隧道洞口波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能

付兵先

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著鐵路隧道的大規(guī)模修建，一些新建鐵路隧道不可避免地會(huì)穿越許多地勢(shì)高陡的山區(qū)，這些地段在降水、地震等自然災(zāi)害的作用下，會(huì)形成危巖、落石、崩塌等災(zāi)害。由于落石災(zāi)害具有隨機(jī)性和突發(fā)性，對(duì)其運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)比較困難。因而此類災(zāi)害對(duì)隧道口段及相鄰的橋梁、線路造成巨大危害，嚴(yán)重危及行車安全。目前，常用的洞口防護(hù)結(jié)構(gòu)有明洞或棚洞、主動(dòng)和被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、柔性鋼結(jié)構(gòu)棚洞等[1-2]。

鋼筋混凝土明洞或棚洞防護(hù)性能好，但是鋼筋混凝土明洞或棚洞結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，基礎(chǔ)埋深大、斷面尺寸大，導(dǎo)致施工難度大，建設(shè)成本高。另外，在橋隧過(guò)渡段，機(jī)械設(shè)備無(wú)法進(jìn)入施工場(chǎng)地，無(wú)法進(jìn)行回填施工。主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)具有高柔性，高防護(hù)強(qiáng)度，易鋪展，適應(yīng)任何坡面地形，安裝程序標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化等特點(diǎn)，可有效防護(hù)崩塌落石、風(fēng)化剝落、泥石流等坡面地質(zhì)災(zāi)害。但是目前常用的主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)能力有限。柔性鋼結(jié)構(gòu)棚洞以鋼結(jié)構(gòu)框架作為承載體，以柔性網(wǎng)作為防撞體。柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)是一種高效的落石防護(hù)技術(shù)。但由于其網(wǎng)片本身呈鏤空狀，實(shí)際使用時(shí)，對(duì)粒徑小、能量低的落石和碎石塊的防護(hù)效果往往有限，甚至無(wú)法防護(hù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道洞口防護(hù)結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的研究成果。劉雷[1]提出了一種橋隧相連處翼緣板縱梁式矩形框架型和拱墻型棚洞，并對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)受力以及空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)開(kāi)展了計(jì)算分析；汪敏等[3]提出了一種主要由鋼拱架與ROCCO圓環(huán)金屬網(wǎng)組成的柔性鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了試驗(yàn)研究；楊建榮等[4]提出一種適用于鐵路線路落石防護(hù)的新型柔性棚洞，利用金屬柔性網(wǎng)和彈簧撐桿組成柔性耗能結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)鋼筋混凝土棚洞頂部鋪設(shè)的砂、礫石墊層來(lái)達(dá)到緩沖消能目的；何思明等[5]提出了一種新型耗能減震滾石棚洞結(jié)構(gòu)；王林峰等[6]提出了一種消能棚洞，并對(duì)落石沖擊計(jì)算及消能效果進(jìn)行了研究；王琦等[7]對(duì)橡膠緩沖墊層保護(hù)下棚洞結(jié)構(gòu)的落石沖擊力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究。除此以外，成都奧斯特公司開(kāi)發(fā)了適用于橋隧相連隧道洞口的柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用型鋼骨架，上覆柔性網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)片大變形對(duì)落石進(jìn)行卸載并彈開(kāi)，具有良好的落石攔截性能。

根據(jù)以上防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種新型承載結(jié)構(gòu)形式，即裝配式波紋管(板)結(jié)構(gòu)。開(kāi)展落石沖擊作用下波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征研究，對(duì)比分析試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，為后續(xù)柔性棚洞的優(yōu)化及設(shè)計(jì)計(jì)算理論的建立奠定基礎(chǔ)。

1 防護(hù)結(jié)構(gòu)落石沖擊足尺試驗(yàn)

波紋板是將厚2～10 mm的鋼板壓成波紋，經(jīng)冷彎加工成相應(yīng)弧度，采用熱浸鍍鋅、噴涂涂層，然后通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接，形成的拱(圓)形的承載結(jié)構(gòu)。由于慣性矩和截面系數(shù)較平板結(jié)構(gòu)增大，增加了抗壓及抗彎性能，加工成的拱形結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)一步提高。波紋板結(jié)構(gòu)板材為延性結(jié)構(gòu)，能夠承受較大的沖擊荷載。因此，波紋板結(jié)構(gòu)作為隧道洞口防護(hù)結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證波紋板作為隧道防護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性，選取典型波形并制作了1∶1的足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行落石沖擊荷載作用下波紋板防護(hù)性能試驗(yàn)，分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1.1.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用波紋板內(nèi)輪廓圓弧半徑較時(shí)速350 km高速鐵路隧道斷面的內(nèi)輪廓圓弧半徑大0.5 m。試驗(yàn)采用300 mm×110 mm波形，壁厚8 mm，材質(zhì)為Q345鋼，連接螺栓采用M24高強(qiáng)螺栓，強(qiáng)度等級(jí)為 S10.9。沖擊試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)受力及變形特性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 沖擊試驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：cm)

1.1.2 沖擊能量計(jì)算

隧道洞口危巖落石主要從隧道口的仰坡滾落以及直接從山體垂直掉落。沖擊時(shí)落石的總動(dòng)能為平動(dòng)動(dòng)能與轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能之和。沖擊能量W計(jì)算式為

(1)

式中：M為落石質(zhì)量，kg;V0為落石沖擊速度，m/s；I為巖石滾動(dòng)時(shí)的慣性力矩，kg·m2/s2；ω為巖石滾動(dòng)時(shí)的角速度，rad/s。

為防止落石沖擊波紋板后對(duì)其附近建筑物造成破壞，落石設(shè)計(jì)成帶棱角的六面體，落石外邊采用鋼板焊接，內(nèi)部灌注鋼砂，落石總質(zhì)量4.0 t。落石見(jiàn)圖2。

圖2 沖擊試驗(yàn)用落石

1.2 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)主要模擬最不利情況，因此選擇垂直沖擊。沖擊能量只考慮平動(dòng)動(dòng)能，忽略轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況

采用鉛垂線確定沖擊作用位置，讓落石沿鉛垂線自由下落后，沖擊作用到波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)的跨中位置(見(jiàn)圖3)。利用高速攝像機(jī)對(duì)落石沖擊碰撞過(guò)程進(jìn)行拍攝，在拍攝過(guò)程中設(shè)置相機(jī)的采樣頻率為 300 幀/s。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)沖擊試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 波紋板內(nèi)力

300 kJ沖擊能量作用下，波紋板拱頂應(yīng)變時(shí)程曲線見(jiàn)圖4。

圖4 波紋板拱頂應(yīng)變時(shí)程曲線

由圖4可知，落石沖擊作用下，波紋板結(jié)構(gòu)垂向、水平以及45°應(yīng)變?cè)?.14 s內(nèi)達(dá)到最大值，當(dāng)落石沖擊波紋板結(jié)構(gòu)后，落石被反彈，經(jīng)過(guò)暫短時(shí)間后落石再次對(duì)波紋板進(jìn)行了沖擊，波紋板結(jié)構(gòu)應(yīng)變出現(xiàn)反復(fù)震蕩。

波紋板不同部位應(yīng)力與沖擊能量關(guān)系曲線見(jiàn)圖5?？芍?，在300 mm×110 mm×8 mm規(guī)格下，隨著沖擊能量的增大，波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂、拱腰及邊墻部位Mises應(yīng)力呈非線性增大趨勢(shì)，且拱頂應(yīng)力最大，其次為拱腰，最后為邊墻,總體在500 kJ以內(nèi)。拱腰、邊墻部位Mises應(yīng)力未超過(guò)Q345鋼板材的屈服強(qiáng)度，但拱頂板材應(yīng)力出現(xiàn)局部屈服情況。因此，以屈服強(qiáng)度為判據(jù)，在500 kJ沖擊能量下，鋼板宜選用Q420及以上鋼板。

圖5 波紋板不同部位應(yīng)力與沖擊能量關(guān)系曲線

2.2 波紋板拱頂垂向變形

300 kJ沖擊能量作用下，波紋板拱頂垂向變形時(shí)程曲線見(jiàn)圖6。

圖6 波紋板拱頂垂向變形時(shí)程曲線

由圖6可知，落石沖擊作用下，波紋板防護(hù)結(jié)拱頂垂向變形0.15 s內(nèi)達(dá)到最大值，當(dāng)落石首次沖擊波紋板結(jié)構(gòu)后落石出現(xiàn)反彈，經(jīng)過(guò)暫短時(shí)間后落石再次對(duì)波紋板進(jìn)行了沖擊，波紋板結(jié)構(gòu)變形出現(xiàn)2次峰值。

圖7 波紋板拱頂垂向變形與沖擊能量關(guān)系曲線

波紋板拱頂垂向變形與沖擊能量的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7?？芍?00 mm×110 mm×8 mm規(guī)格下，隨著沖擊能量的增大，波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂垂向變形與沖擊能量基本呈線性關(guān)系。在350 kJ沖擊能量下，波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂垂向變形達(dá)到350 mm，在500 kJ沖擊能量下，波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂垂向變形達(dá)到510 mm。按照接觸網(wǎng)帶電部分至固定接地物的距離不小于300 mm 或跨越電氣化鐵路的各種建(構(gòu))筑物與帶電部分最小距離不小于500 mm規(guī)定[8]，在波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道內(nèi)輪廓一致的情況下，300 mm×110 mm×8 mm 規(guī)格波紋板的最大防護(hù)等級(jí)為500 kJ。

2.3 基礎(chǔ)壓力

波紋板基礎(chǔ)垂向壓力時(shí)程曲線見(jiàn)圖8?？芍?，落石沖擊作用下，基礎(chǔ)垂直壓力呈脈沖式變化規(guī)律。其主要原因是波紋板受力后，基礎(chǔ)經(jīng)歷了反復(fù)的拉壓過(guò)程，實(shí)際采集傳感器為壓力傳感器，采集過(guò)程中未采集到受拉過(guò)程造成的。

圖8 波紋板基礎(chǔ)垂向壓力時(shí)程曲線

圖9 波紋板基礎(chǔ)壓力與沖擊能量關(guān)系曲線

波紋板拱頂垂向位移與沖擊能量的關(guān)系曲線見(jiàn)圖9?？芍?，在300 mm×110 mm×8 mm規(guī)格下，隨著沖擊能量的增大，波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)垂向壓力、水平推力與沖擊能量基本呈冪函數(shù)關(guān)系且相關(guān)性較高。在500 kJ沖擊能量下，波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)垂向壓力達(dá)到101.2 kN/m，水平推力達(dá)到41.3 kN/m。由于波紋板為面狀結(jié)構(gòu)，因此，沖擊力傳遞至基礎(chǔ)位置時(shí)落點(diǎn)附近壓力較為均勻，結(jié)構(gòu)受力較好，總體基礎(chǔ)受力較小。

3 防護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)落石作用下波紋板結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算。由于落石對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊作用屬于高度非線性問(wèn)題，采用靜態(tài)計(jì)算無(wú)法獲得結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力。因此，借助于LS-DYNA有限元軟件[9]建立波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)三維動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，分析落石沖擊作用下波紋板結(jié)構(gòu)的受力及變形特征。

模型縱向長(zhǎng)度為10 m，波形為300 mm×110 mm×8 mm，波紋板內(nèi)輪廓與現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)長(zhǎng)度一致。波紋板采用Shell 163單元，落石采用Solid 164實(shí)體單元，共計(jì) 42 820 個(gè)單元，波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模型見(jiàn)圖10。

圖10 波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

參數(shù)取值參見(jiàn)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)——隧道》[10]，當(dāng)Q345鋼波紋板進(jìn)入塑性階段后，采用雙線性塑性本構(gòu)模型進(jìn)行分析，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 檢算參數(shù)

3.3 計(jì)算荷載

波紋板作為隧道洞口防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)自重、落石沖擊荷載、風(fēng)荷載以及地震荷載。本次計(jì)算是為了驗(yàn)證足尺試驗(yàn)的可靠性，因此只考慮落石的沖擊荷載，不考慮其他荷載。因此，波紋板結(jié)構(gòu)承受的落石沖擊能量分別按照100,200,300,500 kJ考慮。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

不同沖擊能量下拱頂部位試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖11?？芍绊敳课籑ises應(yīng)力、垂向變形及基礎(chǔ)壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值變化規(guī)律基本吻合。但數(shù)值計(jì)算結(jié)果較足尺試驗(yàn)結(jié)果大，其主要原因是足尺試驗(yàn)時(shí)，為保證基礎(chǔ)每個(gè)支點(diǎn)全部受力，基礎(chǔ)底部采用了橡膠緩沖層結(jié)構(gòu)，吸收了大部分的沖擊能量。另外，螺栓孔存在一些間隙，也會(huì)吸收部分沖擊能量，由此降低了結(jié)構(gòu)的受力。而在數(shù)值計(jì)算中，模型為整體結(jié)構(gòu)，無(wú)任何間隙，且底部為固定端，由于沖擊波傳遞至基礎(chǔ)位置時(shí)能量吸收較少，導(dǎo)致振動(dòng)波出現(xiàn)反射，由此造成計(jì)算結(jié)果相對(duì)較大。

圖11 不同沖擊能量下波紋板內(nèi)力及變形

由圖11可知，采用300 mm×110 mm×8 mm波形且在500 kJ沖擊能量作用下，波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂部位Mises應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值均超過(guò)Q345鋼材的屈服強(qiáng)度，但均未超過(guò)其極限強(qiáng)度；波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂變形計(jì)算最大值為65 cm，試驗(yàn)最大值為51 cm，總體變形較小，后期可通過(guò)增加波紋板內(nèi)輪廓半徑來(lái)滿足后期接觸網(wǎng)安全距離要求；波紋板基礎(chǔ)垂直壓力計(jì)算最大值接近120 kN/m，試驗(yàn)最大值為101.2 kN/m。由于緩沖層作用，降低了基礎(chǔ)的壓力。因此，后期在基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)減小基礎(chǔ)壓力具有重要意義。

4 結(jié)論

為了掌握波紋板結(jié)構(gòu)在落石沖擊作用下的防護(hù)性能，設(shè)計(jì)并制作了1∶1的足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到了如下主要結(jié)論：

1)波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)彈塑性變形吸收了部分落石的動(dòng)能，而螺栓基本上在彈性范圍內(nèi)吸收能量。在設(shè)計(jì)中，在滿足供電安全距離的情況下，應(yīng)盡可能地增加波紋板吸收的能量，減少螺栓吸收的能量。

2)采用300 mm×110 mm及以上波形時(shí)，可以抵御500 kJ落石的沖擊作用。在500 kJ沖擊能量作用下，即使板材個(gè)別位置出現(xiàn)屈服，但是整體拱頂變形最大只有0.51 m，所以采用大波形能夠作為隧道洞口防護(hù)結(jié)構(gòu)。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形小于預(yù)留空間距離，從而滿足鐵路供電安全距離要求。

3)當(dāng)防護(hù)的地點(diǎn)落石發(fā)生頻率較高且沖擊能量較大時(shí)，波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)由于多次的沖擊，結(jié)構(gòu)后期會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。因此為了提高抗沖擊性能，可在波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)背后設(shè)置緩沖層以提高波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性。