陈伟志 李安洪 王鸿 姚裕春
（中铁二院工程集团）
摘 要：为满足艰险山区铁路隧道洞口高陡边仰坡与高位危岩落石加固防护需求，基于现场调绘、综合勘探及设计实践，开展隧道洞口高陡边仰坡类型划分、突出难题及防控对策研究。结果表明，高陡边仰坡可划分为浅覆盖型、岩质裸露型、浅覆盖-岩质裸露型、岩质裸露-浅覆盖型4类，高陡隐蔽性边仰坡面临勘察判识困难、治理难度大、材料设备运输及施工困难等突出难题；危岩发育区铁路隧道选线时宜优先绕避，绕避困难时应按“正穿山脊→斜穿山脊→正穿坡面→斜穿坡面”择优进洞，严禁在山谷或凹槽地势设置洞口；高陡隐蔽性边仰坡应综合采用“空-天-地”一体化勘察方式进行判识，并顺沿山脊或垂直坡面进行大断面勘测；欠稳定高位覆盖层边仰坡宜按滑坡工程进行检算、设计，危岩落石防控遵循“优先清除→主动加固→被动防护”原则；防治工程与隧道、桥台等应作为整体工程综合考虑，遵循“从上至下施工，先防护工程，后桥隧主体”施工工序。
关键词：艰险山区；隧道洞口；高陡边仰坡；危岩落石；防控对策
1 引言
我国西部艰险山区地形地质复杂，高陡自然岸坡或斜坡大量分布，边坡失稳致灾案例频发，严重威胁国家基础设施和人民群众生命财产安全。随着西部大开发、“一带一路”的深入推进，城乡基础设施、高等级道路与铁路建设数量多、规模大、标准高，大量的高陡自然岸坡或斜坡亟待加固防治。
近年来，国内外学者围绕隧道洞口及桥梁工程防灾减灾开展了一系列隧道洞口边仰坡加固及落石防护技术研究[5～8]。黄海宁等[5]针对郑万高铁宜万段隧道洞口边仰坡危岩，通过对15个隧道洞口边仰坡调查，总结了危岩发育分布规律，分析了危岩失稳模式，并探讨了边坡危岩崩落破坏演化过程。隋传毅等[6]为提高山岭隧道洞口端抗震性能，设计了框架梁支护体系加固洞口仰坡的振动台试验，结果表明框架梁支护体系通过限制仰坡岩土体自由运动增强了隧道洞口仰坡整体性。侯艳娟等[7]在分析隧道施工塌方中认为滑坡面位置不同将导致隧道洞口产生两类变形破坏，一是隧道随滑坡体整体滑动倾覆弯曲或剪坏，二是隧道与坡体滑面相交而产生蠕动挤压变形开裂。胡杰等[8]以成兰铁路某隧道出口仰坡为研究对象，开发了大型落石冲击边坡模型试验系统，揭示了近长方体落石初始滑移角度、形状及质量等对落石运动碰撞恢复系数的影响。
综上可见，针对隧道洞口段抗震设计、稳定分析及落石轨迹等方面已有较系统的研究，然而西南艰险山区铁路隧道洞口边仰坡往往地形高差显著、气候条件恶劣，甚至生态环境敏感、板块活动强烈，高陡边仰坡加固防护是否到位直接关联隧道安全进洞及桥梁正常运营。为此，本文以西南艰险山区典型的15座隧道洞口（均以字母简称命名）防护工程建设为例，基于现场调绘、综合勘探及设计实践，研究隧道洞口高陡边仰坡类型划分、突出难题及防控对策与案例。
2 艰险山区高陡边仰坡分类
根据现场勘察测绘成果及边坡坡体实际岩土分布特征，划分总结得到西南艰险山区15座隧道洞口高陡边仰坡类型，见表1。选取各类型隧道洞口典型高陡边仰坡大断面如图1所示。隧道洞口高陡边仰坡大致可划分为浅覆盖型、岩质裸露型、浅覆盖-岩质裸露型、岩质裸露-浅覆盖型4类。
表1 隧道洞口高陡边仰坡分类
图1 隧道洞口典型高陡边仰坡大断面
由表1可知，15个洞口边仰坡均分布有危岩落石，发育程度分为发育（4个洞口）、较发育（1个洞口）及零星发育（10个洞口）。现场调绘结果表明，艰险山区隧道洞口高陡边坡危岩落石往往具有分布范围广、规模大、落差高、粒径不均一、滚落轨迹确定难等特征。15个洞口边仰坡高度最大值达998m，平均值为352.9m，边仰坡坡度最大值达60°，隧道洞口边仰坡形态具有显著的高陡特征，这与线路通过区域海拔急剧上升或地形陡峻有关。15座隧道洞口均地处高烈度地震区，绝大部分洞口边仰坡址区的地震动峰值加速度达到0.2g，部分洞口址区地震动峰值加速度甚至达到0.3g。
由图1可知，ELS隧道进口边仰坡属于浅覆盖型，其特征是洞口上方全坡面覆盖粉质黏土，厚度为0.7～4.7m；DEL2#隧道出口边仰坡属于岩质裸露型，其特征是洞口上方全坡面板岩夹变质砂岩裸露；BLS隧道进口边仰坡属于典型的浅覆盖-岩质裸露型，其特征是洞口上方坡面土层覆盖（厚度0～10.8m）为主，局部岩质裸露，土层覆盖的边坡斜长占比约为75.0%；GDS隧道进口边仰坡属于典型的岩质裸露-浅覆盖型，其特征是洞口上方坡面岩质裸露为主，局部土层覆盖（厚度为0～4.6m），岩质裸露的边坡斜长占比约为72.5%。
3 高陡边仰坡突出难题分析
在高陡边仰坡分类的基础上，由勘察设计资料可知，艰险山区铁路隧道洞口高陡边仰坡面临的突出难题包括三方面。
（1）高位隐蔽性边仰坡勘察、判识困难
（2）隧道洞口高陡边仰坡治理难度大
西南艰险山区区域内陆震活动频繁而强烈，属于高烈度地震多发区，地震主要集中在活动断裂带上。例如BLS隧道出口和GDS隧道进口位于Ⅸ度地震烈度区，地震烈度≥0.30g，抗震难度大。此外，高位陡坡覆盖的潜在不稳定斜坡高差大、能级高、破坏力强[3，4]，危岩落石极度发育，危岩体分布广且高陡，边坡防治及落石防护难度大。
（3）高陡边仰坡治理材料、设备运输及施工困难
某铁路沿线高陡边仰坡多分布于无人区，道路难以通达。多数边坡极其陡峭，处于临界稳定状态，便道修建十分困难，且修筑变道易引发边坡失稳，边坡防治所需物资需采取特殊方式进行运输。在高陡边坡内人工挖孔及井下混凝土人工振捣施工面临高海拔、高原缺氧的恶劣气候环境，严重威胁工人人身安全，施工风险高。
4 高陡边仰坡防控对策及案例
4.1 高陡边仰坡防控对策
4.1.1 减灾选线
隧道洞口应绕避大范围危岩、落石发育或大规模崩塌地段，对局部危岩、落石和中小规模的崩塌地段绕避困难时，应根据病害类型及危害程度，合理选择线路位置。隧道洞口应选择在山脊或地形地势较平缓地段，按“正穿山脊→斜穿山脊→正穿坡面→斜穿坡面（避免顺山坡）”的次序择优进洞，严禁将隧道洞口设置在山谷或凹槽地势及陡崖下。表1中，正穿山脊进洞洞口2个、斜穿山脊进洞洞口2个、正穿坡面进洞洞口4个、斜穿坡面进洞洞口6个、侧穿山脊进洞洞口1个。
4.1.2 勘察对策
隧道洞口仰坡应进行大断面勘测，即勘测断面主轴应顺沿山脊或垂直于坡面，主轴断面不少于3个，相邻主轴间距20～30 m（必要时加密）；主轴断面向上勘测至山体坡顶，向下勘测范围至少包含洞口下方桥梁、路基等建（构）筑物设置区域。对于高位隐蔽、人员难以抵达的边仰坡，综合采用“空-天-地”一体化勘察判识[10]（图2），空类勘察包括航空测绘、航空物探、倾斜摄影、机载Lidar及真实感大场景等[11，12]；天类勘察包括北斗卫星定位勘测、多源光学遥感、热红外遥感解译及InSAR监测等；地类勘察包括钻探、水平钻探、地面物探、原位测试、岩土试验及调绘等。
图2 “空-天-地”一体化勘察
4.1.3 加固防护
（1）覆盖型边坡
加固防护对象主要是“浅覆盖型、浅覆盖-岩质裸露型、岩质裸露-浅覆盖型”3类高陡边仰坡，其边仰坡破坏模式为覆盖层沿基岩面或某一薄弱面整体滑动，坡体表层以坍滑为主，顶部出现张拉裂缝，致灾主要表现为掩埋隧道洞口、摧毁桥梁等[3，4]，甚至可能形成致灾链。为此，对隧道洞口上方欠稳定高位覆盖层宜按滑坡工程进行检算、设计[13]，一般洞口左右两侧一般分别设置2根锚固桩或锚索桩，浅覆盖型边坡则以间隔设置锚索（杆）框架梁的方式进行防护[14，15]。对含有贯通外倾结构面、深大卸荷裂隙的长大高陡岩质边坡也可参照上述对策予以加固防护。
（2）危岩落石
危岩落石遵循“优先清除→主动加固→被动防护”防控原则。
① 优先清除破碎清除隧道洞口边仰坡对铁路工程构成安全隐患的零星危岩体、斜坡孤石危岩、松动危岩、探头危岩及坡面浮石等。危岩清除面可采用锚杆（索）框架梁、锚墩式锚杆（索）加固防护，必要时外覆一层主动防护网。
② 主动加固
危岩落石范围和崩塌体规模较小或虽较大但距离线路较远时，可视具体情况采取清除、嵌补、支顶、主动网、锚固等原位处理措施。陡崖区或危岩体采用锚杆（索）框架梁、锚墩式锚杆（索）等加固措施[12]。
③ 被动防护
高陡危岩区优先选用“桩板式拦石墙+落石槽”进行拦截分流，必要时在拦石墙墙顶设置被动防护网或刚性防护网（防止落石越过墙顶），还可在拦石墙墙后设置张口式引导防护网（降低落石对拦石墙冲击能级）。拦挡建筑物的类型、结构尺寸、防护能级及位置应根据地形和落石的大小、数量、分布和弹跳轨迹综合确定，优先在撞击能量、落石弹跳较小处设置落石平台、落石槽、拦石墙、被动网、帘式网等措施进行拦截、引导。主体工程可延长隧道明洞或增设护桥棚洞，如图3所示。
图3 危岩落石防控示意
4.1.4 施工运输
（1）隧道洞口高陡边仰坡防治工程复杂，多有隧道、桥台等主体工程相互交叉，边仰坡防治工程和桥台、隧道洞口施工应作为整体工程综合考虑，施工前制定详细的施工组织方案。
（2）应结合地形条件合理选择材料设备运输方式，对设置便道困难的高陡边仰坡，可采取塔吊、缆索、栈道、分级泵送等进行材料及设备运输。
（3）加强工艺、工法和装备方面研究，包括复杂高陡边仰坡锚固桩施工工法，长距离、大高差混凝土泵送施工工艺，松散破碎岩土体深长锚索施工工艺，施工装备优化，如深孔混凝土振捣设备。
4.2 案例1：浅覆盖-岩质裸露型高陡边仰坡
4.2.1 概况
ELS隧道出口位于川滇南北构造带北段，为SN向安宁河断裂带、NE-SW向龙门山断裂带和NW-SE向鲜水河断裂带的交汇地带，受小金弧形构造带、雅江弧形构造带和川西前陆盆地的挤压，地质构造复杂，地震动峰值加速度为0.3g。隧道出口属于中低山地貌，地形起伏较大，自然坡度为35°～45°，坡顶与铁路轨道高差220 m。洞口上方覆盖第四系全新统坡残积碎石土（厚0～8.0 m），下伏基岩为糜棱岩，边仰坡中部局部岩质裸露，属于浅覆盖-岩质裸露型高陡边仰坡，坡面零星分布危岩落石。
4.2.2 防控对策
ELS隧道出口高陡边仰坡防控难题主要是“高位覆盖层+高烈度地震”，如图4所示。设计首先采用连续-非连续单元法（Continuum Discontinuum ElementMethod，CDEM）开展静力和地震工况下高陡边仰坡的破裂损伤模拟[16]，模型尺寸为450 m（x）×1 m（y）×267 m（z），模拟方法参见文献[17]，文中不再赘述，模型计算参数见表2。以汶川波作为地震动输入波，输入地震动峰值加速度为0.3g，滤波和基线修正后的输入波如图5所示。ELS隧道出口高陡边仰坡数值模拟计算结果如图6所示，其中破裂度是边坡覆盖层破坏程度的一种定量描述指标[16]，物理上表示边坡当前已有的破裂面积同灾害形成时的破裂面积之比。
图4 ELS隧道出口高陡边仰坡防控
表2 高陡边仰坡模型计算参数
图5 输入汶川波波形图
图6 高陡边仰坡破裂损伤
由图6可以看出，对于静力工况，高陡边仰坡基本处于稳定状态，边仰坡最大破裂度仅为0.91%。在地震工况下，隧道洞口上方及边仰坡顶部形成2处明显的破裂致灾区，最大破裂度达到6.60%，边仰坡也产生了明显滑移迹象，统计结果见表3。
表3 高陡边仰坡破裂变形统计
结合仿真模拟结果，采取以下设计对策对ELS隧道出口高陡边仰坡进行加固防护，即图6（b）洞口上方破裂区1（洞顶上0～76m）全坡面设置1组锚杆框架梁，洞顶上76m至坡顶间隔设置5组锚杆（索）框架梁，其中破裂区2土层覆盖厚度较厚，故采用“2组锚索框架梁+1组锚杆框架梁”予以加固防护；洞顶上设置1道被动柔性防护网以防零星落石与异物侵入铁路正线，工程防护高程与宽度详见图4。
4.3 案例2：岩质裸露-浅覆盖型高陡边仰坡
4.3.1 概况
GDS隧道正穿坡面进洞，进口位于瓦斯沟右岸，小里程端接升航大桥，山顶与铁路轨顶相对高差370m，自然边坡坡度约40°，如图1（d）所示。瓦斯沟两岸为高山峡谷地貌，下伏基岩为奥长花岗岩，洞口上方节理裂隙发育，山坡发育顺坡节理，见多处楔形体、倒悬体，坡脚附近分布较多块径大于1.0m的滚石。瓦斯沟两岸50a超越概率10％平均场地水平向地震动加速度峰值为0.30g，50a超越概率2％平均场地水平向地震动加速度峰值0.50g。GDS隧道进口上方为岩质裸露-浅覆盖型高陡边仰坡，坡面危岩落石发育。
4.3.2 防控对策
GDS隧道进口高陡边仰坡防控难题主要是“高位危岩落石+高烈度地震”。采用CDEM模拟静力和地震工况下洞口上方0～100.8m覆盖层的破裂损伤，其模拟方法及结果类似于ELS隧道出口边仰坡，文中不再赘述。
另一方面，设计还采用CRSP-3D三维落石软件（离散元DEM）进行落石三维仿真模拟[18]，DEM主要是基于数值积分和动态松弛原理求解运动方程，利用运动方程对岩石和斜坡相互作用进行较为精确的模拟。根据倾斜摄影资料，建立瓦斯沟区域三维模拟模型，如图7所示。软件中初始裂隙发育程度（F）表征危岩块体中裂隙的发育情况，初步按岩体的RQD值来确定，本次模拟的危岩大小为单体1～4m3，不考虑大型岩体碎裂效应，裂隙发育程度F取0；粗糙度表征在坡体上对落石形成障碍的岩石分布情况，洞口边仰坡植被发育较好，多为灌木，未发现对落石构成明显阻挡的障碍物，坡表粗糙度取0.1；坡表硬度表征坡体地表弹塑性特征，即落石碰撞后的弹性恢复系数[19]，洞口边仰坡坡表包括花岗岩和碎石土，花岗岩坡表硬度取0.53，碎石土表硬度取0.36。
图7 区域三维模拟模型
瓦斯沟区域落石三维仿真模拟结果如图8所示，由图8可以看出，由于GDS隧道正穿坡面进洞，落石基本沿坡面滚落，其速度、跳高、运动能量及冲击力均呈全坡面分布趋势，正对隧道洞口方向。洞口上方仰坡落石运动过程中最大速度为35m/s、最大跳高为18.0m、最大运动能量为30000kJ，最大冲击力为5000kN，到达隧道洞口的落石速度为20m/s、跳高为9.0m、运动能量为15000kJ、冲击力为2100kN。可见，GDS隧道进口仰坡坡面落石风险大，严重威胁铁路安全。
图8 落石三维仿真模拟结果
结合仿真模拟结果，提出GDS隧道进口覆盖层稳定控制设计对策，即隧道洞口左右两侧各设置2根锚索桩，洞口上方0～100.8m覆盖层从下至上间隔设置3组锚杆框架梁，如图9所示。危岩落石防护对策包括：（1）清除边仰坡松动危岩体，隧道洞口明洞接长15.0m，洞顶设置1道被动柔性防护网；（2）洞口上方设置1道桩板式拦石墙，墙后靠山侧设置1道台阶型落石槽，并将其依山而走引至山底安全处；（3）桩板式拦石墙靠山侧设置1道张口式引导防护网，降低落石对桩板墙的冲击效应，防护网迎坡面以上宽下窄的喇叭口型设置。稳定控制、落石防护工程和桥台、隧道洞口施工应作为一整体工程综合考虑，施工工序遵循“从上至下施工，先防护工程，后桥隧主体”。
图9 GDS隧道进口高陡边仰坡防护设计
5 结论
（1）隧道洞口高陡边仰坡可划分为浅覆盖型、岩质裸露型、浅覆盖-岩质裸露型、岩质裸露-浅覆盖型4类，其面临着高位隐蔽性边仰坡勘察判识困难、洞口高陡边仰坡治理难度大、材料设备运输及施工困难等三大突出难题。
（2）减灾选线时隧道洞口应绕避大范围危岩、落石发育或大规模崩塌地段，对局部危岩、落石和中小规模的崩塌地段，绕避困难时洞口应设置在山脊或地形地势较平缓地段，按“正穿山脊→斜穿山脊→正穿坡面→斜穿坡面”择优进洞，严禁将洞口设在山谷或凹槽地势及陡崖下。
（3）隧道洞口高陡边仰坡应顺沿山脊或垂直于坡面进行大断面勘测，向上勘测涵盖山体坡顶，向下勘测包含洞口下方桥梁、路基等建（构）筑物设置区域；对于高位隐蔽、人员难以抵达的边仰坡，综合采用“空-天-地”一体化勘察判识。
（4）隧道洞口上方欠稳定高位覆盖层宜按滑坡工程进行检算、设计，洞口左右两侧一般分别设置2根锚固桩或锚索桩，洞顶上方浅覆盖型边坡及含有贯通外倾结构面、深大卸荷裂隙的长大高陡岩质边坡则采用间隔设置锚索（杆）框架梁等措施。
（5）洞口边仰坡危岩落石防控原则遵循“优先清除→主动加固→被动防护”，即破碎清除对铁路工程构成安全隐患的危岩体，危岩清除面或落石范围及崩塌体规模较小时采取原位加固，高陡危岩区优先选用桩板式拦石墙辅以张口式引导防护网和被动防护网或刚性防护网进行拦截分流。
（6）在陡坡地段，高陡边仰坡防治与隧道、桥台等主体应作为一整体工程综合考虑，施工工序遵循“从上至下施工，先防护工程，后桥隧主体”，材料设备运输综合比选采用塔吊、缆索、栈道、分级泵送等方式。
本文摘编自《现代隧道技术》第62卷第1期(总第420期), 2025年2月出版，参考文献略。