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鐵路隧道明洞高陡邊坡加固防護與監測方案研究

文檔作者：袁叢軍文檔來源：中鐵第四勘察設計院集團有限公司		點擊數：	更新時間： 2022年12月13日
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鐵路隧道明洞高陡邊坡加固防護與監測方案研究：袁叢軍
文章編號：1672—7479(2012)01—0025—03
鐵路隧道明洞高陡邊坡加固防護與監測方案研究
袁叢軍
(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063)
Strengthening and M onitoring Scheme for High and Steep
Side Slope of Open Cut Structure of Railway Tunnel
Yuan Congjun
摘要根據分析與計算，隧道明洞高陡巖質邊坡通常受構造影響，巖體不利結構面發育，坡面小
型楔體分布，在外力作用下長期穩定性較差，可能沿 I盞空面形成危巖落石甚至崩塌等災害。工程設計中
宜采取延長明洞，增加明洞回填厚度，設置預應力錨索、防護網及自動化監測系統等綜合措施進行加固
防護與變形監測，以確保施工及運營的長期安全。
關鍵詞 隧道明洞 高陡邊坡楔體穩定性 落石軌跡沖擊力 邊坡錨索 變形監測
中圖分類號：U213．1+5；U452．1+1 文獻標識碼：B
1 概述
在山區，受線路曲線半徑的限制，不可避免的會出
現鐵路隧道穿越高陡巖質自然邊坡或人工邊坡的情
況。從安全角度考慮，鐵路隧道多遵循“早進晚出”的
原則，通常會采用加長明洞的形式從高陡邊坡下通過。
其上部高陡邊坡的穩定性與加固監測措施的可靠性，
在很大程度上決定了明洞與線路長期運營的安全性，
同時邊坡落石的軌跡影響明洞接長的長度；落石沖擊
力的大小決定明洞回填層的厚度與明洞結構的強度；
如何對這些問題進行正確的分析與評價是當前鐵路工
程設計中值得深入探討與思考的課題。
高邊坡穩定性分析的方法有多種，力學驗算法與
工程地質法應用較多，從實際工程情況來看，明洞上部
的高陡邊坡多為巖質邊坡，如宜萬鐵路、南昆鐵路、廣
深港鐵路等此類邊坡，基本為灰巖、石英砂巖或硅質巖
等硬質巖形成的邊坡陡坎，部分甚至高達100多m，且
受多組節理面切割形成危巖落石崩落后堆積于邊坡坡
腳。因此，巖質邊坡的穩定性在很大程度上受其主要
不利結構面的控制，不太適宜采用均一介質體的圓弧
法與直線滑動法計算。從工程設計實例來看，可采用
收稿日期：2011—10—14
作者簡介：袁叢軍(1980一)，2002年畢業于桂林工學院土木工程專業
工程碩士，工程師。
回彈值法或類比法分析邊坡整體穩定性，采用不利結
構面組合的楔體穩定性法分析邊坡局部穩定性，更接
近于實際情況。
對于落石路徑的分析一般根據可能滑動楔體的體
積大小，采用現場滾石試驗與室內RocFall計算軟件進
行落石路徑的模擬計算，繪制出落石軌跡圖。落石對
下部明洞結構的沖擊力計算多根據下落楔體的體積、
落距及明洞上部回填土的厚度與材料特征進行計算。
計算方法有隧道手冊法、日本道路公團法、楊其新法
等，從實際結果分析，采用隧道手冊法更接近實際情
況，能為鐵路隧道明洞結構的設計提供較為合理的
依據。
對于邊坡的加固防護措施目前都有較為成熟的方
法，高邊坡的穩定性受控制性的張性不利結構面控制
時多采用預應力錨索控制邊坡整體的穩定性，采用掛
網噴混及主被動網加強局部楔體的穩定性。從宜萬鐵
路葉溪河高邊坡、武黃城際鐵路談山隧道進口高邊坡、
廣深港客運專線赤崗采石場高邊坡等工程實例來看，
均取得了較為理想的效果。
此類高邊坡邊坡變形主要是滑動位移，以前采用
傳統的觀測樁方法，監測精度較低，費時費力，且因邊
坡高陡線路運營后人工測量的準確性與安全性難以保
證，所以傳統的監測方法已不適應于明洞高陡邊坡的
長期監測。目前的監測方案宜采用錨索計監測錨索預
26 鐵道勘察 2012年第1期
應力的變化與損失情況；采用位移計測量邊坡表層與
深層的滑動；采用固定式測斜儀測量邊坡水平位移；由
于運營后需要長期穩定的邊坡監測數據，所以傳感器
數據采用自動化系統采集，實現遠程無線、自動、實時
的邊坡監測預警。
2 工程實例
武黃城際鐵路談山隧道穿越湖北省黃石市談家山
脈，全長715 m，最大埋深110 rn，隧道進口明洞段
DK85+700～DK85+747位于人工開挖的采石場陡峭
山壁下，邊坡經長期采石開挖后高達110 m左右。邊
坡高程95 m以上的部分為沿主節理面形成的高約
20～30 m反坡陡坎；高程95 m以下部分呈不規則的起
伏坡面(如圖1所示)。
惶
圖1 談山隧道進口明洞段高邊坡縱斷面
2．1 邊坡巖體結構與水文地質條件
邊坡基巖為三疊系T 弱風化灰巖，灰褐色，巖質
堅硬，中厚層狀。從區域地質資料分析：高邊坡無大型
構造通過但受小型構造的影響，巖體節理裂隙發育，巖
體較為破碎。地下水不發育，僅少量基巖裂隙水沿張
性節理裂隙面滲出(如表1所示)。
表1 實測巖體結構面特征分析
視傾 間距 性質
面 ／ (。)／(。) ／／ (、o) ／ m ?
A 182
曰 215
C 135
D 350
85 84(縱) 3．5～5．5主節理，張性，控制性不利結構面
50 35(橫) 1．0～2．0 (產狀)張性主結構面
75 69(縱) 0．8～1．5 密閉節理，無充填物
69 65．3(縱)0．1～0．4 張性，少量泥質充填，不利節理
2．2 邊坡整體穩定性分析與評價
(1)邊坡穩定坡角分析
從野外回彈儀現場實際測量值分析(如表2、表
3所示)，其巖體強度相對較高，不存在明顯的軟弱夾
層問題，將所測的11個回彈值剔除最大值和最小值
后取平均值，再根據風化程度進行修正。有
R =尺f
式中R ——巖體風化層的回彈值；
．廠R—— 風化折減系數。
表2 實測巖體回彈值
塑 塞型旦堂篁 塑堡塹 篁
1 51 47 53 52 49 46 55 48 5】 52 55 5O．85 54．09
表3 邊坡穩定坡角分析
(2)楔體穩定性分析
根據實測的結構面，進行了結構面赤平投影與巖
體結構面分布分析。
主節理面(編號A)走向近平行于岸坡方向，規模
與間距均較大，延伸長度數十米，沿線路縱向間距
2．5～4．0 m，貫通性較好，形成傾向于大里程的陡傾反
坡面，為影響邊坡穩定的不利結構面。節理面(編號
D)為一組密集的張性節理面，傾向于線路小里程方
向，與密閉節理面c共同切割坡面巖體，在坡面形成
有一定張開裂隙的小型楔體。通過楔體穩定性計算，
節理面控制的巖體邊坡的破壞模式主要為小型的楔體
破壞模式，部分楔體穩定安全系數小于1．1，但因其規
模不大，可能下落的巖體一般直徑0．3～1．5 m。
2．3 計算落石路徑確定明洞加長的長度
選擇明洞進口右邊墻、左邊墻縱斷面圖為典型斷
面，進行落石路徑計算，采用RoeFall落石仿真模擬計
算軟件進行落石路徑計算，與現場的落石試驗結果進
行對比。坡面參數按照普通基巖出露面考慮法向恢復
系數 取0．35、切向恢復系數 取為0．85，這兩個
參數均考慮0．04的標準差；摩擦角取為3O。，標準差
取2。。
計算獲取了落石的范圍如下：右邊墻剖面大部分
落石落于距離坡角5—27 m的范圍內，少量落石會落
于距坡腳38～40 m處；左邊墻剖面大部分落石落于距
離坡腳7～22 m。與現場落石試驗結果對比，其計算
的落石范圍略偏大，計算結果偏于安全，當確定明洞需
鐵路隧道明洞高陡邊坡加固防護與監測方案研究：袁叢軍 27
要延長的長度時，建議按最大落距加安全緩沖距離
(5～8 m)綜合考慮。
2．4 計算落石沖擊力作為明洞結構設計強度
與回填土厚度的依據
落石的沖擊力由下式計算
P： f： 了
／ 1一 E
√ 。
式中： 一落石沖擊速度／(m／s)； 一沖擊持續時
間／s； 一緩沖層計算厚度／m；c一壓縮波在緩沖土層
中往復速度／(m／s)； 一回填土泊松比；E一回填土彈
性模量／kPa；p一回填土密度／(kg／in。)。
假設條件根據回填土類型，取回填土泊松比 為
0．21，彈性模量E取4 000 kPa，回填土密度P取21 t／，
m 。則
／ 1一 E
一√ ’
~／ 1-0．21 ×0．21) · 21 =14．6 m／s
2．5 邊坡加固防護設計方案
根據分析與計算，隧道明洞高陡巖質邊坡通常受
構造影響，巖體不利結構面發育，坡面小型楔體分布，
在外力作用下長期穩定性較差，可能沿臨空面形成危
巖落石甚至崩塌等災害，工程設計中宜采取延長明洞，
增加明洞回填厚度，設置邊坡預應力錨索、防護網及自
動化監測系統等綜合措施進行加固防護與變形監測，
以確保施工及運營的長期安全．
根據落石軌跡線路左側29．5 m，右側30 m寬范圍
內坡面按穩定坡角刷坡：在高程100 ITI處設2 1TI寬緩
沖平臺，下部邊坡坡率1：0．3；上部邊坡坡率1：0．5。
因明洞結構本身承受落石沖擊力有限，為防止邊坡
沿主要結反傾不利結構面產生大的崩塌失穩，根據主不
利結構面的走向、寬度與間距，對邊坡采用預應力錨索
加固，錨索索豎向間距4～6 ITI，橫向間距3 nl，矩形布置。
錨索孔徑110 mm，錨索設計長15～21 nl，錨固段長度
10—15 ITI，單孔錨固力450～600 kN，傾角15。。
為防止坡面小型楔體下落，明洞回填高程以上坡
面采用主動攔石網防護，邊坡頂部外7．5 m處設被動
攔石網。為防止地表水沿張開的不利結構面下滲，坡
頂外設天溝，天溝與邊坡頂之間C25混凝土封閉。
2．6 坡面變形監測方案
為保證施工與運營的長期安全，整個明洞上部高
邊坡坡面建立變形監測系統，邊坡沿線路橫向設置
9個監測斷面，每個斷面分別于緩沖平臺、及塹頂外
2．0 rfl各設置一個觀測樁，用于監測邊坡平臺及邊坡
頂部的變形位移情況。監測斷面在代表性位置安裝錨
索計，埋設在預應力錨索的錨頭處，用于監測錨索預應
力的變化，據鋼絞線的數量采用多弦智能型，據錨固力
選擇量程在400～600 kN，靈敏度0．1 kN。為準確監
測邊坡平臺的橫向剖面沉降變化，在監測斷面邊坡平
臺處埋設靜力水準儀。為測量邊坡的深層滑動，沿邊
坡表面布置3個位移計，埋設深度大于錨索長度，各傳
感器數據均接入自動化采集系統。
3 結論
(1)從環境保護與工程安全角度綜合考慮，鐵路隧
道明洞高陡巖質邊坡刷坡時不宜過緩，邊坡平臺分級不
宜過多，以避免從坡腳或平臺分級處出現應力集中破
壞。一般刷坡坡率在1：0．25～1：0．5，平臺分級不宜
多于3級，一般1～2級即可。緩沖平臺分級宜選擇自
然邊坡坡率變化或邊坡植被發育的相對穩定位置。
(2)邊坡穩定性與落石軌跡沖擊力是邊坡設計中
至關重要的一環，在一定程度上決定隧道明洞接長的
長度與明洞結構設計的強度，在勘察期間真實準確的
現場回彈值測試與現場落石試驗是有必要的。
(3)明洞上部回填緩沖土層厚度應當綜合安全、
技術及附近可用的土石材料的經濟性綜合考慮，由于
落石沖擊力的衰減與擴散效應，回填土緩沖層厚度并
非越厚越好，對于一般落距在50～100 in，楔體規模在
1．5 in 以內時，明洞上部采用碎石類土回填層時的厚
度不宜大于4 ITI，可按照2～4 rfl控制，以避免過厚的回
填土層增加明洞結構的荷載與變形。
(4)施工時爆破工藝的控制對刷坡后邊坡的局部
穩定性有直接的影響，應當根據坡面結構面形態、走向
與間距，合理確定控制爆破鉆孔的深度與裝藥量，以確
保坡面的平順與完整性，減少因人工爆破產生新的不
穩定楔體。
(5)可靠完善的坡面及防排水系統是邊坡長期穩
定性的重要保證，考慮到此類邊坡巖體通常發育2～
3組張l生節理面，除了在坡項設截水溝外，還應對坡頂
與坡面采用混凝土封閉，并在坡面設置一定數量的泄
水孔，縱橫向間距可按15～20 ITI考慮。
參考文獻
[1] TB10012-2007 J124-2007 鐵路工程地質勘察規范[s]
[2] TB10025-2001 鐵路路基支擋結構設計規范[S]
[3] TB10003-2005 鐵路隧道設計規范[S]
『4] GB50330-2002 建筑邊坡工程技術規范『S]

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