3種隧道洞口落石防護方案對比分析

嚴廣藝 付兵先

（1.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），西安 710043；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

我國西部高山峽谷區(qū)地勢陡峻，高速鐵路和公路穿越該地區(qū)常須修建大量隧道，崩塌落石是這些隧道洞口經(jīng)常面臨的地質(zhì)災(zāi)害之一。落石災(zāi)害突然發(fā)生，極易造成重大人身及財產(chǎn)損失，嚴重威脅工程的運營安全［1-2］。隨著工程技術(shù)人員對洞口工程安全的日益重視，新建工程常采用隧道洞口接長鋼筋混凝土棚洞的方式對落石進行防護。對于已經(jīng)運營的工程，洞口場地多狹小，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于施工工期長、工序較復(fù)雜，很難滿足這類工程現(xiàn)場要求。因此，施工較為便捷的輕型棚洞成為了一種新的選擇。本文以西安—成都高速鐵路隧道洞口落石防護工程為例，對比分析鋼桁架棚洞、柔性棚洞、波紋鋼板棚洞3種落石防護結(jié)構(gòu)的可靠性，以期為類似工程建設(shè)提供參考。

1 落石防護結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1）棚洞結(jié)構(gòu)的功能為防止隧道洞口崩塌落石侵入鐵路限界。

2）棚洞上部主體結(jié)構(gòu)使用年限按30年設(shè)計，下部支撐結(jié)構(gòu)使用年限按100年設(shè)計［3］。

3）結(jié)構(gòu)計算時，落石沖擊力按附加荷載考慮，同時須考慮結(jié)構(gòu)自重、溫度應(yīng)力、風(fēng)荷載、雪荷載以及氣動荷載［4］。

4）落石沖擊能量按100 kJ設(shè)計。

5）棚洞結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場施工場地、施工設(shè)備等條件綜合確定，并滿足工程的安全性、耐久性及經(jīng)濟性要求。

2 3種落石防護結(jié)構(gòu)對比分析

2.1 鋼桁架棚洞

鋼桁架棚洞由上部抵御落石沖擊的鋼蓋板與鋼桁架以及下部基礎(chǔ)組成，主要利用鋼蓋板的強度抵御落石沖擊。鋼桁架棚洞橫斷面如圖1所示。

圖1 鋼桁架棚洞橫斷面（單位：cm）

鋼桁架結(jié)構(gòu)為帶豎桿的三角桁架結(jié)構(gòu)［5］，設(shè)置在縱梁上。鋼桁架節(jié)間長度9 m，桁高13 m，左右鋼桁架中心距15 m。桁架上節(jié)點采用橫撐連接，頂部設(shè)置H型鋼蓋板，間距1 m。鋼蓋板上鋪設(shè)整體鋼板，并澆筑輕型泡沫混凝土，形成整體結(jié)構(gòu)。鋼桁架兩側(cè)掛設(shè)防護網(wǎng)，以防細小顆粒侵入線路。

利用MIDAS有限元軟件建立鋼桁架棚洞模型（圖2），對整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強度和變形進行分析。

圖2 鋼桁架棚洞數(shù)值模型

1）整體穩(wěn)定性

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算結(jié)果見表1?？芍?，鋼桁架棚洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為17.2，大于規(guī)范限值4，滿足要求。

表1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算結(jié)果

2）結(jié)構(gòu)強度

恒載（150 kN）+落石沖擊動能（100 kJ）作用下鋼蓋板最大主應(yīng)力53 MPa、鋼蓋板下工字鋼最大主應(yīng)力99 MPa、上弦桿最大主應(yīng)力160 MPa，腹桿壓應(yīng)力73 MPa，均滿足規(guī)范要求。其中腹桿主要受壓，可根據(jù)下式驗算其穩(wěn)定性。

式中：σ為計算所得腹桿壓應(yīng)力；?為軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)，取0.55；［σ］為Q235鋼材的容許屈服強度，取200 MPa。

由式（1）可得，73＜0.55×200=110 MPa，滿足要求。

3）鋼蓋板變形

恒載（150 kN）+落石沖擊動能（100 kJ）作用下鋼蓋板最大變形37 mm，出現(xiàn)在落石沖擊處，小于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范限值L/400=15 000 mm/400＝37.5 mm的要求（L為蓋板的長度）。

由以上分析可以看出，在落石沖擊作用下鋼桁架棚洞結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但局部會發(fā)生變形損傷。

2.2 柔性棚洞結(jié)構(gòu)

柔性棚洞一般由型鋼鋼架、支撐繩、柔性環(huán)形網(wǎng)等構(gòu)成。其主要通過柔性環(huán)形網(wǎng)的變形來吸收落石的動能，從而避免落石破壞防護結(jié)構(gòu)，防止落石侵入鐵路限界［6-9］。

柔性棚洞結(jié)構(gòu)寬18.6 m，高12.54 m，鋼拱架縱向間距3 m。棚洞橫斷面如圖3所示。主要構(gòu)件規(guī)格見表2。

圖3 柔性棚洞橫斷面（單位：cm）

表2 柔性棚洞主要構(gòu)件規(guī)格

利用LS?DYNA有限元軟件建立柔性棚洞模型（圖4），對其能量變化、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、環(huán)形網(wǎng)變形進行分析。

圖4 柔性棚洞數(shù)值模型

1）能量變化

落石與環(huán)形網(wǎng)能量時程曲線見圖5?？梢钥闯觯涫矒舡h(huán)形網(wǎng)后落石動能迅速下降，環(huán)形網(wǎng)內(nèi)能快速增加。在0.15 s時落石動能降為0，環(huán)形網(wǎng)內(nèi)能達到最大值90.05 kJ。隨后，由于落石的彈跳導(dǎo)致其動能有小幅波動，環(huán)形網(wǎng)內(nèi)能在短時間內(nèi)保持穩(wěn)定。整個過程環(huán)形網(wǎng)吸收的能量約80 kJ，約占落石初始動能的80%。

圖5 落石與環(huán)形網(wǎng)能量時程曲線

2）支撐繩內(nèi)力

柔性棚洞共布置了69根?18支撐繩，落石沖擊部位附近16根支撐繩（圖6）的最大軸力見表3。

圖6 中間16根支撐繩編號

表3 支撐繩最大軸力 kN

由表3可知，在落石沖擊作用下7#—10#支撐繩發(fā)揮主要作用，最大軸力遠大于其他支撐繩，其中8#支撐繩所受軸力最大，其值為91.7 kN。根據(jù)GB/T 8918—2006《重要用途鋼絲繩》，抗拉強度1 770 MPa的?18鋼絲繩最小破斷拉力為204 kN。由此可知，在落石沖擊作用下各支撐繩受力均在正常范圍內(nèi)。

3）鋼拱架應(yīng)力

落石動能為0時鋼拱架應(yīng)力見圖7?？芍藭r鋼拱架最大應(yīng)力為153.8 MPa。根據(jù)GB/T 1591—2018《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》，Q355B鋼材的屈服強度為355 MPa。鋼拱架受力未超過材料強度允許值，處于正常狀態(tài)。

4）環(huán)形網(wǎng)內(nèi)力

落石與環(huán)形網(wǎng)接觸部位所受沖擊力時程曲線見圖8?？芍涫c環(huán)形網(wǎng)接觸部位所受到的最大落石沖擊力為220.63 kN。柔性環(huán)形網(wǎng)承載力約為292.63 kN。由此可知，此時環(huán)形網(wǎng)受力正常。

圖7 鋼拱架應(yīng)力

圖8 落石與環(huán)形網(wǎng)接觸部位所受沖擊力時程曲線

5）環(huán)形網(wǎng)變形

柔性棚洞設(shè)計時，在滿足落石防護能級要求保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，還須考慮柔性環(huán)形網(wǎng)的變形大小，保證柔性棚洞在落石沖擊作用下受沖擊部位環(huán)形網(wǎng)位移在鐵路限界之外［10-12］。

落石動能為0時受沖擊部位環(huán)形網(wǎng)的豎向位移見圖9。可知，受沖擊部位環(huán)形網(wǎng)最大豎向位移為1.203 m，小于環(huán)形網(wǎng)與正洞內(nèi)輪廓的間距2.32 m（參見圖3），即落石沒有侵入鐵路限界。

圖9 受沖擊部位環(huán)形網(wǎng)豎向位移

由以上分析可知，初始能級100 kJ的落石沖擊柔性棚洞后，沒有發(fā)生支撐繩和環(huán)形網(wǎng)破斷，鋼拱架受力正常，落石沒有侵入鐵路限界，柔性棚洞能正常工作，成功攔截落石。

2.3 波紋鋼板棚洞

波紋鋼板棚洞主要由上部弧形波紋鋼板防護結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)組成［13］。其橫斷面如圖10所示，上部結(jié)構(gòu)采用3 000 mm×1 100 mm×8 mm的波紋鋼板，波紋鋼板各塊之間采用螺栓連接；下部結(jié)構(gòu)采用縱梁及樁柱基礎(chǔ)。

圖10 波紋鋼板棚洞橫斷面（單位：cm）

利用LS?DYNA有限元軟件，建立預(yù)制裝配式波紋鋼板棚洞結(jié)構(gòu)計算模型，分析落石沖擊作用下其受力及變形特征。

在100 kJ沖擊能量作用下，波紋鋼板棚洞拱頂Mises應(yīng)力為356 MPa。

波紋鋼板棚洞拱頂和起拱點位移時程曲線見圖11。可知，波紋鋼板棚洞拱頂最大豎向位移0.18 m，起拱線最大水平位移0.57 m。

圖11 波紋鋼板棚洞拱頂和起拱線位移時程曲線

由以上分析可見，波紋鋼板棚洞結(jié)構(gòu)變形小，各部件受力性能好，技術(shù)可行。

3 結(jié)論

1）在100 kJ的落石沖擊作用下，鋼桁架棚洞、柔性棚洞以及波紋鋼板棚洞均能對落石進行有效攔截，保證線路運行安全。

2）鋼桁架棚洞整體為剛性結(jié)構(gòu)，不利于落石的緩沖及能量的吸收，局部變形損傷。同時存在節(jié)點多，節(jié)點破壞修復(fù)難度大等缺點。鋼桁架棚洞屬于封閉結(jié)構(gòu)，列車進出隧道洞口的瞬間空氣壓力和吸力較大，在空氣動力作用下封閉蓋板自身和連接部位高強螺栓的耐久性和抗疲勞性能有待進一步驗證。柔性棚洞以柔克剛，能充分吸收落石的沖擊能量。其各構(gòu)件均可工廠化加工預(yù)制，工程造價低，施工場地占用小，安裝速度快，維修方便。波紋鋼板棚洞作為一種新型結(jié)構(gòu)，其具有強度高、自重輕、造價低、運營維護方便等特點。

3）綜合3種棚洞自身結(jié)構(gòu)特點，鋼桁架棚洞主要針對橋臺進洞或者橋隧相連處的落石防護，適用于洞口坡面陡峭，橋面與地面高差不大，圍巖條件較好地段。柔性棚洞現(xiàn)場安裝時間短、造價低、維修方便，適用于洞口場地施工條件差的隧道，以及既有工程改造項目。波紋鋼板棚洞施工速度快、強度高，更適用于洞口搶修工程。