基于Rocfall模擬的鐵路危巖落石動態特征及防治方案評估

竇鴻威

摘要 文章以某鐵路危巖落石工點為研究對象，通過現場調查揭示了危巖體的發育規模和特征，利用Rocfall模擬了危巖落石的運動特征和致災范圍，通過理論計算得到了落石碰撞沖擊能。在此基礎上，提出了基于落石沖擊力學響應計算的明洞方案和采用主被動防護網和攔石墻組合防治的路基方案，并進行了技術經濟比選，可為類似工程地質條件下的危巖落石防治提供借鑒和參考。

關鍵詞 危巖落石；Rocfall模擬；沖擊力學響應；技術經濟分析；鐵路地質安全

中圖分類號 P694文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0081-03

0 引言

受地質和外界因素影響，陡峭邊坡上的巖體可能失穩脫落，以墜落、跳躍、滾動或滑動等方式快速下移，形成落石。山區危巖落石頻繁且不可預測，對交通路線構成重大威脅，嚴重影響人身財產安全及國家交通運輸[1-2]。因此，有效、合理且經濟地治理鐵路沿線落石，對確保鐵路安全至關重要。

了解坡面危巖特性是確定防治目標的基礎，明確落石運動軌跡和范圍是攔截的前提，而確定沖擊力則是防護設計的核心。有效防治落石須全面調查以上三方面，并據此選擇恰當的防護工程和設計。危巖落石災害防治中，除了清除危巖、設置防護網等主動措施外，棚洞和明洞等被動攔截措施也被廣泛應用。其中明洞具有抗沖擊性能更強、結構受力更合理、沖擊力緩沖更有效、地質擾動更小及環保等優點[3]，能有效降低落石危害，確保交通安全。而落石沖擊下的明洞結構力學響應復雜，與其結構特性、落石規模、回填土厚度等多因素相關[3-4]，涉及大變形、應力傳遞和復雜的能量轉換[5-7]，定量評價明洞結構的力學響應成為明洞防護的關鍵。

20世紀中期以來，國內外學者對落石的運動特征[1，8-9]、危險性評價方法[10-11]、致災特征和防治措施[12-13]作了較多的研究。有效預防落石災害是各種防護措施最基本的功能，但現有研究主要關注防護措施的選擇或定性分析防護效果，缺乏對防護工程防護能力的定量分析。且在相同防護能力下，經濟成本是決定防護工程設計的關鍵。定量評估防治措施的防護能力，綜合考慮其經濟成本，對更安全和更經濟的落石防護設計至關重要。

因此，該文以某鐵路危巖落石工點為研究對象，通過現場調查、軟件模擬和理論計算，分析邊坡落石運動規律、沖積能量和可能致災范圍，并對基于落石沖擊力學響應計算的明洞方案和采用主被動防護網結合攔石墻防治的路基方案進行技術和經濟方面的比選，以期為危巖落石防治決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

該危巖落石工點為一廢棄采石場，位于剝蝕丘陵區，坡度30 °～40 °，山體植被不發育，坡表巖性主要為花崗巖和花崗閃長巖，褐黃色～淺灰色間灰黑色，強～弱風化。坡體整體穩定，但因開采爆破，巖體切割成塊體狀，產生了縱橫交錯的節理裂隙，在重力、風化應力、地表水滲透壓力等作用下與母巖逐漸分離，形成潛在危巖，對鐵路施工及后期運營造成威脅。

1.2 研究方法

1.2.1 落石沖擊力計算和落石軌跡模擬

據尼·米·羅依尼會維里的方法[1]計算落石速度，根據《路基》和《隧道》方法計算落石沖擊力，利用Rockfall模擬落石的運動軌跡、計算落石影響范圍、彈跳高度和沖擊能量等。

1.2.2 明洞結構抗落石沖擊性能評估

通過Midas GTS采用桿系有限元模型計算襯砌結構內力，根據《鐵路隧道設計規范》（TB 10003—2016）計算鋼筋混凝土結構截面安全系數和最大裂縫寬度，評估其在落石沖擊荷載下的抗沖擊性能。

2 結果與分析

2.1 落石沖擊力及運動軌跡

現場調查坡腳落石塊徑為0.4～1 m，分別取塊徑為0.4 m、0.6 m、0.8 m和1 m的落石進行典型代表剖面計算分析，緩沖層參數見表1，結果見表2。通過綜合比較分析，鐵路工程設計技術手冊《隧道》法考慮的因素更全面，按不利設計原則，結構驗算時落石沖擊力采用《隧道》法計算成果。

取坡面法向恢復系數0.5和切向恢復系數0.95模擬落石跌落軌跡（見圖1）。當落石滾落在坡腳平臺時，落石運動速度在15.07～19.78 m/s之間。落石主要落在鐵路左側坡腳平臺內，與鐵路明洞側壁水平距離為1.5～22.3 m，落石彈跳高度0.6～1.5 m，統計得出隧道左側洞壁沖擊力在23.5～332.1 kN之間，下落軌跡線與坡面線的夾角較小。落石對鐵路施工及運營造成潛在威脅，應結合工程實施情況，針對性采取防護措施。

2.2 防護工程設計

2.2.1 明洞方案

明洞采用深挖路塹式結構（墻底開挖，回填2～4 m）。開挖前，對線路兩側松動危巖體進行清理后遵循“永臨結合、臨時防護為主”原則設置防護網，施工完成后僅保留洞口范圍環形防護網，其余拆除。

2.2.2 主被動防護網和攔石墻方案

路基工程設計時，需根據落石滾落軌跡，修整邊坡、清除坡面松動危石并設置主動防護網，以提高坡表危巖體的穩定性，阻止崩塌落石的發生。

2.3 設計方案評估分析

2.3.1 明洞抗沖擊性能評估

明洞拱墻和仰拱采用C35鋼筋混凝土，主受力筋為HRB400級鋼筋，直徑25 mm，布置間距150 mm。根據該段實際覆土情況，取1 m塊徑落石沖擊下的拱頂梁單元追加最大平均超載（18.28 kN/m和8.39 kN/m）作為荷載，選取3 m和4 m緩沖層條件下的截面控制點進行結構內力模擬和檢算。結構內力模擬結果顯示（見圖2），最大彎矩和最大軸力發生在拱頂梁單元，3 m緩沖層條件下為420.923 kN·m和461.388 kN，4 m緩沖層條件下為450.297 kN·m和518.969 kN。

檢算結果見表3，根據《鐵路隧道設計規范》（TB 10003—2016），鋼筋混凝土結構拱頂、拱腰、邊墻、墻腳以及仰拱等不同部位的安全系數均大于2.4，達到抗拉抗壓極限強度；最大裂縫寬度均小于0.2 mm，滿足裂縫要求。

2.3.2 技術經濟效益評估

在技術上，路基方案的主被動防護網加攔石墻組合攔截落石后易形成堆積，需定期清理維護；明洞方案僅需施工前清理坡表松散危巖體，施工中采用被動防護網防護，施工后拆除防護網，無后期維護。在經濟上，路基方案涉及危巖落石防護、落石支擋、邊坡防護以及排水工程，其中危巖落石防護工程包括被動網、主動網和攔石墻；明洞方案無須以上工程，且減少征地拆遷，總計節約2 800 000元。在工期上，路基方案征地面積大、危巖整治工程復雜，工期較明洞方案延長約3個月。綜上，明洞方案工期短，安全性、耐久性和經濟效益高。

3 結論

該文以某鐵路危巖落石工點為研究對象，綜合運用現場調查、理論計算、數值模擬等手段，確認了該區落石會對鐵路施工及運營存在潛在威脅，充分評估路基方案和明洞方案的防護能力、工程造價和工期后，確定明洞方案為該區落石防治的最優措施。針對類似工程條件下的危巖落石防護，應結合工程實際情況，充分評估防護措施防護效果、經濟成本和工期，達到落石防護結構設計的高安全性和經濟性。

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