铁路上游靠山侧高陡崖区危岩落石综合治理研究

韩 燚 （中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 前言

危岩落石对山区铁路的危害巨大，线路应尽量绕避山高坡陡岩层受结构面切割严重、危岩密集分布或治理难度大的危岩落石地段。在实际情况中，山区铁路受选线制约，不可避免会遇到无法绕避的危岩落石不良地质体。高陡边坡危岩落石高差大、坡面陡，下落过程中动能大、破坏能力强，一旦砸落至轨道或列车上，其后果不堪设想，因此对无法绕避的危岩落石不良地质体进行治理是确保铁路安全运营的基础。本文以衢宁铁路黄旗岭隧道上方高陡危岩落石工点为例，在地质调绘、倾斜摄影+激光雷达解译的基础上，采用Rockfall软件选择代表性断面模拟研究危岩落石轨迹，得到了落石弹跳高度和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治理措施提供依据，并提出针对性处置措施，为类似地质条件山区危岩落石的防护治理提供了参考。

1 工点概况

衢宁铁路是连接浙江省衢州市与福建省宁德市的Ⅰ级铁路，已于2020年9月开通运营。黄旗岭隧道位于宁德市周宁县礼门乡油湾村一带，为典型的剥蚀低山区，交通条件整体不便利，仅局部有乡村道路通道。该段线路左侧为山前陡崖，陡崖长约300m，相对高差约200m。陡崖岩体风化脱落形成陡峭的岩壁，坡度约80，基岩裸露，无植被，岩性为凝灰熔岩，弱～微风化。陡崖崖壁受构造影响，发育多组主节理，岩体节理裂隙发育，形成多处条状、石笋状、倒梯形状突兀岩块，易风化剥落而坍塌。陡崖顶往上山坡植被发育，残留风化孤石。陡崖下部缓坡上散落大量孤石，孤石最大直径约10m。

危岩体下部为黄旗岭隧道、路基，受岩石风化、降雨、施工期间爆破振动、运营期间振动等多个因素影响，一旦危岩体发生垮塌、崩落，会严重危及下方铁路安全，高陡危岩体与线路位置关系示意图见图1。

图1 危岩落石与铁路位置关系示意图

地形地貌场地地形地貌、地质构造及地层岩性、地震动参数简述如下：

该段为剥蚀低山区，地形起伏，地势陡峻。线路左侧100～500m处为中低山，呈长条带状分布，最高处海拔约650m，靠线路侧为山前陡崖，陡崖长约300m，相对高差约200m。陡崖自然坡度约80，陡崖上部山顶自然坡度约35，植被发育。陡崖下缓坡自然坡度约40，坡面植被发育，灌木及杂草中存在大量孤石。

该区段属于新华夏构造体系，受镇前―棠口断裂带影响，构造方向主要为北北东向，东西向次之，断裂多呈压扭性。工点附近出露两套地层：缓坡地段及坡脚为早白垩世次石英二长斑岩，陡崖及陡崖上方为白垩系下统石帽山群上组凝灰熔岩，岩性分界线顺陡崖方向展布，走向与线路约呈40夹角。陡崖坡面近直立，基岩裸露，岩性为凝灰熔岩，弱～微风化。坡面节理较发育，主要发育三组节理，裂缝多沿节理产状分布。

地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。

2 危岩落石分布特征及稳定性评价

2.1 危岩、裂缝分布特征

危岩体所处地段地形陡峭，陡崖段地质调查难以开展，二维平面遥感技术由于在空间分析、多尺度变化、动态虚拟和立体综合展示能力的不足，难以满足危岩体的工程地质条件评价要求。针对这一现状，采用倾斜摄影+激光雷达扫描、地质调绘相结合的调查方法，查明危岩落石区域危岩、裂缝分布情况，为整治设计提供依据。

根据遥感解译、现场调查成果，将危岩落石区域划分为 A1、A2、A3、B4 个区，A1、A2、A3 区为陡崖区，B 区为缓坡区，如图1所示。对所有的裂缝、危岩进行了分区统计。各类裂缝数量达到32处，分布于陡崖区，延伸长度数米至百余米不等，张开宽度最大达400mm，裂缝无充填或充填砂质土。各类临空危石及风化剥落危石数量达到37处，尺寸小的有2m×2m×2m，大者达10m×32m×6m，裂缝及危岩形态、分布位置见图2、表1。

图2 裂缝、危岩落石分布遥感解译图

裂缝、危石分布情况 表1

2.2 稳定性评价

线路左侧的近垂直陡崖及缓坡上的两道突丘形成了簸箕状凹形地貌。根据地形地貌初步判定，陡崖及缓坡上的危石主要集中在上述凹形地貌内，对线路下方的路基工程造成安全隐患。

A1区陡崖：结构面切割岩体对抗滑有利，但在部分近垂直裂隙切割下，节理切割岩体易发生倾倒崩落破坏。另外A1区陡崖上部山顶坡度仍较陡，在风化作用下会进一步崩落，影响坡脚隧道工程安全。

A2区陡崖：受335∠75节理和130∠50节理两组节理切割影响严重，陡崖被分割为多块垂直块体，整体而言块体基础尚稳固。但裂隙发育密集地方，受水平节理切割影响，陡崖上形成多处不稳定的岩石楔体，局部可见坍塌现象，已形成临空体，在长期风化作用及雨水影响下，岩体易发生崩落破坏。

A3区陡崖：该段陡崖中上部主要受335∠75节理影响，裂缝多沿该节理产状方向发育，整体稳定性较A2区好，但陡崖上部山顶缓坡基岩节理发育，在风化作用下会进一步崩落，A3区下部受50∠15方向节理影响，岩体切割形成的块体已有崩落现象，形成了临空楔体，在长期风化作用下，易崩落。

B区缓坡：自然坡度约30坡面，植被发育，灌木丛中存在大量孤石，最大孤石直径达10m。一旦植被破坏，雨水影响，支撑孤石土体软化，危石有滾落的可能，直接威胁下部路基的安全。

3 落石运动轨迹模拟分析

为了更好地预测落石的运动能量和轨迹，选取更安全更合理的防护网能级及布设位置，采用Rockfall软件选取SJDK0+060、0+120、0+160、0+260 四个代表性断面进行落石运动模拟计算，基线SJDK与陡崖边坡方向垂直，与铁路线路夹角约为45，如图1。根据前述的工程地质调查和遥感解译结果，岩体主要为弱风化凝灰熔岩，缓坡处为碎石土，陡崖区域无植被覆盖，故本次模拟不考虑覆盖植被影响。计算初始条件如下：选取等效直径为10m的落石进行计算，落石的密度取2.5t/m，则质量为163.5t；落石从陡坡坡顶开始下落，水平和竖直方向初速度都设为零；根据基岩风化情况和节理裂隙发育情况，模拟计算参数选取见表2。

碰撞系数及动摩擦系数 表2

以SJDK0+060断面为例，计算得到落石运动轨迹、落石弹跳高度和冲击能量包络线图、落石运动速度、落石落点位置统计曲线，如图3～图7。

图3 落石运动轨迹图（0+060断面）

图4 落石弹跳高度包络线（0+060断面）

图5 落石冲击能量包络线（0+060断面）

图6 落石运动速度包络线（0+060断面）

图7 落石落点位置统计图（0+060断面）

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80m，最大冲击能量约为270000kJ，落石最大冲击速度约为56m/s，落石落点位于横坐标140～200m 范围内。SJDK0+060、0+120、0+160、0+260 四个代表性断面计算结果见表3。

代表性断面计算结果（落石直径10m） 表3

现有的拦石网在柔性防护技术中应用最为广泛，其防护能量一般为150～2000kJ，特殊设计最大能级标准已达5000kJ，理论上可以承受质量为10t的巨石以31.6m/s的速度直接冲击。直径10m的落石模拟计算，落石最大弹跳高度达到65～110m，最大冲击能量达到250～320MJ，远远超出了现有柔性防护技术能防住的能级。

更改落石等效直径为1m，其余初始条件不变，进行计算，结果见表4。

代表性断面计算结果（落石直径1m） 表4

落石直径为1m时，落石的冲击能量大幅下降，最大冲击能量为2400kJ。四个断面中，坡顶到线路中线的水平距离分别为 174m、135m、116m、162m，落石的最终落点大部分都落在了铁路隧道洞身范围内。

因此，结合理论计算结果和目前拦石网的防护能量，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1m。

4 危岩落石综合治理措施

4.1 危岩落石防治技术体系

危岩落石防治技术措施可分为主动防护和被动防护两大类。主动防护技术的防治理念在于增强危岩体的稳定性，阻止其发生崩落，而不至于致灾。而被动防护系统的防治理念在于假设危岩发生崩落,但通过阻止落石到达威胁对象范围而提供防护功能。在实际工程中主动防护需要找出所有可能崩落的危岩点，并进行系统治理，通常适用于大型、勘察明确的危岩体治理，但实际实施时通常也不可能治理所有可能崩落危岩，存在漏勘漏治的可能。被动防护系统则对危岩崩落后落石运动特征预测要求较高,落石运动特性分析结果是被动防护的依据和基础,在可靠预测落石威胁范围、弹跳高度、动能的基础上,防治效果较彻底，但造价通常较高，对大体积落石崩落体其防护能力也有限。所以通常采用主动和被动防护系统相结合的综合治理措施，可以起到理想的防治效果。

4.2 危岩落石综合治理措施设计

鉴于高陡危岩体高差大、后壁陡峭近直立，裂缝、临空危石及风化剥落危石数量众多，发育形态各异等特点，单一的防护、支挡措施难以奏效，需针对不同裂缝、危石开展加固和防护设计，采用多种加固、防护、支挡措施进行治理。

通过上述模拟计算，建议将直径大于1m的危岩进行清理或提前采取锚索加固。主动网加固在短期内能取得良好的防护效果，但在长期的服役过程中，岩石受到风化剥落后会在主动网中堆积而形成“鼓肚子”现象、剥落的碎石掉落后支撑绳上的预应力丧失，导致主动网失效。所以仅采用主动网效果不会太理想。综合整治思路就是让剥落的危岩滚下来，采用具有“引导”作用的帘式网，限制落石的弹跳高度和滚动速度，在落石运动过程中逐渐衰耗其能量，将落石引导至坡脚的落石槽中。

按照上述设计思路，提出了静态爆破清除、帘式防护网、主动防护网、承压板锚索、被动拦石网、落石槽、预应力锚索、随机锚杆、支撑与嵌补等多种加固措施的综合治理方案，典型的设计断面如图8，具体设计原则简述如下。

图8 危岩整治设计示意图

4.2.1 支撑、嵌补和填充、勾缝

①当危岩落石存在较大临空面且基底条件较好时，采用C25混凝土支撑或嵌补。

②对原生危岩存在小于10cm的裂缝，采用灌注M10水泥砂浆处理。

4.2.2 清除、锚固

①陡崖、缓坡上松动危石采用静态爆破清除。

②坡面裂隙发育处危岩在清除后采用承压板锚索加固。

③陡崖或危岩体采取预应力锚索加固。

④对局部直径小于1m的危石下部设置固定钢垫板螺栓锚杆不少于2根。

4.2.3 主动防护网

为防止清除处理干净后的危岩进一步风化剥落，在其外部设置主动网防护。锚杆应锚固在稳定的岩体内，锚杆长4.5m。根据危岩勘察情况，SJDK0+95～+195段坡面设置主动防护网。

4.2.4 帘式防护网

对存在大面积崩落松动的危石堆，对坡面大危石清除后，采用帘式防护网将危石引导至落石槽中。按上述原则，SJDK0+000～+95、SJDK0+195～+330段坡面设置张口型帘式防护网，防护能级为3000kJ。

4.2.5 拦石网

陡崖下缓坡上设置一道被动拦石网，网高5m，被动网下设结合便道修筑检修通道，通道宽0.6m，浇筑C25混凝土，厚0.2m。

4.2.6 落石槽

①帘式网下部3～10范围设置沟深1.2m，沟宽1.5m，沟壁坡率1：1的梯形落石槽，采用C25混凝土砌筑，厚0.3m。

②坡脚线路左侧35m处依地形设置一道钢筋混凝土落石槽。

4.2.7 排水工程

主要是外围的截排水，陡坡下缓坡上设置两道梯形截水沟。

5 结论

衢宁铁路黄旗岭隧道上部高陡危岩落石整治工程已经完工，经过治理后的危岩处主、被动防护系统运营状态良好，未发生落石崩塌等灾害，治理效果显著，有力地保证了衢宁铁路的开通运营。本工点设计、施工实践证明，山区危岩落石勘察与治理应因地制宜，通过收集资料、地质测绘、激光雷达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，根据防护网的防护能量计算出主动防护、被动防护的落石等效直径临界值。针对不同裂缝、危石的形态和特征，有的放矢地采取针对性的治理措施，主被动防治技术联合使用是较好的整治思路。