川東紅層水平巖層危巖落石特征研究

盧愛民

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 概況

《中國鐵路總公司關于做好鐵路建設項目危巖落石防治工作的通知》（鐵總建設〔2018〕160號文）要求，為加強鐵路建設項目危巖落石防治工作，從源頭上消除危巖落石帶來的安全隱患，勘察設計單位應做好各階段的勘察設計工作。川東紅層主要由棕紅色、紫紅色泥巖、粉砂巖構筑。紅層軟巖具有透水性弱、親水性強、遇水易軟化、失水易崩解、強度低、易風化等特性；其風化問題、遇水表現出的特性問題使區內工程地質問題表現非常突出，危巖落石也獨具區域特色。

2 研究理論依據

此次勘察運用了空（遙感解譯）、天（無人機、三維激光掃描）先進勘察手段，并利用計算機高精度計算（結構面幾何要素計算、落石模擬計算）對危巖落石勘察進行了系統化的研究。

2.1 三維激光運用原理

（1）三維激光技術原理。三維激光掃描的理論基礎是測量技術，利用激光測距的原理，通過采集被測危巖體表面大量的密集點的三維坐標、反射率信息，從而獲得被測危巖體的三維模型及線、面、體等各種幾何數據。三維激光掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數據點，相較于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破[1-3]。

（2）結構面參數獲取原理。結構面參數的獲取主要運用的是高等數學空間幾何計算理論，通過對三維激光掃描的成果進行數據提取，由專業地質及測量人員根據點云影像圖解析判斷，建立模型，明確結構面，再進行掃描點云數據平面擬合，繼而獲得擬合平面的法相向量及結構面的產狀[4-6]。

2.2 Rockfall Analysis模擬軟件原理

Rockfall Analysis落石運動模擬程序的理論基礎是物體物理運動理論，軟件開發過程中對危巖落石及其運動環境進行了假設：假定所有落石都是一個質點，因而計算中不考慮落石的外形尺寸，但是在滑落計算中被看成球形體；只考慮落石與坡面和有阻物體發生碰撞；落石的質量僅用于計算沖擊能量；落石過程中假定落石足夠大可不考慮空氣的摩擦力[7-9]。

模擬分析可近似模擬落石實際滾落軌跡，為設計提供落點、彈跳高度、破壞力等設計參數，方便設計針對性防護。

3 典型分析

3.1 三維激光運用

現場運用三維激光掃描儀對該處危巖落石整體進行掃描，獲得點云圖，如圖1所示，分析點云圖確定危巖體的幾何結構面，并根據三維數據反算獲得結構面參數。經分析可得，危巖體由豎直節理切割而成，節理間距不一。危巖為結構面切割而成的不規則立方體，長厚比大，破壞模式為墜落式和傾倒式，受陡坎下地形、覆蓋層及危巖體幾何參數影響，分析基本無滾落可能。

圖1 三維激光掃描成果圖

巖層（Plane 1）產狀：226°∠6°；節理1（Plane 2）產狀：243.5°∠79.5°，間距為2～3m；節理2（Plane 3）產狀：183.5°∠85.4°，間距為2～4m。

3.2 Rockfall Analysis模擬分析

選取該處某不利斷面及落石參數運用Rockfall軟件進行模擬試驗，模擬落石成果圖，如圖2、圖3所示。

圖2 落石落點位置統計直方圖

圖3 落石最大沖擊能量包絡線

根據模擬成果分析落石從隧道進口左前方陡坎上部向下滾落的情況，落石落點多分布在陡坎下方緩坡坡地上，最大彈跳高度為2.8m，最大沖擊能量為16000kJ；最遠可滾落至隧道洞口標高，隧道洞口處基本為滾動滑移，無彈跳高度，到達洞口沖擊能量基本為0；坡面落石滾落可能影響隧道洞口及相關工程安全。

3.3 綜合分析

綜合分析該處危巖落石可知，目前處于穩定狀態，建議對表層散落危巖體進行人工清理，對大塊危巖體進行支頂嵌補，Rockfall分析受潛在危巖體幾何形態及坡面形式影響，落石基本落點在緩坡處，結合現場調查資料可知，該處危巖落石不會有較大滾落距離，可不考慮滾動相關的防護。

4 結論

（1）軟硬巖差異風化是區內危巖落石的主要內因，植物根系作用、地震和降雨為區內危巖、落石發生的主要外因；破壞模式為墜落式和傾倒式，落距一般小于50m，基本無滾落現象；地表植被茂盛，樹木的根劈作用將破壞巖體整體性，同時植被也是天然的防護網又對局部塊體有加固作用。

（2）對坡面散落或與母巖無力學聯系的危巖體進行分類統計，盡量采用人工清理方式，必要時輔助控制爆破，盡量減少對植被及周邊環境的破壞，清理條件困難的需要考慮輔助措施；爆破時應對下方作業進行管控，必要時應設置臨時防護，選用防護網時要充分考慮環保。

（3）高陡邊坡下的隧道洞口在清表完成后應結合現場情況進一步評估危巖落石的風險，必要時應結合落石計算結果接長明洞或設置防護棚洞。

（4）在危巖落石防護中注意采取防水、堵水、排水措施。

（5）對于陡坎存在凹腔的潛在大塊難以清理的危巖體，應采取支頂嵌補措施，并結合穩定性計算成果在必要時結合節理分布特征進行錨固，注重對錨固效果的檢驗。

（6）區內工程放坡時需注意盡量不破壞緩沖平臺，防護工程位置選擇要兼顧經濟和安全，被動網防護應盡量設置在緩沖平臺外側。