劉宗峰，陳應(yīng)陶，楊少軍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 研究背景

危巖落石災(zāi)害是我國三大地質(zhì)災(zāi)害之一[1]，落石是巖土體受節(jié)理裂隙的切割，在重力或其他外力作用下，突然脫離母體或離開原位向下崩落的一種動力地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[2]，是峽谷地區(qū)及陡峭山區(qū)的一種常見地質(zhì)災(zāi)害類型，對其危害范圍內(nèi)的構(gòu)筑物和人類活動構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

我國高鐵廣泛分布，建成項目主要位于平原地區(qū)，根據(jù)“十三五”鐵路規(guī)劃，我國將建設(shè)1.6萬km以上的高速鐵路，而位于中西部山區(qū)的高速鐵路需修建大量的橋隧工程，且大多橋隧相連、成群分布[3]。高鐵速度快，一個很小的石塊就可能造成難以估量的危害，高鐵的落石防護(hù)需要給予足夠的認(rèn)識。

隧道出口處的危巖落石防護(hù)，主要采用隧道明洞接長，山坡上鋪設(shè)主、被動防護(hù)網(wǎng)的方式。此防護(hù)類型適合山坡較緩地段。

在地勢起伏大，山形陡峭的V形溝區(qū)域，若仍采用隧道明洞接長的防護(hù)方式，將面臨接長明洞基礎(chǔ)過高，受力不合理，工程量大，不經(jīng)濟(jì)，明洞與橋墩基礎(chǔ)交錯影響鐵路橋下行洪及立交，陡峭邊坡基礎(chǔ)施工難度大等一系列問題，且V形溝區(qū)域，一般不具備接長常規(guī)明洞條件[4]。以往的防護(hù)方案已難以滿足使用要求。

截止目前，防護(hù)方案雖多，但沒有特別適合陡峭山區(qū)V形溝的防護(hù)方案，陡峭山區(qū)V形溝的落石防護(hù)成為制約我國高鐵發(fā)展的瓶頸。我國高鐵的發(fā)展，需要針對陡峭地形特征，研究新的落石防護(hù)方案，突破瓶頸束縛，才能在國際上更好地推廣。

以西康高鐵為例，西康高鐵全長175 km，位于秦嶺山區(qū)的線路長度約142 km，占總長的83%。受地形影響，北秦嶺高、中山區(qū)及南秦嶺中山峽谷區(qū)主要以隧道形式通過，隧道露頭處即為橋梁工程。此段落山形陡峭，隧道洞門處山形坡度大，是危巖落石防護(hù)的重點段落(圖1)。

圖1 秦嶺山中地形

全線共有橋梁36座，位于兩隧道間的橋梁有27座，占橋梁總數(shù)的75%。共54個隧道洞門需設(shè)置危巖落石防護(hù)結(jié)構(gòu)。其中兩隧道間橋梁長度在100 m左右的17座，占需要防護(hù)的63%，推測防護(hù)重點是對“兩隧夾一橋”，橋長約100 m的工程模型進(jìn)行落石防護(hù)[5]。

2 落石沖擊力特點

落石的運動主要有滑動、滾動、飛落以及碰撞4種形式(圖2)，落石在運動過程中不可能是單一的某種運動形式，往往是多種運動形式的組合[6]。實際運動時與邊坡形狀、邊坡覆蓋層以及落石自身性質(zhì)等因素息息相關(guān)。對落石運動的分析方法可分為:試驗方法(現(xiàn)地試驗和模型試驗)、理論解析方法[7-8]和數(shù)值分析方法[9]。運用數(shù)值模擬軟件對邊坡落石運動進(jìn)行計算分析，獲取落石運動軌跡、速度、能量以及彈跳高度[10]。

圖2 滾石軌跡示意

對落石的處理不僅要有總的評價，還要用力學(xué)原理估算[11]。防護(hù)棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要荷載之一就是落石的沖擊力。沖擊力的計算國內(nèi)有公路路基提出的計算公式、鐵路隧道手冊提出的計算公式，國外有經(jīng)典的彈性碰撞Hertz理論，彈塑性碰撞Thornton (1998)理論。落石沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的過程是一種脈沖式的碰撞行為，落石對緩沖層(如填土，柔性網(wǎng)等)的碰撞既有彈性、塑性變形，也伴隨著黏性、硬化和摩擦能量的耗散等行為，結(jié)構(gòu)體系的動力特性也反過來影響沖擊力的大小，因此利用經(jīng)典理論來求落石的沖擊力是不準(zhǔn)確的，公路路基公式及鐵路隧道手冊提出的計算公式都是落石撞擊靜態(tài)分析方法，具有一定局限性。國外對沖擊力的計算常基于現(xiàn)場沖擊力實驗的半經(jīng)驗半理論算法，如日本道路公團(tuán)，Labiouse(1996)等的推薦算法[12]較為實用。

對落石軌跡模擬分析、落石最大速度和動能計算等研究[13]，因地制宜，選用合適的防護(hù)方案，并配合監(jiān)控，通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視系統(tǒng)的使用，可以有效提高我國山區(qū)鐵路預(yù)防減災(zāi)的效果[14]。

3 方案介紹

艱險山區(qū)高速鐵路設(shè)計、建設(shè)及運營時間相對較短，技術(shù)難度大，仍需要從設(shè)計源頭開始進(jìn)行攻堅克難，創(chuàng)新提升技術(shù)[15]。防護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合地形及工程主體布置，主要作用是阻止落石侵入鐵路限界。按防護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點，可將防護(hù)結(jié)構(gòu)大致分為剛性防護(hù)和柔性防護(hù)兩種形式。以下對高山峽谷區(qū)鐵路防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計中“兩隧夾一橋”，橋長約100 m的工程模型防護(hù)方案進(jìn)行介紹，經(jīng)篩選后較有價值的方案如下。

3.1 剛性防護(hù)方案

方案1：槽形梁組合桁架方案(圖3)

圖3 槽形梁組合桁架縱斷面及橫斷面

槽形梁組合桁架方案，利用槽形梁肋板加鋼桁梁，將槽形梁鋼桁架頂部橫撐加密，在頂部橫撐上架設(shè)鋼格柵層承受上部落石沖擊。頂部設(shè)拱形柔性棚洞。當(dāng)有落石發(fā)生時，利用頂部拱形柔性棚洞的彈塑性變形來減小落石瞬間脈沖力，當(dāng)頂部柔性鋼棚洞被破壞后，頂部橫撐的鋼格柵層可以對落石進(jìn)行二次防護(hù)。

下部橋墩根據(jù)槽形梁底寬相應(yīng)加寬加大，橋墩橫向加寬后，可對中間鏤空，以降低自身圬工量，基礎(chǔ)根據(jù)上部構(gòu)造相應(yīng)加寬。

方案2：雙層門形墩加縱橫梁防護(hù)方案(圖4)

將鐵路橋墩加寬，做成三柱式門形墩，在鐵路橋墩頂部設(shè)第二層門形墩，鐵路梁及通道在上層門形墩內(nèi)部。上層門形墩頂部沿著鐵路方向架設(shè)與鐵路梁同跨度縱橫梁，在縱橫梁頂部鋪設(shè)鋼板。

圖4 雙層門墩加縱橫梁縱、橫斷面

在上層門形墩上豎起支架，縱向設(shè)中間高，兩側(cè)低的3根索，3根索之間鋪設(shè)防護(hù)網(wǎng)，消除落石的沖擊力?？v橫梁左、右兩側(cè)設(shè)防護(hù)欄桿，用以保護(hù)檢修人員安全。梁體按目前通用的(2016)2322A系列梁圖施工，下部橋墩隨頂部構(gòu)造加寬，設(shè)置三柱式門形墩。

方案3：上承式拱結(jié)構(gòu)防護(hù)方案(圖5)

鐵路橋墩采用三柱式門墩。將鐵路橋墩頂部加寬，在鐵路橋墩頂帽兩側(cè)各設(shè)一個與鐵路平行的上承式鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)。將兩個上承式拱結(jié)構(gòu)頂部的縱梁用橫撐固結(jié)，橫撐需要高于鐵路限界。在橫撐上鋪設(shè)鋼板，上面鋪設(shè)緩沖層。此防護(hù)結(jié)構(gòu)下部與雙層門墩下部類似，上部采用橫向固結(jié)的兩個上承式拱結(jié)構(gòu)。

圖5 上承式拱結(jié)構(gòu)縱、橫斷面

方案4：鐵路梁加拱頂棚洞(圖6)

將鐵路橋墩加寬，將鐵路梁體縱向長度不變，橫向加寬，斷面形式由目前通用的單箱單室改造成單箱雙室。在鐵路梁體上加拱頂棚洞，拱腳與翼緣板位置固結(jié)，縱向拉通，將鐵路梁體完全覆蓋。為減輕棚洞自重，將棚洞兩側(cè)直墻段鏤空，在拱頂棚洞上鋪設(shè)緩沖層。棚頂內(nèi)層鋪設(shè)一層碳纖維布，防止棚頂破壞后掉塊。

圖6 鐵路梁加拱頂棚洞縱、橫斷面

3.2 柔性防護(hù)方案

方案5：三懸索防護(hù)網(wǎng)(圖7)

圖7 三懸索方案橋墩及隧道洞門處斷面

橋梁下部采用目前通用的(2016)2322A系列梁體及配套橋墩體系。在橋梁上部沿橋縱向懸掛中間高，左、右側(cè)低的3根懸索，懸索間用防護(hù)網(wǎng)連接。索塔設(shè)在橋大小里程側(cè)隧道洞門左右兩側(cè)，將隧道洞門加寬作為索塔基礎(chǔ)。塔兩側(cè)設(shè)防護(hù)網(wǎng)，防止山上落石直接砸到索塔。3根索之間用橫向鋼絲繩連接，加上反向拉力，以加強(qiáng)整體剛度，減小風(fēng)振。為方便網(wǎng)的后期更換，將網(wǎng)做成4.5 m×2 m的邊框，內(nèi)設(shè)減壓環(huán)網(wǎng)，減壓環(huán)可增強(qiáng)被動柔性防護(hù)網(wǎng)的柔性、改善作用部位的性能，同時能顯著地提高被動柔性防護(hù)網(wǎng)的耗能能力[16]。減壓環(huán)網(wǎng)與縱、橫向鋼索固定，當(dāng)網(wǎng)損壞后，整塊更換。

減壓環(huán)網(wǎng)塊鋪設(shè)于橫向鋼絲繩上，當(dāng)有落石時，減壓環(huán)網(wǎng)與橫向索共同承擔(dān)落石的沖擊力，將力傳向3根縱向索，再傳至錨固端。

方案6：柔性鋼棚洞方案

沿鐵路梁方向設(shè)柔性鋼棚洞，縱向拉通。棚洞兩側(cè)拱腳與梁體兩側(cè)翼緣板連接，在梁體底部與翼緣板之間設(shè)斜撐。

柔性整體拱鋼棚洞上部結(jié)構(gòu)主骨架為H400×220×8×14焊接H型鋼，置于兩側(cè)縱梁上，單榀鋼架質(zhì)量約2.75 t。棚洞整體寬18.6 m，總高度12.54 m，每榀鋼架間距3 m，鋼架間布置橫向支撐鋼管，每隔3 m增設(shè)斜支撐鋼管。外鋪φ18 mm鋼絲繩@30 cm孔徑500 mm的環(huán)形網(wǎng)、兩層網(wǎng)孔孔徑50 mm×60 mm的格柵網(wǎng)。

梁體按目前通用的(2016)2322A系列梁圖施工，橋梁下部采用與梁體配套的橋墩體系。

4 方案優(yōu)缺點分析

方案1：槽形梁組合桁架方案

優(yōu)點：利用組合梁的構(gòu)造優(yōu)勢，對原結(jié)構(gòu)改變不大，因防護(hù)額外附加的構(gòu)造少。僅需對頂部橫撐進(jìn)行加密后，鋪設(shè)鋼料，增加頂部柔性棚洞，結(jié)構(gòu)受力較合理，后期養(yǎng)護(hù)相對方便。

缺點：槽形梁組合桁架梁本身寬，底部橋墩寬度相應(yīng)加寬，基礎(chǔ)加大，整體下部工程數(shù)量增加多。梁體為特制梁體，后期梁體有病害時，無法從梁場調(diào)配更換，現(xiàn)場現(xiàn)澆施工工期長。

方案2：雙層門式墩加縱橫梁防護(hù)方案

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)分級明確，利用雙層橋的原理。上層防護(hù)梁可根據(jù)需要進(jìn)行加大，防沖擊能力強(qiáng)。鐵路梁體按目前通用的(2016)2322A系列梁圖施工，不需特殊設(shè)計，后期鐵路梁體破壞后，可從梁場調(diào)配，更換方便。

缺點：雙層橋結(jié)構(gòu)原理，上部僅防落石，門形墩結(jié)構(gòu)加寬后，導(dǎo)致下部鐵路橋墩加寬，基礎(chǔ)相應(yīng)加寬，結(jié)構(gòu)本身工程量增加較多，結(jié)構(gòu)較高，地震作用力大。

方案3：上承式拱結(jié)構(gòu)防護(hù)方案

優(yōu)點：上承式拱結(jié)構(gòu)防護(hù)方案，采用拱橋結(jié)構(gòu)，受力合理，造型美觀，結(jié)構(gòu)輕型。上部結(jié)構(gòu)較輕，高度低。鐵路梁體采用目前通用梁體，不需對梁進(jìn)行改造，因防護(hù)額外增加的結(jié)構(gòu)少。

缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，施工難度大，縱橫向連接多，主要為鋼管等鋼結(jié)構(gòu)，運營后養(yǎng)護(hù)維修較困難。下部橋墩及基礎(chǔ)增加工程數(shù)量較多。

方案4：鐵路梁加拱頂棚洞

優(yōu)點：拱頂混凝土棚洞方案，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與目前廣泛使用的隧道明洞接長防護(hù)方案類似，上部已經(jīng)有成熟的施工工藝及養(yǎng)護(hù)方案。后期檢修不需要對混凝土棚洞做附加處理，相對簡單。

缺點：混凝土棚洞方案拱腳與箱梁翼緣端部連接，鐵路箱梁截面需要加寬，底部相應(yīng)加寬，導(dǎo)致橋墩加寬，基礎(chǔ)加大，整體下部工程數(shù)量增加較多。拱頂混凝土棚洞頂部是剛性結(jié)構(gòu)，不利于抵抗落石的瞬時力。落石砸傷后，更換修補(bǔ)工期時間較長。梁體是特制梁體，后期梁體有病害時，無法從梁場調(diào)配更換，現(xiàn)場現(xiàn)澆施工工期長。

方案5：三懸索防護(hù)網(wǎng)方案

優(yōu)點：利用懸索橋的原理，在工程本體上蓋上一層橫向“人字形”懸索橋防護(hù)網(wǎng)，梁體按目前通用的(2016)2322A系列梁圖施工，不需特殊設(shè)計，不需對梁體及橋墩進(jìn)行改造，防護(hù)與橋梁本體工程完全分開，構(gòu)造簡單，增加的工程量小，柔性網(wǎng)具有防護(hù)能量高、造價低和對場地適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點[17]，索網(wǎng)體系對防落石的瞬時脈沖力有利。后期梁體有病害時，可從梁場調(diào)配更換，施工工期短。

缺點：懸索兩側(cè)索塔與隧道洞門連接，施工中可能有交叉影響，索網(wǎng)受沖擊后變形較大，索網(wǎng)不能將上部完全封閉，碰到細(xì)小的砂礫及泥漿發(fā)生時，索網(wǎng)防護(hù)會失效，在隧道洞門上方需要設(shè)置防泥漿等擋護(hù)設(shè)施。后期網(wǎng)的養(yǎng)護(hù)更換較麻煩。

方案6：柔性鋼棚洞方案(圖8)

圖8 高鐵柔性棚洞防護(hù)

優(yōu)點：梁體按目前通用的(2016)2322A系列梁圖施工，不需對梁體及橋墩進(jìn)行大規(guī)模的改造。

缺點：結(jié)構(gòu)受既有梁體斷面控制，防護(hù)結(jié)構(gòu)不能做的太大，對大的落石防護(hù)能力有限。整體為金屬結(jié)構(gòu)，受落石撞擊后，變形較大，容易侵入接觸網(wǎng)安全限界以內(nèi)，導(dǎo)致斷電，對列車運行造成影響。鋼結(jié)構(gòu)，螺栓較多，不利于后期的養(yǎng)護(hù)維修。

5 方案造價分析

以上幾個防護(hù)方案除方案4鐵路梁加拱頂棚洞方案增加圬工量較明顯，對造價影響較多，其余幾個方案造價基本接近，對造價接近的方案進(jìn)行比較，由于防護(hù)而引起的造價增加情況如表1所示。

表1 防護(hù)方案造價比選 萬元/m

表1所列為每延米造價，目前僅是方案研究，數(shù)量均為估算，數(shù)量表數(shù)值精度較低，僅供參考。

方案6柔性鋼棚洞方案目前已有部分鐵路建成使用，是目前使用較廣泛的防護(hù)方案。其余4個方案是本次篩選出的可實施性較強(qiáng)的方案，且都是首次提出，較有創(chuàng)新意義。

其中，三懸索防護(hù)方案與鐵路本體干擾少，做到防護(hù)與工程本體完全分離，造價低，并且可根據(jù)山形及落石能量情況，調(diào)整懸索的型號及索塔基礎(chǔ)規(guī)模。三懸索防護(hù)方案，進(jìn)一步細(xì)化，有明顯優(yōu)勢。

實際工程中，根據(jù)危巖、落石具體特征，采取爆破清除，錨桿(索)加固，柔性主、被動防護(hù)網(wǎng)，柔性引導(dǎo)防護(hù)系統(tǒng)(窗簾式防護(hù)網(wǎng))等措施對危巖落石進(jìn)行加固，配合落石脈沖式碰撞防護(hù)措施使用。以上防護(hù)措施主要是對漏過主、被動防護(hù)網(wǎng)的落石，進(jìn)行二次防護(hù)。以消滅掉“漏網(wǎng)之石”為主要任務(wù)，將防護(hù)任務(wù)分層化，鐵路附近的防護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)模就可輕型化。

將“漏網(wǎng)之石”進(jìn)行分類，對落石沖擊力能量大小精確化，做到有的放矢，為后續(xù)的防護(hù)工程設(shè)計明確目標(biāo)。

6 緩沖層設(shè)置

剛性結(jié)構(gòu)對落石脈沖力集中荷載響應(yīng)難以達(dá)到強(qiáng)度要求，需要在結(jié)構(gòu)層外設(shè)緩沖層。緩沖層布設(shè)有兩個思路，一是延長作用時間，二是將落石對結(jié)構(gòu)的脈沖集中荷載轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)的整體分散荷載。目前采用的結(jié)構(gòu)層上填土的方式，受填土高度及土自重的影響，使得下部結(jié)構(gòu)必須做大做強(qiáng)，具有一定的局限性。對緩沖層的設(shè)計思路可從不降低緩沖效果的情況下，減輕緩沖層的重量的思路出發(fā)[18]。對緩沖層介紹以下3個方案。

方案1：填土加EPS泡沫板(圖9)

在結(jié)構(gòu)層上先鋪上EPS泡沫層等輕型材料，在泡沫層上鋪填土。此構(gòu)造減輕了自重。泡沫層受上部填土層的保護(hù)，延長了使用壽命，減小了自燃的可能性。

圖9 填土加EPS泡沫板

方案 2：鋼板加彈簧(圖10)

圖10 鋼板加彈簧

在結(jié)構(gòu)層上先鋪上10 cm砂墊層，使上部傳下的力可均勻傳到底部結(jié)構(gòu)層。在砂墊層上鋪設(shè)一層厚鋼板，在鋼板層上加一層強(qiáng)彈簧，彈簧層上加一層鋼板，再加一層稍弱彈簧，最上層鋪設(shè)焊有鋼格柵的鋼板，鋼格柵用于增強(qiáng)頂層剛度。當(dāng)落石落下時，通過彈簧層延緩作用時間，減小結(jié)構(gòu)受力。

方案 3：鋼板加角鋼支架(圖11)

圖11 鋼板加角鋼支架

在結(jié)構(gòu)層上先鋪上10 cm砂墊層，使得上部傳下的力可以均勻傳到底部結(jié)構(gòu)層。在砂墊層上鋪設(shè)一層鋼板，在鋼板層上加一層角鋼支架，在角鋼支架上加一層鋼板。通過鋼板和角鋼支架以及砂墊層，將落石直接作用在結(jié)構(gòu)層上的局部集中力改為整體分散受力，并且可通過角鋼鋼料的塑性變形，消除落石的沖擊能量。

7 結(jié)語

山區(qū)高鐵發(fā)展受危巖落石的影響大，針對陡峭地形特征建立特定工程模型，進(jìn)行防護(hù)方案研究，得出如下結(jié)論。

(1)落石能量宜分級化，比如將落石能量限定在30 kJ以上及以下分開研究防護(hù)方案，對設(shè)防目標(biāo)分級處理，才能使防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步精確化。

(2)由于落石的脈沖力特性，柔性結(jié)構(gòu)承受脈沖力荷載有天然優(yōu)勢，且柔性結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，引起下部增加的工程數(shù)量小，落石防護(hù)方案宜向柔性結(jié)構(gòu)方向靠近。

(3)落石防護(hù)應(yīng)與主、被動防護(hù)網(wǎng)結(jié)合，主要是對漏過主、被動防護(hù)網(wǎng)后的“漏網(wǎng)之石”進(jìn)行二次防護(hù)為主，對防護(hù)任務(wù)分層處理，明確各處防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)目標(biāo)。

對陡峭山區(qū)防護(hù)方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，突破瓶頸，中國高鐵才能在國際上更好地推廣。本文提出的幾個防護(hù)方案，都是高山峽谷區(qū)高鐵防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計中篩選出的非常有價值的方案，可實施性強(qiáng)，具有很強(qiáng)創(chuàng)新意義。