过被动防护网的小块落石沿铁路方向的最大运动距离约9 m，落石能够被有效拦截。

图12 水平距离随落石高度的变化Fig.12 Curve of horizontal distance Vs rock fall height

3.4 柔性钢棚洞限界分析

成昆铁路现为单线电气化铁路，隧道洞口有电力线及接触网工程。柔性钢棚洞内轮廓距离隧道建筑限界45 cm设置，钢棚洞最大变形约9.6 mm，柔性钢棚洞结构不会侵入安全限界，不会影响铁路运营安全［10］。

4 洞口防护设计

根据现场情况和分析计算，小平地隧道危岩落石整治措施采用被动防护网+钢棚洞的设计方案［10－11］。

被动防护网设置在隧道洞口上方13 m处，高5 m，在隧道外缘线路方向设置9 m长柔性防护钢棚洞［6］。

4.1 被动防护网设计

隧道进口上方被动防护网防护等级能力为1 000 kJ、网高H=5 m，钢柱采用HW150型钢钢架，环链破断拉力大于60 kN。双绞六边形网采用符合GB/T 343—1994要求的钢丝编制，防腐采用高尔凡镀层(锌+5%铝+混合稀土合金)。支撑绳和拉锚绳符合GB/T 20118要求，热镀锌等级不低于AB级。拉锚系统由2根φ16钢丝绳锚杆和φ20+2根φ16上拉锚绳、2 根 φ16 侧拉锚绳组成［12－13］。

4.2 钢棚洞设计

隧道口与棚洞位置关系如图13所示［10］，柔性钢棚洞建筑三维图如图14所示。

图13 正面位置关系示意图(单位:mm)Fig.13 Relationship between steel shed tunnel and main tunnel(mm)

图14 柔性钢棚洞建筑三维图Fig.14 3D diagram of flexible steel shed tunnel

柔性防护钢棚洞的设计防护能量为45 kJ。结构主要组成部件包括钢拱架、环形网、格栅网、支座。

1)钢拱架采用焊接H型钢，撑杆采用无缝钢管，檩条采用热轧矩形钢管［14］。

2)环形网钢丝采用缠绕型编织方式，单个环由φ3单根钢丝相互缠绕5圈而成，端头搭接长度不小于10 cm，且至少1处采用不锈钢质C型卡紧固件箍紧。每个环应与周边4个环相扣联，环链破断拉力大于60 kN。

5 结论与讨论

根据理论计算，并结合工程经验分析，得出以下结论:

1)按单块落石质量500 kg考虑，落石下落过程中的最大冲击力约为333.6 kN，最大速度值约为31.6 m/s，最大动能约为249.6 kJ，小于被动防护网的1 000 kJ设计防护能力。

2)从落石运动轨迹计算来看，5 m高的被动防护网基本能拦截下落过程中的落石。

3)柔性防护钢棚洞在落石荷载冲击作用下(300 kg落石坠落15 m)，锚固端支座最大总抗拔力约65 kN，结构应力最大约0.39 MPa，不会对柔性钢棚洞结构造成破坏。

4)柔性钢棚洞内轮廓距离隧道建筑限界约45 cm，而最大变形约9.6 mm，不会影响铁路运营安全。

5)结构构件采用热侵镀锌、电镀锌及镀高尔凡等防腐措施处理后，防腐年限能达到20～30年。

小平地隧道洞口边坡高陡、危石极发育。现场落石模拟分析和理论计算能够较真实地反映洞口落石的危害情况，在此基础上采取针对性的工程措施。由于危石运动影响因素多、运动形式复杂，设计时尽量按最不利的条件选择设计参数，以确保安全。

［1］ 张国永.落石运动的理论分析及其治理［J］.中国高新技术企业，2009(3):132－134.(ZHANG Guoyong.The theoretical analysis and control of rockfall［J］.Chinese Hightech Enterprises，2009(3):132－134.(in Chinese))

［2］ 唐红梅，易朋莹.危岩落石运动路径研究［J］.重庆建筑大学学报，2003(2):17－23.(TANG Hongmei，YI Pengying.Research on dangerous rock movement route［J］.Journal of Chongqing Jianzhu University，2003(2):17 －23.(in Chinese))

［3］ 王玉锁，杨国柱.隧道洞口段危岩落石风险评估［J］.现代隧道技术，2010(6):33－38.(WANG Yusuo，YANG Guozhu.Rockfall risk assessment for a tunnel portal section［J］.Modern Tunnelling Technology，2010(6):33 － 38.(in Chinese))

［4］ 铁道部运输局.铁运(2012)280号 铁路营业线施工安全管理办法［S］.北京:中国铁道出版社，2012:26－28.(Transportation Bureau ofMinistry ofRailways.railway transportation(2012)No.280 Construction safety management approach for railway business line［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2012:26 －28.(in Chinese))

［5］ 铁道部建设司.TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005:24－27，35－40.(Construction Division of Ministry of Railways.TB 10003—2005 Code for design on railway tunnel［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2005:24－27，35 －40.(in Chinese))

［6］ 铁道部.铁建设〔2009〕172号 铁路边坡防护及防排水工程设计补充规定［S］.北京:中国铁道出版社，2009:2－3.(Ministry of Railways.Railway construction(2009)No.172 Supplementary provisions to the railway slope protection and waterproofing and drainage engineering［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2009:2 －3.(in Chinese))

［7］ 叶四桥，陈洪凯，唐红梅.落石冲击力计算方法的比较研究［J］.水文地质工程地质，2010(3):59－64.(YE Siqiao， CHEN Hongkai， TANG Hongmei. Comparative research on impact force calculation methods for rockfalls［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2010(3):59－64.(in Chinese))

［8］ 建设部.GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010:18—22.(Ministry of Construction.GB 50010—2010 Code for design of concrete structures［S］.Beijing:China Building Industry Press，2010:18－22.(in Chinese))

［9］ 建设部.GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003:17－21.(Ministry of Construction.GB 50017—2003 Code for design of steel structures［S］.Beijing:ChinaPlanning Press，2003:17 － 21. (in Chinese))

［10］ 铁道第二勘察设计院.铁路工程技术手册·隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1999:16－20.(The Second Railway Survey and Design Institute.Technical manual for railway engineering· Tunnel［M］.Beijing:China Railway Publishing House，1999:16－20.(in Chinese))

［11］ 铁道部建设司.TB 10304—2009铁路隧道工程施工安全技术规程［S］.北京:中国铁道出版社，2009:10－16.(Construction Division of Ministry of Railways.TB 10304—2009 Safety constructional regulations for railway tunnel engineering［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2009:10－16.(in Chinese))

［12］ 铁道部.TB/T 3089—2004铁路沿线斜坡柔性安全防护网［S］.北京:中国铁道出版社，2004:2－3.(Ministry of Railways.TB/T3089—2004 The flexible safety netfor protection of slope along the line［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2004:2－3.(in Chinese))

［13］ 建设部.JGJT 251—2011建筑钢结构防腐蚀技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011:4－9.(Ministry of Construction.JGJT 251—2011 Technical specification for anticorrosion of building steel structure［S］.Beijing:China Building Industry Press，2011:4－9.(in Chinese))

［14］ 建设部.GB 50205—2001钢结构工程施工质量验收规范［S］.北京:中国计划出版社，2001:20－23.(Ministry of Construction. GB 50205—2001 Code for acceptance of construction quality of steel structures［S］.Beijing:China Planning Press，2001:20－23.(in Chinese))