鐵路隧道明洞高陡邊坡加固防護與監測方案研究

袁叢軍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

在山區，受線路曲線半徑的限制，不可避免的會出現鐵路隧道穿越高陡巖質自然邊坡或人工邊坡的情況。從安全角度考慮，鐵路隧道多遵循“早進晚出”的原則，通常會采用加長明洞的形式從高陡邊坡下通過。其上部高陡邊坡的穩定性與加固監測措施的可靠性，在很大程度上決定了明洞與線路長期運營的安全性，同時邊坡落石的軌跡影響明洞接長的長度;落石沖擊力的大小決定明洞回填層的厚度與明洞結構的強度;如何對這些問題進行正確的分析與評價是當前鐵路工程設計中值得深入探討與思考的課題。

高邊坡穩定性分析的方法有多種，力學驗算法與工程地質法應用較多，從實際工程情況來看，明洞上部的高陡邊坡多為巖質邊坡，如宜萬鐵路、南昆鐵路、廣深港鐵路等此類邊坡，基本為灰巖、石英砂巖或硅質巖等硬質巖形成的邊坡陡坎，部分甚至高達100多m，且受多組節理面切割形成危巖落石崩落后堆積于邊坡坡腳。因此，巖質邊坡的穩定性在很大程度上受其主要不利結構面的控制，不太適宜采用均一介質體的圓弧法與直線滑動法計算。從工程設計實例來看，可采用回彈值法或類比法分析邊坡整體穩定性，采用不利結構面組合的楔體穩定性法分析邊坡局部穩定性，更接近于實際情況。

對于落石路徑的分析一般根據可能滑動楔體的體積大小，采用現場滾石試驗與室內RocFall計算軟件進行落石路徑的模擬計算，繪制出落石軌跡圖。落石對下部明洞結構的沖擊力計算多根據下落楔體的體積、落距及明洞上部回填土的厚度與材料特征進行計算。計算方法有隧道手冊法、日本道路公團法、楊其新法等，從實際結果分析，采用隧道手冊法更接近實際情況，能為鐵路隧道明洞結構的設計提供較為合理的依據。

對于邊坡的加固防護措施目前都有較為成熟的方法，高邊坡的穩定性受控制性的張性不利結構面控制時多采用預應力錨索控制邊坡整體的穩定性，采用掛網噴混及主被動網加強局部楔體的穩定性。從宜萬鐵路葉溪河高邊坡、武黃城際鐵路談山隧道進口高邊坡、廣深港客運專線赤崗采石場高邊坡等工程實例來看，均取得了較為理想的效果。

此類高邊坡邊坡變形主要是滑動位移，以前采用傳統的觀測樁方法，監測精度較低，費時費力，且因邊坡高陡線路運營后人工測量的準確性與安全性難以保證，所以傳統的監測方法已不適應于明洞高陡邊坡的長期監測。目前的監測方案宜采用錨索計監測錨索預應力的變化與損失情況;采用位移計測量邊坡表層與深層的滑動;采用固定式測斜儀測量邊坡水平位移;由于運營后需要長期穩定的邊坡監測數據，所以傳感器數據采用自動化系統采集，實現遠程無線、自動、實時的邊坡監測預警。

2 工程實例

武黃城際鐵路談山隧道穿越湖北省黃石市談家山脈，全長715m，最大埋深110m，隧道進口明洞段DK85+700～DK85+747位于人工開挖的采石場陡峭山壁下，邊坡經長期采石開挖后高達110m左右。邊坡高程95m以上的部分為沿主節理面形成的高約20～30m反坡陡坎;高程95m以下部分呈不規則的起伏坡面(如圖1所示)。

圖1 談山隧道進口明洞段高邊坡縱斷面

2.1 邊坡巖體結構與水文地質條件

邊坡基巖為三疊系T1弱風化灰巖，灰褐色，巖質堅硬，中厚層狀。從區域地質資料分析:高邊坡無大型構造通過但受小型構造的影響，巖體節理裂隙發育，巖體較為破碎。地下水不發育，僅少量基巖裂隙水沿張性節理裂隙面滲出(如表1所示)。

表1 實測巖體結構面特征分析

2.2 邊坡整體穩定性分析與評價

(1)邊坡穩定坡角分析

從野外回彈儀現場實際測量值分析(如表2、表3所示)，其巖體強度相對較高，不存在明顯的軟弱夾層問題，將所測的11個回彈值剔除最大值和最小值后取平均值，再根據風化程度進行修正。有

式中 Rf——巖體風化層的回彈值;

fR——風化折減系數。

表2 實測巖體回彈值

表3 邊坡穩定坡角分析

(2)楔體穩定性分析

根據實測的結構面，進行了結構面赤平投影與巖體結構面分布分析。

主節理面(編號A)走向近平行于岸坡方向，規模與間距均較大，延伸長度數十米，沿線路縱向間距2.5～4.0m，貫通性較好，形成傾向于大里程的陡傾反坡面，為影響邊坡穩定的不利結構面。節理面(編號D)為一組密集的張性節理面，傾向于線路小里程方向，與密閉節理面C共同切割坡面巖體，在坡面形成有一定張開裂隙的小型楔體。通過楔體穩定性計算，節理面控制的巖體邊坡的破壞模式主要為小型的楔體破壞模式，部分楔體穩定安全系數小于1.1，但因其規模不大，可能下落的巖體一般直徑0.3～1.5m。

2.3 計算落石路徑確定明洞加長的長度

選擇明洞進口右邊墻、左邊墻縱斷面圖為典型斷面，進行落石路徑計算，采用RocFall落石仿真模擬計算軟件進行落石路徑計算，與現場的落石試驗結果進行對比。坡面參數按照普通基巖出露面考慮法向恢復系數Rn取0.35、切向恢復系數Rt取為0.85，這兩個參數均考慮0.04的標準差;摩擦角取為30°，標準差取 2°。

計算獲取了落石的范圍如下:右邊墻剖面大部分落石落于距離坡角5～27m的范圍內，少量落石會落于距坡腳38～40m處;左邊墻剖面大部分落石落于距離坡腳7～22m。與現場落石試驗結果對比，其計算的落石范圍略偏大，計算結果偏于安全，當確定明洞需要延長的長度時，建議按最大落距加安全緩沖距離(5～8m)綜合考慮。

2.4 計算落石沖擊力作為明洞結構設計強度與回填土厚度的依據

落石的沖擊力由下式計算

式中:v0—落石沖擊速度/(m/s);t—沖擊持續時間/s;h—緩沖層計算厚度/m;c—壓縮波在緩沖土層中往復速度/(m/s);ν—回填土泊松比;E—回填土彈性模量/kPa;ρ—回填土密度/(kg/m3)。

假設條件根據回填土類型，取回填土泊松比ν為0.21，彈性模量E取4000 kPa，回填土密度ρ取21 t/m3則

2.5 邊坡加固防護設計方案

根據分析與計算，隧道明洞高陡巖質邊坡通常受構造影響，巖體不利結構面發育，坡面小型楔體分布，在外力作用下長期穩定性較差，可能沿臨空面形成危巖落石甚至崩塌等災害，工程設計中宜采取延長明洞，增加明洞回填厚度，設置邊坡預應力錨索、防護網及自動化監測系統等綜合措施進行加固防護與變形監測，以確保施工及運營的長期安全.

根據落石軌跡線路左側29.5m，右側30m寬范圍內坡面按穩定坡角刷坡:在高程100m處設2m寬緩沖平臺，下部邊坡坡率1：0.3;上部邊坡坡率1：0.5。

因明洞結構本身承受落石沖擊力有限，為防止邊坡沿主要結反傾不利結構面產生大的崩塌失穩，根據主不利結構面的走向、寬度與間距，對邊坡采用預應力錨索加固，錨索索豎向間距4～6m，橫向間距3m，矩形布置。錨索孔徑110 mm，錨索設計長15～21m，錨固段長度10～15m，單孔錨固力450～600 kN，傾角15°。

為防止坡面小型楔體下落，明洞回填高程以上坡面采用主動攔石網防護，邊坡頂部外7.5m處設被動攔石網。為防止地表水沿張開的不利結構面下滲，坡頂外設天溝，天溝與邊坡頂之間C25混凝土封閉。

2.6 坡面變形監測方案

為保證施工與運營的長期安全，整個明洞上部高邊坡坡面建立變形監測系統，邊坡沿線路橫向設置9個監測斷面，每個斷面分別于緩沖平臺、及塹頂外2.0m各設置一個觀測樁，用于監測邊坡平臺及邊坡頂部的變形位移情況。監測斷面在代表性位置安裝錨索計，埋設在預應力錨索的錨頭處，用于監測錨索預應力的變化，據鋼絞線的數量采用多弦智能型，據錨固力選擇量程在400～600 kN，靈敏度0.1 kN。為準確監測邊坡平臺的橫向剖面沉降變化，在監測斷面邊坡平臺處埋設靜力水準儀。為測量邊坡的深層滑動，沿邊坡表面布置3個位移計，埋設深度大于錨索長度，各傳感器數據均接入自動化采集系統。

3 結論

(1)從環境保護與工程安全角度綜合考慮，鐵路隧道明洞高陡巖質邊坡刷坡時不宜過緩，邊坡平臺分級不宜過多，以避免從坡腳或平臺分級處出現應力集中破壞。一般刷坡坡率在1：0.25～1：0.5，平臺分級不宜多于3級，一般1～2級即可。緩沖平臺分級宜選擇自然邊坡坡率變化或邊坡植被發育的相對穩定位置。

(2)邊坡穩定性與落石軌跡沖擊力是邊坡設計中至關重要的一環，在一定程度上決定隧道明洞接長的長度與明洞結構設計的強度，在勘察期間真實準確的現場回彈值測試與現場落石試驗是有必要的。

(3)明洞上部回填緩沖土層厚度應當綜合安全、技術及附近可用的土石材料的經濟性綜合考慮，由于落石沖擊力的衰減與擴散效應，回填土緩沖層厚度并非越厚越好，對于一般落距在50～100m，楔體規模在1.5m3以內時，明洞上部采用碎石類土回填層時的厚度不宜大于4m，可按照2～4m控制，以避免過厚的回填土層增加明洞結構的荷載與變形。

(4)施工時爆破工藝的控制對刷坡后邊坡的局部穩定性有直接的影響，應當根據坡面結構面形態、走向與間距，合理確定控制爆破鉆孔的深度與裝藥量，以確保坡面的平順與完整性，減少因人工爆破產生新的不穩定楔體。

(5)可靠完善的坡面及防排水系統是邊坡長期穩定性的重要保證，考慮到此類邊坡巖體通常發育2～3組張性節理面，除了在坡項設截水溝外，還應對坡頂與坡面采用混凝土封閉，并在坡面設置一定數量的泄水孔，縱橫向間距可按15～20m考慮。

［1］TB10012—2007 J124—2007 鐵路工程地質勘察規范［S］

［2］TB10025—2001 鐵路路基支擋結構設計規范［S］

［3］TB10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］

［4］GB50330—2002 建筑邊坡工程技術規范［S］