高速公路隧道洞顶危岩稳定性及防治分析

黄传胜，胡德玉，任开富，刘火，于文霞

（1.东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；2.贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550001；3.江西省地质局地理信息工程大队，江西 南昌 330000）

0 前言

山区高速公路由于线路布置等原因，难免会遇到隧道进出口危岩落石等灾害。根据现场调查，该危岩体位于隧道出口端隧道洞顶正上方，方量约22000m3，属特大型危岩体。在大规模的隧道爆破、开挖等活动下，会对危岩体造成扰动，极有可能诱发其失稳，影响项目施工的进度。

近年来，许多学者在危岩稳定性及防治上开展了诸多研究。何建军[1]采用静力分析法计算极端工况下边坡危岩的稳定性，针对不同高程的落石提出了工程治理措施。李胜等[2]利用k 近邻算法与基于密度比S 的评价准则实现了优势结构面与产状赤平投影的快速分析。刘宝臣等[3-5]基于离散元模拟法分析了危岩的发育特征和破坏情况，指出对岩块体积小的危岩采用静态爆破进行清理，体积较大危岩选用锚杆支护进行加固。文兴祥[6]利用Rockfall 软件模拟典型危岩体落石运动特征，提出“凹腔嵌补+锚固”“清除+拦截”和主动防护网3类治理措施。

1 工程概况

1.1 项目概况

道真至武隆高速公路项目是贵州省“678”高速公路网中“第三纵”道真至新寨的首段，项目起于渝黔交界的子母岩，经枣子坪、丘家湾与道真至瓮安高速公路道真支线顺接，全线位于道真自治县境内，该隧道为一分离式特长隧道，全长7530m，贵州境内全长5280m，重庆境内2250m。

1.2 水文及地质

项目区属长江流域-乌江水系-芙蓉江支流-梅江二级支流。场区地形高差大，地表沟谷切割较深，沟谷内常有地表水分布，多为季节性溪流，流量受大气降雨控制。

项目区地处黔北高原北部，为大娄山延伸段向四川盆地过渡的斜坡地带。主要山脉呈南北走向。其地理特点是低纬度、高海拔、深切割，多中低山丘陵。地貌类型复杂多样，以山地、丘陵、河谷、峡谷、山间坝地和槽谷为主。

1.3 洞顶危岩概况

该隧道出口段洞顶危岩体（“错落体”位于东经107°44'54.40″、北纬29°5'18.41″）地属贵州省道真县洛龙镇，危岩体位于隧道出口端隧道右幅YK42+425～YK42+455 段洞顶正上方，与隧道洞门水平距离约140m，垂直高差约100m，危岩体长约30m，宽约25m，高约29m，总体积约21750m3，面貌如图1、图2所示。

图1 隧道洞顶危岩体照片

图2 隧道洞顶危岩体近景照片

危岩及基围岩位于黄因（困）背斜SN 翼之（YK42+580～YK42+640）次级平缓褶皱构造上，危岩体为中厚层-厚层状含燧石条带中风化灰岩，产状为23°∠28°（视倾角18°），危岩体后准稳定基（围）岩为二迭系下统栖霞组（P1q1)第一段中厚层至厚层状中风化灰岩，产状20°∠15°（视倾角9°）。危岩体倾错赋存YK42+640 段新近崩积体顶部，场地堆积体呈上薄下厚，厚度约1.8～10m，堆积体以块石为主、粒径1～3m，块石母岩为中厚层石灰岩、岩质坚硬，块石间镶嵌粘土充填。危岩体地质纵断面如图3 所示。

图3 危岩体地质纵断面图

2 危岩体稳定性分析

该危岩位于隧道出口洞顶上方，危岩所在山体地势高陡，构造作用剧烈，在隧道施工的扰动下，出现掉块现象，严重威胁到隧道施工的正常进行。因此对危岩的稳定性及加固进行研究是保障隧道施工人员安全的关键一环，同时及早预防治理能有效减少灾害造成的损失。

2.1 定性分析

据文献[7-8]，危岩的稳定性受多种因素影响，包括岩体所处的地形坡度、主控结构面、降雨、人类相关活动。

将影响危岩稳定性的因素逐一分析，该隧道洞顶上方危岩体地形陡峭，坡度在50°以上。主控结构面顺坡向，倾角小于坡角，断续充填泥质、岩屑，同时由于降雨及隧道爆破、开挖对堆积体也会产生一定扰动，加速了上部危岩体产生顺坡向位移的趋势，判别此危岩体的破坏方式为滑移式，危岩会随着堆积体的滑动而产生整体下滑。综合评价子母岩隧道洞顶上方危岩稳定性不良。

2.2 定量分析

①评价标准

根据《滑坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864-2016），各类危岩可建立下列评价标准，如表1所示。

表1 危岩评价标准

②计算方法

根据《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）第3.7.5 条规定，规模较大的碎裂结构岩质边坡和土质边坡采用简化Bishop（毕肖普）法计算。此次计算采用的岩土参数为危岩勘察报告中的建议值，岩体容重取24.5kN/m3，碎石土取20kN/m3，粘聚力为60kPa，内摩擦角为11°。

危岩体稳定性计算采用Bishop（毕肖普）法计算下滑力，合计下滑力En 计算公式为：

式中，En为第n个条块的剩余下滑力（kN/m）；K为安全系数ωi；ωi为第i 块重量（kN）；αi为第i个条块所在折线段滑面的倾角（°）；φi为第i个条块滑面上的内摩擦角（°）；Li为第i个条块分段的弧长度（m）；Ci为第i 个条块填土粘结力（kPa）。

结合现场实际情况，本次计算块段划分共计7 块，块厚度取值取单位厚度1m，块段划分如图4所示。

图4 稳定性计算块段划分图

③计算结果

根据计算公式及块段划分，计算过程如表2、表3所示。

表2 子母岩隧道洞顶危岩Bishop（毕肖普）法计算（k取0.985）

表3 子母岩隧道洞顶危岩Bishop（毕肖普）法计算（k取1.09）

结合表中数据，通过毕肖普法结合反推法进行计算，当假定稳定性系数为0.985 时，危岩体下滑力 En=-405.14kN/m。当假定稳定性系数为1.09 时，危岩体下滑力为En=1.13kN/m，此时危岩体下滑力近似等于0，此时土体属于临界稳定状态，说明该特大型危岩体的稳定性系数为1.09。根据危岩稳定性评价标准，如图2 所示，滑塌式危岩体稳定性系数必须在1.3 以上才能保证稳定性满足要求。由此可知，在自然状态下该危岩体处于欠稳定状态，而暴雨和隧道施工均为触发危岩体发生崩落的活跃因素，为了确保危岩体稳定，需对危岩体进行加固处理。

3 危岩体防治措施

3.1 防治措施

综合前人研究成果及危岩的常见防治措施可知，危岩的破坏方式主要有坠落式、滑移式、倾倒式，通过对该隧道洞顶上方危岩的稳定性分析，可知此危岩体的破坏方式为滑移式，危岩会随着堆积体的滑动而产生整体下滑。结合现场环境确定如下治理方案，主动防护加固网→清理小型危石→浇筑护坡挡墙→十字独立锚索锚固→绿化坡面。治理加固断面图如图5所示。

①主动防护加固网

从稳定基岩体设置12 根A20 锚固钢丝绳，作用于危岩体上，SNS主动防护网布设位于危岩体外侧坡面上，防护网总长45m，宽25m，支撑绳采用A20 钢丝绳，在支撑绳构成的每个4.5m×4.5m网格内铺设4m×4m 的DO/08/300 型钢绳网，形成SNS 主动防护网进行临时加固。每张钢绳网与四周支撑绳间用缝合绳缝合联结并进行预张拉，该张拉工艺能使系统对放面施以一定的法向预紧压力，从面提高表层危岩体的稳定性。

②清理小型危石

清理小型危石时，首先破碎并清理掉块茎小于1m 的危石，然后用锚绳固定块茎较大危石后采用静力爆破的方式进行破碎，避免产生对该特大型危岩的扰动，安全性高。

③浇筑护坡挡墙

临时加固后从危岩底外侧地基增设3排微形钢管桩（69根，单根长12m），在钢管桩顶设护坡挡墙斜撑至危岩，斜撑可根据危岩实际情况作适当调整，然后分层浇筑护坡挡墙混凝土，护坡施工时按2m 间距梅花形布置10cm 直径泄水孔。

④十字独立锚索加固

锚索采用HRB300 钢筋，C30 混凝土，长度25m，4.5m×4.5m 间距布置，在现场实际施工时，需要保证足够的锚固长度，使锚固段锚固到基岩中，因此可根据危岩实际厚度合理调整锚索长度，每索设计张拉力750kN，共17 束十字独立锚索。

⑤绿化坡面

加固完毕后对被破坏的整个坡面通过喷播草种(含灌木籽)进行绿化处理，恢复原生态。

3.2 防治效果分析

根据规范要求，要想保证危岩稳定性要求，稳定性系数最小须达到1.3，现按1.3 稳定系数取值，计算结果如表4 所示。

表4 隧道洞顶危岩Bishop（毕肖普）法计算（K取1.3）

由表中计算结果可知，当围岩稳定系数在1.3时，合计下滑力为814.22kN，所需抗滑力必须大于下滑力，才能保证危岩体不会发生滑移，使下方隧道施工的安全得到保障。根据危岩加固措施，12 根A20 锚固钢丝绳，每根钢丝绳施加力按100kN 计算，共计抗滑力1200kN，护坡挡墙共设3 排微型钢管桩，每根钢管桩按15kN 计算，共计抗滑力1035kN，共设十字独立锚索17 束，每索施加预应力600kN，共计抗滑力10200kN，抗滑力总和为12435kN，稳定性系数=12435/814.22=15.27，远远大于规范要求的1.3。计算表明，对于采用主动防护网+护坡挡墙+十字独立锚索锚固的加固措施，可以有效提高危岩的稳定性，防治效果良好。

4 结论

该隧道洞顶上方危岩总体积约21750m3。根据稳定性分析，危岩所在山体地势高陡，构造作用剧烈，稳定性较差。判断该特大型危岩体破坏方式为滑移式，危岩会随着堆积体的滑动而产生整体下滑。

通过毕肖普法对危岩体稳定性进行定量计算，并对其稳定性做出合理评价，自然状态下该危岩体处于欠稳定状态，暴雨和隧道施工极有可能会造成该危岩体发生破坏。

对该特大型危岩采用主动防护加固网+护坡挡墙+十字独立锚索锚固的加固措施，复核计算表明危岩体的稳定性得到显著提高，防治效果良好。