蔡峰[] 杨姣[]
中铁二局第二工程有限公司， 四川 成都 610000
摘 要：云贵高原地处我国西南部，岩溶地貌、悬崖峭壁、岩体节理裂隙等发育，易形成落石、泥石流等灾害，对施工和线路的运营造成危害。本文以成贵铁路白杨林隧道进口危岩落石整治工程为依托，以高陡边坡危岩落石灾害为研究对象，经过现场调研，采用理论分析结合数值模拟的方法，对高陡边坡危岩落石运动轨迹、特性及危岩落石影响的范围等进行了总结，对白杨林隧道洞口危岩落石灾害风险进行了评估。
关键词：危岩落石；隧道洞口；风险评估；运动轨迹；高陡边坡
0 引言
随着我国西部大开发的不断推进，云贵高原成为了限制其经济发展的重要原因。地质条件复杂的西南山区，受地球内、外部活动因素的影响造就了各类危岩落石、滑坡、泥石流等自然灾害，这种灾害给工程建设带来极大挑战，其中落石灾害风险高，研究环节薄弱。
国内外学者对于隧道洞口落石灾害也有过研究，如国内学者胡厚田[1][2]通过对比铁路、公路沿线落石实例分析得出落石的形成机理，同时将落石形成分为三个阶段：潜在形
成、蠕变位移、突然崩塌；学者陈洪凯[3]根据岩体原始状态和初始速度等进行分析，将落石运动形式划分为五种基本类型；王立人[4]通过对奉节李子娅危岩体形成机制的研究，得出上硬下软二元地质结构边坡是其形成内在因素，底部采空引起上部岩体变形是危岩体形成的直接原因。
国外学者Hoek[5],Dorren[6],Sass[7],Matsuoka[8]等对引起岩体稳定状态改变而诱发落石灾害的自然因素进行了归纳，其中包括雨水、侵蚀、冻融、化学降解、风化作用、地震、动植物作用、以及人类工程活动等。
危岩落石的形成是多种影响因素共同作用的结果，可以将影响危岩落石形成的影响因素分为内、外两种因素，内在因素包括地震、地层岩性、结构面等；外在因素包括气象水文、风化、人类工程活动等。由于影响危岩落石形成的因素很多，各因素相互作用，对危岩落石形成的重要程度也不同，为危岩落石灾害的深入研究带来了一定难度。
1 本文研究背景
白杨林隧道进口危岩落石整治工程位于白杨林隧道进口（里程DK473+030）上方，该危
岩落石属上方陡崖+下方斜坡型地貌，陡崖为断层形成，较铁路路肩高约150m，距隧道洞口水平距离约115m，陡崖坡度80～85°，斜坡自然坡度30～50°，相对高差约85m，植被较发育，见图1.1。
该危岩落石主要地层岩性为：上部为第四系坡残积，下部岩层主要岩性为灰岩、白云岩夹泥质灰岩、泥质白云岩、页岩、弱风化泥岩、页岩夹灰岩、灰岩夹薄层页岩，岩层厚度0.2～2m不等，可见透镜体发育，岩层可见背斜，岩石表面见刀砍纹，崖面发育倒悬，溶蚀严重。
地质构造：陡崖中下部整体趋于稳定。卸荷裂隙主要分布于崖面倒悬体上，倒悬体往后裂隙被充填；受构造影响，陡崖上岩层产状紊乱，节理裂隙发育，节理间距2～5m，节理延伸长约2～7m，张开宽1～2cm，其间充填少量黏土，贯通性较差。根据节理组数、间距、岩层的单层厚度及产状、切割关系，预测可能滚落的单块最大危岩体积约12m3。
周边环境：白杨林隧道进口危岩落石下部主要为鸭池河特大桥桥梁主体工程、大桥主跨施工所有的锚锭和扣挂系统、混凝土拌合站、钢筋加工棚、职工宿舍、施工便道等，这些主体工程、配套及临时设施均位于危岩落石滚落范围内，周边环境极其复杂，见图1.2。
图1.1 白杨林隧道进口危岩落石正面图 图1.2 白杨林隧道进口危岩落石周边环境
2 危岩落石坡面运动规律模拟
本文通过对白杨林隧道进口危岩落石典型断面的坡形，假定落石运动初始速度、恢复系数等相同，落石质量不同，对危岩落石的运动轨迹进行研究，通过Rockfall对落石的几种典型断面坡形进行运动模拟，对比落石的落点、弹跳高度等落石运动参数，分析该隧道工程洞口边坡坡形的危险程度。
断面模型由坡面及坡脚组成，坡面陡坡段坡度为80～85°，陡坡段坡面高40～45m，缓坡段坡长100～130m（白杨林隧道进口距陡坡脚水平距离约100m），缓坡段坡面坡度为30°～40°，坡面整体呈现上陡下缓态势。通过Rockfall对六种质量不同的落石进行模拟，每种落石模拟50次，坡面最高点为80m，落石起点坐标（10，80），初始速度Vx=0.5m/s；Vy=0m/s，得到不同质量落石下落运动轨迹，根据落石轨迹图、弹跳高度等进行对比分析，对白杨林隧道进口高陡边坡危岩落石灾害风险评估提供依据，落石质量参数见表2-1。落石碰撞法向恢复系数根据现场坡面铺装类型及叶四桥[9]等建议的法向恢复系数取值，本文取法向恢复系数为0.28；切向恢复系数根据坡面铺装类型及叶四桥[10]给出建议，本文切向恢复系数取0.76，具体坡面运动参数见表2-2，六种坡面的落石运动轨迹图如图2-3所示。
表2-1 落石运动模拟参数统计表
落石质量(KG) 模拟次数 最大弹跳高度（米） 水平运距＞90米（处）
500 50 12 15
400 50 15 16
300 50 18 22
200 50 19 31
100 50 18 41
50 50 25 48
表2-2 坡面运动参数表
法向恢复系数丨标准差 切向恢复系数丨标准差 摩擦角丨标准差（°） 坡面粗糙度（°）
0.28丨0.05 0.72丨0.08 35丨2 2
图2.1 落石运动轨迹图
2.1运动轨迹
从落石轨迹图中可以看出，落石在80～70m高度第一段运动为初始一小段飞行状态，在与岩面接触后转变为沿坡面滚动，凹型坡面为抛物线自由下落。凸型坡面及缓陡缓坡型在第一个变坡点坡面处坡度增大，其落石运动状态由滚动转变为脱离坡面的飞行状态，落石以抛物线飞过下方坡面直接与坡脚碰撞。
根据落石运动轨迹和落石质量的对比可以看出：落石质量越大，弹跳高度越低，但在下落碰撞后，落石会产生分解，分解的落石重新下落或飞行；落石质量越小，弹跳高度越高，水平运距越远，水平运距大于90m的占比在85%以上；凸型坡形与缓陡缓型坡形落石最近停止点位置都相对较远，原因分析类似这种陡缓坡形，落石在经过滑动结束或碰撞后，转变为飞行状态，飞行状态的落石带有足够的势能，并处于滚动状态，在坡面由陡变缓时，坡面的角度减小，运动能力反而更强，随着速度方向的改变，水平速度及距离增大，结果是水平落石停止点较远。根据落石的水平落点范围，可以对落石的水平距离影响范围进行预测。
对白杨林隧道进口危岩落石这六种典型坡面上的运动规律进行研究，因陡缓坡面的消能系数最小，根据典型断面落石运动的消能系数将白杨林隧道进口危岩落石坡形危险等级定义为最高一级。
以落石在坡面上的弹跳高度与水平运距两项指标为依据，提出针对白杨林隧道进口危岩落石及类似坡面，建议设被动防护网、清除倒悬体、支顶包裹、支撑倒悬体等方式进行防护。
3 初步风险评估
根据白杨林隧道进口危岩落石特点，我们参照落石初步风险评估方法（王广坤[11][12]）对白杨林隧道进口危岩落石进行初步风险评估。初评分项全部满足评估表，认定白杨林隧道进口为危岩落石区域，落石灾害初评风险等级为极危险，初步风险评价表3-1。
表3-1白杨林隧道进口危岩落石灾害初步评价等级表
初评分项 评价标准 分项是否满足 初评等级
边仰坡 坡面高、陡，不平整，上陡下缓 满足
极危险
结构面 岩石节理、裂隙发育、结构面多开裂 满足
堆积体 坡脚、坡面有崩积物停留 满足
历史落石 有历史落石灾害发生，坡脚防护措施近期有落石存留 满足
4 细部定量评估
白杨林隧道进口危岩落石初步评估判定为极危险，再根据细部评估（叶四桥[13]）对该工程进行确认，细部评估主要为以下几个方面：边仰坡高度、边仰坡倾角、防治及拦截效应、坡面地质、落石尺寸、气象因素、历史事件，见表4-2。
表中每项评估分为四级，通过对四级近似评分累加后除以8得出平均风险指标(满分为81分)，判定6分以下为轻微风险；6～18分为一般风险；18～54分为较大风险；54分以上为重大风险。细部评分分项指标说明见下表4-1。
表4-1 白杨林隧道进口危岩落石细部定量评估表
指标 说明
边、仰坡高度 落石掉落高度愈高，势能愈大、掉落的破坏程度愈强。
边、仰坡倾角 坡面倾角越陡，列车及线路结构遭落石击中的机率愈高。
防治拦截效应 根据历史的落石事件，考虑边、仰坡高度和倾角、明洞或棚洞长度、厚度和形状，综合评定明洞或其他拦截、防护措施是否可适当阻止落石危及隧道洞口段工程及行车安全。
坡面地质 将坡面地质特性分为岩层是否连续、存在断层、岩层破碎(第一类)、岩层间夹层类型的组成与侵蚀程度两大类(第二类)。
落石尺寸 评定落石可能掉落的最大尺寸，尺寸愈大掉落的冲击愈大。
气象因素 暴雨与地震为落石的两大诱因，取施工区域最高值作为气象因素的评分。
历史事件 由以往落石事件评定。遇暴雨或地震及有落石状况发生时，再据发生次数评为偶发生或常发生;无暴雨或地震仍有落石状态发生时，视为发生频繁。
表4-2 白杨林隧道进口危岩落石细部定量评估
分类 评估标准及风险度
3分 9分 27分 81分
边、仰坡高 仰坡高度 5m 10m 15m 20m
边、仰坡倾角（°） 10 30 45 55
防止拦截效应 落石不危及行车或路线 落石偶危及行车或路线 落石常危及行车或路线 落石皆危及行车或路线
边、仰坡面地质 一类 结构面 分布特征 不连续分布、有利方位 不连续分布，随机方位 不连续分布，不利方位 连续分布，不利方位
表面特征 粗糙、不规则起伏 节理凹凸起伏 节理平整 节理平滑，黏土填充
二类 风化侵蚀 结构地质条件 很少差异风化物 偶尔差异风化物 很多差异风化物 主要为差异风化物
风化速度差异 少侵蚀 中度侵蚀 高度侵蚀 极大侵蚀
可能落石尺寸 30cm 60cm 90cm 120cm
气候影响 低降雨区 中降雨区 高降雨区 高降雨区常有暴雨
弱震区 中震区 强震区 强震区且位于断层带
历史事件 少发生 偶发生 常发生 发生频繁
风险等级： 6分：轻微风险
9分：一般风险
27分：较大风险
81分：重大风险
5 工程应用
根据细部定量评估表，结合白杨林隧道进口危岩落石情况，我们对其进行评估如下：
（1）边仰坡高度:根据断面图落石处与隧道顶高差约110m，该项评分81分。
（2）边仰坡倾角:根据现场实际情况，陡崖倾角平均在78°以上，该项评分81分。
（3）防治拦截效应:由坡脚落石范围、周边情况、仰坡高度和倾角，鸭池河特大桥位置，根据落石滚动区域的预测，评定设置被动防护网不能完全阻拦落石，若有落石掉落，危及行车安全、工程实体的可能性极大，该项评分27分。
（4）坡面地质(结构面):结构面多发育倒悬体，分布不均匀，可见透镜体状危石，该项评分27分。
（5）坡面地质(表面特征):受构造影响，陡崖上岩层产状紊乱，节理裂隙发育。该项评分81分。
（6）落石尺寸:根据现场岩层厚度、倒悬体发育情况、节理面间距判定落石尺寸在1.5m左右。该项评分81分。
（7）气象因素:根据地震资料及气象资料，该地为高降雨区，地震动峰值加速度小于0.05g。地震动反应谱特征周期为0.35s。该项评分27分。
（8）历史事件:根据过去落石事件，评定为“常发生”，评分27分。
根据第5节的细部评分，白杨林隧道进口危岩落石风险度为432分，平均风险度为54分，确定白杨林隧道进口危岩落石风险等级为“重大危险”，必须采取防护治理措施。
6 结论
本文通过对白杨林隧道进口危岩落石工程现场调研，采用RockFall软件对可能发生的落石进行模拟分析，通过初步风险评估、细部定量评估对该隧道洞口仰坡落石风险进行判定，研究得到以下结论：
（1）通过对比不同质量落石水平运距、弹跳高度，综合分析得出上陡下缓型坡面落石运动轨迹得出:落石质量越大，弹跳高度越低，水平运距越小，落石质量越小，弹跳高度越高，水平运距越远。
（2）白杨林隧道进口高陡边坡危岩落石处于落石滚落范围内，危及线路及相关主体工程，原设计白杨林进口明洞长度不能满足防范危岩落石的需要。
（3）参考国内外隧道洞口边坡落石风险评估手段，对白杨林隧道进口危岩落石进行风险评估，确定该工程风险等级为“重大风险”，必须采用相应的防护措施。
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