郑万客专巫山至万州段隧道洞口坡段落石灾害危险性等级评价

2019-09-03丁洪玉江文才

四川建筑 2019年2期

丁洪玉, 江文才

(西南交通大学地球科学与环境工程学院, 四川成都 611756)

危岩是我国山区三大自然灾害之一。随着铁路向山区的延伸及受山区地形的限制，线路常常在山岭中穿行。隧道由于能够有效改善交通线形，缩短里程，有利于行车安全等优势，已在山区和铁路建设中的得到广泛采用。但受线路及场地限制，许多隧道进出口的边仰坡高陡，地质条件恶劣，在雨水及地震等自然灾害作用下，会形成危岩、落石、崩塌等，对隧道结构及线路造成危害，影响运营[1-3]。对隧道洞口工程危岩落石危险性分级，有利于为危岩落石防护工程提供决策依据。

胡厚田[4-5]、张路清[6]、郑黎明[7]、叶四桥[3]等对落石灾害危险性评价、分区等做了许多相关研究工作。落石灾害危险性分级已成为落石威胁地区一切工程建设活动的决策依据，并建立了一些定量危险性分级和评价方法。有代表性的包括加拿大国家铁路公司的危险性评价系统(RHRA Rating System)、美国联邦公路管理局的落石灾害危险性分级系统(Rockfall Hazard Rating System，RHRS)以及中国台湾张义隆等人提出的“阿里山山区道路落石评估系统”。本文引用叶四桥[3]提出的隧道洞口坡段落石危险性评价方法(具体参见文献[3])，使用该方法对在建的郑万客专巫山至万州段14个隧道洞口坡段危岩落石危险性进行评价分级，为后续落石防治工程提供决策依据。

1 落石灾害危险性评价方法

叶四桥[3]借鉴美国联邦公路管理局、加拿大国家铁路公司等对落石灾害风险的有关定义，针对隧道洞口坡段特点，建立落石灾害危险性等级评价方法，具体参见文献[3]。定义RRS(Rockfall Rating System)为隧道洞口坡段落石危险性分级指标，它取决于落石致灾可能性(HP)和落石致灾严重性(SD)两方面影响因素；而落石致灾可能性(HP)又取决于危岩崩落可能性(RP)和落石到达隧道洞口区域可能性(IP)两方面因素，所以有：

RRS=HP×SD=RP×IP×SD

(1)

式中各参数具体如何评分参见文献[3]。依据RRS可能的取值区间，将隧道洞口坡段落石灾害危险性等级划分为4个等级(表1)。

表1 隧道洞口坡段落石灾害危险性等级划分

当危险性等级为1级时，说明隧道洞口坡段落石灾害的危险性较高，必须予以治理，相应的治理控制标准也应该最严格。2级和3级次之，可依据能够接受的风险水平以及投资条件采取必要的治理和监测措施，并设定相应的治理工程控制标准；4级表示落石灾害的危险性较低，可暂不考虑采取防落石措施。

2 工程应用

2.1 工程概况

郑万客专(郑万高速铁路)襄阳至万州段长约430 km，穿越我国三级阶梯和二级阶梯的交界线，是南阳盆地经神农架山区向西南进入渝东北大巴山中低山区的重要通道。地处秦岭造山带大巴山弧形构造带东缘及其与川东高陡褶皱带的交界位置。地质构造发育、地形地貌复杂、地层岩性多变。

线路范围内存在大量的破碎岩体，在隧道进出口等关键位置，这些欠稳定的边仰坡及危岩，可能在线路施工及运营过程中失稳破坏，产生崩塌、落石、滑坡等一系列的地质灾害，不利于施工安全及线路的长期安全运营。文章主要对郑万客专巫山至万州段的14个隧道洞口坡段危岩落石危险性进行评价分级。

2.2 地形地貌

笔者引用叶四桥提出的隧道洞口坡段落石危险性等级评价方法，对在郑万客专(郑州～万州)巫山至万州段的14个隧道洞口高仰坡危岩落石灾害危险性等级进行评价，评价结果见表2。从中评价结果可以得：14个隧道洞口坡段落石灾害危险性等级，除小三峡隧道进口外，其它隧道洞口落石灾害危险性至少达到2级，其中危险性等级为1级的占了一半。以小三峡隧道出口为例，该隧道洞口坡段危岩灾害的各项影响因素均较突出，经过危险性评价，最终得到RRS的评分为15 309，其危险性等级为1级，必对该隧道出口危岩落石灾害进行防治，并在防治中采用最严格的风险控制标准。

表2 巫山至万州段14个隧道洞口坡段落石灾害危险性评价

3 数值模拟

作者结合现场地形地貌以及线位，通过Rockfall软件，从数值模拟角度，模拟落石失稳的运动轨迹及落石的冲击动能，并分析其对线路的影响，从而进一步论证该评价方法是合理的。

3.1 计算剖面及参数选择

根据现场调查，边坡顶部出露一孤立式危岩，地层岩性主要为强风化泥灰岩，记为危岩Ⅰ区；距隧道出口约40 m的陡坎位置为危岩落石的形成区，记为危岩Ⅱ区，主要由受节理和卸荷裂隙控制的悬挂式危岩构成。Rockfall计算剖面如图1，计算参数如表3所示。

图1 小三峡隧道出口纵剖面

坡面Rn/SDRt/SD泥灰岩面0.712/0.3470.712/0.116泥岩夹砂岩面0.55/0.40.85/0.4

由于此处边坡倾角近似于90 °，选取边坡顶部的大体积块石作为危岩体的等效对象。危岩基本参数为：落石数量均为50个，危岩Ⅰ区的质量设为10 000 kg，危岩Ⅱ区的质量设为100 kg，初速度、初角速度均为0。

3.2 Rockfall模拟结果及分析

利用Rockfall软件对两个危岩区的危岩体进行模拟，得到落石轨迹如图2，得到冲击能量和回弹高度(图3)。

(a)Ⅰ区落石运动轨迹

(b)Ⅱ区落石运动轨迹图2 落石运动轨迹

从图2、图3可以看出：危岩失稳后，落石的运动轨迹都会通过隧道口，且到达隧道口的能量巨大，足以影响隧道的运营，必须采取措施对隧道洞口危岩落石进行防治。模拟结果从另一方面证明上文的评价方法是可行的，有依据的。

4 结论与讨论

(1)文章引用叶四桥的隧道洞口坡段危岩落石灾害危险性等级评价方法(RRS)，对郑万客专巫山至万州段的14个隧道洞口危岩落石灾害危险性等级进行评价。评价结果为：14个隧道洞口坡段落石灾害危险性等级，除小三峡隧道进口外，其它隧道洞口落石灾害危险性至少达到2级，其中有一半隧道洞口危险性等级为1级。其中小三峡隧道出口RRS值最高，其危险性等级也为1级，在隧道施工和后期落石灾害防治时应重点注意。