隧道洞口落石防護分流式引導系統(tǒng)原位試驗與數(shù)值分析

齊 欣,鄧芊芊,趙 雷,袁 松,李貞良,王希寶,余志祥

(1．西南交通大學 土木工程學院,成都 610031; 2．四川省交通勘察設計研究院有限公司,成都 610017)

隧道洞口多處于地勢險峻、巖體風化的高陡地段,地質條件相對惡劣,在雨水及地震等自然災害的作用下,極易形成危巖、落石、崩塌等,一旦有落石進入到洞口區(qū)域,對隧道洞口段線路造成嚴重威脅,危及行車安全。如2020年5月由于降雨導致的武罐高速東溝隧道洞口落石砸向高速公路防撞墻及路面,致防撞墻和路面受損,嚴重影響車輛的安全通行[1]。2021年7月由于連降大雨,林石線太行隧洞西洞口出現(xiàn)落石,對該路段施行了臨時封閉[2]。

針對隧道洞口區(qū)段的落石災害防治,各國學者主要從兩方面開展研究。一方面是對隧道洞口處的巖體進行加固,如莊心善等[3]結合塑性極限平衡理論,定義了能量安全系數(shù),并給出其合理的取值范圍,提出了錨桿加固巖體的安全系數(shù)設計法;申玉生等[4]提出隧道洞口的全環(huán)間隔注漿預加固方案。楊曉華等[5]針對黃土隧道洞口塌方,提出采用小導管注漿加固圍巖、洞內與地表共同治理的綜合處治措施。Li等[6]提出優(yōu)化隧道洞口邊坡預應力錨索的加固方法;Zhan等[7]研究了預應力錨桿和錨索加固的隧道洞口的力學響應。隧道洞口巖體加固類方法能有效提高巖體的穩(wěn)定性,但該類方法通常對環(huán)境影響較大,且施工量大,易對巖體形成二次破壞。另一方面,各國學者開展了隧道洞口抗落石沖擊棚洞、被動防護網(wǎng)和引導防護網(wǎng)等防護結構的研究,Effeindzourou等[8]分析了塊體質量、沖擊速度和緩沖層厚度對棚洞受力影響和沖擊后回彈軌跡;孟杰等[9]對落石沖擊下的輕型剛性棚洞的沖擊行為進行研究,探討落石沖擊下輕型棚洞結構的影響;何思明等[10]等利用耗能器降低了棚洞在落石沖擊下產生的動力響應,與此同時研究了配置耗能器的棚洞結構能量分配特征;Wu等[11]提出了一種帶有一定傾斜角度的柔性棚洞,并結合有限元方法和工程實例給出了該角度的最佳數(shù)值。在引導網(wǎng)的研究方面,Luo等[12]從時間和空間兩個維度分析了引導網(wǎng)對落石災害的防控機理,并開展了引導網(wǎng)系統(tǒng)的關鍵部分原位試驗,驗證了該系統(tǒng)對防護大規(guī)模崩塌落石的有效性。崔廉明等[13-14]通過模型試驗和數(shù)值分析對引導網(wǎng)的防護性能進行研究,并討論了不同位置配重對防護性能的提升。金云濤等[15]結合引導網(wǎng)原位足尺沖擊試驗,揭示了系統(tǒng)的耗能機制。上述方法有效攔截了落石,在隧道洞口的落石防治中取得了較好效果,但仍存在著落石清理困難,后期維護成本過高等問題。

基于此,綜合考慮環(huán)境特征、防護能力、落石清理等因素,本文提出了一種新型的適用于隧道洞口的防落石沖擊分流式引導系統(tǒng),如圖1所示。該系統(tǒng)基于柔性防護理念,通過不同高度的鋼柱支撐起網(wǎng)片與鋼絲繩,使網(wǎng)面形成傾斜效果,布置于隧道洞口上方空間。傾斜網(wǎng)片形成自然坡面的延伸,可引導落石滾動。同時,系統(tǒng)中可設置耗能元件,提高緩沖性能;落石離開網(wǎng)面后,耗能元件的內能釋放,可進一步實現(xiàn)結構性能恢復。該系統(tǒng)既能有效地對落石進行能量耗散,同時又對落石進行了軌跡引導。在軌跡的引導方面,簾式網(wǎng)一方面通過網(wǎng)片的壓制耗散落石能量,另一方面可對軌跡單向引導,本文通過足尺試驗和數(shù)值仿真對該類系統(tǒng)的受力機理開展研究,為隧道洞口的落石防護設計提供參考。

1 系統(tǒng)構成及工作原理

分流式引導系統(tǒng)由攔截單元、支撐單元和連接耗能元件組成(見圖1)。攔截單元主要為柔性鋼絲繩攔截網(wǎng),支撐單元主要為支撐柱。柔性鋼絲繩攔截網(wǎng)四周與鋼絲繩相連,起到攔截、耗能和分流的作用;橫向和縱向的鋼絲繩連接起整個系統(tǒng),同時在鋼絲繩上布置若干耗能元件,不僅提高了系統(tǒng)的耗能能力,還加強了系統(tǒng)的抗落石沖擊能力、分流能力和系統(tǒng)幾何形態(tài)與性能的可恢復性。該系統(tǒng)兼顧了落石攔截、分流,同時規(guī)避了大方量基礎開挖。而且系統(tǒng)采用儲能釋放的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)的耗能緩沖,保證了系統(tǒng)沖擊后形態(tài)的可恢復,具有較好的韌性。

分流式引導系統(tǒng)通常布置于隧道洞口正上方,當洞口上方的落石下落,首先接觸到柔性鋼絲繩攔截網(wǎng),由于網(wǎng)片的柔性緩沖,落石沖擊速度及沖擊能量迅速降低。由于網(wǎng)面傾斜,落石在網(wǎng)面上滾動下滑,逐步偏離原軌跡,并依靠落石與網(wǎng)片的摩擦,繼續(xù)耗散落石能量,最終落石被低速引導至安全區(qū)域收集,實現(xiàn)分流和引導。

攔截網(wǎng)片采用高強鋼絲網(wǎng)環(huán),網(wǎng)環(huán)單元之間可相對滑移摩擦形成阻尼,同時,因為單元間變形協(xié)調性更有利于變形和緩沖。對于不同的防護能級要求,系統(tǒng)支撐繩可以連接減壓環(huán),沖擊發(fā)生時,支撐繩可在支承邊界上滑移,并將拉力傳遞至減壓環(huán),當拉力超過減壓環(huán)啟動力閾值時,減壓環(huán)啟動并發(fā)生塑性變形,開始耗散能量。

傳統(tǒng)被動防護網(wǎng)其主要工作原理為“攔截”,落石進入柔性網(wǎng)內部,依靠整體系統(tǒng)的大變形耗散能量;引導網(wǎng)體現(xiàn)為“攔截—壓制—引導”,在攔截的基礎上,通過網(wǎng)片的重力和落石與山體間的反復碰撞耗散落石能量,同時在落石的運動路徑上實現(xiàn)單向引導。而柔性分流式引導結構體現(xiàn)為“攔截—引導—分流”,落石在張緊的網(wǎng)面表面運動,通過傾斜網(wǎng)面,落石運動方向的大幅改變,實現(xiàn)雙向引導,如圖2所示。針對改變落石的運動軌跡,Wang等[16]提出了將膨脹聚苯乙烯墊層覆蓋在柔性網(wǎng)表面,并傾斜沖擊面,從而實現(xiàn)落石自動清理,該方法已形成了分流式引導網(wǎng)的雛形,但研究僅限于單片網(wǎng)片,未形成體系。文獻[17]表明,當落石沖擊方向與網(wǎng)面法線方向的夾角越大,柔性防護結構越不容易發(fā)生破壞,但落石在網(wǎng)面反向會產生一定的速度分量,且相比傳統(tǒng)被動柔性防護結構,在柔性分流式引導結構中,方向的改變更復雜,需要精準計算和合理布局,才能實現(xiàn)順利分流和引導。

(a) 被動防護網(wǎng)

2 足尺沖擊試驗與數(shù)值分析

2.1 試驗方案

試驗地址在四川省廣漢市松林鎮(zhèn),由于系統(tǒng)左右對稱,采用半結構開展試驗。試驗模型直接安裝在山坡上,采用2跨模型,鋼柱間距為10.0 m,鋼柱高為8.0 m,分導網(wǎng)網(wǎng)片寬10.0 m,網(wǎng)面與水平面夾角40°。鋼柱材料為Q235,鋼絲繩材料采用6×19S+IWR,構件規(guī)格如表1所示。試驗模型及尺寸如圖3所示。

表1 構件參數(shù)Tab.1 Test component parameters

圖3 試驗模型Fig.3 Test model

共設計了2組試驗模型,2組模型系統(tǒng)構成和構件尺寸均一致,區(qū)別在于試驗1的跨間橫向支撐繩2處于張緊狀態(tài),試驗2的跨間橫向支撐繩2處于松弛狀態(tài)。試驗時,利用起吊裝置將質量為1.2 t的鋼筋混凝土26面體,試塊吊至距離頂端網(wǎng)片13.0 m處,試塊自由下落,沖擊能量150 kJ。沖擊位置距縱向支撐繩2為 1.0 m,距橫向支撐繩1為1.5 m。采用2臺Photron高速攝像機拍攝落石下落的全過程,采樣頻率為500 fps,并采用ProAnalyst運動分析軟件獲取落石的運動軌跡及系統(tǒng)沖擊變形等特征。

2.2 數(shù)值分析

采用LS-DYNA軟件建立試塊沖擊分流式引導系統(tǒng)數(shù)值模型,數(shù)值模型構件規(guī)格尺寸與試驗一致。鋼絲繩和鋼絲繩網(wǎng)片均采用索單元,僅考慮受拉特性,同時考慮結構在自重作用下的變形及內力分布。鋼絲繩網(wǎng)與鋼絲繩采用卸扣連接,卸扣與二者均設可滑移接觸,同時鋼絲繩沿鋼柱設置滑移接觸,試塊與鋼絲繩網(wǎng)設置動力接觸邊界[18],相關參數(shù)定義如表2、圖4所示。

表2 構件材料參數(shù)Tab.2 Component material parameters

(a) 減壓環(huán)材料模型

為更加真實地模擬試驗,有限元模型先預加重力直至其在系統(tǒng)阻尼的作用下趨于平穩(wěn),使網(wǎng)面呈自然下垂狀態(tài),為了減少計算時間,通過動能定理換算得出,落石接觸網(wǎng)面的速度為16.125 m/s,有限元模型中設定落石初始與網(wǎng)片臨界接觸,并設定初始速度。

3 結果分析

3.1 試驗現(xiàn)象

對試驗1與試驗2分流引導過程進行分析,如圖5、圖6所示。

(a) 落石接觸網(wǎng)面(t=0)

(a) 落石接觸網(wǎng)面(t=0)

試驗1中,試驗試塊下落后,以接觸鋼絲繩攔截網(wǎng)面時刻作為0點,0～0.52 s柔性網(wǎng)片的攔截作用下落石在網(wǎng)片下落繼而小幅回彈,0.52～1.04 s落石在上半部網(wǎng)片分流運動,1.86 s由于橫向支撐繩2處于張緊狀態(tài),導致試塊卡在鋼絲繩中部位置,未能成功滾落。試驗2中,0～0.50 s,落石運動與試驗1類似,試塊經歷了下落、回彈、沿網(wǎng)面滾動的過程。由于橫向支撐繩2處于松弛狀態(tài),1.20 s后,試塊跨過支撐繩2,繼續(xù)在網(wǎng)面運動,有效地改變了落石的運動軌跡,在2.64 s分流至側向45°區(qū),進入試塊收集區(qū)域。對比來看,當橫向支撐繩2自然下垂時,更有利于落石分流。

根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設部、國家發(fā)展改革委、財政部《關于做好2013年農村危房改造工作的通知》(建村〔2013〕90號)，為提高農村危房改造的質量水平，規(guī)范工程建設與驗收，我部制定了《農村危房改造最低建設要求(試行)》(以下簡稱最低建設要求)?，F(xiàn)印發(fā)你們，請認真貫徹執(zhí)行。

可將分導網(wǎng)的工作流程分為兩個階段,攔截階段(0～0.50 s)和分流階段(0.50～2.64 s)。在攔截階段,落石與網(wǎng)片接觸,并沖擊至最低點,網(wǎng)片呈V型漏斗狀,同時在網(wǎng)片和重力的共同作用下,驅動落石回彈并開始改變運動方向。在分流階段,落石沿網(wǎng)片傾斜方向運動,逐漸偏離初始運動軌跡,直至最終離開網(wǎng)面。

試驗1結束后,沖擊落石被中部橫向支撐繩2攔截,使得鋼柱2頂部向網(wǎng)面內偏轉1.5 m,從而使橫向支撐繩2呈現(xiàn)下垂狀態(tài),網(wǎng)面最大垂度約1.0 m,試驗2結束后,沖擊落石被順利分導至安全區(qū)域,橫向支撐繩2呈現(xiàn)下垂狀態(tài),網(wǎng)面垂度約1.1 m。因此建議使中部支撐繩具有一定的垂度,根據(jù)試驗2的結果,建議將該垂度取為1.0 m,即為支撐繩原長度的1/10,網(wǎng)面垂度的試驗值與模擬值對比如表3所示。

表3 網(wǎng)面垂度對比Tab.3 Comparison of net vertical deflection

分別提取模擬1、模擬2相應的落石運動軌跡與不布置柔性分流式引導系統(tǒng)時落石的軌跡進行對比,如圖7所示。

圖7 運動軌跡對比Fig.7 Comparison of motion tracks

由圖7可知,試驗1和試驗2均使落石軌跡發(fā)生了偏移,但由于試驗1的中部橫向支撐繩張緊,落石被該支撐繩攔截,試塊停留在系統(tǒng)內部,試驗1中試塊的Y偏移距離為2.33 m。試驗2中橫向支撐繩處于松弛狀態(tài)時,落石能順利跨過跨間支撐繩,并滾落至收集區(qū)。與無分導網(wǎng)的落石軌跡相比,試驗2的Y偏移距離達到了5.75 m,分流效果明顯。通過Euclidean范數(shù)(見式(1))分別度量有限元結果、理論計算結果與試驗結果的誤差。

(1)

式中:x1i[k],x2i[k]為第一組數(shù)據(jù)和第二組數(shù)據(jù)中的第k個數(shù)據(jù)點的i坐標;m為數(shù)據(jù)點的維數(shù);n為數(shù)據(jù)點的個數(shù)。

由式(1)計算得到的有限元結果與試驗結果的誤差DE為0.32 m,表明有限元結果能較好反映落石的真實軌跡。

3.2 結果分析

3.2.1 沖擊力對比

模擬1和模擬2中的落石沖擊力時程曲線,如圖8所示,體現(xiàn)出了明顯的兩階段特征。在攔截階段沖擊力出現(xiàn)第一個峰值,結合圖7,在該階段,落石運動方向的改變較小,落石在攔截階段末侵入鋼絲繩網(wǎng)的深度達到最大值。這一階段主要是依靠柔性鋼絲繩網(wǎng)和耗能器耗散落石能量,在該階段,兩組試驗中體現(xiàn)出的沖擊力峰值基本一致,約為90 kN。分流階段,模擬1和模擬2明顯不同。模擬1中落石被鋼絲繩網(wǎng)攔住后,在網(wǎng)內做有阻尼簡諧運動,沖擊力呈現(xiàn)簡諧振動,并逐步衰減;模擬2中隨著試塊在網(wǎng)面移動,沖擊力的振幅緩慢降低,在試塊二次沖擊網(wǎng)面時,沖擊力達到第二次峰值58 kN,約為首次峰值的64%。隨后,沖擊力逐步降低。

圖8 沖擊力時程曲線Fig.8 Time history curve of impact force

3.2.2 試塊動能分析

動能時程曲線如圖9所示。由圖9可知,攔截階段,模擬1和模擬2基本保持一致,試塊接觸到鋼絲繩網(wǎng)后,依靠網(wǎng)片的緩沖、耗能元件的共同工作,試塊動能迅速降低,快速從150 kJ降低到75 kJ左右。分流階段,模擬1中由于落石被攔截在網(wǎng)內,動能較早地歸為零。模擬2中,隨著試塊在網(wǎng)片移動,柔性網(wǎng)面的緩沖、摩擦以及耗能元件耗能促使試塊動能逐步下降,模擬2落石離開系統(tǒng)時刻的殘余動能為22 kJ,約為初始沖擊動能的15%,表明系統(tǒng)在分流的同時,有效地降低了落石的沖擊能量。

圖9 動能時程曲線Fig.9 Kinetic energy time history curve

3.2.3 耗能分析

模擬1和模擬2中,各耗能組成部分比例不盡相同,如圖10所示。模擬1和模擬2中,減壓環(huán)的耗能均占比最大,表明對于分流式引導系統(tǒng),減壓環(huán)是最主要的耗能元件,尤其在模擬2中,耗能器的耗能占比已超過50%。模擬1中由于試塊滯留于網(wǎng)片中,導致網(wǎng)片耗能明顯增大,模擬2中試塊的順利分流,使得落石離開后,網(wǎng)片的彈性耗能釋放,恢復形態(tài),從而網(wǎng)片的耗能僅占到18%。試塊跟網(wǎng)片的摩擦以及系統(tǒng)阻尼的耗能均保持在20%左右。兩組試驗中,鋼柱的耗能比例均小于5%,因此可認為鋼柱在系統(tǒng)中不參與耗能,僅起到支撐作用。通過對各部件耗能累計后發(fā)現(xiàn),耗能總和模擬1達到229 kJ,模擬2達到273 kJ,遠大于初始的沖擊動能150 kJ,其原因在于由于網(wǎng)片的斜向布置,在分流過程中,模擬1中試塊下落高度達到了5.9 m,重力勢能疊加約為70 kJ,模擬2中試塊下落高度達到了10.1 m,試塊的重力勢能疊加了119 kJ。

(a) 模擬1 (b) 模擬2圖10 耗能對比Fig.10 Energy consumption comparison

進一步對比了模擬1和模擬2中減壓環(huán)的伸長量,如圖11所示。由圖11可以看出,無論是模擬1還是模擬2,布置于中部縱向支撐繩2上的2號和4號減壓環(huán)的伸長量明顯大于布置于縱向邊界支撐繩1上的1號和3號減壓環(huán),2號、4號減壓環(huán)伸長量約為1號、3號減壓環(huán)伸長量的2倍,表明中部縱向鋼絲繩2所受到的拉力明顯大于縱向邊界鋼絲繩的拉力。

圖11 減壓環(huán)伸長量Fig.11 Elongation of brake ring

4 分導性能影響參數(shù)分析

為分析分流式引導系統(tǒng)的分導性能,考慮到實際落石的群發(fā)性特征,采用多體落石開展進一步研究,系統(tǒng)中各構件材料、尺寸與試驗一致。落石群采用半徑為0.15～0.30 m的37個隨機球體所形成的堆積體,堆積體總質量為5.9 t,沖擊總能量為650 kJ,為評價系統(tǒng)的分流能力,定義偏移比ζ見式(2)

(2)

式中:Δxi為t時刻第i個落石在網(wǎng)面寬度方向的位移;l為網(wǎng)面寬度。以下分析以第一塊落石離開網(wǎng)面時刻,結合鋼絲繩網(wǎng)面橫向傾角θy和縱向傾角θx如圖12所示,研究系統(tǒng)的分導效果。

圖12 橫向傾角θy和縱向傾角θx的定義Fig.12 Definition of transverse angle θy and longitudinal angle θx

4.1 橫向傾角θy影響分析

保持縱向傾角θx為25°不變,分別選取橫向傾角θy為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°和45°。由圖13可知,隨著橫向傾角增加,落石偏移比非線性增長。但值得注意的是,計算表明當橫向傾角小于10°時,會有少量落石殘留在網(wǎng)面內,同時橫向傾角大于40°以后,落石到達邊界的時刻基本一致,但由于水平投影長度明顯減小,偏移比降低。因此,橫向傾角在40°～45°區(qū)間,能獲得較好的分流效果。

圖13 不同橫向傾角下的偏移比Fig.13 Migration ratio under different transverse inclination angles

4.2 縱向傾角θx影響分析

保持橫向傾角θy為45°不變,分別選取縱向傾角θx為15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°。落石偏移比變化如圖14所示?？梢钥闯?縱向傾角從15°增加到20°,偏移比有小幅的增長,大于20°以后,隨著縱向傾角θx增加,落石偏移比線性減小。尤其是傾角大于40°以后,偏移比減小速率增大。因此,縱向傾角在20°左右,能取得較好的分流效果。

圖14 不同縱向傾角下的偏移比Fig.14 Migration ratio under different longitudinal inclination angles

5 結 論

通過對分流式引導系統(tǒng)開展足尺試驗和數(shù)值仿真計算,得到以下結論:

(1) 分流式引導系統(tǒng)具有良好的落石分導效果,能有效地改變落石的運動路徑,達到預期分流效果。

(2) 分流式引導系統(tǒng)的受力及變形,具有明顯的二階段特征,第一階段主要為攔截耗能階段,攔截落石并耗散落石能量,第二階段為分流階段,改變落石的運動路徑。耗能器是系統(tǒng)中的主要耗能元件,耗能占比已超過50%,且中部縱向鋼絲繩連接的減壓環(huán)耗能占比更多。

(3) 隨著橫向傾角增加,落石偏移比非線性增大。隨著縱向傾角增加,落石偏移比線性減小。

(4) 建立了橫向傾角和縱向傾角與偏移比的相關方程,采用該方程可快速預估系統(tǒng)的分流效果,為分流式引導系統(tǒng)布置提供了參考。

需要特別說明的是本文結論僅針對特定網(wǎng)型和落石組合,其他網(wǎng)形及組合結論可能不一致,需開展進一步研究。