付兵先

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 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穿越許多地勢高陡的山區(qū)，這些地段在降水、地震等自然災害的作用下，會形成危巖、落石、崩塌等災害。由于落石災害具有隨機性和突發(fā)性，對其運動路徑進行準確預測比較困難。因而此類災害對隧道口段及相鄰的橋梁、線路造成巨大危害，嚴重危及行車安全。目前，常用的洞口防護結構有明洞或棚洞、主動和被動防護網、柔性鋼結構棚洞等[1-2]。

鋼筋混凝土明洞或棚洞防護性能好，但是鋼筋混凝土明洞或棚洞結構質量大，基礎埋深大、斷面尺寸大，導致施工難度大，建設成本高。另外，在橋隧過渡段，機械設備無法進入施工場地，無法進行回填施工。主動防護網具有高柔性，高防護強度，易鋪展，適應任何坡面地形，安裝程序標準化、系統(tǒng)化等特點，可有效防護崩塌落石、風化剝落、泥石流等坡面地質災害。但是目前常用的主被動防護網的防護能力有限。柔性鋼結構棚洞以鋼結構框架作為承載體，以柔性網作為防撞體。柔性防護網系統(tǒng)是一種高效的落石防護技術。但由于其網片本身呈鏤空狀，實際使用時，對粒徑小、能量低的落石和碎石塊的防護效果往往有限，甚至無法防護。

國內外學者對隧道洞口防護結構及相關技術進行了大量研究，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，并對棚洞結構受力以及空氣動力學效應開展了計算分析；汪敏等[3]提出了一種主要由鋼拱架與ROCCO圓環(huán)金屬網組成的柔性鋼結構防護結構，并對柔性結構的受力進行了試驗研究；楊建榮等[4]提出一種適用于鐵路線路落石防護的新型柔性棚洞，利用金屬柔性網和彈簧撐桿組成柔性耗能結構取代傳統(tǒng)鋼筋混凝土棚洞頂部鋪設的砂、礫石墊層來達到緩沖消能目的；何思明等[5]提出了一種新型耗能減震滾石棚洞結構；王林峰等[6]提出了一種消能棚洞，并對落石沖擊計算及消能效果進行了研究；王琦等[7]對橡膠緩沖墊層保護下棚洞結構的落石沖擊力學響應進行了研究。除此以外，成都奧斯特公司開發(fā)了適用于橋隧相連隧道洞口的柔性防護結構，該結構采用型鋼骨架，上覆柔性網，通過網片大變形對落石進行卸載并彈開，具有良好的落石攔截性能。

根據以上防護結構的優(yōu)缺點，本文提出一種新型承載結構形式，即裝配式波紋管(板)結構。開展落石沖擊作用下波紋板防護結構受力特征研究，對比分析試驗和數值模擬結果，為后續(xù)柔性棚洞的優(yōu)化及設計計算理論的建立奠定基礎。

1 防護結構落石沖擊足尺試驗

波紋板是將厚2～10 mm的鋼板壓成波紋，經冷彎加工成相應弧度，采用熱浸鍍鋅、噴涂涂層，然后通過高強螺栓連接，形成的拱(圓)形的承載結構。由于慣性矩和截面系數較平板結構增大，增加了抗壓及抗彎性能，加工成的拱形結構承載力進一步提高。波紋板結構板材為延性結構，能夠承受較大的沖擊荷載。因此，波紋板結構作為隧道洞口防護結構具有明顯的優(yōu)勢。

1.1 試驗設計

為了驗證波紋板作為隧道防護結構的可行性，選取典型波形并制作了1∶1的足尺試驗模型進行落石沖擊荷載作用下波紋板防護性能試驗，分析結構的動態(tài)響應。

1.1.1 防護結構設計

試驗用波紋板內輪廓圓弧半徑較時速350 km高速鐵路隧道斷面的內輪廓圓弧半徑大0.5 m。試驗采用300 mm×110 mm波形，壁厚8 mm，材質為Q345鋼，連接螺栓采用M24高強螺栓，強度等級為 S10.9。沖擊試驗過程中對結構受力及變形特性進行了監(jiān)測。試驗結構設計及監(jiān)測點布置如圖1所示。

圖1 沖擊試驗結構設計及監(jiān)測點布置示意(單位：cm)

1.1.2 沖擊能量計算

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。沖擊時落石的總動能為平動動能與轉動動能之和。沖擊能量W計算式為

(1)

式中：M為落石質量，kg;V0為落石沖擊速度，m/s；I為巖石滾動時的慣性力矩，kg·m2/s2；ω為巖石滾動時的角速度，rad/s。

為防止落石沖擊波紋板后對其附近建筑物造成破壞，落石設計成帶棱角的六面體，落石外邊采用鋼板焊接，內部灌注鋼砂，落石總質量4.0 t。落石見圖2。

圖2 沖擊試驗用落石

1.2 試驗工況

本次試驗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動能，忽略轉動動能。試驗工況見表1。

表1 試驗工況

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結構的跨中位置(見圖3)。利用高速攝像機對落石沖擊碰撞過程進行拍攝，在拍攝過程中設置相機的采樣頻率為 300 幀/s。

圖3 現場沖擊試驗

2 試驗結果

2.1 波紋板內力

300 kJ沖擊能量作用下，波紋板拱頂應變時程曲線見圖4。

圖4 波紋板拱頂應變時程曲線

由圖4可知，落石沖擊作用下，波紋板結構垂向、水平以及45°應變在0.14 s內達到最大值，當落石沖擊波紋板結構后，落石被反彈，經過暫短時間后落石再次對波紋板進行了沖擊，波紋板結構應變出現反復震蕩。

波紋板不同部位應力與沖擊能量關系曲線見圖5。可知，在300 mm×110 mm×8 mm規(guī)格下，隨著沖擊能量的增大，波紋板防護結構拱頂、拱腰及邊墻部位Mises應力呈非線性增大趨勢，且拱頂應力最大，其次為拱腰，最后為邊墻,總體在500 kJ以內。拱腰、邊墻部位Mises應力未超過Q345鋼板材的屈服強度，但拱頂板材應力出現局部屈服情況。因此，以屈服強度為判據，在500 kJ沖擊能量下，鋼板宜選用Q420及以上鋼板。

圖5 波紋板不同部位應力與沖擊能量關系曲線

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程曲線見圖6。

圖6 波紋板拱頂垂向變形時程曲線

由圖6可知，落石沖擊作用下，波紋板防護結拱頂垂向變形0.15 s內達到最大值，當落石首次沖擊波紋板結構后落石出現反彈，經過暫短時間后落石再次對波紋板進行了沖擊，波紋板結構變形出現2次峰值。

圖7 波紋板拱頂垂向變形與沖擊能量關系曲線

波紋板拱頂垂向變形與沖擊能量的關系曲線見圖7?？芍?，在300 mm×110 mm×8 mm規(guī)格下，隨著沖擊能量的增大，波紋板防護結構拱頂垂向變形與沖擊能量基本呈線性關系。在350 kJ沖擊能量下，波紋板防護結構拱頂垂向變形達到350 mm，在500 kJ沖擊能量下，波紋板防護結構拱頂垂向變形達到510 mm。按照接觸網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)筑物與帶電部分最小距離不小于500 mm規(guī)定[8]，在波紋板防護結構與隧道內輪廓一致的情況下，300 mm×110 mm×8 mm 規(guī)格波紋板的最大防護等級為500 kJ。

2.3 基礎壓力

波紋板基礎垂向壓力時程曲線見圖8?？芍涫瘺_擊作用下，基礎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，基礎經歷了反復的拉壓過程，實際采集傳感器為壓力傳感器，采集過程中未采集到受拉過程造成的。

圖8 波紋板基礎垂向壓力時程曲線

圖9 波紋板基礎壓力與沖擊能量關系曲線

波紋板拱頂垂向位移與沖擊能量的關系曲線見圖9?？芍?，在300 mm×110 mm×8 mm規(guī)格下，隨著沖擊能量的增大，波紋板防護結構基礎垂向壓力、水平推力與沖擊能量基本呈冪函數關系且相關性較高。在500 kJ沖擊能量下，波紋板防護結構基礎垂向壓力達到101.2 kN/m，水平推力達到41.3 kN/m。由于波紋板為面狀結構，因此，沖擊力傳遞至基礎位置時落點附近壓力較為均勻，結構受力較好，總體基礎受力較小。

3 防護結構動態(tài)響應數值分析

3.1 計算模型

為了驗證試驗結果的可靠性，對落石作用下波紋板結構的動態(tài)響應進行了計算。由于落石對結構的沖擊作用屬于高度非線性問題，采用靜態(tài)計算無法獲得結構的真實受力。因此，借助于LS-DYNA有限元軟件[9]建立波紋板防護結構三維動力學計算模型，分析落石沖擊作用下波紋板結構的受力及變形特征。

模型縱向長度為10 m，波形為300 mm×110 mm×8 mm，波紋板內輪廓與現場足尺試驗長度一致。波紋板采用Shell 163單元，落石采用Solid 164實體單元，共計 42 820 個單元，波紋板防護結構動力學分析模型見圖10。

圖10 波紋板防護結構動力學模型

3.2 計算參數

參數取值參見《鐵路工程設計技術手冊——隧道》[10]，當Q345鋼波紋板進入塑性階段后，采用雙線性塑性本構模型進行分析，具體參數見表2。

表2 檢算參數

3.3 計算荷載

波紋板作為隧道洞口防護結構時，需要考慮結構自重、落石沖擊荷載、風荷載以及地震荷載。本次計算是為了驗證足尺試驗的可靠性，因此只考慮落石的沖擊荷載，不考慮其他荷載。因此，波紋板結構承受的落石沖擊能量分別按照100,200,300,500 kJ考慮。

3.4 計算結果分析

不同沖擊能量下拱頂部位試驗與計算結果對比見圖11。可知，拱頂部位Mises應力、垂向變形及基礎壓力計算值與試驗值變化規(guī)律基本吻合。但數值計算結果較足尺試驗結果大，其主要原因是足尺試驗時，為保證基礎每個支點全部受力，基礎底部采用了橡膠緩沖層結構，吸收了大部分的沖擊能量。另外，螺栓孔存在一些間隙，也會吸收部分沖擊能量，由此降低了結構的受力。而在數值計算中，模型為整體結構，無任何間隙，且底部為固定端，由于沖擊波傳遞至基礎位置時能量吸收較少，導致振動波出現反射，由此造成計算結果相對較大。

圖11 不同沖擊能量下波紋板內力及變形

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，波紋板防護結構拱頂部位Mises應力計算值與試驗值均超過Q345鋼材的屈服強度，但均未超過其極限強度；波紋板防護結構拱頂變形計算最大值為65 cm，試驗最大值為51 cm，總體變形較小，后期可通過增加波紋板內輪廓半徑來滿足后期接觸網安全距離要求；波紋板基礎垂直壓力計算最大值接近120 kN/m，試驗最大值為101.2 kN/m。由于緩沖層作用，降低了基礎的壓力。因此，后期在基礎內設置緩沖結構對減小基礎壓力具有重要意義。

4 結論

為了掌握波紋板結構在落石沖擊作用下的防護性能，設計并制作了1∶1的足尺試驗模型進行了沖擊試驗。結合數值計算結果，得到了如下主要結論：

1)波紋板防護結構通過彈塑性變形吸收了部分落石的動能，而螺栓基本上在彈性范圍內吸收能量。在設計中，在滿足供電安全距離的情況下，應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，可以抵御500 kJ落石的沖擊作用。在500 kJ沖擊能量作用下，即使板材個別位置出現屈服，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結構。實際設計時，應考慮波紋板防護結構的動態(tài)變形小于預留空間距離，從而滿足鐵路供電安全距離要求。

3)當防護的地點落石發(fā)生頻率較高且沖擊能量較大時，波紋板防護結構由于多次的沖擊，結構后期會出現不同程度的損傷。因此為了提高抗沖擊性能，可在波紋板防護結構背后設置緩沖層以提高波紋板防護結構的耐久性。