羅章波

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

0 引言

隧道洞口落石防治一直是鐵路安全防護(hù)的難題，在工程措施安全、合理和經(jīng)濟(jì)3方面找到一個(gè)最佳點(diǎn)較難把握。在我國(guó)修建年代較早的個(gè)別隧道中，洞口防護(hù)措施弱，山體大面積風(fēng)化剝落，鐵路運(yùn)營(yíng)安全存在較大隱患，急需進(jìn)行綜合性的病害整治。以往洞口落石防治過(guò)分強(qiáng)調(diào)措施的安全性，較少綜合性地考慮合理性和經(jīng)濟(jì)性。

由于工程條件各不一樣，防護(hù)措施沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，較強(qiáng)的措施安全性高，但不一定經(jīng)濟(jì);措施簡(jiǎn)單，安全性就難以保證。張國(guó)永［1］根據(jù)某孤立的大型凸型邊坡危巖落石災(zāi)害的高速運(yùn)動(dòng)、高沖擊能量、多發(fā)性以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性等特征，通過(guò)基礎(chǔ)物理的碰撞計(jì)算方法和離散單元法，確定落石的運(yùn)動(dòng)軌跡和能量，并針對(duì)性地進(jìn)行了防護(hù)。唐紅梅等［2］根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)危巖崩塌的地質(zhì)災(zāi)害，將危巖的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為初始運(yùn)動(dòng)過(guò)程、碰撞過(guò)程、滑動(dòng)過(guò)程和滾動(dòng)過(guò)程4個(gè)階段，獲取各個(gè)階段運(yùn)動(dòng)軌跡方程，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了路徑分析計(jì)算的合理性。王玉鎖等［3］根據(jù)蘭渝線范家坪隧道出口危巖落石工程設(shè)計(jì)，提出采用初步定性評(píng)估和細(xì)部定量評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，預(yù)測(cè)了出口仰坡危巖落石運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)測(cè)結(jié)果表明原設(shè)計(jì)的明洞長(zhǎng)度不能滿(mǎn)足防治山上危巖落石的要求。

國(guó)外，尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家在危巖落石災(zāi)害防治研究方面起步較早，如荷蘭學(xué)者Van Westen C.J.開(kāi)發(fā)出了一部山區(qū)落石滾落速率計(jì)算模型，并據(jù)此繪出了研究區(qū)內(nèi)落石速率分布圖，為采取相應(yīng)的治理措施提供了方便。

本文從危巖落石的發(fā)生機(jī)制、彈跳高度、運(yùn)動(dòng)能量、防治措施等方面進(jìn)行綜合研究，提出結(jié)合隧道洞口具體情況的綜合防護(hù)措施。該研究對(duì)工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了系統(tǒng)的量化評(píng)價(jià)，與以往的研究相比，該研究更全面，措施更有針對(duì)性，可為今后類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道工程概況

成昆鐵路小平地隧道全長(zhǎng)419 m，為單線電氣化鐵路隧道。隧道進(jìn)口與鐵路橋相連通，隧道口處邊坡高陡，斜坡整體坡度約72°，坡體相對(duì)鐵路橋的高差達(dá)130 m，陡坎處基巖出露，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，坡表植被較發(fā)育，為典型的中山地貌。由于列車(chē)行駛造成的震動(dòng)等原因，原本節(jié)理裂隙較發(fā)育的巖石進(jìn)一步松動(dòng)，從而形成了崩塌落石等潛在災(zāi)害，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生安全隱患［4］。隧道洞口平面見(jiàn)圖1，洞口縱斷面見(jiàn)圖2。

圖1 洞口平面圖Fig.1 Plan of entrance section

隧道采用直墻整體式襯砌，無(wú)仰拱。Ⅲ級(jí)圍巖襯砌采用C20混凝土整體灌筑，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖襯砌采用C15混凝土整體灌筑，噴錨襯砌采用C20混凝土，鋪底采用 C15 混凝土［5］。

1.2 進(jìn)口工程地質(zhì)

第四系崩坡積物覆蓋較薄，基巖大面積裸露，下伏基巖為前震旦系石英砂巖(Pt1kn22)，主要節(jié)理為NE70°/SE80°，S － N/90°，巖層層理產(chǎn)狀 NE45°/NW 72°，風(fēng)化不均，部分風(fēng)化核體孤懸于陡崖，形成危石，對(duì)鐵路工程造成極大威脅［6］。

圖2 洞口縱斷面圖Fig.2 Longitudinal profile of entrance section

2 洞口危巖落石分析

2.1 落石的運(yùn)動(dòng)軌跡

落石模擬計(jì)算采用Rockfall軟件進(jìn)行。陡崖少量部位為裸露的基巖，大多地段為崩坡積、殘坡積物(碎石堆積體)，植被發(fā)育。根據(jù)砂巖風(fēng)化的情況和節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，從偏于安全的角度考慮，陡崖坡面的彈性系數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表Table 1 Material parameters

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，由于巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，該鐵路邊坡的單塊落石方量取0.2 m3，巖石密度按2 500 kg/m3考慮，故模擬計(jì)算時(shí)，取落石質(zhì)量為500 kg。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，從偏于保守的角度考慮，落石的形狀為近于圓形落石。

共進(jìn)行了100次落石模擬。根據(jù)模擬分析結(jié)果，在距洞門(mén)33 m處，只有3個(gè)落石穿過(guò)，即落石到達(dá)距洞門(mén)33 m的概率為3%。以此類(lèi)推，落石通過(guò)距洞門(mén)30，28，25，22，14 m處的概率分別為16%，54%，68%，73%，90%。需要說(shuō)明的是，距洞門(mén)較近處的落石概率包含了較遠(yuǎn)處的概率。落石運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出，落石最終主要落在25 m和28 m左右處，概率分別為38%和14%。

圖3 落石運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.3 Rock fall route

由于邊坡較陡，且坡高較大，落石落下和再次彈起都將沿鐵路滾動(dòng)，嚴(yán)重危及列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全。

在距隧道洞頂高約13 m處的落石最大彈跳高度約為4 m，但概率較小(≤10%)，彈跳高度一般都在2 m以?xún)?nèi)，該處落石最大能量約160 kJ。在進(jìn)行的100次模擬中，僅有一次達(dá)到160 kJ，其概率僅為1%，超過(guò)80%的落石能量均在100 kJ以?xún)?nèi)。落石彈跳高度和能量折線圖見(jiàn)圖4。

圖4 落石彈跳高度和能量折線圖Fig.4 Rock bounce height and energy curve

綜合以上情況，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的高度取5 m。

2.2 落石速度分析

在隧道上方13 m位置設(shè)置1處被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，防護(hù)網(wǎng)高5 m。結(jié)構(gòu)配置:鋼柱+基座+支撐繩+拉錨系統(tǒng)+環(huán)形網(wǎng)+雙絞六邊形網(wǎng)+卸扣，防護(hù)等級(jí)能力按1 000 kJ設(shè)計(jì)。此次計(jì)算按最不利位置考慮，提高安全系數(shù)。計(jì)算得到不同高度的危巖落石滾落到防護(hù)網(wǎng)處的速度值，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 速度隨落石高度的變化Fig.5 Curve of rock fall speed Vs rock fall height

從圖5中可以看到，落石的速度與高度成近似正比例關(guān)系。根據(jù)小平地隧道地形圖，危巖落石最大高度按100 m考慮，最終得到的速度值為31.6 m/s，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大動(dòng)能約為249.6 kJ。

2.3 落石沖擊力分析

落石沖擊力是明洞、棚洞及防護(hù)網(wǎng)等落石被動(dòng)防治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的主要荷載之一。沖擊力過(guò)大，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)物直接造成變形、開(kāi)裂等破壞。采用日本道路公團(tuán)推薦的公式［7］來(lái)計(jì)算最大沖擊力

式中:pmax為落石最大沖擊力，kN;m為落石質(zhì)量，t;λ為拉梅常數(shù)，建議取1 000 kN/m2;H為石塊墜落高度，m。

對(duì)不同質(zhì)量、不同高度處的落石進(jìn)行計(jì)算，落石沖擊力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 沖擊力隨落石高度的變化Fig.6 Curves of falling rock impact Vs rock fall height

從計(jì)算結(jié)果看，最大沖擊力隨落石高度及質(zhì)量的增大而增加。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及三維激光掃描技術(shù)，小平地隧道洞口上方單塊落石質(zhì)量按500 kg考慮，落石在高度為100，90，80，70 m時(shí)的最大沖擊力分別為333.6，313.1，291.8，269.3 kN。

3 防護(hù)設(shè)計(jì)安全分析

3.1 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)高度安全分析

此次被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)高度按5 m設(shè)計(jì)。一旦危巖落石在下落過(guò)程中的騰躍高度超過(guò)5 m，落石就很可能滾落到下方鐵路上，對(duì)隧道洞口的柔性防護(hù)鋼棚洞造成破壞，直接影響鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。通過(guò)公式計(jì)算，得到落石落在不同位置反射后的極限高度。分別計(jì)算了落石在距離被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)0.5，1，1.5，2，2.5，3 m 等反射后的高度，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

式中:vi為石塊落至O點(diǎn)時(shí)的反射速度，m/s;β為石塊反射速度vi的方向和坐標(biāo)垂直軸間的夾角，(°);g為重力加速度，m/s2。

圖7 高程隨落石距離的變化Fig.7 Curve of elevation Vs rock fall distance

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，落石反彈后均不會(huì)越過(guò)5 m高的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

3.2 柔性鋼棚洞的結(jié)構(gòu)分析

為了保證鐵路安全，在距洞門(mén)以上13 m位置處設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，用以攔截較大落石;另外，在沿洞口水平方向修建懸臂式柔性棚洞，用以阻攔防護(hù)網(wǎng)以下的山體落石。

1)計(jì)算模型。利用MIDAS－GEN軟件建立三維有限元模型，見(jiàn)圖8。

圖8 棚洞計(jì)算模型Fig.8 Shed tunnel calculation model

2)計(jì)算參數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)地形，防護(hù)網(wǎng)下部坡面的落石至鋼棚洞的最大距離為13 m。按偏于保守考慮，采用300 kg落石墜落15 m計(jì)算沖擊作用，計(jì)算軟件為MIDAS－GEN，計(jì)算公式同式(1)。

根據(jù)相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，確定在有限元分析中，鋼結(jié)構(gòu)(Q235)的物理力學(xué)參數(shù)如表 2 所示［8－9］。

表2 有限元分析參數(shù)取值表Table 2 Parameters for finite element analysis

3)計(jì)算結(jié)果分析。重點(diǎn)計(jì)算結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征。通過(guò)計(jì)算分析，柔性鋼棚洞變形、支座受力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況分別如圖9—11所示。

圖9 棚洞受沖擊后變形(單位:mm)Fig.9 Deformation of shed tunnel after being impacted(mm)

圖10 棚洞受沖擊后支座受力(單位:kN)Fig.10 Load on supports of shed tunnel after being impacted(kN)

圖11 棚洞受沖擊后結(jié)構(gòu)應(yīng)力Fig.11 Structural stress of shed tunnel after being impacted

在不考慮風(fēng)壓情況下，受到落石荷載沖擊時(shí)，鋼架的最大變形量約為7.8 mm;考慮風(fēng)壓時(shí)，鋼架的最大變形量約為9.6 mm。

在荷載及風(fēng)壓作用下，上部支座的錨桿總共抗拔力約為65 kN。每個(gè)支座為4根熱軋無(wú)縫鋼管連接，每根鋼管需承受力約16 kN。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在荷載及風(fēng)壓作用下，結(jié)構(gòu)受沖擊時(shí)，對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)的影響較小，最大應(yīng)力值約為0.39 MPa，可以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全要求。

3.3 柔性鋼棚洞長(zhǎng)度分析

為防止被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)下方落石滾落影響鐵路安全，沿鐵路橋修筑柔性鋼棚洞，設(shè)計(jì)防護(hù)能量為45 kJ，沿隧道洞門(mén)外緣在線路方向鋼棚洞長(zhǎng)9 m。根據(jù)落石運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果如圖12所示，穿過(guò)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的小塊落石沿鐵路方向的最大運(yùn)動(dòng)距離約9 m，落石能夠被有效攔截。

圖12 水平距離隨落石高度的變化Fig.12 Curve of horizontal distance Vs rock fall height

3.4 柔性鋼棚洞限界分析

成昆鐵路現(xiàn)為單線電氣化鐵路，隧道洞口有電力線及接觸網(wǎng)工程。柔性鋼棚洞內(nèi)輪廓距離隧道建筑限界45 cm設(shè)置，鋼棚洞最大變形約9.6 mm，柔性鋼棚洞結(jié)構(gòu)不會(huì)侵入安全限界，不會(huì)影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全［10］。

4 洞口防護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和分析計(jì)算，小平地隧道危巖落石整治措施采用被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+鋼棚洞的設(shè)計(jì)方案［10－11］。

被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)設(shè)置在隧道洞口上方13 m處，高5 m，在隧道外緣線路方向設(shè)置9 m長(zhǎng)柔性防護(hù)鋼棚洞［6］。

4.1 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)

隧道進(jìn)口上方被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)等級(jí)能力為1 000 kJ、網(wǎng)高H=5 m，鋼柱采用HW150型鋼鋼架，環(huán)鏈破斷拉力大于60 kN。雙絞六邊形網(wǎng)采用符合GB/T 343—1994要求的鋼絲編制，防腐采用高爾凡鍍層(鋅+5%鋁+混合稀土合金)。支撐繩和拉錨繩符合GB/T 20118要求，熱鍍鋅等級(jí)不低于AB級(jí)。拉錨系統(tǒng)由2根φ16鋼絲繩錨桿和φ20+2根φ16上拉錨繩、2 根 φ16 側(cè)拉錨繩組成［12－13］。

4.2 鋼棚洞設(shè)計(jì)

隧道口與棚洞位置關(guān)系如圖13所示［10］，柔性鋼棚洞建筑三維圖如圖14所示。

圖13 正面位置關(guān)系示意圖(單位:mm)Fig.13 Relationship between steel shed tunnel and main tunnel(mm)

圖14 柔性鋼棚洞建筑三維圖Fig.14 3D diagram of flexible steel shed tunnel

柔性防護(hù)鋼棚洞的設(shè)計(jì)防護(hù)能量為45 kJ。結(jié)構(gòu)主要組成部件包括鋼拱架、環(huán)形網(wǎng)、格柵網(wǎng)、支座。

1)鋼拱架采用焊接H型鋼，撐桿采用無(wú)縫鋼管，檁條采用熱軋矩形鋼管［14］。

2)環(huán)形網(wǎng)鋼絲采用纏繞型編織方式，單個(gè)環(huán)由φ3單根鋼絲相互纏繞5圈而成，端頭搭接長(zhǎng)度不小于10 cm，且至少1處采用不銹鋼質(zhì)C型卡緊固件箍緊。每個(gè)環(huán)應(yīng)與周邊4個(gè)環(huán)相扣聯(lián)，環(huán)鏈破斷拉力大于60 kN。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)理論計(jì)算，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論:

1)按單塊落石質(zhì)量500 kg考慮，落石下落過(guò)程中的最大沖擊力約為333.6 kN，最大速度值約為31.6 m/s，最大動(dòng)能約為249.6 kJ，小于被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的1 000 kJ設(shè)計(jì)防護(hù)能力。

2)從落石運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算來(lái)看，5 m高的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)基本能攔截下落過(guò)程中的落石。

3)柔性防護(hù)鋼棚洞在落石荷載沖擊作用下(300 kg落石墜落15 m)，錨固端支座最大總抗拔力約65 kN，結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大約0.39 MPa，不會(huì)對(duì)柔性鋼棚洞結(jié)構(gòu)造成破壞。

4)柔性鋼棚洞內(nèi)輪廓距離隧道建筑限界約45 cm，而最大變形約9.6 mm，不會(huì)影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

5)結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用熱侵鍍鋅、電鍍鋅及鍍高爾凡等防腐措施處理后，防腐年限能達(dá)到20～30年。

小平地隧道洞口邊坡高陡、危石極發(fā)育?，F(xiàn)場(chǎng)落石模擬分析和理論計(jì)算能夠較真實(shí)地反映洞口落石的危害情況，在此基礎(chǔ)上采取針對(duì)性的工程措施。由于危石運(yùn)動(dòng)影響因素多、運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)盡量按最不利的條件選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保安全。

［1］ 張國(guó)永.落石運(yùn)動(dòng)的理論分析及其治理［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009(3):132－134.(ZHANG Guoyong.The theoretical analysis and control of rockfall［J］.Chinese Hightech Enterprises，2009(3):132－134.(in Chinese))

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