高速鐵路隧道洞口危巖落石災害評價方法及工程對策研究

鐘昌桂 張 磊 周 良

（中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031）

貴南高速鐵路穿越地貌單元屬貴州高原斜坡帶 及廣西傾斜盆地，地貌類型主要為溶蝕型、溶蝕侵蝕型及侵蝕型，地貌形態多屬溶蝕峰叢洼地及溶蝕峰叢谷地地貌。峰叢地貌區危巖落石隨處可見，單次危巖落石災害以中小型為主，偶有大型危巖落石災害發生，危巖拉裂破壞后以墜落及跳躍為主，個別地區有崩塌發生。附近的高速公路、國道及居民區近年發生過多起危巖落石災害，危巖落石災害發生頻率高。

近年來，王玉鎖等［1］提出了隧道洞口落石風險評估方法；葉四橋等［2］提出了隧道洞口段落石災害危險性等級評價方法，對落石運動模式與運動特征進行了現場實驗，并對多種落石沖擊力計算方法進行了比較。目前，洞口危巖落石評價體系僅僅建立在初始風險評判上，未針對采取工程措施處理后的殘留風險進行評估，危巖落石評價體系不夠完善。

本文以貴南高速鐵路隧道工程為依托，提出了定性、定量分析的危巖落石初始風險評估方法，引入了采取危巖落石處理措施后Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期殘留風險評估方法；通過ROCKFALL建立危巖落石失穩模型，從危巖落石的運動軌跡、沖擊能量等方面進行了系統研究；利用大型通用有限元軟件ABAQUS／explicit模塊，對明洞襯砌結構的抗沖擊能力進行計算分析，提出了貴南高速鐵路隧道洞口危巖落石綜合防護措施。

1 建立危巖落石風險評價體系

1.1 危巖落石風險評價體系概述

為提高危巖落石防護的有效性和針對性，綜合考慮地形地質條件、危巖落石與線位關系、防護措施可實施性、風險接受程度等因素，采用現場調查、評分、落石軌跡分析、防護結構計算等多種手段進行定性和半定量的分析，建立危巖落石風險分級評價體系［3-6］。

與目前的隧道風險評估保持一致，危巖落石風險等級分為初始風險和殘留風險。初始風險指工程建設各階段未采取風險處理措施前就已存在的風險，即對危巖落石不采取任何防護整治措施時（隧道洞口設于明暗分界處、不接任何明棚洞），鐵路工程存在的風險。殘留風險指對初始風險采取處理措施后自留或轉移到下一階段的風險，即在采取了清除及加固、主動及被動攔截和明（棚）洞防護后依然存在的風險。風險等級分為極高、高度、中度、低度4個等級。

1.1.1 危巖落石風險分類

危巖落石對線路的風險，具體分為落石上道風險、主體結構傾覆破壞風險和主體結構局部破損風險3種，具體為：

（1）落石上道風險是指落石經滾動、彈跳、飛濺等多種運動狀態，越過攔石墻、防護網，或擊穿防護網、防護明洞（棚洞）等防護結構，直接落入線路，對運營車輛、軌道結構造成直接危害的風險，此類風險是不可接受和不期望的。

（2）主體結構傾覆破壞風險是指落石經滾動、彈跳、飛濺等多種運動狀態，越過或擊穿攔石墻、防護網等防護結構后，直接撞擊明洞（棚洞）上部結構或樁柱等下部結構，造成整體結構傾覆破壞，進而對運營車輛、軌道結構等造成間接危害的情況，此類風險也是不可接受和不期望的。

（3）主體結構局部破損風險是指落石經滾動、彈跳、飛濺等多種運動狀態，越過或擊穿攔石墻、防護網等防護結構后，直接撞擊明洞（棚洞）上部結構或樁柱等下部結構，造成主體結構局部開裂、混凝土局部剝落、結構微小變形等可修復的破損，但不會產生結構傾覆破壞、落石上道等破壞的情況，此類風險不會對運營車輛、軌道結構造成直接危害，是可接受的。

對于落石上道、主體結構傾覆破壞對運營車輛、軌道結構造成直接危害的風險，嚴重危害鐵路運營安全，在設計階段是不可接受的風險。首先應通過減災選線，規避風險；對于無法避讓的風險，應采取清除、加固、主被動攔截、進一步補強明（棚）洞結構等綜合處理手段降低風險；對于仍然殘留的風險，應采取異物源頭、入侵及危害監測等手段，進一步降低，確保鐵路運營安全。

1.1.2 危巖落石防治措施及風險分期

危巖落石的防護與整治措施分為清除及加固、主動及被動攔截、明（棚）洞防護3大類型，包括與初始風險對應的不采取任何防護措施的情況。根據具體工點情況，選擇一種、兩種或三種整治措施，將風險按整治措施和整治階段進行分期，具體如下：

（1）零整治措施：對存在的危巖落石不采取任何整治措施，洞口位置設定為明暗分界處，不接長任何明洞或棚洞結構。此時存在的風險稱為初始風險，主要表現為落石上道風險。

（2）清除及加固措施：對存在的危巖采取清除措施，或采取支頂、嵌補、錨網噴加固、錨索加固等多種加固方式，在危巖落石源頭上降低風險。采取清除及加固措施后存在的風險，稱為Ⅰ期殘留風險，主要表現為落石上道風險。

（3）主動及被動攔截措施：對可能掉落的危巖落石采用主動防護網、被動防護網、簾式防護網、剛性格柵防護網、攔石墻、落石槽等措施，攔截危巖落石，或改變落石軌跡和運動狀態，降低落石能量，在落石運動過程中降低風險。采取主動及被動攔截措施后存在的風險，稱為Ⅱ期殘留風險，主要表現為落石上道風險。

（4）明（棚）洞防護措施（或樁基的防撞措施）：設置危巖落石防護明（棚）洞，防止落石直接上道，危及車輛、設備和軌道安全，并采取增加緩沖層厚度、改進緩沖材料性能、優化結構受力等多種方式增強防護結構的抗沖擊能力，提高主體結構抗沖擊能力以降低風險。采取明（棚）洞防護措施后存在的風險，稱為Ⅲ期殘留風險，主要表現為落石上道風險、主體結構傾覆破壞風險和主體結構局部破損風險。

1.2 初始風險評估方法

初始風險評估主要考慮的風險因素有危巖高度、山體坡度、危巖發育程度、危巖（落石）大小、落石區與鐵路工程的位置關系等5項因素。采用現場調查訪問、綜合評分的定性（半定量）方法，并采用Rockfall軟件進行軌跡分析，根據落點概率與主體工程的關系、沖擊力（或能量）大小等確定初始風險等級［7-8］。

1.2.1 定性（半定量）評估方法

（1）主要風險因素評分

對各項風險因素進行評分，評分數值依次定義為f1、f2、f3、f4、f5，各項風險因素的評分參考如表1 所示。

表1 定性（半定量）評估方法表

（2）主要風險因素影響程度評價

考慮各項風險因素在整個綜合評分中的重要程度、影響程度，將風險因素分為無相關因素、弱相關因素、一般因素、重要因素和首要因素。量化各項風險因素的影響程度為影響因子，依次定義為0～1、1～2、2～3、3～4和4～5，5項風險因素的影響因子平均值為2，總和必須為10。結合各項風險因素的影響程度調整影響因子大小，影響因子評定如表2所示。

表2 主要風險因素影響程度評價表

（3）綜合評分計算方法及初始風險評價

將上述5個因素的評分作為乘數、影響因子作為權重計算5項風險因素評分的加權幾何平均數，計算公式為：

其中：

根據上述計算的綜合評分進行初始風險評級，對應關系參考如表3所示。

表3 初始風險等級評價表

1.2.2 定量分析評價方法

采用Rockfall軟件進行落石軌跡分析，依據落石分區和落石沖擊能量（或沖擊力）兩個因素進行綜合評分，定量分析評價方法如表4所示。

表4 定量分析評價方法表

綜合評分計算為：

綜合評分與初始風險等級的對應關系同前。

上述兩種方法如較接近，取高值，如差異較大，綜合比較后評定。

1.3 Ⅰ期殘留風險評價方法

Ⅰ期殘留風險是指對存在的危巖采取清除措施，或采取支頂、嵌補、錨網噴加固、錨索加固等多種加固方式后，仍然存在的風險，主要考慮落石上道風險。Ⅰ期殘留風險的評價方法、評價標準與初始風險相同。采用定性（半定量）的方法主要對風險因素的評分進行適當折減或影響因子進行調整，如表5所示。

表5 Ⅰ期殘留風險評價方法表

定量分析方法主要是對落石的高度、體積等參數進行調整，對地面線進行修正后，采用Rockfall軟件重新分析落石軌跡及沖擊能量（沖擊力），并進行相應評級。

1.4 Ⅱ期殘留風險評價方法

Ⅱ期殘留風險是指對可能掉落的危巖落石采用主動防護網、被動防護網、簾式防護網、剛性格柵防護網、攔石墻、落石槽等措施后存在的風險，主要考慮落石上道風險。根據具體工點情況和施工條件，確定合理、有效的主被動攔截措施，無效的措施不納入考慮。Ⅱ期殘留風險的定性（半定量）的評價方法同前，但對相應的評分進行折減，參考評價標準如表6所示。

表6 Ⅱ期殘留風險評價方法表

落石軌跡分析作為一種定量分析方法，指設置了攔石墻、被動網等攔截措施后，采用Rockfall軟件重新分析落石軌跡及沖擊能量（沖擊力），進行相應評級，并對被動網等的抗沖擊能力提出要求。

另一種定量分析方法是采用理論方法和有限元軟件對攔石墻的穩定性、強度進行計算，提出相關設計要求，根據攔石墻的攔截能力進行風險評價。

1.5 Ⅲ期殘留風險評估方法

Ⅲ期殘留風險是指采取了明（棚）洞防護措施后存在的風險，主要表現為落石上道風險、主體結構傾覆破壞風險和主體結構局部破損風險。

落石上道風險的評價方法、評價標準同前，對相應的評分進行折減，如表7所示。

表7 Ⅲ期殘留風險評估方法表

主體結構傾覆破壞風險和局部破損風險主要采用有限元軟件對明洞、棚洞結構及相應的樁基等基礎結構進行靜力或動力計算后對其抗沖擊能力進行評價，參考評價標準如表8所示。

表8 主體結構風險等級評價表

2 工程應用

2.1 永興一號隧道出口概況

以永興一號隧道出口為例，隧道出口上方危巖落石最大高差約150 m，地形險峻陡峭，巖體為弱風化的灰巖、白云巖，石質堅硬，節理裂隙、裂縫較發育，由于不斷被溶蝕、結構面切割、風化分離，表面巖體完整性較差，局部形成孤石，坡面分布0～2 m崩積的松散塊石，出口危巖較嚴重，危石運動主要以落石形式發生，崩塌次之。出口采用雙耳墻明洞門，明洞長度80 m。

2.2 初始風險評估

根據危巖高度、山體坡度、危巖發育程度、危巖（落石）大小、落石區與鐵路工程的位置關系等5項因素進行定性（半定量）評估。

（1）危巖高度：本隧隧道出口上方山體最大高差約150 m，根據表1 ，此項評分f1= 7。

（2）山體坡度：根據圖1，本隧出口山體陡峻，平均坡度60°以上，此項評分f2= 6。

圖1 永興一號隧道出口縱斷面示意圖

（3）危巖發育程度：巖體為弱風化的灰巖、白云巖，石質堅硬，節理裂隙、裂縫較發育，危巖發育程度為嚴重，但現場調查坡腳落石為近期掉落，且未對當地房屋、道路等已造成危害，故此項評分f3= 7。

（4）危巖（落石）大小：坡面分布0～2 m崩積的松散塊石，對應表1，此項評分f4= 6。

（5）落石區與鐵路工程的位置關系：本隧洞口位于陡崖正下方，危巖掉落直接到達區域為隧道洞口附近，故此項評分f5= 9。

根據本隧危巖落石主要風險因素評估，認為危巖落石發育程度為重要影響因素，其參考影響因子分別取值為γ1= 2、γ2= 2、γ3= 3、γ4= 1、γ5= 2；危巖落石綜合評分為：

根據表3，初始風險等級評價等級為高度風險，為不可接受風險，需采取措施后降至中度（可接受）及低度（接受）風險。

2.3 危巖落石防護措施

2.3.1 清方

出口仰坡范圍，線路縱向長度100 m，隧道中線左側70 m，右側100 m范圍內進行逐點排查，對松動巖體、坡面落石進行清方，清除后局部采用漿砌片石嵌補。

2.3.2 攔截

（1）簾式網

簾式網覆蓋在山體表面，將落石控制在一定范圍內運動，防止落石彈跳，將落石引導至非危害區域。

考慮隧道仰坡高陡，落石落差大且對線路危害較大，于隧道仰坡范圍50 m，隧道中線左側56 m，右側83 m范圍內1道張口式簾式網，簾式防護網柱高5 m，防護坡面長度約38 m，防護平均寬度約132 m。

（2）被動網

被動網用于攔截斜坡上的滾落石，避免下方主體結構遭受破壞，或緩沖落石運動，降低能量。

考慮出口洞頂坡度較陡，落石落差大，為規避簾式防護網引導的高位落石向線路方向滾落形成災害的風險，于左線線路中線左側66 m，左線線路中線右側80 m范圍設置1道被動防護網，柱高6 m，防護長度約159 m。

2.4 殘留風險評估

2.4.1 Ⅰ期殘留風險評價

根據Ⅰ期殘留風險評價原則，考慮清方及局部加固后對落石的高度、體積等參數進行調整，采用Rockfall軟件重新分析落石軌跡及沖擊能量（沖擊力），進行相應評級折減。

按兩種工況進行考慮，工況1為不考慮清方，體積為2 m3落石從危巖區150 m處脫離，并向下滾落；工況2為考慮清方及加固后，體積為1 m3落石從危巖區150 m處脫離，并向下滾落，模型中計算參數如表9所示。

表9 計算參數表

落石水平初速取0.1 m／s，隨機拋擲50次，落石落點位置，未考慮清方落石運動軌跡主要集中于距離明暗分界70～100 m處，如圖2所示；最大沖擊能量為5 300 kJ，如圖3所示；考慮清方后落石運動軌跡變化不大，如圖4所示；最大沖擊能量為2 530 kJ，如圖5所示；以上分析說明清方后能夠有效減少落石沖擊能量。

圖2 工況1落石運動距離示意圖

圖3 工況1最大沖擊能量包絡線示意圖

圖4 工況2落石運動距離示意圖

圖5 工況2落石運動距離示意圖

2.4.2 Ⅱ期殘留風險評價

根據Ⅱ期殘留風險評價原則，考慮設置合理、有效的主被動攔截措施后，采用Rockfall軟件重新分析落石軌跡及沖擊能量（沖擊力），進行相應評級折減。

考慮體積為1 m3落石從危巖區150 m處脫離，并向下滾落。落石水平初速取0.1 m／s，隨機拋擲50次，落石落點位置，考慮攔截措施落石運動軌跡主要集中于距明暗分界30～70 m處，如圖6所示；最大沖擊能量為1 850 kJ，如圖7所示。以上分析說明通過清方后的落石在采取有效攔截措施以后，能有效控制減少落石最遠運動距離，并能減少殘余沖擊能量。

圖6 落石運動距離示意圖

圖7 最大沖擊能量包絡線示意圖

2.4.3 Ⅲ期殘留風險評價

根據Ⅲ期殘留風險評價原則，采取明洞防護措施后是否存在明洞防護長度不足、明洞結構抵抗落石沖擊能力不足的風險。

根據上述計算成果，考慮簾式網及被動網攔擋后，落石最終運動范圍主要集中于距明暗分界30～70 m處，說明考慮有效的攔截措施后，永興一號隧道進口明洞長度80 m是合理的。

采用大型通用有限元軟件ABAQUS／explicit模塊雙耳墻式明洞結構進行動力計算，建立二維平面應變模型。明洞上回填土層按3 m考慮，下部圍巖邊界約束豎直方向位移，左右圍巖邊界約束水平位移。

計算結果從結構受壓和受拉兩方面的性能進行考慮，受拉性能以鋼筋拉應力作為評判依據，全環鋼筋最大應力達到400 MPa（HRB400鋼筋彈性極限）認為鋼筋破壞，受壓性能以混凝土壓損傷結果作為判據，局部素混凝土部位以混凝土受拉損傷結果作為參考，混凝土損傷因子達到0.8以上認為結構因出現宏觀裂縫而失效。大量計算結果表明，在明洞承受落石沖擊的過程中，破壞是從拱頂開始，并且在上述3種失效判據中，多數情況是鋼筋首先破壞。

分別模擬落石以10 m／s、15 m／s、20 m／s、25 m／s、28 m／s、30 m／s的速度沖擊結構，不同速度下對應的鋼筋最大應力如圖8所示，混凝土拉壓損傷如圖9所示。

圖9 混凝土拉壓損傷結果示意圖

從以上結果可以看出，隨著落石速度的增大，鋼筋最大應力也不斷增加，落石最終“嵌入”的深度也在增加；當落石速度達到25 m／s左右時，鋼筋開始屈服；當速度達到28 m／s左右時，鋼筋接近抗拉極限強度，結構開始受拉破壞；同時，混凝土結構拱頂受拉和受壓裂縫幾乎同時完全貫通。

動力學計算表明，常規明洞結構最大能承受的3 m3的落石25 m／s的速度的沖擊，對應2 453 kJ的沖擊能量。根據前述計算結果，明洞范圍內落石最大沖擊能力為200～1 850 kJ，均小于常規明洞結構承受2 453 kJ的沖擊能量。

2.4.4 殘留風險評價

根據Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期殘留風險評價結果，對危巖高度、山體坡度、危巖發育程度、危巖（落石）大小、落石區與鐵路工程的位置關系等5項因素進行重新評分。

（1）危巖高度：考慮隧隧道出口山高坡陡，將所有危巖落石進行全部清方及加固處理施工難度大，故本隧隧道出口上方山體最大高差評分不修正，仍為f1= 7。

（2）山體坡度：本隧出口山體陡峻，未進行大規模刷坡，故不對山體坡度進行修正，此項評分仍為f2= 6。

（3）危巖發育程度：考慮清方及加固后，應對此項適當折減，故此項評分修正為f3= 4。

（4）危巖（落石）大小：考慮設置簾式網以及被動網后，大體積落石能被有效攔截，應對此項評分進行適當折減，此項評分修正為f4= 4。

（5）落石區與鐵路工程的位置關系：考慮明洞結構防護長度大于落石運動軌跡，且有一定富余，難以直接達到鐵路洞口，故此項評分修正為f5= 2。

根據修正后落石主要風險因素評估，其參考影響因子不做調整，修正后危巖落石綜合評分為：

根據表4，修正后殘留風險等級評價等級為中度風險，為可接受風險。

3 結論

（1）通過現場調查、評分、落石軌跡分析、防護結構計算等多種手段進行定性和半定量的分析，建立危巖落石風險分級評價體系是合理的，能有效識別風險和分析問題。

（2）采用ROCKFALL等軟件分析落石軌跡，根據落石運動距離確定合理的明洞長度是十分有必要的。從經濟性考慮，落石運動距離不應忽略攔截處理措施后對其的影響，否則設計過于保守，代價較大。

（3）采用混凝土壓損傷結果和鋼筋受拉屈服兩方面的性能指標評價明洞結構抵抗落石沖擊能力是較為合理的。貴南高速鐵路隧道明洞結構抵抗落石沖擊能量最大值為2 453 kJ，對于能量大于此值的落石應采取清除、攔擋、明（棚）洞防護等綜合治理手段。