赵秋林
(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)
摘 要：根据兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石发育情况,利用rockfall软件,建立危岩落石运动模型,分析落石的运动特征,实现危岩落石可视化,结合落石运动轨迹、落点分布情况、冲击能量、冲击力、弹跳高度、位移偏移量等研究成果,提出接长明洞和主被动防护相结合的落石综合防护措施。结果表明：在坡面坡积层和明洞回填土缓冲和消耗作用下,接长明洞和主被动防护网相结合的方法可有效防护危岩落石,降低落石冲击风险,保证洞口的安全。可保证隐式中墙复合式连拱隧道施工安全
关键词：铁路隧道；危岩落石；运动特征；防护
Abstract： Based on the rockfall development of Lanzhou-Chongqing railway Fanjiaping Tunnel exit, the rockfall software to establish the dangerous rock movement model, analyze the motion characteristics of rockfall and realize the visualization of rockfall. In view of the trajectory, distribution, impact energy, impact force, bounce height, displacement offset and other research results associated with rockfall, comprehensive protective measures against rockfall are proposed by means of open cut tunnel extension and combination of active and passive protection. The results show that the proposed measures can effectively protect portal safety and reduce the risk of rockfall and guarantee normal construction of compound arch tunnel.
Key words： Railway tunnel; Rockfall; Motion features; Protection
随着铁路工程建设的空前加快，隧道向山区的不断延伸，越来越多洞口因危岩落石而造成安全事故时有发生，如既有的成昆线和宝成线1971年至1992年，成昆铁路北段受落石冲击238次，中断行车达38 d；特别是乌斯河工务段区间，仅1970至1983年间就受落石冲击420次[1]。以上情况说明，危岩落石已严重威胁到铁路运营的安全，需要对落石进行系统研究和针对性的防护措施。
目前国内学者对危岩落石开展了一些研究工作。如：王玉锁等[2，3]提出了隧道洞口落石风险评估方法；叶四桥[4]等提出了隧道洞口段落石灾害危险性等级评价方法，同时对落石运动模式与运动特征进行了现场实验[5]，并对多种落石冲击力计算方法进行比较[6]；陈世刚[7]对隧道洞口危岩落石冲击力进行了计算。但洞口危岩落石分析和防护设计多停留在经验或理论研究上，仍有许多问题有待进一步解决。
以兰渝铁路范家坪隧道为依托，利用计算软件Rockfall建立危岩落石失稳模型，从危岩落石的运动轨迹[8]、冲击能量[9]、冲击力等方面进行了系统研究，提出了范家坪隧道洞口危岩落石防护措施。
兰渝铁路范家坪隧道区域为秦岭中山地貌，出口基岩裸露，植被较差，出口洞口斜坡为第四系上更新统砂质黄土、细角砾土，斜坡上方发育陡崖，高差近200 m，仰坡倾角平均在50°以上，基岩为灰岩，上部岩体陡立，节理和卸荷裂隙发育，其中长大节理：N20°W/67°S，L>30 m，带宽1.0～2.5 m，节理面粗糙，张开，将岩体切割成块状，结合力差；尤其上方发育有一大的垂直切割体，顶部切割严重，局部临空呈鹰嘴状突出，分布危岩、危石等不良地质体，在自然风化侵蚀或遇较强地震情况下，极易发生崩塌滚落，严重危及线路和行车安全。范家坪隧道出口地形见图1。
图1 范家坪隧道出口地形
根据隧道出口地形及危岩落石发育情况，利用rockfall软件对洞口上方“鹰嘴”处失稳岩体的运动特征进行模拟分析，坡面参数取值见表1。
表1 材料参数[10]
坡面切向阻尼系数Rt法向阻尼系数Rn灰面0.7120.315斜坡堆积体0.530.2坡底地面0.530.2明洞顶(混凝土)0.530.48
鉴于落石的冲击能量与质量有关，与落石运动轨迹无关，根据现场调查情况和节理裂隙发育情况，结合物探结果，选取方量为1 m3、密度2.5 t/m3的落石进行分析。
共进行了50次计算，结果显示，落石在下落过程中，发生了2次弹跳运动，其他过程为滚动。第一次发生在坡顶处的灰岩段凸点、第二次在刷坡顶点处，而落石最终的运动范围离明暗分界约20 m(明暗分界在85 m处)，主要落在距离坡脚6～16 m的位置。落石运动轨迹见图2，落石落点分布见图3。
图2 落石运动轨迹
图3 落石落点分布
在模拟过程中可以看出，有2个冲击波峰，分别在第一次和第二次弹跳运动的落点处，第一次落点在陡崖下侧坡面中间的坡积层上，冲击动能达到1 200 kJ，位于暗洞范围且距离隧道洞口较远，不会对隧道洞门结构造成较大影响；第二次为从刷坡顶点起跳直接落到隧道洞顶上，冲击为630 kJ。落石冲击能量分布见图4。
图4 落石冲击能量分布
冲击力是落石防护结构的主要荷载，是明洞、棚洞等防护结构设计的主要依据，与结构安全与否息息相关；冲击力过大，极有可能造成结构物直接变形、裂损等破坏，因此非常有必要对落石冲击力进行研究分析。综合比选，计算采用日本道路公团基于Hertz弹性碰撞理论及落石冲击力试验[11]得出的最大冲击力计算公式
式中 m——落石质量，t；
λ——拉梅常数，建议取1 000 kN/m2；
H——落石高度，m。
计算显示，落石冲击力随落石质量和高度的增加而增加，当落石质量为0.25、0.50、0.75、1.0 t时最大冲击力分别为260.43、413.41、541.73、656.25 kN，最大冲击力约为落石自重的100倍左右。
根据现场地形地貌及数值分析，范家坪隧道危岩落石防护主要采用主被动防护网+接长明洞的设计方案。
根据危岩落石分布情况，现场采用主动防护网和被动防护网相结合的防护措施[12]，结合落石落点分布和弹跳情况，分别在第一次、第二次变坡点设置2道防护网；由计算可知，落石最大弹跳高度约4 m，最大冲击能量约630 kJ，故防护网采用GPS2型SNS防护网，网高5 m，防护等级能力1 000 kJ[13]；根据叶四桥等对落石运动过程的偏移比的研究[14]，落石偏移比为0.3，考虑到落石从隧道顶部鹰嘴状部位跌落，高差约140 m，其偏移量约为42 m，出于保守考虑，偏移量取50 m，即防护范围为隧道中线左右侧各50 m的范围进行防护。如图5所示。
图5 范家坪隧道出口主被动防护设计
根据前面危岩落石运动轨迹计算可知落石落点位置最远可达到距隧道明暗分界里程约20 m的范围，出于运营安全考虑，范家坪隧道接长明洞按不小于25 m进行设计，富余5 m作为缓冲距离，有效避免落石灾害的威胁。
明洞洞顶回填土可降低落石冲击力，避免落石冲击对结构造成破坏，影响运营安全，参考隧道设计手册[15]的方法进行计算，并据此开展工程设计。
式中 P——落石冲击力，kN；
Q——落石重力，kN；
g——重力加速度；
V0——冲击时的速度，m/s，V0=u
K——石块沿山坡滚动阻力系数；
α——山坡坡度角；
T——冲击持续时间，s；
c——压缩波在缓冲土层中往返速度，
c=
v——回填土泊松比；
E——回填土弹性模量，MPa；
ρ——回填土密度，kg/m3。
将公式(3)代入公式(2)得
由公式(4)可知，落石冲击力与回填土厚度呈反比，回填土越厚则落石冲击力越小，对结构的破坏越小。根据隧道手册，回填土层的泊松比取0.25，弹性模量取20 MPa，不同质量、回填土层的落石冲击力计算结果如表2所示。设回填土层的冲击力对比见图6。
表2 落石冲击力计算结果
质量/t0.250.500.751.0缓冲土层厚度/m2345落石冲击力/kN97.09129.45145.63155.34
图6 设回填土层的冲击力对比
计算可知回填层可有效降低落石冲击对结构的破坏，其厚度对不同大小落石引起的冲击力的缓冲作用是不同的，一般可将落石冲击力降低63%～76%，且随着回填土厚度的增加，落石冲击力将进一步降低，但考虑到经济性和危岩落石发生的概率，洞顶回填土厚度2～5 m，从明暗分界至洞门逐渐减薄至2 m。
(1)落石冲击力、冲击能量与落石高度、落石质量线性关系明显，呈正相关规律，对于质量约1 t的落石沿坡度下落，冲击力约为其重力的100倍。
(2)通过运动轨迹及可能落点范围的模拟分析可知，落石落点范围在距隧道明暗分界约20 m范围，需接长明洞长度20 m以上。
(3)回填土厚度与落石冲击力呈反比关系，对于质量0.25～1.0 t的落石，采用厚2～5 m的回填土，可将落石冲击力降低63%～76%。
(4)通过模拟计算可知，坡面坡积层能极大地消耗落石机械能，落石第一层冲击波峰发生在暗洞范围，峰值约为1 200 kJ，发生在暗洞顶部；而落石运动至明洞顶部时仅为630 kJ，下降约50%，说明洞顶坡积层对落石防护具有重要意义，在设计中应严格遵循“早进洞、晚出洞”的原则，尽量采取零刷坡方式，充分发挥坡积层的消能及缓冲作用。
参考文献：
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ZHAO Qiu-lin
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)
中图分类号：U458
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.10.027
收稿日期：2017-01-11；
修回日期：2017-01-24
作者简介：赵秋林(1966—)，男，教授级高级工程师，1988年毕业于西南交通大学隧道工程专业，工学学士，主要从事地下和隧道工程设计与研究工作，E-mail：364157796@qq.com。
文章编号：1004-2954(2017)10-0137-04
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