拉林铁路隧道洞口高位高陡危岩体发育类型及风险评估

宋国壮 张玉芳

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

在地震、极端气候等多重诱发因素影响下，山区铁路沿线地质灾害多发，对线路施工和运营安全造成严重威胁[1-2]。崩塌落石是最为常见的灾害类型之一，特别是拉林铁路，沿线存在风险隐患的高位高陡危岩体所处自然斜坡高达几百米甚至千余米，其发育条件复杂，规模数量巨大，危害程度严重，属国内外罕见。因此，针对高位高陡危岩体提出科学合理、有针对性、可操作性的风险评估方法迫在眉睫。

文献[3]提出了隧道洞口落石风险评估方法，将风险评估方式分为初步评估与细部评估两大步骤。文献[4]通过对危岩落石影响因素发育条件打分，提出了隧道洞口段落石灾害危险性等级评估方法。文献[5-6]从落石的致灾可能性和致灾严重性2个方面进行综合评估，并应用于多条隧道洞口的落石灾害风险评估。

针对拉林铁路等极复杂艰险山区铁路高位高陡危岩体灾害，目前常用风险评估方法的评价指标不够全面、针对性和可操作性不强。本文通过现场调查、资料分析等手段，在充分剖析拉林铁路高位高陡危岩体发育类型及工程特点的基础上，综合考虑影响危岩体灾害发生可能性、严重程度的各类因素，提出基于指标体系法的定量风险评估技术体系。以期为山区铁路高位高陡危岩体灾害的风险评估提供借鉴。

1 工程概况

新建拉林铁路位于西藏自治区东南部，线路全长435.48 km，其中：桥梁120座，共计84.510 km，占线路总长度的20.96%；隧道47座，共计216.465 km，占线路总长度的53.70%。

1.1 地形地貌

拉林铁路位于青藏高原东南部，属于冈底斯山与念青唐古拉山、喜马拉雅山之间的藏南谷地、雅鲁藏布江中游，海拔2 800～3 700 m，山高谷深，气候极端恶劣。山脉多呈东西向纵贯延展，谷岭相间，地势起伏跌宕，总体由西北向东南倾斜。

1.2 地层岩性

地层总体北倾、由南向北时代变新，地层连续、层序清晰。沿线主要分布有新生界、中生界、古生界、元古界沉积岩、岩浆岩、变质岩及各种成因的松散堆积层。其中以岩浆岩、变质岩相对发育，未变质的沉积岩相对较少，地层岩性复杂。

1.3 区域地质构造

按照板块构造观点，研究区位于青藏高原冈底斯-拉萨地块、喜马拉雅地块及二者之间的雅鲁藏布江缝合带。冈底斯-拉萨地块由一系列彼此平行展布的断裂带与线性褶皱组成，断裂带规模巨大，断裂带宽度一般都在100 m以上；喜马拉雅地块位于雅鲁藏布江深大断裂以南，由一系列EW向展布的断裂和褶皱组成。

1.4 水文条件

地下水类型按埋藏条件及赋存介质分为裂隙性潜水及孔隙性潜水。裂隙性潜水赋存于岩体的裂隙及构造带之中，孔隙性潜水赋存于第四系松散层中。地下水主要补给源为大气降水或高山冰雪融水，随季节变化明显，雅鲁藏布江河床为地下水的排泄基准面。

2 高位高陡危岩体发育类型

在对拉林铁路重点控制性隧道洞口边仰坡高位高陡危岩体病害开展现场调查的基础上，充分剖析其工程地质条件、发育特点、潜在破坏模式等因素，将沿线高位高陡危岩体发育类型大致划分为陡坡断崖裸露硬岩危岩体、破碎陡坡裸露硬岩危岩体、陡坡突兀硬岩危岩体及陡坡裸露软岩危岩体4种。

2.1 陡坡断崖裸露硬岩危岩体

隧道口所处自然斜坡陡立、断崖交错、陡壁成层，大多为崩塌落石残壁。坡体主要由硬质岩组成，呈巨块状、块状，节理交叉切割。多组结构面的组合体在地震、冰劈、根劈、风化等外营力作用下易形成崩塌，表层松动岩块、活石易形成落石。代表性工点包括巴玉隧道进口、祝拉岗隧道进口等。

2.2 破碎陡坡裸露硬岩危岩体

自然边坡坡体由破碎岩体组成，坡度通常为40°～60°，表层松散、坡面凹凸不平，分布大量松动岩块，或有裂隙陡坎、突兀岩体。在冰劈、风化、地震、冲刷等作用下表层松动岩块易形成滚动落石，陡坎或突兀岩体易形成小型崩塌。代表性工点包括拉嘎隧道进口等。

2.3 陡坡突兀硬岩危岩体

自然斜坡坡体由硬岩组成，坡度大多为30°～50°。坡面植被较发育，发育突兀孤石、孤石林。在根劈、冰劈、冰蚀、冲刷等外营力作用下，大块突兀岩体易形成新型崩塌，表层松石、浮石易形成落石。代表性工点包括朗赛岭隧道出口（图1）等。

图1 朗赛岭隧道出口陡坡突兀硬岩危岩体

2.4 陡坡裸露软岩危岩体

自然斜坡坡体由软质岩组成，坡度为40°～70°。表层岩体大多呈碎裂状，局部呈块状，坡面凹凸不平，或有陡坎悬空、岩体倒挂。在风化、溶蚀、冰蚀、根劈等外营力作用下极易形成大小不一的落石，悬空、倒挂危岩体发育至一定程度时形成崩塌。代表性工点包括热当隧道进口等。

3 基于指标体系法的风险评估技术体系

运用指标体系法对高位高陡危岩体灾害风险进行定量评估的总体思路是在充分收集资料和现场地质调查的基础上，开展崩塌落石失稳的灾害发生可能性及严重程度评估，制定风险矩阵并划分风险等级。依据风险等级及对铁路工程可能造成的潜在破坏规模，提出风险控制对策。基于指标体系法进行风险评估的工作流程见图2。

图2 基于指标体系法的风险评估流程

3.1 灾害可能性评估

通过充分考虑高位高陡危岩体所处地形地貌、高度规模，坡面岩体结构、植被情况、外营力作用、工程整治措施等影响危岩体失稳的关键风险因素，选取高位高陡危岩体所处地形植被、高度规模、岩体结构、诱发因素及工程整治措施5大类因素、划分为19个评估指标，对每一指标分别进行打分作为评估分值，从而实现对高位高陡危岩体灾害发生可能性进行定量评估。

高位高陡危岩体灾害发生可能性评估指标体系见表1。根据收集资料和现场调查的深度，可对表1中指标进行取舍，对确定的指标进行打分。重要性系数计算公式为

式中：γij为权重系数，i=1，2，3，4，5，j=1，2，…，z，其中z为第i类评估指标（包括重要指标）的数量；n为评估指标（重要指标）的项数；m为重要性排序的序号，m≤n。

高位高陡危岩体可能性综合分值计算公式为

式中：F1为事故发生可能性分值；Sij为评估指标分值；Rij为评估指标基本分值。

计算出F1值后，确定不同灾害发生可能性等级及分值范围，见表2。

表1 高位高陡危岩体灾害发生可能性评估指标体系

表2 高位高陡危岩体灾害发生可能性等级

3.2 灾害严重程度评估

高位高陡危岩体事故严重程度既与致灾体本身特征有关，也与危及的隧道洞口等承灾体的能力密切相关[7]。选取承灾体能力和致灾体能量两大因素、3个评估指标，对灾害严重程度进行定量评估，指标体系见表3。

严重程度重要性排序、综合分值计算参考可能性评估方法确定。计算得出灾害严重程度分值F2后，确定不同灾害严重性等级的分值范围，见表4。

3.3 风险等级及控制对策

根据灾害发生可能性和发生后严重程度划分等级建立风险矩阵，确定高位高陡危岩体风险等级[8]。高位高陡危岩体灾害风险评估矩阵见表5。

表3 高位危岩体灾害事故严重程度评估指标体系表

高位高陡危岩体灾害风险控制对策是以灾害类型、成因、水文、工程条件变化等因素为前提，在灾害风险评估结果的基础上，建立风险接受准则，提出风险避免和风险排除措施，针对风险可能性及严重程度提出风险整治建议或有针对性的处治措施。

表4 高位危岩体灾害严重程度等级

根据风险等级评估结果与接受准则，提出风险控制对策，见表6。

表6 风险接受准则与控制对策

4 实例分析

4.1 工程概况

江木拉隧道出口自然斜坡山体陡峭，坡度约60°，坡顶距轨面高差约340 m。坡面基岩裸露，边坡揭露地层主要以强-中风化花岗岩为主，块状结构。岩体结构面相互切割，现场量测得到临空结构面产状为198°∠59°。

4.2 病害描述

自然斜坡坡面岩体松散，节理裂隙发育，坡面危岩孤石众多，属陡坡断崖裸露硬岩危岩体。大规模危岩体在外营力作用下易发生沿组合结构面的滑移式崩塌，小规模松动岩体、活石易发生崩落，对线路运营安全产生较大威胁。

4.3 既有工程整治措施

针对隧道洞口高位危岩体病害情况，现有的工程防护设计措施为：①清除坡面松动的危岩孤石；②采用浆砌片石对部分危岩体进行嵌补支顶；③洞顶上方布设宽60 m、高5 m的被动防护网。

4.4 风险评估结果

4.4.1 灾害可能性

根据收集资料和现场调查深度，结合表1，选取16个指标进行打分并进行重要性排序，根据式（1）及式（2）分别计算权重系数γij和评估分值Sij。灾害可能性评估结果见表7。经计算得F1=74.467，灾害可能性等级为4级：很可能。

表7 江木拉隧道出口高位高陡危岩体灾害可能性评估结果

4.4.2 灾害严重程度

参考灾害可能性分级方法计算严重程度3个评估指标的权重系数及综合分值，计算结果见表8。经计算得F2=80.007，灾害严重程度等级为4级：特大。

表8 江木拉隧道出口高位高陡危岩体灾害严重程度评估结果

4.4.3 风险等级及整治措施

根据灾害发生可能性及严重程度评估等级划分结果，对照表5及表6确定危岩体风险等级及控制对策，见表9。

评估结果表明，江木拉隧道出口高位高陡危岩体风险等级为Ⅳ级，存在极高风险，对线路运营安全存在一定隐患。

表9 江木拉隧道出口高位高陡危岩体风险等级及控制对策

建议采用如下整治措施，以对灾害风险进行控制：①现有被动网向两侧延伸，并在明洞洞顶平台上方增设拦石墙；②大块危石和顺坡向结构面发育区域面增设锚固结构+主动防护网；③针对个别大块危石增设变形监测等措施。

5 结语

1）对拉林铁路20余处隧道洞口边仰坡高位高陡危岩体病害开展现场调查，根据其工程地质条件、发育特点、潜在破坏模式等因素，将其发育类型划分为陡坡断崖裸露硬岩危岩体、破碎陡坡裸露硬岩危岩体、陡坡突兀硬岩危岩体及陡坡裸露软岩危岩体4大类。

2）在山区铁路沿线危岩体灾害评估实践基础上，结合拉林铁路高位高陡危岩体发育特点，选取地形植被、危岩体高度规模、岩体结构、诱发因素、工程整治措施5大类因素共19个评估指标，建立了危岩体灾害发生可能性评估体系；选取危岩体危害对象、体积及运动方式作为事故严重程度评估指标，最终构建了适用于拉林铁路高位高陡危岩体灾害风险的定量评估技术体系。

3）以江木拉隧道出口为评估实例，对该技术体系的应用及操作性进行了阐述和示范，并提出了整治措施建议。可为极复杂艰险山区铁路高位高陡危岩体灾害风险评估提供借鉴。