落石沖擊對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響評(píng)估

王 繼 飛

(上海同濟(jì)工程咨詢(xún)有限公司，上海 200092)

落石沖擊對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響評(píng)估

王 繼 飛

(上海同濟(jì)工程咨詢(xún)有限公司，上海 200092)

主要分析了落石沖擊對(duì)二次襯砌的影響，介紹了計(jì)算落石沖擊力的方法，并通過(guò)初砌沖擊荷載設(shè)計(jì)值的計(jì)算，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論，指出襯砌背后產(chǎn)生空洞后，其所產(chǎn)生的間接影響應(yīng)引起高度重視。

襯砌背后，空洞，落石，隧道結(jié)構(gòu)

0 引言

襯砌背后產(chǎn)生空洞后，由于圍巖失去了襯砌結(jié)構(gòu)的支撐，空洞處圍巖應(yīng)力發(fā)生了很大的變化，圍巖可能發(fā)生破壞并導(dǎo)致落石擊中襯砌導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂，實(shí)際工程中此類(lèi)破壞的實(shí)例并不少見(jiàn)，如1999年，日本新干線(xiàn)的Rebunhama隧道就發(fā)生了由于圍巖掉落在襯砌上而導(dǎo)致襯砌破壞的事故，事故導(dǎo)致一列列車(chē)脫軌，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 落石沖擊對(duì)二次襯砌的影響

1.1 計(jì)算方法確定

我國(guó)的JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中也指出隧道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮落石沖擊力的影響，但并未給出計(jì)算落石沖擊力的方法。本文主要探討不同大小的落石從不同高度處掉落在襯砌上時(shí)對(duì)襯砌所造成的沖擊力的計(jì)算方法。

由于空洞的形成原因多種多樣，所以其深度也各不相同，前面對(duì)空洞深度的影響進(jìn)行分析時(shí)，假設(shè)空洞的深度分別為0.4 m，0.8 m，1.2 m和1.6 m，因此計(jì)算時(shí)也假設(shè)空洞分別從這4個(gè)不同的高度處跌落到襯砌上。根據(jù)牛頓第二定律：

可見(jiàn)兩物體相互撞擊時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力的計(jì)算與速度和相互作用時(shí)間相關(guān)，也就是沖量定理，兩物體相撞過(guò)程中，可以用下式估算沖力的平均值：

因此問(wèn)題的關(guān)鍵就在于如何確定落石質(zhì)量、襯砌撞擊過(guò)程的時(shí)間以及撞擊前后的速度，一般來(lái)說(shuō)，撞擊后落石即認(rèn)為靜止在襯砌上，因此問(wèn)題還可以簡(jiǎn)化為確定落石質(zhì)量、撞擊前的速度和撞擊過(guò)程的時(shí)間。上式可以簡(jiǎn)化為:

(1)

而撞擊前的速度是由下落的高度h以及碰撞時(shí)與襯砌之間的夾角所決定的，如圖1所示。

根據(jù)自由落體的相關(guān)計(jì)算公式可知：

其中，g為重力加速度；θ為落石與襯砌間的夾角。

代入式(1)可得：

表1 不同厚度襯砌沖擊荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果

kN

1.2 落石沖擊力的確定

落石的質(zhì)量則是隨機(jī)的，無(wú)法確切的用公式來(lái)表達(dá)，從幾千克、幾十千克的小石塊到幾噸的巨石都有可能，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文假設(shè)落石的質(zhì)量分別為400 kg，1 200 kg，2 000 kg和4 000 kg。落石和襯砌的作用時(shí)間是最難確定的量，參考我國(guó)部分沖擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[2]，考慮到圍巖級(jí)別不同時(shí)，落石的剛度也不相同，與襯砌的作用時(shí)間也不同，因此假設(shè)沖擊持續(xù)時(shí)間不超過(guò)0.1 s，最短為0.05 s，根據(jù)以上分析及假設(shè)，就可以計(jì)算落石沖擊力的大小，計(jì)算結(jié)果(考慮落石從拱頂正上方落下，即θ=90°)如圖2所示。

2 襯砌沖擊荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，在局部荷載或集中反力作用下不配置箍筋或彎起鋼筋的板其受沖切承載力應(yīng)符合下式規(guī)定：

Fl≤(0.7βhft+0.15σpc,m)ηumh0。

式中:Fl——局部荷載設(shè)計(jì)值或集中反力設(shè)計(jì)值；βh——截面高度影響系數(shù)，本文取值為1；ft——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；σpc,m——臨界截面周長(zhǎng)上兩個(gè)方向混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力按長(zhǎng)度的加權(quán)平均值，本文取1.5；

h0——截面有效高度；

η1——局部荷載或集中反力作用面積形狀的影響系數(shù)；

η2——臨界截面周長(zhǎng)與板截面有效高度之比的影響系數(shù)；

βs——局部荷載或集中反力作用面積為矩形時(shí)的長(zhǎng)邊與短邊的比值，當(dāng)面積為圓形時(shí)，取βs=2,本文取值為2；

αs——板柱結(jié)構(gòu)中柱類(lèi)型的影響系數(shù)。

《我國(guó)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的隧道襯砌厚度一般為35 cm～60 cm，一般采用C25混凝土，按照上述公式計(jì)算，可得不同襯砌的沖切荷載設(shè)計(jì)值如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)計(jì)算所得到的落石沖擊力，當(dāng)4 t重的石頭從1.6 m高處落下時(shí)，其沖擊力已經(jīng)超過(guò)了35 cm厚襯砌的抗沖擊荷載容許值，已經(jīng)足以導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的完全破壞，而較小的落石掉落到襯砌上時(shí)，其沖擊荷載雖不足以直接導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，但是也有可能導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。而當(dāng)襯砌設(shè)計(jì)厚度不足時(shí)，落石所造成的危害更大，其抗沖擊的能力大大下降，4 t重的石頭即使從0.4 m高處掉落，其所造成的沖擊力也可以直接導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，因此，襯砌背后產(chǎn)生空洞后，其所產(chǎn)生的間接影響(如落石沖擊)應(yīng)引起高度的重視。

[1] JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 羅林閣，曹映泓，陳國(guó)虞，等.船舶撞擊橋梁的撞擊力計(jì)算方法探討[J].中外公路，2006，26(5)：78-81.

Estimation on the influence of rockfall impaction upon tunnel structure safety

Wang Jifei

(ShanghaiTongjiEngineeringConsultingCo.,Ltd,Shanghai200092,China)

The paper mainly analyzes the impact of rockfall impaction upon secondary lining, and introduces the methods of calculating rockfall compaction force. Through computing lining compaction load, it draws some valuable conclusions. In addition, the indirect influence owing to lining back cavity should be noticed seriously.

lining back, cavity, rockfall, tunnel structure

2015-02-04

王繼飛(1978- )，男，工程師

1009-6825(2015)11-0174-02

U455.91

A