宝台山隧道进出口危岩落石防治措施研究

张宏

（中国铁路兰州局集团有限公司 建设部，甘肃 兰州 730030）

0 引言

在直立陡坡黄土梁峁区，地面破碎、地形起伏较大，此类铁路工程隧道洞口面临危岩落石威胁，危岩体产生崩塌落石是典型坡面地质灾害，给铁路运营及安全造成严重的影响，如何有效处理危岩落石危害成为现阶段铁路工程热点课题之一［1-3］。

叶四桥等［4］为厘清落石形状、块度大小和运动模式对其运动特征的影响规律，进行了112块落石现场试验；孔伟［5］通过PFC 软件模拟了危岩落石运动过程，并与理论运动学计算结果进行对比，最终编制了落石危险分布图。丁浩江等［6］提出了危岩落石的4 种失稳模式，针对坪上隧道提出了危岩落石整治方法，并给出危岩落石的防护建议；通常采用Rockfall 软件模拟落石运动轨迹及冲击能量，确定危石的威胁范围，建立风险评价模型，并将风险评价进行量化［7-8］；花晓鸣等［9］运用Rockfall 软件建立了高陡边坡落石运动分析模型，系统地研究了落石的运动特征。莫志艺［10］提出一种基于800 MHz通信传输的危岩落石监测系统。

基于中卫—兰州铁路（中兰铁路）（甘肃段）的危岩落石现场调查情况，并以宝台山隧道为例，通过评估其危岩稳定性，对危岩体崩落的可能性及崩落后到达威胁对象区域可能性选用合适的方法进行定量预测，通过Rockfall 软件研究不同落石轨迹预测线危岩落石的运动轨迹、动能、弹跳高度、落点位置等运动特征，并提出安全合理的防治措施。

1 工程概况

1.1 中兰铁路（甘肃段）线路概况

中兰铁路（甘肃段）位于白银市和兰州新区境内。正线经白银市平川区、靖远县、白银区，向西经兰州新区接至既有中川机场线树屏站，是京兰客专的重要组成部分，是我国“一带一路”倡议发展核心区域的重要交通基础设施。中兰铁路（甘肃段）正线长度173.458 km，新建双线隧道25.598 km/15 座，占此段正线长度的14.8%。其中，宝台山隧道位于白银市白银区四龙镇和强湾乡境内。中兰铁路（甘肃段）线路走向见图1。

图1 中兰铁路线路（甘肃段）走向示意图

1.2 宝台山隧道的地形地貌

隧址区地貌属黄土梁峁区，地形起伏较大，冲沟发育，一般海拔标高1 503～1 695 m，相对高差10～70 m。植被稀疏，主要为低矮的杂草，大多为荒山、荒坡，交通不便。

1.3 宝台山隧道进口处地层岩性及地质构造

宝台山隧道进口处陡坡由第四系上更新统风积砂质黄土、白垩系下统泥岩夹砂岩组成。泥岩夹砂岩，强风化～弱风化，节理裂隙发育，岩体破碎，节理、裂隙产状倾向线路中线。宝台山隧道进口见图2。

图2 宝台山隧道进口

针对宝台山隧道进口段危岩落石稳定情况，在区域地质条件分析的基础上，进行了详细的工程地质调查，利用赤平投影法对危岩落石的整体稳定性进行评估，得出结论：危岩落石分布于宝台山隧道进口D1K174+100 处，右侧直立陡坡为潜在崩塌体，距线路20～30 m，陡坡高约20 m，在重力及倾覆力矩作用下，陡坡岩体可能沿裂隙向线路滑移及崩塌，存在安全隐患，影响隧道进口安全。

2 模拟计算

2.1 模拟落石路线依据

采用赤平投影法进行评估，对孤石的崩塌、滑动可能性进行初步定性评价，并对孤石可能的失稳模式或破坏机制作出准确判断。

赤平投影法评估理论：赤平投影图解法通过对岩质危岩体及其岩体软弱结构面的大量调查统计，充分掌握其优势软弱结构面的产状特征，选取危岩体的优势软弱结构面，以赤平投影理论为基础，分析对危岩体稳定性的影响。

有2组优势软弱结构面的危岩体，稳定性由交线的产状控制，分为以下3种情况：

（1）交线倾向坡内。在赤平投影图上，2组结构面投影弧交线与坡面投影弧相对说明是稳定的（见图3（a））。

（2）交线的倾向与坡面倾向一致，但其倾角小于坡角。在赤平投影图上结构面投影弧交线与坡面弧同在一侧，但位于坡面弧的外侧。这种情况说明是不稳定的（见图3（b））。

（3）交线的倾向与坡面倾向一致，但其倾角大于坡角。这种情况是基本稳定的（见图3（c））。

图3 软弱面边坡赤平投影及稳定情况

2.2 模型建立

根据宝台山隧道的地质情况及赤平投影法，提出2 种落石轨迹预测线（见图4），具体落石轨迹预测线纵向高度见图5，并用于落石的模拟计算。

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图4 落石轨迹预测线

图5 落石轨迹

具体的落石计算输入条件：在斜面顶部下落时，水平初速度为0，竖向初速度为0。计算落石为半径0.15 m，大致方量为0.12 m3。落石的密度为2 500 kg/m3。落石质量为300 kg。跌落统计次数采用1 000 次，并根据此次数进行概率统计。

2.3 落石轨迹预测线1模拟结果

落石轨迹预测线1的模拟结果见图6。

图6 落石轨迹预测线1的模拟结果

通过落石分析软件计算结果可知，落石在边坡上部发生滚落运动中产生的最大弹跳高度为15 m，最大冲击能量约为110 kJ，大部分落石落点位于洞口所在范围，对洞口影响较大。

2.4 落石轨迹预测线2模拟结果

落石轨迹预测线2的模拟结果见图7。

图7 落石轨迹预测线2的模拟结果

通过落石分析软件计算结果可知，落石在边坡上部发生滚落运动中产生的最大弹跳高度为6.7 m，最大冲击能量约为230 kJ，少部分落石落点位于洞口所在范围。

3 治理措施

根据图6（b）可知，在轨迹47 m 处落石弹跳高度小于1 m，设置1 个5 m 高被动网，可拦截部分落石。在65 m 处落石弹跳高度小于4 m，设置1 道6 m 高的拦石墙均能有效拦截落石，防止落石滚动上线（见图8）。

图8 轨迹1落石防护措施示意图

根据图7（b）可知，在轨迹95～140 m，落石弹跳高度小于1 m，但140 m 后落石运动轨迹较陡，弹跳高度和冲击能力快速增加，在此设置1 道6 m 高的拦石墙拦截落石，在其未弹起时防止落石滚动上线（见图9）。

图9 轨迹2落石防护措施示意图

综合计算结果并结合现场实际情况，拦石墙具体防护位置示意见图10。

图10 拦石墙防护位置示意图

经过计算，落石轨迹1对隧道洞口影响比较大。并依据计算结果及现场实际情况提出宝台山隧道中卫端洞口端部防护原则如下：

（2）首先对直立陡坡进行削坡后采用锚杆框架梁防护，减少落石可能性，锚杆长12 m，一级坡坡率为1∶1.21，二、三级坡坡率为1∶1，分级平台宽2 m。

（3）土石分界线以下设高6 m 厚1.85 m 的C25 混凝土挡墙，在轨迹1 的47 m 处设置1 个5 m 高被动网，土质坡面按1∶1分级开挖放坡，每8 m分1级，以减小落石的弹跳高度，坡脚及坡顶采用50 cm 厚C25 混凝土护脚进行护砌，以抵抗落石的冲击能量。

4 结论

以中兰铁路宝台山隧道为例，通过现场调研和落石分析软件计算，得出以下结论：

（1）通过宝台山隧道的地质情况及赤平投影法判断所得，在重力及倾覆力矩作用下，陡坡岩体可能沿裂隙向线路滑移及崩塌，存在安全隐患，影响隧道进口安全。

（2）通过对落石轨迹1计算结果可知，落石在边坡上部发生滚落运动中产生的最大弹跳高度为15 m，最大冲击能量约为110 kJ，大部分落石落点位于洞口所在范围，对洞口影响较大。

（3）通过对落石轨迹2计算结果可知，落石在边坡上部发生滚落运动中产生的最大弹跳高度为6.7 m 在145 m 处，最大冲击能量约为230 kJ，少部分落石落点位于洞口所在范围。

（4）针对宝台山隧道危岩落石应采用对直立陡坡进行削坡后采用锚杆框架梁防护，土石分界线以下设高6 m 厚1.85 m 的C25 混凝土挡墙，并分三级进行放坡，一级坡坡率为1∶1.21，二、三级坡坡率为1∶1，分级平台宽2 m。