新型結構在地震災后重建中的應用★

王 希 寶

(四川省交通勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610017)

1 概述

地震常引發(fā)大量次生地質災害，對震區(qū)公路、鐵路路基、橋梁、隧道等造成了巨大損壞。以汶川地震為例，據(jù)國家汶川地震專家委員會數(shù)據(jù)，汶川地震直接經濟總損失8 451.4億元，其中基礎設施的損失占到21.9%，總損失近三成是由滑坡、崩塌、泥石流等次生地質災后造成的。地震災區(qū)公路地質災害一般具有以下基本特征：

1)地質環(huán)境遭受嚴重破壞，沿線崩塌與巖堆、滑坡、泥石流極端發(fā)育。從映秀到汶川的20 km路段，共發(fā)育340多處滑坡、崩塌，路基遭受嚴重毀壞。

2)災后余震不斷，崩塌落石不斷，防災與重建并行。

3)受地形限制，次生地質災害一般表現(xiàn)為崩塌及覆蓋層滑坡，物源區(qū)多位于陡峭山壁，原位治理困難，只能采取被動防護措施。

作者結合所參與的映秀—汶川—馬爾康公路災后重建工程和川主寺—汶川路改建項目，鑒于部分路段地形特殊，一般構筑物不能滿足設計要求，創(chuàng)新型的提出一些新穎的結構，較好的解決了工程實際問題，下面分別予以介紹。

2 工程實例

2.1 錨拉樁基礎防泥石流明洞

1)工程概況。

麻柳灣位于國道213(317)線都江堰—汶川段K30+300處，距岷江下游映秀鎮(zhèn)約4.4 km，內側邊坡陡峻。汶川地震引發(fā)大規(guī)模崩塌，數(shù)十萬方塊碎石土飛泄而下，直接掩埋公路長達100余米。由于坡面殘留堆積體較多，在余震及降雨作用下，逐漸發(fā)展為坡面泥石流，并多次爆發(fā)，部分或全部掩埋公路，嚴重影響行車安全。

2)防泥石流結構設計。

因地形坡度大、坡面松散塊碎石土仍處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)等諸多不確定因素，采用主動防治措施造價高、風險大，因此采用被動防治措施，具體如下：

a.沿都汶公路通行方向設置長度大于其影響范圍的明洞，結構設計需考慮洞頂泥石流堆積荷載。b.在公路內側坡面泥石流出口處設置渡槽，沿溝口兩側布置八字墻導流，將泥石流引至公路外側，渡槽縱坡參照泥石流防治要求在10°～14°范圍，其強度需滿足抗塊石沖擊要求，建議采用構筑物與泥石流沖擊方向小夾角方式布置，并在兩側設矮擋墻。

設計采用如圖1所示的斷面結構，由渡槽、明洞、樁基托梁基礎組成。

明洞結構特點：

洞頂土石回填表面設置泥石流渡槽，引流泥石流至明洞結構外側；渡槽設置凸榫增加抗滑力；渡槽采用30 cm厚混凝土，并設置鋼筋網，增強抗拉強度。采用分離單壓式明洞：襯砌只承受洞頂回填土石的壓力和泥石流沖擊荷載，不承受側墻拉力。避免側墻與明洞襯砌的不均勻沉降導致結構附加應力。

樁基托梁側墻基礎(加錨索)：地震堆積體結構松散，承載力低。設托梁基礎，樁頂設錨索平衡泥石流沖擊力水平分力。

3)防護效果。

麻柳灣明洞結構于2009年8月完成主體結構施工。陸續(xù)經歷了2010年2月27日4.2級余震誘發(fā)的大規(guī)模崩塌和其后數(shù)年的中小規(guī)模崩塌，結構狀態(tài)良好，安全可靠，見圖2。

2.2 福堂隧道鋼架棚洞

2.2.1 工程概況

福堂隧道位于岷江右岸，徹底關溝與桃關大橋之間，地處岷江上游高山峽谷地段，山峰頂標高大于2 000 m，相對高差1 000 m～1 500 m，屬剝蝕～侵蝕中高山地貌。隧址區(qū)谷坡陡峻，一般30°～70°，部分成懸崖。汶川端洞口原設計為環(huán)框式洞口，無洞門端墻，仰坡采用GPS2型SNS邊坡柔性主動防護系統(tǒng)進行防護，防護范圍以隧道中線為軸線對稱布置40 m～60 m，高度由洞口山頂向下至洞頂位置。

2.2.2 崩塌危險性分析及評價

洞口高仰坡崩塌危險性評價及落石分析表明：

1)5·12汶川大地震引發(fā)福堂隧道汶川端洞口邊仰坡碎裂結構巖體大量崩塌、甚至彈射，落石大量堆積于坡腳及路基兩側，遠及岷江。其中尤以桃關大橋起點內側邊坡為甚，崩塌波及深度大于30 m，在坡腳形成坡度約35°的巖堆，巨石林立。

2)地震中洞口正上方巖體較穩(wěn)定，崩塌較少，部分落石為兩側碎裂巖體在大量墜落過程中互相撞擊彈射而來。洞外接填方路基，路面標高高于兩側地面約3 m，洞口范圍內因余震與風化卸荷剝落的落石墜落或落地后飛躍上路面的可能性不大。

3)對洞口上方巖體的穩(wěn)定性分析表明，在長期的風化卸荷和凍脹作用下，在隧道運營期內存在墜石的可能，特別是頂部坡口的A區(qū)，C區(qū)。建議采用主動網+洞口防落石結構的綜合防護措施。

4)對落石巖堆粒徑統(tǒng)計分析表明，出現(xiàn)直徑大于20 cm的落石可能性小于10%。但由于落石可能在撞擊地表后崩解，導致統(tǒng)計誤差，建議防落石設計按20 cm×20 cm×20 cm設防，安全保證率可達95%，同時對50 cm×50 cm×50 cm的落石具有一定的緩沖及防護能力。

5)一般零星落石情況下，巖塊多墜落于洞口一定范圍內，由于洞口高仰坡主動網施工已經完成，建議對防落石結構進行分段設計，洞外10 m范圍可考慮加強結構抗沖擊能力。

福堂隧道出口及崩塌危險性分區(qū)見圖3。

2.2.3 鋼結構設計

1)景觀設計。根據(jù)對洞口景觀的要求，結合本工點的實際情況，考慮結構與既有建筑、工程周邊自然及人文環(huán)境等相協(xié)調，選擇每榀鋼架高低錯落布置的異型鋼棚洞方案作為本工點實施方案(見圖4)。其主要結構特點為：

a.型鋼彎制成主鋼架，高低錯落布置，景觀效果好；

b.鋼架縱向采用小鋼管連接，提高穩(wěn)定性；

c.鋼架外表面鋪設兩層3 cm×3 cm鋼絲網，交錯布置，緩沖能力強；

d.兩側坡面陡，利于落石下滑；

e.抗震能力強，一般情況下結構本身不會損壞。

2)輪廓設計。鋼結構輪廓根據(jù)福堂隧道建筑限界以及景觀設計效果擬定，三維軸測效果如圖5所示。

3)結構設計。結構設計以落石地質調查及分析成果、景觀及輪廓設計成果作為設計依據(jù)，采用H型鋼彎制而成的鋼架作為主要受力構件，每榀鋼架縱向采用鋼管連接提高結構整體穩(wěn)定性，再在鋼架頂面和底面分別掛設兩層高強鋼絲網以緩沖落石沖擊均勻作用于鋼架上的集中荷載。

該鋼架棚洞于2009年12月完成棚洞主體結構施工(見圖6)。2010年2月27日5時20分左右，汶川地區(qū)發(fā)生了4.2級余震。余震時，棚洞上方山體掉下數(shù)塊落石多次擊中棚洞，所有小型落石均被彈落于岷江或者工棚附近。其中一塊規(guī)格32 cm×24 cm×15 cm，重約20 kg的中型落石砸斷一根鋼絲纜繩和外層柔性防護網，但被第二層柔性防護網和鋼梁連接件成功攔截并掉落在岷江側棚洞柱腳附近。鋼結構柔性棚洞起到了預期的防護效果。

2.3 半橋式棚洞及明洞

國道317線汶川—馬爾康公路改建工程柴棚子工點為防護崩塌落石而設，由于重建線路優(yōu)化調整，設計中線相對老路偏出約6.5 m，2/3的路基懸空于雜谷腦河之上，嚴重侵占河道。

為了治理邊坡滑塌、飛石等病害，結合改建公路設計，根據(jù)汶馬路全線各病害工點具體情況選用不同的結構形式。對于邊坡一次塌方量較大，落石較多，崩塌落石沖擊荷載較大地段采用拱形明洞結構，當邊坡塌方量較少或少量落石地段，內外側地質軟硬差別大或外側地形狹窄時采用棚洞結構。當棚洞、明洞外側侵占河道過多時，為保證岷江泄洪要求，較小路基沖刷，創(chuàng)新設計了半橋式明洞和半橋式棚洞(見圖7，圖8)。

2.3.1 半橋式棚洞適用條件

當邊坡塌方量較少或少量落石地段內外側地質軟硬差別大或外側地形狹窄地段路基侵占河道，不能滿足行洪要求時。

2.3.2 半橋式明洞適用條件

邊坡一次塌方量較大，落石較多地段、崩塌落石沖擊荷載較大地段、設置棚洞內側開挖較多地段、路基侵占河道，不能滿足行洪要求時。

2.3.3 路基式明洞適用條件

邊坡一次塌方量較大，落石較多地段、設置棚洞內側開挖較多地段、崩塌落石沖擊荷載較大地段。路基式明洞見圖9。

2.3.4 棚洞結構設計

1)結構組成。棚洞結構主要由三大部分組成，分別是內側混凝土邊墻、外側框架、頂梁。當棚洞侵入河道過多時，棚洞路基不采用回填土，設計采用半橋式棚洞，即外側立柱置于樁基蓋梁上，在內側擋墻設置C30鋼筋混凝土臺帽，在蓋梁和臺帽上架設橫置板(預制鋼筋混凝土空心板)，減少對河道的侵占。考慮到施工保通等因素，本設計橫置板采用預制鋼筋混凝土空心板，汽車吊運安裝。橫置板順公路縱向密排，截面采用空心矩形板。

2)棚洞框架地基處理。據(jù)受力分析和結構內力計算，外側立柱基礎基底應力較大，根據(jù)實際情況選用擴大基礎或鉆孔灌注樁基礎。當立柱基礎埋置深度超過路面以下3 m時，在路面下設置鋼筋混凝土橫向拉桿，并錨固于內邊墻，并且立柱在路基平面處加設縱撐。

2.3.5 明洞結構設計

明洞結構主要由四部分組成，分別是拱形明洞襯砌、外側墻、樁基托梁基礎、錨樁及拉桿。汶馬路改建施工場地狹窄，為保證施工期公路暢通，明洞不設仰拱，采用拉桿和錨樁結構施加內側拱腳及樁基托梁橫向約束。當明洞外側侵占河道較少時，采用路肩墻；當明洞侵入河道過多時，采用半橋式明洞，即外側墻置于樁基蓋梁上，在內側拱腳設置C30鋼筋混凝土臺帽，在蓋梁和臺帽上架設橫置板(預制鋼筋混凝土空心板)，減少對河道的侵占(如圖8半橋式明洞所示)。

3 結論與建議

1)災后重建面臨各種非常規(guī)設計工況，結構設計必須因地制宜，在充分考慮現(xiàn)場地形、地質及環(huán)境條件基礎上創(chuàng)新結構設計，解決特殊問題。

2)文中所提及的新型明洞及棚洞結構均較好的解決了工程實際問題，經工程驗證效果良好，值得推廣應用。