邻近铁路营业线的危岩落石运动特征及防护研究

0引言
危岩落石是一种常见的山区病害之一，一直以来都威胁着我国铁路安全[1]。

由于地质变化、人为活动等原因导致一些营业线也受到崩塌落石灾害的威胁。

因此，邻近铁路营业线的危岩落石运动特征及防护研究就显得极为重要。

针对危岩落石灾害问题，国内外诸多学者对此进行了大量研究。

常一伦[2]等人以陕北地区某处高陡边坡为例，对无人机倾斜航空摄影测量技术在危岩体调查及重要信息获取方面的应用进行了深入研究；花晓鸣[3]等人利用ROCKFALL 软件对某高陡边坡进行了系统的分析，为落石防治提供设计依据；李艳[4]等人以桃子坪隧道出口危石为研究对象，细致划分了危岩体的发育演化阶段；康尘云[5]以重庆观音山工点为依托，对基于倾斜摄影的高位危岩特征获取和稳定性评价进行研究；BUZZI [6]等基于室内试验对落石在边坡上的回弹恢复系数进行了研究；ASTERIOU [7]等研究了地质条件和运动参数对落石恢复系数的影响。

虽然现有的研究已经对危岩体的形成机理、失稳模式、防治措施有了一定的研究，但是针对邻近铁路营业线的危石防治研究仍较为少见，因此本文以浙江省某运营铁路隧道洞口边坡的危岩落石为依托工程，通过无人机倾斜
摄影及实景三维建模技术获取边坡坡型及危岩体信息，结合数值模拟分析危岩体的运动特征，为类似工程中危岩落石的勘察设计提供借鉴。

1工程概况1.1地形地貌
研究区域属Ⅲb 低海拔地区，隧道进口段处山峰间的低洼地带，呈狭长谷地形状，山体地形自北东~北西走向分布，自然坡度约20°~40°，相对高差约400m 。

1.2地质构造
①研究区内尚未发现滑坡、崩塌、地陷、岩溶、采空区等其余不良地质现象，无含煤地层，不存在瓦斯等不良气体对工程的危害。

②受季节性雨水侵蚀等因素影响，隧道洞口上方右侧山坡岩体节理、裂隙发育正经历成核、生长等阶段，并开始形成局部宏观裂纹。

1.3地震动参数
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），隧址区地震动峰值加速度值小于0.05g ，地震基本烈度小于Ⅵ级，地震动反应谱特征周期值（Tg ）为0.35s ，对全新统层影响较小。

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—作者简介:彧梁（1995-），男，山西运城人，助理工程师，硕士研究
生，主要从事岩土和边坡工程研究工作。

邻近铁路营业线的危岩落石运动特征及防护研究
Research on the Movement Characteristics and Protection of Dangerous Rocks Near Railway Business Lines
梁彧LIANG Yu
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430000）
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China ）
摘要:危岩落石是山区常见的地质灾害之一，对铁路运营安全造成了极大的威胁。

本文以浙江省某铁路隧道洞口边坡危石为研究
对象，将无人机倾斜摄影技术应用到危岩体的识别、信息获取及测量中，获得了实景三维建模及高精度地形图，为危岩落石运动特性研究提供了精确的断面数据信息；基于实景三维模型，对危岩体的破坏模式及稳定性进行了研究；基于得到的地形图、断面信息，利用数值模拟对研究区内的危岩落石的运动特性进行了深入研究，并提出了“分级防护、分区治理”的综合治理整治措施。

结果表明：基于无人机倾斜摄影的危岩体特征信息分析，结合数值计算方法验证，对邻近铁路营业线的危岩落石运动特征分析较为合理，基于综合治理理论所确定的危岩落石治理措施具有明显的技术合理性和经济优势。

其设计思路和治理措施可为类似工程提供指导和借鉴。

Abstract:Dangerous rocks and falling rocks are one of the common geological disasters in mountainous areas,posing a great threat to the safety of railway operations.This article takes a dangerous rock slope at the entrance of a railway tunnel in Zhejiang Province as the research object.The unmanned aerial vehicle tilt photography technology is applied to the identification,information acquisition,and measurement of dangerous rock bodies,obtaining real-time 3D modeling and high-precision topographic maps,providing accurate cross-sectional data information for the study of the movement characteristics of dangerous rock and rockfall.Based on a realistic 3D model,the failure mode and stability of dangerous rock masses were studied.Based on the obtained topographic map and cross-sectional information,a thorough study was conducted on the movement characteristics of dangerous rocks and rockfalls in the study area using numerical simulation,and a comprehensive governance and improvement measure of "graded protection and zoning governance"was proposed.The results indicate that the analysis of the characteristic information of dangerous rock bodies based on drone tilt photography,combined with numerical calculation method validation,is more reasonable for the analysis of the movement characteristics of dangerous rock and rockfall near the railway business line.The control measures for dangerous rock and rockfall determined based on comprehensive management theory have obvious technical rationality and economic advantages.Its design ideas and governance measures can provide guidance and reference for similar projects.
关键词:危岩落石；营业线；ROCFALL ；无人机倾斜摄影技术；运动特征Key words:dangerous rocks ；running railway line ；ROCFALL ；UAV ；motion characteristics 中图分类号:U216.41文献标识码:A 文章编号:1006-4311（2024）11-030-05doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2024.11.009
1.4水文地质条件隧道横穿低山区，隧道进口为大溪流域，为瓯江上流主流河段，沿途地下水径流依地势汇聚至此。

2危岩体发育分布特征
本次勘察采用传统测量与无人机倾斜航空摄影相结合的方式，工期短，成本低，适应复杂环境[8]。

2.1危石特征
经调查隧道进口右侧自然上坡存在主要危岩落石病害情况共15处，危岩体类型主要为：小型孤石、中型孤石、大型与特大型危岩体。

其中，危岩体的类型划分依据《重
庆地质灾害防治工程勘察规范（DB50T143-2018）》[9]
、《水电工程危岩体工程地质勘察与防治规程（NBT 10137-2019）》[10]
铁路建设工程风险管理的相关要求、规范进行划分。

由于篇幅有限，仅列举具有代表性的危石：①06#危石为特大型危岩体，如图1所示。

岩体裂隙发育，局部松动脱落，底部存在脱空现象，尺寸为10m ×6m ×15m 。

②09#危石为特大型危岩体（图2）：
09-1#危岩体，前缘上部突出，底部脱空，表面风化严重，裂缝发育，岩体后缘受植物根劈作用形成一贯通裂缝使之与母岩分离，岩体尺寸为5m ×5m ×5m 。

09-2#危岩体位于09-1#左侧，二者相交处为一天然冲沟，09-2#危岩体，顶部突出，成倒三角形，表面风化严重，裂缝发育，有较深的竖向裂缝，尺寸为6m ×5m ×5m ，失稳类型为坠落式崩塌，如图3所示。

③10#危石为特大型危岩体，表面裂隙发育，部分裂缝深度较深，局部岩块松动脱落，前缘底部脱空严重，失稳类型为坠落式崩塌，岩体尺寸为23m ×16m ×8.5m ，如图4所示。

虽然失稳类型有所差别，但发育特征基本一致，可划分为：裂隙形成与扩展阶段，拉裂破坏形成危岩体阶段，危岩体失稳崩塌阶段[11]。

2.2危岩体运动特征分析2.2.1数值模型建立
根据危石位置及滚落规律，对不考虑树木及其他因素阻挡条件下的理想线路进行预测，滚落
路径如图5所示。

图16#危岩体现场照片
（a ）10#危岩体上部（b ）10#危岩体下
部
图410#
危岩体
图39-2#危岩体
（a ）9-1#危岩体左视图
（b ）9-1#危岩体右视图
图29-1#危岩体
后缘存在贯通裂缝
后缘
存在贯通裂缝
利用ROCFALL 软件进行数值模拟计算，并考虑地
层、岩性、植被、坡度等影响因子，对材料及边坡属性、崩塌源参数等进行如下定义：
2.2.2动力特征分析①6#危石。

1）从图6（a ）来看：6#危岩体在发生倾倒（滑移）失稳后，在坡面上滑移、滚动一段距离后，随地形变化多次撞击坡面并不断反弹、下落，最终对隧道洞口旁的值班房造成撞击，对看守人员的人身安全造成了极大的威胁。

2）从图6（b ）来看：a ）动能曲线与弹跳高度曲线整体趋势基本一致，且呈现出一定的滞后性。

b ）最大弹跳高度约为3.49m ，最大动能约为1546.16kJ ；到达新设被动网位置时，弹跳高度约为0.56m ，动能约为393.92kJ ，拟设置的被动网可以满足防护要求。

②9#危石。

1）从图7（a ）与图7（c ）来看：9#危石的弹跳影响范围为：115m ，同时落点主要集中分布在坡体下部，即9#危石如若发生崩塌，落石基本全部会弹跳至底部隧道洞口处，对隧道洞口与既有线路造成撞击。

2）图7（b ）来看：
a ）最大弹跳高度约为10.71m ，最大动能约为2757.97kJ ；到达新设被动网位置的弹跳高度约为0.36m ，动能约为582.08kJ ，拟设置的被动网可以满足防护要求，但动能已达防护极限的78%，为安全考虑，9#危石施工时应采取临时加固措施。

b ）到达既有被动网位置的弹跳高度约为0.22m ，动能约为828.80kJ ，已超过既有被动网防护极限。

既有被动网
的防护能级与位置均已不能满足现有的危石防护要求。

③10#危石。

1）从图8（a ）与图8（c ）来看：10#危石的弹跳影响范围终点为160.5m ，且10#危石的落点主要分布在80m 、100~120m 、160m 三个区域内，其中120~180m 区域内集中分布有铁路的消防设施、电力设施等。

这一现象表明：10#危石
坡面特征法向恢复系数R n
切向恢复系数R t
喷混护坡基岩裸露岩堆弱风化岩体强风化岩体较少植被覆盖较多植被覆盖薄风化物或薄土覆盖
0.450.500.320.490.470.320.300.35
0.740.950.820.910.550.830.800.85
表1不同坡面特征的恢复系数取值表[12-13]
注：其他未标注参数使用软件默认值.
图5预测滚落路径图
6#危石
拟设被动网位置
薄风化物或薄土覆盖
沟谷、较多植被覆盖
混凝土挡土墙
既有被动网
值班房
较少植被覆盖、部分区域喷混
（a ）6#危石运动轨迹图
（b ）6#危石运动特征曲线图
弹跳高度总动能拟新设被动网位置
既有被动网
值班房
水平距离/m
（c ）6#危石终止运动落点位置分布图
图66#危石失稳模拟结果图
水平距离/m
的滚落会对铁路的消防、电力等设施造成破坏，进而影响
既有线路的行车安全。

2）从图8（b ）来看：a ）最大弹跳高度约为6.6m ；最大动能约为2487.19kJ ；到达新设被动网位置的弹跳高度约为0.18m ，动能约为
423.02kJ ，拟设置的被动网可以满足防护要求。

b ）到达既有被动网位置的弹跳高度近乎为零，动能约为645kJ ，接近既有被动网防护能级的90%，防护风险较大，既有被动网的防护能级与位置均已不能满足现有的危石防护要求。

（a ）9#危石运动轨迹图
（a ）10#危石运动轨迹图
9#危石拟设被动网位置
薄风化
物或薄土覆盖
较少植被覆盖
风化基
岩较多植被覆盖
洞口仰坡顶点
沟谷、较少植被覆盖
既有
被动网隧道洞口锚杆框架梁加固区
拟新设被动网位置
洞口仰坡顶点隧道洞口
既有被动网
拟新设被动网位置
洞口仰坡顶点
既有被动网
线路下方桥梁墩柱
消防水箱、检修便道、电力设备等
10#危石拟设被动网位置
薄风化
物或薄土覆盖
较多植被覆盖
风化基
岩检修便道、设备区
洞口仰坡顶点
沟谷、较少植被覆盖
既有被动网
影响区域终点锚杆框架梁加固区
线路下方桥梁墩柱
弹跳高度
总动能
弹跳高度
总动能
（b ）9#危石运动特征曲线图（c ）9#危石终止运动落点位置分布图
图79#危石失稳模拟结果图（b ）10#危石运动特征曲线图
（c ）10#危石终止运动落点位置分布图
图810#危石失稳模拟结果图
水平距离/m 水平距离/m
水平距离/m
水平距离/m
④整体评价。

1）数值模拟分析模拟结果符合客观规律，与现场勘察时对历史落石的分布统计基本一致，可为后续的防护设计
提供科学的数据支撑。

2）既有被动网对弹跳高度的考虑基
本合理，而在设置位置与防护动能方面则考虑不足。

这是
由于设置被动网时对危石随时间动态发展的客观规律考
虑欠缺。

3）个别区域危岩体由于体量大、地形陡等原因导
致被动网并不能很好的对其防护，此时应根据“分级防护、
分区治理”的原则，采取临时加固措施。

3危岩落石防治建议3.1被动网的设置根据现场踏勘情况、崩塌落石影响范围、历史落石分布调查及危岩体的动力学特征分析结果，综合考虑在9#~11#危石下方根据地形及检修通道位置分两段设置被动防护网（图9）：第一段被动防护网位于11#下方，长度
60m ；第二段被动防护网位于9#~10#危石下方，长度70m 。

两道被动网防护能级均为750kJ 。

3.2其他防护建议
3.2.1针对单体危岩体的危岩落石防治建议
①对坡面零星分布的中小型危岩体直接清除处理。

②对个别体积较大的危岩体采用嵌补、支顶、施作锚
杆、设置主动防护网等多种防护措施。

3.2.2针对复杂危岩体的危岩落石防治建议
①针对隧道洞口上方边坡大面积的基岩裸露带，采取
与既有措施一致的锚杆+框架梁+喷混的综合防护措施。

②根据前文危岩体的分布特征及破坏模式分析发现：隧道洞口的危岩体整体分布在隧道进口右上方坡体的山腰至山顶处，分布较为集中，且破坏模式基本一致，因此考虑在此处进行锚索+主动网+嵌补支顶的综合防护措施。

4结论本文依托浙江省某运营铁路隧道洞口坡面危石工程，将无人机摄影技术应用于邻近铁路营业线的边坡危岩调查中，对研究区展开了危岩体识别、危岩分布特征及成因机理等方面的分析。

并通过数值模拟试验，对落石的运动特征及防治措施等方面进行
了研究，最终得到以下结论：
①现场勘查与识别结果表明，危岩体主要分布于隧道出口右上方坡体的山腰至山顶处。

失稳模式以滑移式为主，倾倒式、坠落式次之。

②对典型危石的运动特征进行了数值模拟分析，分析发现：既有被动网的设置缺乏对危石发育规律的考虑，导致随时间的发展，现有被动
网不能再对危石形成有效的防护。

③根据历史落石统计结果及落石运动数值模拟结果，对被动网的位置和防护能级进行了合理选择，提出了下部危石锚杆+框架梁+喷混，上部危石锚索+主动网+嵌补支顶的“分级防护，
分区治理”综合防治建议。

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[2]常一伦.高陡边坡危岩体运动学模拟与防治优化设计[D].
西北大学，2021.
[3]花晓鸣，
王永，苟晓军.山区铁路危岩落石运动特征及防治研究[J].路基工程，2021（06）：215-218.
[4]李艳.桃子坪隧道出口高陡边坡危岩体识别及其稳定性研究[D].西藏大学，2022.[5]康尘云.基于倾斜摄影的高位危岩特征获取和稳定性评价———以重庆万州观音山危岩带为例[J].中国地质灾害与防治学报，2022，33（05）：66-75.
[6]BUZZI O,GIACOMINI A,SPADARI boratory investigation on high values of restitution coefficients [J].Rock
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[9]DB50/T 143-2018，地质灾害防治工程勘察规范[S].2018.
[10]NB/T 10137-2019，水电工程危岩体工程地质勘察与防治
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[11]王琦，胡亚净，宋伟利，等.岩溶山区危岩稳定性分析及危害性预测———以贵州松桃县长冲危岩体为例[J].中国地质灾害与防治学报，2023，34（01）：75-84.[12]付伟.西安至十堰铁路危岩落石发育特征及防护措施[J].
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土力学，
2009，30（03）：623-627.图9防护设计总览图
锚杆+混凝
土护面
锚杆+框架梁锚索+主动网
新设被动网
锚索+主动网
锚索+主动网主动网。