川藏高速公路崩塌危岩发生机制与防治
1、引言
中国是世界上崩塌灾害最为严重的地区之一，特别是自上世纪80年代以来，随着我国工程建设的高速发展，崩塌灾害在我国呈逐年加重趋势。崩塌在我国的各个区域基本上均有分布，但主要集中分布在地形变化大、地质构造作用强烈的地区，尤其是以环青藏高原第一阶梯的四川、云南、贵州、重庆、甘肃、青海等省最为严重，给人民群众的生命财产造成了极大损失，严重影响铁路、公路、水电站等基础设施的安全。
崩塌是指陡峻坡体上的岩、土块体在重力、地震、降雨及其他外力作用下，突然发生块体脱离母体的倾倒、滑落、坠落、滚动，在坡脚杂乱堆积的一种地质现象。危岩是指陡坡上的岩、土块体存在变形的迹象、征兆，具备发生崩塌的条件，危岩体是潜在的崩塌体。
呈带状分布的公路边坡崩塌源广泛，分布不连续，很难投入大规模的人力、物力和财力进行准确的调查，且发生破坏过程往往比较短暂，常常造成影响较大的安全事故。如2010年4月25日～5月2日，台湾省第一高速公路接连发生边坡崩塌，造成5人死亡；2011年12月12日，湖南省怀新高速公路唐家湾在建隧道入口处约250m3的巨石坠落造成4人死亡；2014年7月17日，国道G213线四川阿坝茂县境内石大关乡超限站附近发生体积约3×103 m3的崩塌，造成 10人死亡，22人受伤；2016年3月8日，四川马边县S103省道K326+400处发生体积约160 m3的边坡崩塌，造成7人死亡……尤其是2008年5月12日的汶川大地震，崩塌造成的直接死亡人数达1万人左右，占全部死亡失踪人数的11.5%以上。
作为世界上最危险的公路之一，川藏公路北线国道G317和南线国道G318，位于地形高差显著，板块活动强烈，山地灾害频发的青藏高原地带。自上世纪五十年代公路建成以来，沿线频发的泥石流、崩塌、滑坡等地质灾害每年都会发生交通中断和人员伤亡事故，严重影响了社会的稳定、经济的可持续发展和国防建设。如2001年4月25日，通海沟段大规模山体崩塌造成川藏公路2km公路被毁，沿线四千多藏族同胞受灾；2008年10月5日，芒康县竹巴笼乡段发生3×104 m3崩塌，造成长约3km的线路受损和交通中断。2009年7月25日，作为川藏高速公路起点段的映汶段彻底关大桥受崩塌冲击而损坏，造成6人死亡……
2015年，以四车道标准建设的川藏高速公路北线汶马段每公里投资达2亿元以上，由于滑坡、泥石流、崩塌等灾害体具有典型高位、远程、隐蔽和群发特征，造成了巨大的施工难度、安全隐患、建设成本和工期压力，对崩塌危岩的形成机制和处治显得非常迫切。
2、川藏高速公路地质环境
川藏高速公路位于四川盆地和青藏高原过渡带，山体高大陡峻，峡谷深切，活动断裂发育，处于我国著名的强烈地震带——NE向龙门山断裂带和NW向鲜水河断裂带及SN向安宁河断裂带构成的“Y”字形构造带。高速公路分别经过基本地震烈度为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度地区，其中Ⅶ度区占线路总长的57%，Ⅷ区占线路总长的37%，Ⅸ度区占线路总长的6%。
区内陆层岩性复杂多变，第四系堆积层、沉积岩、岩浆岩和变质岩均有出露，其中基岩以泥盆系、志留系、石炭系、二叠系、三叠系千枚岩、板岩或泥质灰岩和变质石英砂岩为主，崩坡积、冲洪积、泥石流堆积、冰水堆积和滑坡堆积为主的堆积体多分布于沟谷河岸两侧及山体下部。区内大部分地段气候属大陆性高原季风气候，垂直性差异明显，气候环境复杂多变，年平均气温6.3～7.0℃，年降水量753～905mm，年平均蒸发量1527mm左右,年均15m/s以上大风40次。区内江河溪流纵横交错，河道狭窄，水流湍急、落差大，岷江汇百川至东南奔腾出山，线路多沿蜿蜒河道相伴而行。
3、崩塌危岩发生的主要机制
线路标高由东向西快速由约580m抬升至3000m左右，在跨越少量构造剥蚀低山丘陵区后，进入山体风化卸荷作用强烈，不良地质体密集分布的高山峡谷构造剥蚀中高山地貌区。区内崩塌的发生是由其所处的特殊地质环境决定的，是内、外两种地质条件下的多因素共同作用的结果。
3.1、内部因素主要指地形地貌、岩土类型、地质构造这三个地质要素，它是崩塌形成的基本因素。
地形地貌：川藏高速公路地形地貌对崩塌的主要作用体现在山坡的坡度和山坡的表面构造。由于峡谷深切、岸坡陡立，自然坡度多为50°～85°，多呈凸出山咀和凹陷岩腔状，坡体相对高差最高可达上千米，风化强烈，卸荷、河流冲严重，为区内崩塌的频繁发生提供了良好的地形地貌。
岩土类型：岩土体是产生崩塌的物质条件，不同性质、类型的岩土体发生崩塌的机率、规模均会有所不同。川藏高速公路汶马段主要发育千枚岩、板岩、石英砂岩、砂泥岩和大型岩堆等地层，造成区内多发育软岩、较软岩的倾倒式和顺片理面的滑移式崩塌，软硬岩体差异风化主要发育坠落式崩塌，广泛分布的高位岩堆易形成滚落式崩塌。
地质构造：区内复杂的地质构造作用造成岩土体结构面发育，它为崩塌块体脱离母体提供了良好的边界条件。坡体中发育的节理、裂隙、断层、岩脉、褶皱等结构面，以及良好的高大临空面，为形成不同类型的崩塌提供了有利的条件。
3.2、外部因素主要指地震、气象、人类活动等地质环境要素，是崩塌形成的重要激发因素。
地震：川藏高速公路所经过的地区多为Ⅶ~Ⅸ度地震烈度区，地震活动频繁，是区内危岩崩塌高发的重要影响因素。地震作用造成岩体震松、折断，并向临空面抛出，形成的崩塌具有规模大、密度高、破坏严重的特点。根据5.12地震后沿线公路的调查，由地震造成的崩塌密度达到了约1.4处/km，尤其是特大型崩塌相当发育，造成公路多被崩塌体掩埋、损坏，崩塌体堵塞或侵占河道相当严重。
气象：龙门山断裂区的前山、中央和后山断裂带内，岩体破碎，由于地形高差大、坡度陡，降雨极易造成岩体的快速充水而降低岩土体的稳定性，造成每年的七、八月为区内降雨型崩塌的高发期；而区内的高海拔特征，造成坡体冻胀作用明显，使每年四、五月为区内春融型崩塌的高发期。、
人类活动：边坡的岩土体开挖，造成短时间内对坡体的应力场、位移场、渗流场形成了巨大的改造，使岩土体发生卸荷损伤，破坏了自然斜坡的平衡状态，促使岩体内部应变不断发展，继而在宏观表现为裂隙的扩展、融合，最终导致岩体失稳而发生崩塌落石。
5、崩塌危岩的基本特征
川藏高速公路在复杂的地质环境作用下，形成了多种类型的崩塌。按破坏模式可分为滑移式崩塌、倾倒式崩塌、坠落式崩塌和滚落式崩塌。
滑移式崩塌：主要由危岩体的潜在下滑力与滑移面上结构面抗剪强度共同决定的。在层状或似层状坡体结构、块状或块体状坡体结构、楔形坡体结构和二元坡体结构等中均有发生，但以层状或似层状坡体结构中最为常见，主要由于结构面处的抗剪力无法平衡上部崩塌体形成的下滑力时沿软弱结构面滑移所致。根据其发生机制，滑移式崩塌可分压剪性破坏和拉剪性破坏。
倾倒式崩塌：稳定性由危岩体后缘岩、土体抗拉强度控制，其在川藏高速公路经过的卸荷强烈高山峡谷、直立岸坡、陡崖坡体非常发育，其临空面陡立，甚至呈反坡状，坡体在差异风化和河流冲刷等的作用下卸荷严重。在长期的重力、水压力等作用下，岩体向临空方向发生倾倒、折断，直至失稳而脱离母岩形成崩塌。根据其发生机制，倾倒式崩塌主要由于危岩体外倾弯矩大于危岩体抗拉强度对倾覆转折点弯矩所致。
坠落式崩塌：主要由危岩体的抗拉强度与抗剪强度共同决定。其在产状近于水平或较为平缓的在层状或似层状坡体结构中最为常见，该类崩塌主要是由于差异风化形成的凹腔造成上部岩体悬空，从而发生从危岩体下底部逐渐向上部崩塌。
滚落式崩塌：主要由降雨、地震、风力等外力作用下，造成危岩体与下伏坡面的外摩擦力无法提供足够的抗力而向下发生滚落所致。在川藏高速公路所在的高山峡谷区形成的高位崩、坡积物中非常常见。如“5.12”汶川震后在岷江峡谷内形成了大量高差较大的崩、坡积物，造成在降雨、余震等作用下使上部岩块失去平衡而快速滚落，对下部国道G213和川藏高速公路映汶段与汶马段形成了巨大的安全隐患。
5、崩塌危岩的工程地质分析
川藏高速公路崩塌危岩的工程地质分析主要采用地形地貌形态演变、地质条件对比、失稳因素变化和监测变形迹象及其发展趋势四种方法。
地形地貌形态演变分析法：斜坡在不同部位岩土性质和结构差异，以及不同应力的共同作用下，会向临空面发生不同性质的变形或破坏。基于此，依据斜坡的岩土体性质、坡体结构、水文地质、临空面形态等地形地貌地质条件，以及类似斜坡的病害特征分析崩塌危岩的类型和稳定程度。
地质条件对比分析法：不同稳定阶段的崩塌危岩在宏观上呈现不同的形态，将需分析的崩塌体与地质条件类似的斜坡岩土体进行对比，依据彼此之间的差异度和关联度对崩塌危岩进行分析。
失稳因素变化分析法：崩塌危岩的稳定性变化过程可能是渐进的，也可能是突变的。如危岩体在长期的风化、降雨作用下稳定性是渐进的。但边坡的开挖或地震会快速改变坡体的平衡状态，就可能造成危岩体稳定性的突变而发生崩塌。
危岩变形迹象分析法：依据不同稳定度的崩塌危岩表现出的不同变形状态，通过对变形迹象的监测观察，分析危岩体稳定状态。如危岩体后缘裂缝贯通，前部不断出现掉块和监测的曲线出现突变，说明崩塌即将发生。
6、川藏高速公路崩塌危岩处治实例
6.1、ZK53+880～ZK54+140左侧
1）坡体地质条件
边坡位于突出山脊前缘陡崖部位，坡度呈75°～88°，坡向60°，高差约160m。坡脚为河流侵蚀堆积地形，陡崖高速公路以桥梁的形式沿杂谷脑河谷底呈带状展布，桥面距坡脚高差约29m。坡体主要由志留系茂县群（Smx2）绢云母石英千枚岩和变质石英砂岩构成，岩层优势产状为320°∠54°。主要发育有两组闭合充填节理：J1：125°∠29°，延伸1.5～2.5m，间距0.2～0.5m；J2：40°∠85°，延伸1.5～2m，间距0.2~1m。项目区地震动峰值加速度0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。
2）崩塌发生机制
陡崖上部坡体沿临空面方向在长期卸荷和重力作用下向临空面发生倾倒，形成弯曲-拉裂式倾倒危岩体。整个陡崖在岩体片理面、多种结构面组合切割和差异风化的作用下形成多处腔径为7.7m×3.5m×4.3m～18.4m×5.1m×4.1m凹槽。为坠落式、滑移式崩塌提供了良好的地质环境。根据调查，该陡崖每年雨季都会发生落石现象，落石粒径多主要集中在0.5～1.0m，最大直径可达3～5m，大部分掉落于陡崖坡脚宽约10～30m的范围内。
3）工程处治方案
陡崖坡脚特大桥距离陡崖底约12m，属于崩塌落石打击密集区。由于无法调整线路平面以躲避该地质灾害体，故不得不采用工程主动进行防护，其主要工程措施为：人工清除坡面浮石，在陡崖上部倾倒变形区设置锚固段位于强卸荷线以下垫墩锚杆结合挂网喷砼进行加固；全坡面设置直达坡脚的导石网，确保陡崖落石顺利到达坡脚；在桥墩部与陡崖坡脚之间设置落石槽，对导石网导落的块石进行拦截；对坡面凹腔采用锚杆混凝土嵌补，防止坡体的不均匀风化和对危岩进行有效支撑。
6.2、ZK56+455桑坪隧道进口左侧
1）坡体地质条件
桑坪隧道进口位于杂谷脑河右岸突出山脊前部，自然坡度约70°～80°，坡向330°，坡高约130m，主要由夹结晶灰岩的志留系茂县群（Smx2）绢云母石英千枚岩和变质石英砂岩构成，岩层产状350°∠75°，隧道轴线与岩层走向小角度斜交，洞口区主要发育两组节理：J1：产状105°∠60°，延伸3～10m，间距6m；J2：产状311°∠82°，延伸2.5～8m，间距1～2m。节理面微张，有少量泥质充填物。项目区地震动峰值加速度0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。
2）崩塌发生机制
构成陡崖的岩体在片理面、结构面组合切割和差异风化的作用下，形成多处凹腔，造成坠落式、滑移式危岩多有掉落，落石块径最大可达4m×5m×3m。尤其是工程施工期间，由于隧道开挖扰动，危岩掉落频率加剧，直接威胁下部隧道口的工程施工安全，若不采取措施，在降雨、地震等作用下，必然会对下部隧道和相连的克枯特大桥形成重大安全隐患。
3）工程处治方案
由于桥隧相连部位的山体高陡，采用坡面主动防护工程规模大，且施工相当困难。故结合隧道口河流高阶地较为宽阔的有利条件，在不影响河流行洪的条件下，决定对崩塌落石影响区的桥梁调整为路基与隧道相接。这样避免了桥梁一旦受到危岩破坏而很难修复的缺点，充分发挥了路基抗灾能力相对较强的特点，并在隧道口延伸明洞，明洞上部设置必要的倾向河侧的缓冲层，进一步提高线路的抗灾能力，达到对崩塌危岩的有效处治。
6.3、ZK69+257～ZK69+532左侧
1）坡体地质条件
项目区属构造剥蚀高山峡谷的上缓下陡形台阶状地貌，自然边坡高约400m，其上部较缓边坡坡度约40°，下部陡崖坡度约70～80°，崖顶与坡脚高差约190m，坡向50°，线路以大桥的形式从坡脚通过，桥面高出河道约6m。坡体主要由志留系茂县群（Smx4）绢云母千枚岩和夹少量条带～薄层状变质细砂岩构成。由于坡体位于桃坪倒转背斜核部，造成坡体褶皱、挤压破碎带发育。边坡优势产状345°∠77°，属陡倾斜交结构边坡。项目区地震动峰值加速度0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。
2）崩塌发生机制
陡崖上部较缓自然边坡，由于风化、冻融、地震、降雨和动物扰动，常有块径可达0.3～0.8m落石滚落；陡崖顶部向下约14～100m的范围内，由于岩体片理面陡倾而临空面高大，强烈风化、卸荷岩体在上部岩体重力作用下发生倾倒-拉裂变形，并分别发育有两条平行于坡体走向、宽约4～15.1m、长约89.7m和52.7m长的锯齿状卸荷张拉裂缝，其可见深度约7m。倾倒变形体沿底部切割结构面发生折断，局部可见架空孔洞。该倾倒体坐落于相对完整坚硬的石英绢云母千枚岩“基座”上，在降雨、地震等作用下存在形成倾倒式崩塌的可能。陡崖坡面由于岩体片理面与结构面的切割和风化、卸荷作用，在降雨和地震时多次发生粒径为0.5～1.0m的坠落式落石。
3）工程处治方案
清除坡面浮石、危岩，在贯通性张拉裂缝后部设置被动网，对崖顶后部缓坡地段的小型落石进行拦截；对崖顶倾倒体采用挂网喷砼和设置垫墩锚索进行预加固，防止倾倒体在风化和卸荷作用下稳定性进一步降低；在陡崖顶部锚固工程上部设置张口式导石网，对陡崖上部和陡崖坡面上分布的零星危岩进行防护；在坡脚桥墩部位设置拦石墙，利用废弃的G317国道形成落石槽，防止落石在坡脚直接冲击桥墩，并作为导石网拦截落石的停积场地。
7、结语
1）川藏高速公路崩塌极为发育，具有机制复杂、隐蔽性高、规模大和危害强、发生突然、防治困难的特点，在我国崩塌研究中具有典型性和代表性。
2）环青藏高原东侧第一阶梯坡降区的复杂地形地貌，是川藏高速公路崩塌发育的根本原因之一，其地形陡、坡降大，岷江、大渡河流经的高山峡谷区，为崩塌危岩的发生奠定了良好的地形地貌基础。
3）环青藏高原边缘的新构造运动强烈、活跃，地震作用强烈而频发，河流持续下切和青藏高原持续隆升，造成川藏高速公路所经地区的高陡峡谷区发生了强烈的动力作用过程，促进了危岩的形成和崩塌的发生。
4）川藏高速公路汶马段所经地区气候极为恶劣，暴雨集中，海拔高而存在较为广泛的季节性冻土层。暴雨和春融期间是区内崩塌落石发育的高峰期。
5）川藏高速公路的大规模修建，人类活动在短时间内对坡体的应力场、渗流场、温度场等产生了较大的改变，使原有的自然营力条件下形成的边坡稳定性失去平衡而导致崩塌的发生，这是工程建设期间崩塌灾害呈现大规模上升的直接原因。
6）川藏高速公路崩塌具有复杂的形成机制，滑移式、倾倒式、坠落式和滚落式崩塌均有发育，且常与滑坡交织在一起，往往需对坡面、边坡和进行坡体综合治理才能对崩塌危岩进行有效防治。