葛莎GE Sha；龚源GONG Yuan

（①湖南城建职业技术学院，湘潭 411101；②广西保利置业集团有限公司，南宁 530022）

0 引言

危岩落石常存在高陡边坡，是我国常见地质灾害类型之一，岩质高边坡因其裂隙和结构面的发育，易造成危岩崩塌灾害现象。我国沿海地区危岩容易受气候的影响，危岩崩塌灾害的频发已成为普遍现象。危岩崩塌的突发性和灾害性，常造成严重后果，带来人员伤亡和财产损失，而公路隧道岩质高边坡的分析和防护更成为现阶段人们重视的问题，越来越多的学者研究落石灾害的发生和防治[1-3]。本文结合深圳市新彩隧道口岩质高边坡危岩，针对公路岩质高边坡危岩崩塌滚石路径进行计算，并采用rocfall 软件，对落石路径进行模拟，针对地区工程特点，提出采用嵌入式光纤复合FRP 智能锚杆智能在线实时监测系统进行危岩监测与防护。为南部沿海地区危岩的防治提供参考。

1 工程概况

1.1 地形地貌

新彩隧道南侧洞口边坡位于深圳市福田区梅林关自然山体南麓，所在位置地理坐标为：X=23493.12；Y ＝115294.63（深圳独立坐标）。新彩隧道南进洞口受人工采石或修建边坡等影响，地形坡度陡峭，在55～80°间，平均坡度63°，洞顶平台宽约18m，坡面揭露中～微风化花岗岩，因岩体不利结构面影响，易发生崩塌落石。项目区仅出露了第四系地层，该区基岩揭露为白垩纪侵入岩。

1.2 岩体特征

新彩隧道南侧洞口边坡隧道围岩完整性：强风化岩属极破碎岩、中等（弱）风化岩属于破碎岩，微风化岩属于较完整岩。该岩质高边坡已发生崩塌危岩带不少于3 处，危岩带1 位于新彩隧道左侧下部，分布高程110.0m～152.0m，最大高差52m。危岩带2 位于新彩隧道左侧上部陡崖，分布高程160.0m～193.0m，最大高差33m。危岩带3位于新彩隧道中央上部陡崖，分布高程145.0m～193.0m，最大高差48m。三个危岩带均属于坠落式危岩，多呈块状。危岩带崩塌体堆积于隧道洞顶平台，排水沟内有多块落石，新彩隧道边坡顺坡向结构面较为发育，易沿顺坡向结构面发生崩塌。隧道洞顶平台处5m 高处设置SNS 被动防护网。

2 滚石运动分析

根据现场勘察得到边坡岩质主要为微风化粗粒花岗岩，其密度为2.58～2.64×103kg/m3，假设风化落石质量100kg，落石体积约为0.038m3，在模拟过程中采用球体模型，转换可得其等效直径约为42cm。由于落石的运动路径与落石形状、落石质量、落石材料、坡面倾角、坡面材料和坡面植被情况等条件有关。运用构建的落石运动轨迹计算方法，计算落石运动路径，选取右侧洞口边边坡为代表，假设其风化落石位于边坡坡顶。隧道右线仰坡断面落石运动计算参数及运动路径计算结果如表1、表2。

表1 隧道右线仰坡断面落石运动计算参数

表2 隧道右线仰坡断面落石运动路径计算结果

其失稳方式为非直落式，风化岩块从坡面上剥落，并沿着坡面17～9 开始滚滑下坠。在隧道洞顶平台9～5 上发生第一次碰撞消耗能量，并开始向上斜抛运动进行空中飞行阶段。飞跃过隧道洞口后，落在洞口道路节点2～1 上，发生第二次碰撞并产生弹跳，进入第二次向上斜抛运动。落地后落石动能消耗，在此面上发生落石滚动，由于摩擦系数较大，路面平缓，所以不会再有弹跳。

3 数值模拟分析

Rocfall 落石路径模拟软件可以对风化落石剥落后对其运动轨迹进行全程模拟，通过图表对落石的总动能变化趋势、运动速度变化趋势等进行直观的展现。采用Rocfall软件进行数值模拟前，要尽可能明确其落石点或落石带，方可将剖面地形线文件导入Rocfall 软件，对地形线不同段落赋予相应的参数。

3.1 参数确定

由于坡面上的岩块存在风化裂隙和构造裂隙，经过雨水的冲刷或者岩体的差异性风化作用下会产生变形。当变形发展到一定程度时，岩块就会失稳剥落。由于失稳前的位移是长期积累的，因此岩块剥落时的初始速度一般忽略不计。根据现场条件，将边坡分为三部分，分别进行取值。第一部分为边坡坡面取值：切向摩擦系Rt 取值0.9，法向摩擦系数Rn 取值0.4，滚动摩擦角Phi 取值26。第二部分为隧道洞顶平台取值：切向摩擦系Rt 取值0.85，法向摩擦系数Rn 取值0.35，滚动摩擦角Phi 取值30。第三部分为隧道削竹式洞口及行车道：切向摩擦系Rt 取值0.95，法向摩擦系数Rn 取值0.45，滚动摩擦角Phi 取值24。

3.2 数值模拟

根据建立好的边坡剖面图模型，设置落石带（lineseeder）用于模拟整个坡面上的落石情况。拟定落石数量为50，现场在隧道坡顶平台处有一道5m 高SNS 被动防护网，根据实际情况添加一道5m 高拦阻进行数值模拟分析危岩失稳崩塌时落石轨迹，以确定边坡安全性。以右侧隧道仰坡为典型代表，选取的代表剖面的隧道中线剖面。

落石总计模拟50 块，其中有3 块落石落在隧道洞顶平台后停止运动，有40 块落石被SNS 被动防护网拦截后也停留在洞顶平台处，最后有7 块落石经过反弹飞跃SNS被动防护网落至行车道路上。

SNS 被动防护网处落石反弹高度分布图如图1。当落石到达X=93.084 即SNS 被动柔性防护网处时，有7 块落石反弹高度超过5m 防护网的高度，其中最高达到6.81m。经过此点后，落石飞跃防护网，落入隧道洞口机动车道路上。

图1 SNS 被动防护网处落石反弹高度分布图

由图2 可知，落石运动至105m 附近时，总动能约为7.6×104J。碰撞到隧道洞顶平台后总动能减少，后经反弹总动能升高。飞跃防护网的落石在52m～68m 附近时与路面发生二次碰撞，动能再次降低。碰撞后的落石由于继续在路面上滚动或弹跳，所以依旧存在动能。

图2 落石总动能包络图

由图3 可以得出，当落石达到X=68.262 时，初次接触到机动车道，此时落石动能约为2.8×104J～3.2×104J。

图3 X=68.262 落石总动能分布图

由图4 可知，在110m～150m 阶段，落石岩边坡表面下落，在落石达到X=110 之前，平移速度逐渐变大，到达此点时，平移速度达到全段最大值。在X=110 处落石与隧道洞顶平台发生碰撞，碰撞后反弹至空中，此时在60m～110m 阶段平移速度变大。到达X=60 处，平移速度达到阶段最大值，此时落石与路面二次碰撞，平移速度减小。随后落石延路面开始做滚动运动，由于摩擦力作用，平移速度逐渐变下，最后直至停止。

图4 落石平移速度包络图

模拟发现，在危岩剥落的坡段上，落石通常先进行贴坡下滑或倾倒下滑，然后碰撞反弹，部分落石SNS 被动防护网拦截后停止运动，另一部分落石飞跃SNS 被动防护网继续进行飞行运动，飞入路面后再次碰撞、飞行、碰撞，如此反复直至停止根据模拟结果，隧道洞顶平台处5m 高SNS 被动防护网已不足以拦挡所有落石，可以直观地得出边坡风化落石已严重影响隧道过往车辆于行人。一旦边坡发生风化岩块脱落，经过滚滑运动，弹跳运动部分落石会出现飞跃SNS 被动防护网的情况，所以要做好坡面的清理加固等防治措施。

4 FRP 锚杆智能监测系统的应用

据数值模拟分析，边坡发生风化岩块脱落，经过滚滑运动，弹跳运动部分落石会出现飞跃SNS 被动防护网的情况，所以要做好坡面的清理加固等防治措施。

采用嵌入式光纤复合FRP 智能锚杆智能在线实时监测系统，该系统由现场感应测试设备、控制室设备、终端设备组成。根据边坡坡面风化落石的产生情况提供实时数据，采用钻孔注浆的方式连接主动防护网，通过监测沿锚杆内部的实时受力情况，反应边坡各区域危岩的风化情况[4-5]。

单根锚杆依据测力点的埋深及超越阈值的测力点个数来进行预警级别的划分。当风化落石形成后被主动防护网包裹，用于固定防护网的FRP 锚杆轴向受力增大，由此实现对岩质边坡风化落石生成情况的监测报警。设置在边坡下的控制室将宽带光源将光信号通过传输电缆传输到锚杆中的光纤Bragg 光栅传感器中，经过反射回传光纤光栅调解器中进行光信号解调并被计算机系统收集，收集后的数据上传至云端进行处理和分析，输出监测结果和报警信号则由专用软件完成[6]。监测和报警信息可以通过局域网传至隧道管理所和交警部门，实现了远程在线实时监测和管理。

5 总结

①新彩隧道南侧洞口边坡发育有危岩带1、2、3 三组危岩带，边坡顺坡向结构面较为发育，隧道地带一般发育多组构造裂隙，由于受多组结构面切割，岩质边坡上易形成孤石，其在自重及暴雨等作用下，易发生失稳破坏，现已采用SNS 被动防护网进行防护。

②对右侧洞口高边坡采用滚石路径分析，危岩失稳方式为非直落式，风化岩块从坡面上剥落，滚石沿坡面17～9 开始滚滑下坠。采用rocfall 软件进行滚石路径模拟，判断落石通常先进行贴坡下滑或倾倒下滑，然后碰撞反弹，部分落石SNS 被动防护网拦截后停止运动，隧道洞顶平台处5m 高SNS 被动防护网已不足以拦挡所有落石。

③本项目拟采用嵌入式光纤复合FRP 智能锚杆智能在线实时监测系统，根据边坡坡面风化落石的产生情况提供实时数据，采用钻孔注浆的方式连接主动防护网，可通过监测沿锚杆内部的实时受力情况，反应边坡各区域危岩的风化情况。