拉林鐵路隧道洞口高位高陡危巖體發(fā)育類型及風(fēng)險評估

宋國壯 張玉芳

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

在地震、極端氣候等多重誘發(fā)因素影響下，山區(qū)鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，對線路施工和運(yùn)營安全造成嚴(yán)重威脅[1-2]。崩塌落石是最為常見的災(zāi)害類型之一，特別是拉林鐵路，沿線存在風(fēng)險隱患的高位高陡危巖體所處自然斜坡高達(dá)幾百米甚至千余米，其發(fā)育條件復(fù)雜，規(guī)模數(shù)量巨大，危害程度嚴(yán)重，屬國內(nèi)外罕見。因此，針對高位高陡危巖體提出科學(xué)合理、有針對性、可操作性的風(fēng)險評估方法迫在眉睫。

文獻(xiàn)[3]提出了隧道洞口落石風(fēng)險評估方法，將風(fēng)險評估方式分為初步評估與細(xì)部評估兩大步驟。文獻(xiàn)[4]通過對危巖落石影響因素發(fā)育條件打分，提出了隧道洞口段落石災(zāi)害危險性等級評估方法。文獻(xiàn)[5-6]從落石的致災(zāi)可能性和致災(zāi)嚴(yán)重性2個方面進(jìn)行綜合評估，并應(yīng)用于多條隧道洞口的落石災(zāi)害風(fēng)險評估。

針對拉林鐵路等極復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路高位高陡危巖體災(zāi)害，目前常用風(fēng)險評估方法的評價指標(biāo)不夠全面、針對性和可操作性不強(qiáng)。本文通過現(xiàn)場調(diào)查、資料分析等手段，在充分剖析拉林鐵路高位高陡危巖體發(fā)育類型及工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響危巖體災(zāi)害發(fā)生可能性、嚴(yán)重程度的各類因素，提出基于指標(biāo)體系法的定量風(fēng)險評估技術(shù)體系。以期為山區(qū)鐵路高位高陡危巖體災(zāi)害的風(fēng)險評估提供借鑒。

1 工程概況

新建拉林鐵路位于西藏自治區(qū)東南部，線路全長435.48 km，其中：橋梁120座，共計84.510 km，占線路總長度的20.96%；隧道47座，共計216.465 km，占線路總長度的53.70%。

1.1 地形地貌

拉林鐵路位于青藏高原東南部，屬于岡底斯山與念青唐古拉山、喜馬拉雅山之間的藏南谷地、雅魯藏布江中游，海拔2 800～3 700 m，山高谷深，氣候極端惡劣。山脈多呈東西向縱貫延展，谷嶺相間，地勢起伏跌宕，總體由西北向東南傾斜。

1.2 地層巖性

地層總體北傾、由南向北時代變新，地層連續(xù)、層序清晰。沿線主要分布有新生界、中生界、古生界、元古界沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖及各種成因的松散堆積層。其中以巖漿巖、變質(zhì)巖相對發(fā)育，未變質(zhì)的沉積巖相對較少，地層巖性復(fù)雜。

1.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

按照板塊構(gòu)造觀點(diǎn)，研究區(qū)位于青藏高原岡底斯-拉薩地塊、喜馬拉雅地塊及二者之間的雅魯藏布江縫合帶。岡底斯-拉薩地塊由一系列彼此平行展布的斷裂帶與線性褶皺組成，斷裂帶規(guī)模巨大，斷裂帶寬度一般都在100 m以上；喜馬拉雅地塊位于雅魯藏布江深大斷裂以南，由一系列EW向展布的斷裂和褶皺組成。

1.4 水文條件

地下水類型按埋藏條件及賦存介質(zhì)分為裂隙性潛水及孔隙性潛水。裂隙性潛水賦存于巖體的裂隙及構(gòu)造帶之中，孔隙性潛水賦存于第四系松散層中。地下水主要補(bǔ)給源為大氣降水或高山冰雪融水，隨季節(jié)變化明顯，雅魯藏布江河床為地下水的排泄基準(zhǔn)面。

2 高位高陡危巖體發(fā)育類型

在對拉林鐵路重點(diǎn)控制性隧道洞口邊仰坡高位高陡危巖體病害開展現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，充分剖析其工程地質(zhì)條件、發(fā)育特點(diǎn)、潛在破壞模式等因素，將沿線高位高陡危巖體發(fā)育類型大致劃分為陡坡斷崖裸露硬巖危巖體、破碎陡坡裸露硬巖危巖體、陡坡突兀硬巖危巖體及陡坡裸露軟巖危巖體4種。

2.1 陡坡斷崖裸露硬巖危巖體

隧道口所處自然斜坡陡立、斷崖交錯、陡壁成層，大多為崩塌落石殘壁。坡體主要由硬質(zhì)巖組成，呈巨塊狀、塊狀，節(jié)理交叉切割。多組結(jié)構(gòu)面的組合體在地震、冰劈、根劈、風(fēng)化等外營力作用下易形成崩塌，表層松動巖塊、活石易形成落石。代表性工點(diǎn)包括巴玉隧道進(jìn)口、祝拉崗隧道進(jìn)口等。

2.2 破碎陡坡裸露硬巖危巖體

自然邊坡坡體由破碎巖體組成，坡度通常為40°～60°，表層松散、坡面凹凸不平，分布大量松動巖塊，或有裂隙陡坎、突兀巖體。在冰劈、風(fēng)化、地震、沖刷等作用下表層松動巖塊易形成滾動落石，陡坎或突兀巖體易形成小型崩塌。代表性工點(diǎn)包括拉嘎隧道進(jìn)口等。

2.3 陡坡突兀硬巖危巖體

自然斜坡坡體由硬巖組成，坡度大多為30°～50°。坡面植被較發(fā)育，發(fā)育突兀孤石、孤石林。在根劈、冰劈、冰蝕、沖刷等外營力作用下，大塊突兀巖體易形成新型崩塌，表層松石、浮石易形成落石。代表性工點(diǎn)包括朗賽嶺隧道出口（圖1）等。

圖1 朗賽嶺隧道出口陡坡突兀硬巖危巖體

2.4 陡坡裸露軟巖危巖體

自然斜坡坡體由軟質(zhì)巖組成，坡度為40°～70°。表層巖體大多呈碎裂狀，局部呈塊狀，坡面凹凸不平，或有陡坎懸空、巖體倒掛。在風(fēng)化、溶蝕、冰蝕、根劈等外營力作用下極易形成大小不一的落石，懸空、倒掛危巖體發(fā)育至一定程度時形成崩塌。代表性工點(diǎn)包括熱當(dāng)隧道進(jìn)口等。

3 基于指標(biāo)體系法的風(fēng)險評估技術(shù)體系

運(yùn)用指標(biāo)體系法對高位高陡危巖體災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行定量評估的總體思路是在充分收集資料和現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，開展崩塌落石失穩(wěn)的災(zāi)害發(fā)生可能性及嚴(yán)重程度評估，制定風(fēng)險矩陣并劃分風(fēng)險等級。依據(jù)風(fēng)險等級及對鐵路工程可能造成的潛在破壞規(guī)模，提出風(fēng)險控制對策。基于指標(biāo)體系法進(jìn)行風(fēng)險評估的工作流程見圖2。

圖2 基于指標(biāo)體系法的風(fēng)險評估流程

3.1 災(zāi)害可能性評估

通過充分考慮高位高陡危巖體所處地形地貌、高度規(guī)模，坡面巖體結(jié)構(gòu)、植被情況、外營力作用、工程整治措施等影響危巖體失穩(wěn)的關(guān)鍵風(fēng)險因素，選取高位高陡危巖體所處地形植被、高度規(guī)模、巖體結(jié)構(gòu)、誘發(fā)因素及工程整治措施5大類因素、劃分為19個評估指標(biāo)，對每一指標(biāo)分別進(jìn)行打分作為評估分值，從而實(shí)現(xiàn)對高位高陡危巖體災(zāi)害發(fā)生可能性進(jìn)行定量評估。

高位高陡危巖體災(zāi)害發(fā)生可能性評估指標(biāo)體系見表1。根據(jù)收集資料和現(xiàn)場調(diào)查的深度，可對表1中指標(biāo)進(jìn)行取舍，對確定的指標(biāo)進(jìn)行打分。重要性系數(shù)計算公式為

式中：γij為權(quán)重系數(shù)，i=1，2，3，4，5，j=1，2，…，z，其中z為第i類評估指標(biāo)（包括重要指標(biāo)）的數(shù)量；n為評估指標(biāo)（重要指標(biāo)）的項(xiàng)數(shù)；m為重要性排序的序號，m≤n。

高位高陡危巖體可能性綜合分值計算公式為

式中：F1為事故發(fā)生可能性分值；Sij為評估指標(biāo)分值；Rij為評估指標(biāo)基本分值。

計算出F1值后，確定不同災(zāi)害發(fā)生可能性等級及分值范圍，見表2。

表1 高位高陡危巖體災(zāi)害發(fā)生可能性評估指標(biāo)體系

表2 高位高陡危巖體災(zāi)害發(fā)生可能性等級

3.2 災(zāi)害嚴(yán)重程度評估

高位高陡危巖體事故嚴(yán)重程度既與致災(zāi)體本身特征有關(guān)，也與危及的隧道洞口等承災(zāi)體的能力密切相關(guān)[7]。選取承災(zāi)體能力和致災(zāi)體能量兩大因素、3個評估指標(biāo)，對災(zāi)害嚴(yán)重程度進(jìn)行定量評估，指標(biāo)體系見表3。

嚴(yán)重程度重要性排序、綜合分值計算參考可能性評估方法確定。計算得出災(zāi)害嚴(yán)重程度分值F2后，確定不同災(zāi)害嚴(yán)重性等級的分值范圍，見表4。

3.3 風(fēng)險等級及控制對策

根據(jù)災(zāi)害發(fā)生可能性和發(fā)生后嚴(yán)重程度劃分等級建立風(fēng)險矩陣，確定高位高陡危巖體風(fēng)險等級[8]。高位高陡危巖體災(zāi)害風(fēng)險評估矩陣見表5。

表3 高位危巖體災(zāi)害事故嚴(yán)重程度評估指標(biāo)體系表

高位高陡危巖體災(zāi)害風(fēng)險控制對策是以災(zāi)害類型、成因、水文、工程條件變化等因素為前提，在災(zāi)害風(fēng)險評估結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立風(fēng)險接受準(zhǔn)則，提出風(fēng)險避免和風(fēng)險排除措施，針對風(fēng)險可能性及嚴(yán)重程度提出風(fēng)險整治建議或有針對性的處治措施。

表4 高位危巖體災(zāi)害嚴(yán)重程度等級

根據(jù)風(fēng)險等級評估結(jié)果與接受準(zhǔn)則，提出風(fēng)險控制對策，見表6。

表6 風(fēng)險接受準(zhǔn)則與控制對策

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

江木拉隧道出口自然斜坡山體陡峭，坡度約60°，坡頂距軌面高差約340 m。坡面基巖裸露，邊坡揭露地層主要以強(qiáng)-中風(fēng)化花崗巖為主，塊狀結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)面相互切割，現(xiàn)場量測得到臨空結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為198°∠59°。

4.2 病害描述

自然斜坡坡面巖體松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，坡面危巖孤石眾多，屬陡坡斷崖裸露硬巖危巖體。大規(guī)模危巖體在外營力作用下易發(fā)生沿組合結(jié)構(gòu)面的滑移式崩塌，小規(guī)模松動巖體、活石易發(fā)生崩落，對線路運(yùn)營安全產(chǎn)生較大威脅。

4.3 既有工程整治措施

針對隧道洞口高位危巖體病害情況，現(xiàn)有的工程防護(hù)設(shè)計措施為：①清除坡面松動的危巖孤石；②采用漿砌片石對部分危巖體進(jìn)行嵌補(bǔ)支頂；③洞頂上方布設(shè)寬60 m、高5 m的被動防護(hù)網(wǎng)。

4.4 風(fēng)險評估結(jié)果

4.4.1 災(zāi)害可能性

根據(jù)收集資料和現(xiàn)場調(diào)查深度，結(jié)合表1，選取16個指標(biāo)進(jìn)行打分并進(jìn)行重要性排序，根據(jù)式（1）及式（2）分別計算權(quán)重系數(shù)γij和評估分值Sij。災(zāi)害可能性評估結(jié)果見表7。經(jīng)計算得F1=74.467，災(zāi)害可能性等級為4級：很可能。

表7 江木拉隧道出口高位高陡危巖體災(zāi)害可能性評估結(jié)果

4.4.2 災(zāi)害嚴(yán)重程度

參考災(zāi)害可能性分級方法計算嚴(yán)重程度3個評估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)及綜合分值，計算結(jié)果見表8。經(jīng)計算得F2=80.007，災(zāi)害嚴(yán)重程度等級為4級：特大。

表8 江木拉隧道出口高位高陡危巖體災(zāi)害嚴(yán)重程度評估結(jié)果

4.4.3 風(fēng)險等級及整治措施

根據(jù)災(zāi)害發(fā)生可能性及嚴(yán)重程度評估等級劃分結(jié)果，對照表5及表6確定危巖體風(fēng)險等級及控制對策，見表9。

評估結(jié)果表明，江木拉隧道出口高位高陡危巖體風(fēng)險等級為Ⅳ級，存在極高風(fēng)險，對線路運(yùn)營安全存在一定隱患。

表9 江木拉隧道出口高位高陡危巖體風(fēng)險等級及控制對策

建議采用如下整治措施，以對災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行控制：①現(xiàn)有被動網(wǎng)向兩側(cè)延伸，并在明洞洞頂平臺上方增設(shè)攔石墻；②大塊危石和順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育區(qū)域面增設(shè)錨固結(jié)構(gòu)+主動防護(hù)網(wǎng)；③針對個別大塊危石增設(shè)變形監(jiān)測等措施。

5 結(jié)語

1）對拉林鐵路20余處隧道洞口邊仰坡高位高陡危巖體病害開展現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)其工程地質(zhì)條件、發(fā)育特點(diǎn)、潛在破壞模式等因素，將其發(fā)育類型劃分為陡坡斷崖裸露硬巖危巖體、破碎陡坡裸露硬巖危巖體、陡坡突兀硬巖危巖體及陡坡裸露軟巖危巖體4大類。

2）在山區(qū)鐵路沿線危巖體災(zāi)害評估實(shí)踐基礎(chǔ)上，結(jié)合拉林鐵路高位高陡危巖體發(fā)育特點(diǎn)，選取地形植被、危巖體高度規(guī)模、巖體結(jié)構(gòu)、誘發(fā)因素、工程整治措施5大類因素共19個評估指標(biāo)，建立了危巖體災(zāi)害發(fā)生可能性評估體系；選取危巖體危害對象、體積及運(yùn)動方式作為事故嚴(yán)重程度評估指標(biāo)，最終構(gòu)建了適用于拉林鐵路高位高陡危巖體災(zāi)害風(fēng)險的定量評估技術(shù)體系。

3）以江木拉隧道出口為評估實(shí)例，對該技術(shù)體系的應(yīng)用及操作性進(jìn)行了闡述和示范，并提出了整治措施建議。可為極復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路高位高陡危巖體災(zāi)害風(fēng)險評估提供借鑒。