架空輸氣管道上方巖體崩塌災害穩定性評估及治理

韓 超，黃 河，劉志偉，任路濱，李艷軍

1.北京中地華安環境工程有限公司，北京 100085

2.中國石油化工股份有限公司天然氣榆濟管道公司，山東濟南 250101

本文以某管道架空段上方崩塌災害治理為例，在分析崩塌體基本特征的基礎上，對崩塌災害的成因機制、危害模式、穩定性進行了分析計算，確定了崩塌災害發育的特征及可能的危害模式；據此設置了相關治理措施，同時針對施工期間架空管道可能遭受落石危害的特殊性，通過分析計算，從施工方法選擇、埋地管道防護、架空管道防護等方面制定了對應的安全防護措施，保障了治理期間的管道安全[1-10]。可作為同類型災害治理的參考。

1 崩塌災害的基本特征

危巖體邊坡巖性為中風化粉砂巖、泥巖、炭質泥巖互層，為管道建設期削坡及自然風化形成，坡體陡立，坡向181°，坡高19.8 m，寬23 m。風化裂隙極發育，巖體破碎，巖層產狀：30°∠5°，發育2組節理：170°∠65°，110°∠90°，節理間距0.5～1 m不等，結構面結合程度差，部分裂隙貫通。管道在危巖體下以35°角由桁架與漿砌石基座保護轉入埋地敷設，與危巖體坡面最近距離3 m，坡腳有崩積體壓埋漿砌石基座及埋地管道現象，崩積塊體最大粒徑>1.5 m。坡體下部有風化掉塊形成的負地形，致使上部巖體局部臨空（見圖1～圖3）。

圖1 危巖體全景照片

圖2 危巖體成因及破壞模式

圖3 危巖體剖面

2 崩塌成因機制、穩定性評價

2.1 成因機制

（1）危巖體形態。除坡體發育的2組節理外，巖體表面發育多條不規則垂向裂隙，多呈折線型，長度0.5～3 m不等，寬度2～6 cm，局部閉合，無充填，主要發育于坡體中上部。受不規則節理切割，形成多處隨處危巖塊體，三維邊界清晰，部分塊體重心投影位于坡面外部，呈臨空狀態。有崩塌發生，坡腳底部及管道桁架內有崩積物，對管道防腐層及漿砌石基座造成破壞。見圖1～圖3。

（2）地層巖性。坡體的巖性為粉砂巖-泥巖-粉砂巖互層，危巖體巖性構成了“相對硬-軟-相對硬”巖性組合，軟巖（炭質泥巖）2層，厚度在0.3、0.6 m，位于坡腳向上2.5、15 m高度。相對硬巖（粉砂巖）厚度0.8～2.5 m不等，軟硬相間的巖石及層厚特征利于崩塌的發生。

（3）風化卸荷。危巖體各層巖石抗風化能力差異較大，風化剝蝕速度差異較大。炭質泥巖風化程度以強風化為主；粉砂巖抗風化能力相對較強，以弱～中風化為主。炭質泥巖風化剝離速度相對較快，坡體下部層位形成凹腔，致使上部巖體臨空。

（4）地下水活動。危巖體存在基巖裂隙水滲流等地下水活動。在最下層炭質泥巖與砂巖接觸層面有地下水滲出，冬季有結冰現象，在危巖體下部形成小型“冰瀑”。地下水活動及凍脹、冰劈作用加速了泥巖層的風化，是形成危巖體凹腔、影響危巖體穩定的因素之一。

2.2 破壞模式及穩定性評價

2.2.1 沿節理裂隙面滑移崩落

根據危巖體坡面、層理面、節理L1和節理L2的傾向、傾角（見表1）繪制的赤平投影圖（見圖4），可判斷裂隙切割塊體處于基本穩定狀態，發生裂隙切割塊體滑移崩塌的可能性較小。

表1 赤平投影參數

圖4 赤平投影分析

2.2.2 隨機塊體崩落

危巖體受節理裂隙切割，發育多處小規模隨機塊體。巖體結構屬層狀碎裂結構、軟硬相間的巖石組合，危巖體多呈現碎塊狀及板柱狀。坡體實際坡度大于80°，近乎直立，局部負地形，塊體重心投影位于坡面外，穩定性較差，有塊體崩落發生。進一步發生隨機塊體崩落的可能性極大。

2.2.3 巖體整體破壞形式

軟硬巖層的差異風化造成凹腔發育。夏季滲水軟化，冬季遭受凍脹冰劈，巖體強度及結構受周期性條件影響持續衰減，裂隙更容易發育，加速危巖體的演化過程。凹腔發育會造成上部危巖體力傳遞不均，致使危巖體縱向裂縫擴展，呈現拉裂-傾倒等破壞模式。同時巖體的整體切割條件隨裂縫發育的變化而變化，亦存在解體崩塌的可能性。綜上所述，巖體裂縫拓展及整體切割條件受危巖體力學性質及凹腔發育速度的共同作用及影響，具有明顯的時間效應，危巖體可能會出現復雜的拉裂→傾倒→崩潰的破壞形式。

對于由后緣巖體抗拉強度控制，且危巖體重心在傾覆點之外的情況，計算采用如下公式：

式中：F為穩定性系數；flk為危巖體抗拉強度標準值，kPa，自然工況取470，飽和工況取265；H為后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離，m，取12；h為后緣裂隙深度，m，取9；α為危巖體與基座接觸面傾角，（°）；β為后緣裂隙傾角，（°），取84；W為危巖體自重，kN/m，經計算，自然工況取789.6，飽和工況取799.68；a為危巖體重心到傾覆點的水平距離，m，取1.4；Q為地震力，kN/m，計算得93.4；h0為危巖體重心到傾覆點的垂直距離，m，取6.9；V為后緣裂隙靜水壓力，kPa，計算得50；hw為裂隙充水高度，m取5；b為后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點之間的水平距離，m。

危巖體穩定性計算評價采用三種工況。經計算，在工況1（自重）時，危巖體穩定系數2.42，處于穩定狀態；在工況2（自重+暴雨）時，危巖體穩定系數1.02，處于欠穩定狀態；在工況3（自重+暴雨+地震） 時，危巖體穩定系數0.89，處于不穩定狀態。因此，在“自重+暴雨”及“自重+暴雨+地震工況”下，危巖體均有發生整體傾倒的可能。

3 崩塌災害治理及管道安全防護

3.1 工程治理措施

采取“危巖體清理+錨桿掛網噴漿防護”的措施進行危巖體治理。對危巖體邊坡進行分臺階清理，邊坡中部設置兩個平臺，寬度2 m，每個臺階高約6 m，清理危巖體方量約1 332 m3。清理后采用錨桿掛網噴漿防護。采用SNS柔性防護網，錨桿材料選用φ20HRB400鋼筋，錨桿行列間距2.5 m×2.5 m，長度3 m，孔徑40 mm，砂漿強度為M30。噴漿防護采用水泥等級為P0 42.5R，混凝土等級為C20，噴漿厚度不小于80 mm。在坡體下部泥巖夾層段，設置積水槽并用碎石填充，防止冬季地下水凍脹對噴漿層的破壞，并布置一排PVC管排水孔，間距1 m，內置直徑均為110 mm的PVC管，伸出噴漿層10 cm。

3.2 安全保障措施及管道防護

有別于常規崩塌災害的治理，天然氣管道的存在使得地質災害治理工程實施方法的選擇及施工空間有很大的局限。災害治理過程需要對施工期管道保護給予足夠的重視，防止治理工程實施過程中對管道可能造成的傷害。本次工程實施采取了以下幾個方面的措施。

3.2.1 工程施工方法

管道走向與坡體坡向總體垂直且距離較近，需保證危巖清理的落石不對管道造成影響。危巖清理自上而下、自坡體內側向外側進行，單層清理厚度設定為1.0～1.5 m，每層層底清理為臺階狀形態（見圖5藍線），坡體內側深外側淺，保障塊石不向坡體外側滾落；清理危巖塊體的運移路徑指定為“山嘴狀”地形兩側的凹陷處（見圖6青色線），不得使巖體自管道側滾落。

圖5 治理工程剖面

圖6 治理工程布置平面示意

3.2.2 埋地管道防護

（1）埋地段管溝土換填。對現有崩塌體下管道實施管溝細砂土換填，防止原有回填土中碎石在落石沖擊下可能對管道造成的傷害。

（2）埋地管道防護層。已有研究表明，當埋地油氣管道穿越不穩定山體或可能崩塌的落石方量極大的嚴重崩塌區時，可以采取加大埋管深度或增加管道上部防護層厚度等方法，其可有效減小落石產生沖擊荷載的破壞作用，保證管道的安全[11-12]。本文采用式（2）、式（3）落石沖擊力計算公式計算防護層厚度[13]。

式中：P為落石沖擊力，kPa；P（Z）為落石沖擊緩沖層后陷入緩沖層的單位阻力，kPa；F為落石等效球體的截面積，m2；γ為緩沖層重度，即細砂堆積密度，kN/m3；φ為緩沖層內摩擦角，（°）；R為石塊球半徑，m；Q為石塊重力，kN，根據多組節理裂隙間距，最大落石體積按2 m3計；γ1為落石重度，kN/m3；Z為落石沖擊的陷入深度，m；vR為落石塊體接觸緩沖層時的沖擊速度，m/s；g為重力加速度，m/s2，取9.80；H為坡高，m。計算取值及結果見表2。

表2 落石沖擊力及陷入深度計算表

從表2可見，按18 m落石高度、2 m3最大落石體積計算，最大沖擊壓力1 588.59 kPa，滿足管道防護安全要求。計算得落石沖擊陷入深度1.4 m，目前管道埋深1.4～1.5 m，安全空間不足。因此實施如下防護措施：管溝換填后在地面上方堆置厚為0.9 m的砂土，增加安全埋設深度至1 m，使總埋深為2.3 m。

3.2.3 架空管道段的防護

采用了滿堂腳手架、頂部鋼板的措施對架空管道段進行防護，具體防護措施見圖7。

圖7 防護措施示意

4 結論

（1）對崩塌災害成因機制及破壞模式的準確分析，是采取正確治理措施、有效消除風險的基礎。本文對坡體結構、危巖體形態、誘發因素等方面通過定性分析和計算，確定崩塌災害破壞模式為隨機塊體崩落、整體“拉裂→傾倒→崩潰”兩種方式。

（2）架空管道上方危巖體崩塌對管道造成的危害形式為：隨機塊體崩落造成管道防腐層或管體刮痕、壓坑；坡體整體“拉裂→傾倒→崩潰”式破壞，產生強大的瞬時沖擊力和附加應力，造成管道變形、破裂甚至爆炸等毀滅性破壞。

（3）有別于常規崩塌災害的治理，管道架空敷設使得災害治理實施方法的選擇及施工空間有很大局限。針對此種情況，本文探討并實施了施工工法工序調整、埋地管道防護、架空管道架空防護等多種防護措施，有效保障了施工期管道的安全運營，可為類似工程提供參考。

（4）目前國內外針對崩塌落石對管道影響的研究較多，但是關于消除管道（特別是架空管道）受崩塌落石風險沖擊的施工技術和防護措施的研究則少見，這是今后需進一步努力的方向。