鐘昌桂 張 磊 周 良

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031）

貴南高速鐵路穿越地貌單元屬貴州高原斜坡帶 及廣西傾斜盆地，地貌類型主要為溶蝕型、溶蝕侵蝕型及侵蝕型，地貌形態(tài)多屬溶蝕峰叢洼地及溶蝕峰叢谷地地貌。峰叢地貌區(qū)危巖落石隨處可見，單次危巖落石災(zāi)害以中小型為主，偶有大型危巖落石災(zāi)害發(fā)生，危巖拉裂破壞后以墜落及跳躍為主，個(gè)別地區(qū)有崩塌發(fā)生。附近的高速公路、國道及居民區(qū)近年發(fā)生過多起危巖落石災(zāi)害，危巖落石災(zāi)害發(fā)生頻率高。

近年來，王玉鎖等［1］提出了隧道洞口落石風(fēng)險(xiǎn)評估方法；葉四橋等［2］提出了隧道洞口段落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級評價(jià)方法，對落石運(yùn)動(dòng)模式與運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并對多種落石沖擊力計(jì)算方法進(jìn)行了比較。目前，洞口危巖落石評價(jià)體系僅僅建立在初始風(fēng)險(xiǎn)評判上，未針對采取工程措施處理后的殘留風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，危巖落石評價(jià)體系不夠完善。

本文以貴南高速鐵路隧道工程為依托，提出了定性、定量分析的危巖落石初始風(fēng)險(xiǎn)評估方法，引入了采取危巖落石處理措施后Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評估方法；通過ROCKFALL建立危巖落石失穩(wěn)模型，從危巖落石的運(yùn)動(dòng)軌跡、沖擊能量等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究；利用大型通用有限元軟件ABAQUS／explicit模塊，對明洞襯砌結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力進(jìn)行計(jì)算分析，提出了貴南高速鐵路隧道洞口危巖落石綜合防護(hù)措施。

1 建立危巖落石風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系

1.1 危巖落石風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系概述

為提高危巖落石防護(hù)的有效性和針對性，綜合考慮地形地質(zhì)條件、危巖落石與線位關(guān)系、防護(hù)措施可實(shí)施性、風(fēng)險(xiǎn)接受程度等因素，采用現(xiàn)場調(diào)查、評分、落石軌跡分析、防護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算等多種手段進(jìn)行定性和半定量的分析，建立危巖落石風(fēng)險(xiǎn)分級評價(jià)體系［3-6］。

與目前的隧道風(fēng)險(xiǎn)評估保持一致，危巖落石風(fēng)險(xiǎn)等級分為初始風(fēng)險(xiǎn)和殘留風(fēng)險(xiǎn)。初始風(fēng)險(xiǎn)指工程建設(shè)各階段未采取風(fēng)險(xiǎn)處理措施前就已存在的風(fēng)險(xiǎn)，即對危巖落石不采取任何防護(hù)整治措施時(shí)（隧道洞口設(shè)于明暗分界處、不接任何明棚洞），鐵路工程存在的風(fēng)險(xiǎn)。殘留風(fēng)險(xiǎn)指對初始風(fēng)險(xiǎn)采取處理措施后自留或轉(zhuǎn)移到下一階段的風(fēng)險(xiǎn)，即在采取了清除及加固、主動(dòng)及被動(dòng)攔截和明（棚）洞防護(hù)后依然存在的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)等級分為極高、高度、中度、低度4個(gè)等級。

1.1.1 危巖落石風(fēng)險(xiǎn)分類

危巖落石對線路的風(fēng)險(xiǎn)，具體分為落石上道風(fēng)險(xiǎn)、主體結(jié)構(gòu)傾覆破壞風(fēng)險(xiǎn)和主體結(jié)構(gòu)局部破損風(fēng)險(xiǎn)3種，具體為：

（1）落石上道風(fēng)險(xiǎn)是指落石經(jīng)滾動(dòng)、彈跳、飛濺等多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，越過攔石墻、防護(hù)網(wǎng)，或擊穿防護(hù)網(wǎng)、防護(hù)明洞（棚洞）等防護(hù)結(jié)構(gòu)，直接落入線路，對運(yùn)營車輛、軌道結(jié)構(gòu)造成直接危害的風(fēng)險(xiǎn)，此類風(fēng)險(xiǎn)是不可接受和不期望的。

（2）主體結(jié)構(gòu)傾覆破壞風(fēng)險(xiǎn)是指落石經(jīng)滾動(dòng)、彈跳、飛濺等多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，越過或擊穿攔石墻、防護(hù)網(wǎng)等防護(hù)結(jié)構(gòu)后，直接撞擊明洞（棚洞）上部結(jié)構(gòu)或樁柱等下部結(jié)構(gòu)，造成整體結(jié)構(gòu)傾覆破壞，進(jìn)而對運(yùn)營車輛、軌道結(jié)構(gòu)等造成間接危害的情況，此類風(fēng)險(xiǎn)也是不可接受和不期望的。

（3）主體結(jié)構(gòu)局部破損風(fēng)險(xiǎn)是指落石經(jīng)滾動(dòng)、彈跳、飛濺等多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，越過或擊穿攔石墻、防護(hù)網(wǎng)等防護(hù)結(jié)構(gòu)后，直接撞擊明洞（棚洞）上部結(jié)構(gòu)或樁柱等下部結(jié)構(gòu)，造成主體結(jié)構(gòu)局部開裂、混凝土局部剝落、結(jié)構(gòu)微小變形等可修復(fù)的破損，但不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)傾覆破壞、落石上道等破壞的情況，此類風(fēng)險(xiǎn)不會(huì)對運(yùn)營車輛、軌道結(jié)構(gòu)造成直接危害，是可接受的。

對于落石上道、主體結(jié)構(gòu)傾覆破壞對運(yùn)營車輛、軌道結(jié)構(gòu)造成直接危害的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重危害鐵路運(yùn)營安全，在設(shè)計(jì)階段是不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。首先應(yīng)通過減災(zāi)選線，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；對于無法避讓的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取清除、加固、主被動(dòng)攔截、進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)明（棚）洞結(jié)構(gòu)等綜合處理手段降低風(fēng)險(xiǎn)；對于仍然殘留的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取異物源頭、入侵及危害監(jiān)測等手段，進(jìn)一步降低，確保鐵路運(yùn)營安全。

1.1.2 危巖落石防治措施及風(fēng)險(xiǎn)分期

危巖落石的防護(hù)與整治措施分為清除及加固、主動(dòng)及被動(dòng)攔截、明（棚）洞防護(hù)3大類型，包括與初始風(fēng)險(xiǎn)對應(yīng)的不采取任何防護(hù)措施的情況。根據(jù)具體工點(diǎn)情況，選擇一種、兩種或三種整治措施，將風(fēng)險(xiǎn)按整治措施和整治階段進(jìn)行分期，具體如下：

（1）零整治措施：對存在的危巖落石不采取任何整治措施，洞口位置設(shè)定為明暗分界處，不接長任何明洞或棚洞結(jié)構(gòu)。此時(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)稱為初始風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為落石上道風(fēng)險(xiǎn)。

（2）清除及加固措施：對存在的危巖采取清除措施，或采取支頂、嵌補(bǔ)、錨網(wǎng)噴加固、錨索加固等多種加固方式，在危巖落石源頭上降低風(fēng)險(xiǎn)。采取清除及加固措施后存在的風(fēng)險(xiǎn)，稱為Ⅰ期殘留風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為落石上道風(fēng)險(xiǎn)。

（3）主動(dòng)及被動(dòng)攔截措施：對可能掉落的危巖落石采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、簾式防護(hù)網(wǎng)、剛性格柵防護(hù)網(wǎng)、攔石墻、落石槽等措施，攔截危巖落石，或改變落石軌跡和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，降低落石能量，在落石運(yùn)動(dòng)過程中降低風(fēng)險(xiǎn)。采取主動(dòng)及被動(dòng)攔截措施后存在的風(fēng)險(xiǎn)，稱為Ⅱ期殘留風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為落石上道風(fēng)險(xiǎn)。

（4）明（棚）洞防護(hù)措施（或樁基的防撞措施）：設(shè)置危巖落石防護(hù)明（棚）洞，防止落石直接上道，危及車輛、設(shè)備和軌道安全，并采取增加緩沖層厚度、改進(jìn)緩沖材料性能、優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力等多種方式增強(qiáng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，提高主體結(jié)構(gòu)抗沖擊能力以降低風(fēng)險(xiǎn)。采取明（棚）洞防護(hù)措施后存在的風(fēng)險(xiǎn)，稱為Ⅲ期殘留風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為落石上道風(fēng)險(xiǎn)、主體結(jié)構(gòu)傾覆破壞風(fēng)險(xiǎn)和主體結(jié)構(gòu)局部破損風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 初始風(fēng)險(xiǎn)評估方法

初始風(fēng)險(xiǎn)評估主要考慮的風(fēng)險(xiǎn)因素有危巖高度、山體坡度、危巖發(fā)育程度、危巖（落石）大小、落石區(qū)與鐵路工程的位置關(guān)系等5項(xiàng)因素。采用現(xiàn)場調(diào)查訪問、綜合評分的定性（半定量）方法，并采用Rockfall軟件進(jìn)行軌跡分析，根據(jù)落點(diǎn)概率與主體工程的關(guān)系、沖擊力（或能量）大小等確定初始風(fēng)險(xiǎn)等級［7-8］。

1.2.1 定性（半定量）評估方法

（1）主要風(fēng)險(xiǎn)因素評分

對各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評分，評分?jǐn)?shù)值依次定義為f1、f2、f3、f4、f5，各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的評分參考如表1 所示。

表1 定性（半定量）評估方法表

（2）主要風(fēng)險(xiǎn)因素影響程度評價(jià)

考慮各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素在整個(gè)綜合評分中的重要程度、影響程度，將風(fēng)險(xiǎn)因素分為無相關(guān)因素、弱相關(guān)因素、一般因素、重要因素和首要因素。量化各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度為影響因子，依次定義為0～1、1～2、2～3、3～4和4～5，5項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的影響因子平均值為2，總和必須為10。結(jié)合各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度調(diào)整影響因子大小，影響因子評定如表2所示。

表2 主要風(fēng)險(xiǎn)因素影響程度評價(jià)表

（3）綜合評分計(jì)算方法及初始風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

將上述5個(gè)因素的評分作為乘數(shù)、影響因子作為權(quán)重計(jì)算5項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素評分的加權(quán)幾何平均數(shù)，計(jì)算公式為：

其中：

根據(jù)上述計(jì)算的綜合評分進(jìn)行初始風(fēng)險(xiǎn)評級，對應(yīng)關(guān)系參考如表3所示。

表3 初始風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)表

1.2.2 定量分析評價(jià)方法

采用Rockfall軟件進(jìn)行落石軌跡分析，依據(jù)落石分區(qū)和落石沖擊能量（或沖擊力）兩個(gè)因素進(jìn)行綜合評分，定量分析評價(jià)方法如表4所示。

表4 定量分析評價(jià)方法表

綜合評分計(jì)算為：

綜合評分與初始風(fēng)險(xiǎn)等級的對應(yīng)關(guān)系同前。

上述兩種方法如較接近，取高值，如差異較大，綜合比較后評定。

1.3 Ⅰ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

Ⅰ期殘留風(fēng)險(xiǎn)是指對存在的危巖采取清除措施，或采取支頂、嵌補(bǔ)、錨網(wǎng)噴加固、錨索加固等多種加固方式后，仍然存在的風(fēng)險(xiǎn)，主要考慮落石上道風(fēng)險(xiǎn)。Ⅰ期殘留風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)方法、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與初始風(fēng)險(xiǎn)相同。采用定性（半定量）的方法主要對風(fēng)險(xiǎn)因素的評分進(jìn)行適當(dāng)折減或影響因子進(jìn)行調(diào)整，如表5所示。

表5 Ⅰ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法表

定量分析方法主要是對落石的高度、體積等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對地面線進(jìn)行修正后，采用Rockfall軟件重新分析落石軌跡及沖擊能量（沖擊力），并進(jìn)行相應(yīng)評級。

1.4 Ⅱ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

Ⅱ期殘留風(fēng)險(xiǎn)是指對可能掉落的危巖落石采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、簾式防護(hù)網(wǎng)、剛性格柵防護(hù)網(wǎng)、攔石墻、落石槽等措施后存在的風(fēng)險(xiǎn)，主要考慮落石上道風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)具體工點(diǎn)情況和施工條件，確定合理、有效的主被動(dòng)攔截措施，無效的措施不納入考慮。Ⅱ期殘留風(fēng)險(xiǎn)的定性（半定量）的評價(jià)方法同前，但對相應(yīng)的評分進(jìn)行折減，參考評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 Ⅱ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法表

落石軌跡分析作為一種定量分析方法，指設(shè)置了攔石墻、被動(dòng)網(wǎng)等攔截措施后，采用Rockfall軟件重新分析落石軌跡及沖擊能量（沖擊力），進(jìn)行相應(yīng)評級，并對被動(dòng)網(wǎng)等的抗沖擊能力提出要求。

另一種定量分析方法是采用理論方法和有限元軟件對攔石墻的穩(wěn)定性、強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，提出相關(guān)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)攔石墻的攔截能力進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

1.5 Ⅲ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評估方法

Ⅲ期殘留風(fēng)險(xiǎn)是指采取了明（棚）洞防護(hù)措施后存在的風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為落石上道風(fēng)險(xiǎn)、主體結(jié)構(gòu)傾覆破壞風(fēng)險(xiǎn)和主體結(jié)構(gòu)局部破損風(fēng)險(xiǎn)。

落石上道風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)方法、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)同前，對相應(yīng)的評分進(jìn)行折減，如表7所示。

表7 Ⅲ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評估方法表

主體結(jié)構(gòu)傾覆破壞風(fēng)險(xiǎn)和局部破損風(fēng)險(xiǎn)主要采用有限元軟件對明洞、棚洞結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的樁基等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力或動(dòng)力計(jì)算后對其抗沖擊能力進(jìn)行評價(jià)，參考評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表8所示。

表8 主體結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)表

2 工程應(yīng)用

2.1 永興一號隧道出口概況

以永興一號隧道出口為例，隧道出口上方危巖落石最大高差約150 m，地形險(xiǎn)峻陡峭，巖體為弱風(fēng)化的灰?guī)r、白云巖，石質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙、裂縫較發(fā)育，由于不斷被溶蝕、結(jié)構(gòu)面切割、風(fēng)化分離，表面巖體完整性較差，局部形成孤石，坡面分布0～2 m崩積的松散塊石，出口危巖較嚴(yán)重，危石運(yùn)動(dòng)主要以落石形式發(fā)生，崩塌次之。出口采用雙耳墻明洞門，明洞長度80 m。

2.2 初始風(fēng)險(xiǎn)評估

根據(jù)危巖高度、山體坡度、危巖發(fā)育程度、危巖（落石）大小、落石區(qū)與鐵路工程的位置關(guān)系等5項(xiàng)因素進(jìn)行定性（半定量）評估。

（1）危巖高度：本隧隧道出口上方山體最大高差約150 m，根據(jù)表1 ，此項(xiàng)評分f1= 7。

（2）山體坡度：根據(jù)圖1，本隧出口山體陡峻，平均坡度60°以上，此項(xiàng)評分f2= 6。

圖1 永興一號隧道出口縱斷面示意圖

（3）危巖發(fā)育程度：巖體為弱風(fēng)化的灰?guī)r、白云巖，石質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙、裂縫較發(fā)育，危巖發(fā)育程度為嚴(yán)重，但現(xiàn)場調(diào)查坡腳落石為近期掉落，且未對當(dāng)?shù)胤课?、道路等已造成危害，故此?xiàng)評分f3= 7。

（4）危巖（落石）大?。浩旅娣植?～2 m崩積的松散塊石，對應(yīng)表1，此項(xiàng)評分f4= 6。

（5）落石區(qū)與鐵路工程的位置關(guān)系：本隧洞口位于陡崖正下方，危巖掉落直接到達(dá)區(qū)域?yàn)樗淼蓝纯诟浇?，故此?xiàng)評分f5= 9。

根據(jù)本隧危巖落石主要風(fēng)險(xiǎn)因素評估，認(rèn)為危巖落石發(fā)育程度為重要影響因素，其參考影響因子分別取值為γ1= 2、γ2= 2、γ3= 3、γ4= 1、γ5= 2；危巖落石綜合評分為：

根據(jù)表3，初始風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)等級為高度風(fēng)險(xiǎn)，為不可接受風(fēng)險(xiǎn)，需采取措施后降至中度（可接受）及低度（接受）風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 危巖落石防護(hù)措施

2.3.1 清方

出口仰坡范圍，線路縱向長度100 m，隧道中線左側(cè)70 m，右側(cè)100 m范圍內(nèi)進(jìn)行逐點(diǎn)排查，對松動(dòng)巖體、坡面落石進(jìn)行清方，清除后局部采用漿砌片石嵌補(bǔ)。

2.3.2 攔截

（1）簾式網(wǎng)

簾式網(wǎng)覆蓋在山體表面，將落石控制在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，防止落石彈跳，將落石引導(dǎo)至非危害區(qū)域。

考慮隧道仰坡高陡，落石落差大且對線路危害較大，于隧道仰坡范圍50 m，隧道中線左側(cè)56 m，右側(cè)83 m范圍內(nèi)1道張口式簾式網(wǎng)，簾式防護(hù)網(wǎng)柱高5 m，防護(hù)坡面長度約38 m，防護(hù)平均寬度約132 m。

（2）被動(dòng)網(wǎng)

被動(dòng)網(wǎng)用于攔截斜坡上的滾落石，避免下方主體結(jié)構(gòu)遭受破壞，或緩沖落石運(yùn)動(dòng)，降低能量。

考慮出口洞頂坡度較陡，落石落差大，為規(guī)避簾式防護(hù)網(wǎng)引導(dǎo)的高位落石向線路方向滾落形成災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，于左線線路中線左側(cè)66 m，左線線路中線右側(cè)80 m范圍設(shè)置1道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，柱高6 m，防護(hù)長度約159 m。

2.4 殘留風(fēng)險(xiǎn)評估

2.4.1 Ⅰ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

根據(jù)Ⅰ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)原則，考慮清方及局部加固后對落石的高度、體積等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，采用Rockfall軟件重新分析落石軌跡及沖擊能量（沖擊力），進(jìn)行相應(yīng)評級折減。

按兩種工況進(jìn)行考慮，工況1為不考慮清方，體積為2 m3落石從危巖區(qū)150 m處脫離，并向下滾落；工況2為考慮清方及加固后，體積為1 m3落石從危巖區(qū)150 m處脫離，并向下滾落，模型中計(jì)算參數(shù)如表9所示。

表9 計(jì)算參數(shù)表

落石水平初速取0.1 m／s，隨機(jī)拋擲50次，落石落點(diǎn)位置，未考慮清方落石運(yùn)動(dòng)軌跡主要集中于距離明暗分界70～100 m處，如圖2所示；最大沖擊能量為5 300 kJ，如圖3所示；考慮清方后落石運(yùn)動(dòng)軌跡變化不大，如圖4所示；最大沖擊能量為2 530 kJ，如圖5所示；以上分析說明清方后能夠有效減少落石沖擊能量。

圖2 工況1落石運(yùn)動(dòng)距離示意圖

圖3 工況1最大沖擊能量包絡(luò)線示意圖

圖4 工況2落石運(yùn)動(dòng)距離示意圖

圖5 工況2落石運(yùn)動(dòng)距離示意圖

2.4.2 Ⅱ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

根據(jù)Ⅱ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)原則，考慮設(shè)置合理、有效的主被動(dòng)攔截措施后，采用Rockfall軟件重新分析落石軌跡及沖擊能量（沖擊力），進(jìn)行相應(yīng)評級折減。

考慮體積為1 m3落石從危巖區(qū)150 m處脫離，并向下滾落。落石水平初速取0.1 m／s，隨機(jī)拋擲50次，落石落點(diǎn)位置，考慮攔截措施落石運(yùn)動(dòng)軌跡主要集中于距明暗分界30～70 m處，如圖6所示；最大沖擊能量為1 850 kJ，如圖7所示。以上分析說明通過清方后的落石在采取有效攔截措施以后，能有效控制減少落石最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離，并能減少殘余沖擊能量。

圖6 落石運(yùn)動(dòng)距離示意圖

圖7 最大沖擊能量包絡(luò)線示意圖

2.4.3 Ⅲ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

根據(jù)Ⅲ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)原則，采取明洞防護(hù)措施后是否存在明洞防護(hù)長度不足、明洞結(jié)構(gòu)抵抗落石沖擊能力不足的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)上述計(jì)算成果，考慮簾式網(wǎng)及被動(dòng)網(wǎng)攔擋后，落石最終運(yùn)動(dòng)范圍主要集中于距明暗分界30～70 m處，說明考慮有效的攔截措施后，永興一號隧道進(jìn)口明洞長度80 m是合理的。

采用大型通用有限元軟件ABAQUS／explicit模塊雙耳墻式明洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，建立二維平面應(yīng)變模型。明洞上回填土層按3 m考慮，下部圍巖邊界約束豎直方向位移，左右圍巖邊界約束水平位移。

計(jì)算結(jié)果從結(jié)構(gòu)受壓和受拉兩方面的性能進(jìn)行考慮，受拉性能以鋼筋拉應(yīng)力作為評判依據(jù)，全環(huán)鋼筋最大應(yīng)力達(dá)到400 MPa（HRB400鋼筋彈性極限）認(rèn)為鋼筋破壞，受壓性能以混凝土壓損傷結(jié)果作為判據(jù)，局部素混凝土部位以混凝土受拉損傷結(jié)果作為參考，混凝土損傷因子達(dá)到0.8以上認(rèn)為結(jié)構(gòu)因出現(xiàn)宏觀裂縫而失效。大量計(jì)算結(jié)果表明，在明洞承受落石沖擊的過程中，破壞是從拱頂開始，并且在上述3種失效判據(jù)中，多數(shù)情況是鋼筋首先破壞。

分別模擬落石以10 m／s、15 m／s、20 m／s、25 m／s、28 m／s、30 m／s的速度沖擊結(jié)構(gòu)，不同速度下對應(yīng)的鋼筋最大應(yīng)力如圖8所示，混凝土拉壓損傷如圖9所示。

圖9 混凝土拉壓損傷結(jié)果示意圖

從以上結(jié)果可以看出，隨著落石速度的增大，鋼筋最大應(yīng)力也不斷增加，落石最終“嵌入”的深度也在增加；當(dāng)落石速度達(dá)到25 m／s左右時(shí)，鋼筋開始屈服；當(dāng)速度達(dá)到28 m／s左右時(shí)，鋼筋接近抗拉極限強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)開始受拉破壞；同時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)拱頂受拉和受壓裂縫幾乎同時(shí)完全貫通。

動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，常規(guī)明洞結(jié)構(gòu)最大能承受的3 m3的落石25 m／s的速度的沖擊，對應(yīng)2 453 kJ的沖擊能量。根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，明洞范圍內(nèi)落石最大沖擊能力為200～1 850 kJ，均小于常規(guī)明洞結(jié)構(gòu)承受2 453 kJ的沖擊能量。

2.4.4 殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

根據(jù)Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期殘留風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果，對危巖高度、山體坡度、危巖發(fā)育程度、危巖（落石）大小、落石區(qū)與鐵路工程的位置關(guān)系等5項(xiàng)因素進(jìn)行重新評分。

（1）危巖高度：考慮隧隧道出口山高坡陡，將所有危巖落石進(jìn)行全部清方及加固處理施工難度大，故本隧隧道出口上方山體最大高差評分不修正，仍為f1= 7。

（2）山體坡度：本隧出口山體陡峻，未進(jìn)行大規(guī)模刷坡，故不對山體坡度進(jìn)行修正，此項(xiàng)評分仍為f2= 6。

（3）危巖發(fā)育程度：考慮清方及加固后，應(yīng)對此項(xiàng)適當(dāng)折減，故此項(xiàng)評分修正為f3= 4。

（4）危巖（落石）大?。嚎紤]設(shè)置簾式網(wǎng)以及被動(dòng)網(wǎng)后，大體積落石能被有效攔截，應(yīng)對此項(xiàng)評分進(jìn)行適當(dāng)折減，此項(xiàng)評分修正為f4= 4。

（5）落石區(qū)與鐵路工程的位置關(guān)系：考慮明洞結(jié)構(gòu)防護(hù)長度大于落石運(yùn)動(dòng)軌跡，且有一定富余，難以直接達(dá)到鐵路洞口，故此項(xiàng)評分修正為f5= 2。

根據(jù)修正后落石主要風(fēng)險(xiǎn)因素評估，其參考影響因子不做調(diào)整，修正后危巖落石綜合評分為：

根據(jù)表4，修正后殘留風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)等級為中度風(fēng)險(xiǎn)，為可接受風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場調(diào)查、評分、落石軌跡分析、防護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算等多種手段進(jìn)行定性和半定量的分析，建立危巖落石風(fēng)險(xiǎn)分級評價(jià)體系是合理的，能有效識別風(fēng)險(xiǎn)和分析問題。

（2）采用ROCKFALL等軟件分析落石軌跡，根據(jù)落石運(yùn)動(dòng)距離確定合理的明洞長度是十分有必要的。從經(jīng)濟(jì)性考慮，落石運(yùn)動(dòng)距離不應(yīng)忽略攔截處理措施后對其的影響，否則設(shè)計(jì)過于保守，代價(jià)較大。

（3）采用混凝土壓損傷結(jié)果和鋼筋受拉屈服兩方面的性能指標(biāo)評價(jià)明洞結(jié)構(gòu)抵抗落石沖擊能力是較為合理的。貴南高速鐵路隧道明洞結(jié)構(gòu)抵抗落石沖擊能量最大值為2 453 kJ，對于能量大于此值的落石應(yīng)采取清除、攔擋、明（棚）洞防護(hù)等綜合治理手段。