V型沖溝落石防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉建紅

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路向西部、山區(qū)縱向延伸，隧道在線路中所占的比例逐漸增大，并且不可避免地遇到地形艱險、山高谷深、地質(zhì)條件復(fù)雜等情況。目前，為了減小危巖落石對運營安全的影響，一般除了對邊坡采用防護(hù)措施外，便是在隧道洞口接長拱形明洞［1－2］或設(shè)置棚洞結(jié)構(gòu)［3－5］。但是一些洞口位于“V”型高山峽谷中的隧道，橋隧相連，坡面陡峭，巖石風(fēng)化剝落，經(jīng)常發(fā)生落石，且由于泥石流或泄洪需要而不能侵占原橋下凈空，所以無法用一般基礎(chǔ)的明洞結(jié)構(gòu)解決落石防護(hù)問題。這就迫切需要一種新型的、適用于“V”型高陡峽谷的落石防護(hù)結(jié)構(gòu)。

本文以寶蘭客運專線南馬棕山隧道和千家溝隧道之間落石防護(hù)設(shè)計為工程背景，對“V”型溝谷間小間距隧道的落石防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計研究，提出一種獨立于橋設(shè)計的墩、樁基+縱梁結(jié)構(gòu)上托拱形明洞的設(shè)計方案。該方案采用獨立的墩、樁基礎(chǔ)，上托2根沿線路方向的縱梁，用以支撐上部的拱形明洞結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計不僅徹底解決了危巖落石對鐵路安全運營的威脅，而且又不影響溝谷內(nèi)的橋下凈空，并且通過在拱形明洞上開孔，能有效緩解空氣動力學(xué)效應(yīng)，改善乘車的舒適度。

1 工程概況

寶蘭客專位于甘肅、陜西省境內(nèi)，線路在南馬棕山與千家溝“V”型溝谷處以大水溝中橋跨越，橋兩端分別與南馬棕山隧道和千家溝隧道相連，隧道間距為65 m。

大水溝常年流水，雨季常有山洪爆發(fā)?！癡”型溝谷寬65 m，大水溝中橋為2～40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)，T構(gòu)采用掛籃懸臂灌注施工，兩端橋臺均進(jìn)入隧道。

南馬棕山隧道位于寶雞市南馬棕山村，隧道地形起伏較大，山勢陡峻，河流曲折，全長1 320.4 m，洞身最大埋深約332 m。該隧道出口里程為DK681+308，其中DK681+265～+317段洞口上方存在危巖落石。

千家溝隧道地處渭河南岸峽谷，坡岸陡峻，地形起伏較大，全長443 m，最大埋深約192 m。該隧道進(jìn)口里程為DK681+373，其中DK681+362～+424段存在落石，對線路影響較大的落石面積約1 300 m2，落石方量約200 m3。

2 洞口坡面防護(hù)

兩隧道洞口坡面陡峭，基巖裸露，表層花崗巖節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化較嚴(yán)重，且均存在危巖落石。為確保洞口開挖時自然邊坡的穩(wěn)定，避免隧道上方花崗巖因風(fēng)化而與母體剝離，造成落石，影響鐵路的安全運營，應(yīng)對洞口坡面采取有效的防護(hù)措施。

先清除坡面較大的危巖落石，然后再加固洞口一定范圍內(nèi)的邊、仰坡。南馬棕山隧道出口拱頂以上及左右兩側(cè)各15 m范圍內(nèi)采用錨索框架梁［6］結(jié)構(gòu)防護(hù)，錨索長20 m，錨固段長5 m。錨索框架梁按矩形分布，采用C30鋼筋混凝土，梁柱節(jié)點間距3 m。框架梁內(nèi)鋪空心磚+草灌防護(hù)。千家溝隧道進(jìn)口拱頂以上15 m，洞口基礎(chǔ)以下15 m及左右兩側(cè)各30 m、隧道洞口及橋臺結(jié)構(gòu)范圍以外部分采用錨桿框架梁進(jìn)行加固。錨桿采用2根φ 28 mm鋼筋并聯(lián)焊接，長度均為8 m，間距3 m×3 m;框架梁內(nèi)鋪空心磚+草灌防護(hù)，山體較陡處，在框架間采用掛網(wǎng)噴射混凝土防護(hù)。2隧道洞口范圍以外的落石采用主、被動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。洞口的坡面防護(hù)范圍如圖1所示。

3 拱形明洞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

“V”型溝谷地段多為橋隧相連結(jié)構(gòu)，隧道間距小，地形復(fù)雜、坡面陡峻，多有落石分布，采用支擋、防護(hù)網(wǎng)等措施能有效地減少落石，但是無法從根本上消除落石對鐵路橋梁及運營安全的潛在威脅。危巖落石發(fā)生后，其規(guī)模及運動軌跡存在不確定性，落石的防護(hù)難度較大。為了確保運營期間的安全，緩解空氣動力學(xué)效應(yīng)，改善乘車的舒適度［7］，其落石防護(hù)結(jié)構(gòu)的合理選擇及結(jié)構(gòu)安全性的分析，尤為重要。

圖1 兩隧道洞口坡面防護(hù)范圍Fig.1 Protection range of side slopes between South Mazongshan tunnel and Qianjiagou tunnel

3.1 落石防護(hù)結(jié)構(gòu)型式選擇

落石防護(hù)結(jié)構(gòu)的型式一般有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和柔性鋼結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自身重力大，其結(jié)構(gòu)與橋結(jié)構(gòu)多采用分離式結(jié)構(gòu)形式，單獨設(shè)置基礎(chǔ)，投資較大，但耐久性好，后期維護(hù)成本低。柔性鋼結(jié)構(gòu)輕巧，制作安裝方便，并可結(jié)合橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)籌布置設(shè)計，造價較低，但需定期進(jìn)行防銹保養(yǎng)以提高其耐久性，后期維護(hù)成本高。

綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，同時考慮材料的耐久性、后期運營維修、成本及施工難度等，并結(jié)合該工程特點，擬采用墩+梁結(jié)構(gòu)上托拱形鋼筋混凝土明洞的落石防護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.2 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

防護(hù)結(jié)構(gòu)采用三跨梁式結(jié)構(gòu)，中間跨度為21 m，2個邊跨為22 m。中間設(shè)4個直徑1.5 m的圓柱式墩，墩高均為19.5 m，墩底采用1.8 m的鉆孔灌注樁，樁長分別為17.5 m和19 m，深入弱風(fēng)化層4 m。兩端分別設(shè)置矩形墩，墩與縱梁同寬，尺寸為2 m×3 m，高度分別為4.4 m和8 m。為保證中間墩柱的整體穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)受力的合理傳遞，設(shè)置4道中間連接系梁，系梁尺寸為0.9 m×0.6 m，系梁豎向間距為4 m，2個邊墩底部設(shè)置基礎(chǔ)連接系梁，厚度為1.5 m。

墩頂設(shè)置縱梁，縱梁上托拱形明洞，兩端的矩形墩與縱梁支座連接，中間的柱式墩與縱梁固結(jié)，底梁尺寸為2 m×2 m，拱形明洞結(jié)構(gòu)采用C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)輪廓與隧道相同，襯砌厚度為35 cm，外側(cè)掛廢舊輪胎防落石沖擊。上部明洞結(jié)構(gòu)與沿隧道縱向設(shè)置的2根縱梁進(jìn)行分離設(shè)計。其防護(hù)結(jié)構(gòu)的縱斷面及橫斷面如圖2—4所示。

圖2 防護(hù)結(jié)構(gòu)縱斷面布置圖(單位:cm)Fig.2 Longitudinal profile of protection structure(cm)

圖3 DK681+308橫斷面(單位:cm)Fig.3 Cross-section at DK681+308(cm)

4 防護(hù)結(jié)構(gòu)分析

在結(jié)構(gòu)受力分析中，若將上部明洞結(jié)構(gòu)與2根縱梁組成的異型截面作為一個整體考慮，在結(jié)構(gòu)自身重力的作用下，整體結(jié)構(gòu)的彎矩均為正彎矩，中間墩子處上部結(jié)構(gòu)正彎矩很大，其受力變形接近于中間無支撐的簡支梁;在此情況下，再加上上部結(jié)構(gòu)是異型截面，則無法進(jìn)行截面配筋。因此，上部明洞結(jié)構(gòu)與梁在構(gòu)造上應(yīng)該分隔開，支撐于梁上，梁承擔(dān)自身與上部結(jié)構(gòu)的重力。這樣，結(jié)構(gòu)功能明確，受力清晰，并且便于上部結(jié)構(gòu)的配筋。

上部明洞結(jié)構(gòu)主要承受自身重力、落石的沖擊能力、風(fēng)荷載和雪荷載。對落石的運動軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并采用Midas－GTS軟件對拱形明洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖4 DK681+328橫斷面(單位:cm)Fig.4 Cross-section at DK681+328(cm)

4.1 落石模擬計算

假定有一體積為0.5 m3、約1 t落石從危巖區(qū)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;考慮到隧道洞口上方一定范圍內(nèi)，風(fēng)化巖層或土層要進(jìn)行清理，并對坡面采用骨架護(hù)坡或噴錨加固等處理措施，在本次模擬計算中，假定落石下落所經(jīng)坡面為較光滑的硬巖，明洞頂面為混凝土;假定落石完全在洞口明洞長度范圍內(nèi)運動，并以此確定明洞的計算長度。

經(jīng)計算分析，隧道洞口落石的運動軌跡分別如圖5和圖6所示。

南馬棕山隧道蘭州端洞口落石開始沿坡面滑動，在沖擊到明洞頂部時彈跳較大，落石最遠(yuǎn)停留在距明暗分界水平距離約14 m的明洞上，落石在下落過程中最大沖擊動能為283 kJ，沖擊位置在在明洞頂部;千家溝隧道寶雞端洞口落石開始沿坡面滑動，在沖擊到明洞頂部時彈跳不大，落石最遠(yuǎn)停留在距明暗分界水平距離約3 m的明洞上，落石在下落過程中最大沖擊動能為106 kJ，沖擊位置在山坡上，沖擊在明洞上的最大動能為14 kJ。

根據(jù)落石運動軌跡的模擬分析，需要在南馬棕山隧道和千家溝隧道洞口分別設(shè)置不少于14 m和3 m的明洞?？紤]到乘車的舒適度，2隧道之間設(shè)置貫通的明洞結(jié)構(gòu)。落石沖擊在明洞頂上的最大動能為283 kJ，為了保證明洞結(jié)構(gòu)的安全性，首先在明洞頂設(shè)置廢棄輪胎緩沖結(jié)構(gòu)層，以吸收、消耗落石沖擊能量，保證落石傳遞到結(jié)構(gòu)上的能量很小，并通過結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)滿足安全性要求。

4.2 拱形明洞結(jié)構(gòu)分析

采用Midas－GTS應(yīng)用荷載－結(jié)構(gòu)模式對明洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，計算結(jié)果如表1所示。

表1 拱形明洞結(jié)構(gòu)計算結(jié)果Table 1 Calculation results of arched open-cut tunnel structure

計算表明:明洞結(jié)構(gòu)的不利位置在拱頂和拱腰，按照鐵路隧道規(guī)范［8］對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)較低，不滿足混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度時的安全系數(shù)3.6，需通過配筋提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，配5 φ 22 mm鋼筋，安全系數(shù)均大于2.4。

4.3 縱向整體分析

將整體結(jié)構(gòu)離散為44個單元，劃分為8個施工階段(含運營階段)，采用西南交通大學(xué)編制的《橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》(BSAS)程序，對縱梁及墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段和運營階段的整體結(jié)構(gòu)分析，并按照鐵路橋梁規(guī)范［9］對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算。結(jié)構(gòu)在主力及主力+附加荷載作用下的結(jié)構(gòu)彎矩圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 結(jié)構(gòu)主力彎矩包絡(luò)圖(單位:kN·m)Fig.7 Envelope of bending moment of structure under main force(kN·m)

圖8 結(jié)構(gòu)主+附彎矩包絡(luò)圖(單位:kN·m)Fig.8 Envelope of bending moment of structure under main force+additional force(kN·m)

根據(jù)縱梁受力進(jìn)行配筋，最大彎矩處受拉側(cè)需要配60根φ 28 mm的普通鋼筋，按照3根/束布置一排，鋼筋之間的凈距較小，布置困難，并且鋼筋用量大。因此，梁縱向考慮配置預(yù)應(yīng)力鋼束。

采用等長的8根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，在縱向按照結(jié)構(gòu)彎矩形狀布置。鋼絞線的布置形式如圖9所示，配置預(yù)應(yīng)力鋼束后在主力及主力+附加荷載作用下的結(jié)構(gòu)彎矩圖分別如圖10和圖11所示。

配預(yù)應(yīng)力束后計算表明，施工過程中，梁最大壓應(yīng)力 4.8 MPa，最大拉應(yīng)力 1.0 MPa，滿足規(guī)范要求。運營過程中，梁最大壓應(yīng)力5.7 MPa，滿足規(guī)范要求;最小壓應(yīng)力0.2 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，梁結(jié)構(gòu)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束后，其截面只用按照構(gòu)造配置普通鋼筋。結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力 5.3 MPa，最大主拉應(yīng)力 0.5 MPa，截面最小抗裂安全系數(shù)1.5，正截面強(qiáng)度最小安全系數(shù)2.4，各參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

從計算結(jié)果可以看出，配預(yù)應(yīng)力鋼束，縱梁全截面受壓，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)裂縫，耐久性好，并且配筋量少，造價比配普通鋼筋低得多。綜合考慮，縱梁擬采用預(yù)應(yīng)力鋼束。

4.4 地震力分析

采用有限元軟件Midas/Civil 2010對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，將縱梁、墩子及樁進(jìn)行離散，建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。模型盡可能地反映實際情況，梁、墩基礎(chǔ)都采用空間梁單元，梁與中間柱墩采用剛性連接進(jìn)行模擬，支座采用彈性連接單元來模擬，樁－土間相互作用采用三彈簧法來模擬，樁－土彈簧剛度根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［10］，按“m 法”來進(jìn)行計算。計算中，不考慮明洞結(jié)構(gòu)的剛度作用，將其作為均布荷載施加于梁上，并將荷載轉(zhuǎn)化為等效質(zhì)量。

采用反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震力分析，反應(yīng)譜法概念簡單，計算方便，同時考慮了地面運動和結(jié)構(gòu)的動力特性，從地震動出發(fā)求解出結(jié)構(gòu)的最大地震反應(yīng)［11］。結(jié)構(gòu)部分位置的地震力計算結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位地震力Table 2 Seismic force for key part of structure

將地震力與主力進(jìn)行組合，對墩子與樁基的配筋及樁基礎(chǔ)的承載力進(jìn)行檢算，均滿足要求。

5 結(jié)論與討論

目前高速客運專線發(fā)展迅速，橋隧比例高，地質(zhì)復(fù)雜，小間距相鄰隧道工程較多，落石防護(hù)設(shè)計尤為重要。

1)通過對南馬棕山隧道與千家溝隧道之間的“V”型溝谷地段落石發(fā)育程度及規(guī)模的調(diào)查分析，并結(jié)合數(shù)值理論分析方法對落石的運動軌跡及沖擊能量進(jìn)行模擬分析，落石最大彈跳水平距離約14 m，沖擊在明洞上的最大動能為283 kJ。

2)落石防護(hù)結(jié)構(gòu)采用與橋梁結(jié)構(gòu)分離的墩柱+梁上托拱形明洞的結(jié)構(gòu)形式，力的傳遞明確，結(jié)構(gòu)受力合理、耐久性高、后期養(yǎng)護(hù)維修少。

3)由于“V”型溝谷內(nèi)設(shè)計墩+梁上托鋼筋混凝土拱形明洞防護(hù)結(jié)構(gòu)，在鐵路隧道設(shè)計中屬首次應(yīng)用，目前工程還處于施工圖設(shè)計階段，尚未實施，其實用性有待進(jìn)一步驗證。

［1］ 李冬生，馬志富，徐占良，等.長昆線橋隧相連設(shè)計研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2011(12):69 －73.(LI Dongsheng，MA Zhifu，XU Zhanliang，et al.Design and research of bridge-tunnel joint technology on Changsha-Kunming passenger dedicated Line［J］.Journal of Railway Engineering Society，2011(12):69 －73.(in Chinese))

［2］ 趙峰，夏永旭，許東.橋隧相接隧道明洞穩(wěn)定性研究［J］.公路，2009(12):180－185.

［3］ 李現(xiàn)賓.成昆線危巖落石病害整治中的棚洞設(shè)計［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46(5):19 －22.

［4］ 冉利剛，陳赤坤.高速鐵路棚洞設(shè)計［J］.鐵道工程學(xué)報，2008(6):61 － 66.(RAN Ligang，CHEN Chikun.The design of hangar tunnel of high-speed railway［J］.Journal of Railway Engineering Society，2008(6):61 － 66.(in Chinese))

［5］ 張永平.新木廠子一號隧道出口危巖整治設(shè)計［J］.鐵道工程學(xué)報，2009(2):85 －88.(ZHANG Yongping.Treatment of dangerous rock at Xinmuchangzi 1#tunnel portal［J］.Journal of Railway Engineering Society，2009(2):85 －88.(in Chinese))

［6］ 梁瑤，周德培，趙剛.預(yù)應(yīng)力錨索框架梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(2):318 － 322.(LIANG Yao，ZHOU Depei，ZHAO Gang.Desing of support of frame beam and prestressed anchor［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engeineering，2006，25(2):318 －322.(in Chinese))

［7］ 肖廣智.鐵路客運專線隧道修建技術(shù)［J］.鐵道工程學(xué)報，2008(S):62 －70.(XIAO Guangzhi.Tunnel construction technology for passenger-dedicated line［J］.Journal of Railway Engineering Society，2008(S):62 －70.(in Chinese))

［8］ 中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［9］ 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［10］ 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［11］ 周友權(quán).粉房灣長江大橋抗震分析［J］.中國鐵路，2011(11):39 －41.(ZHOU Youquan.Analysis on vibration-resistance approaches for Fenfangwan Yangtze River Bridge［J］.Chinese Railways，2011(11):39 －41.(in Chinese))