嚴(yán)廣藝 付兵先

（1.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安 710043；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

我國西部高山峽谷區(qū)地勢陡峻，高速鐵路和公路穿越該地區(qū)常須修建大量隧道，崩塌落石是這些隧道洞口經(jīng)常面臨的地質(zhì)災(zāi)害之一。落石災(zāi)害突然發(fā)生，極易造成重大人身及財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重威脅工程的運(yùn)營安全［1-2］。隨著工程技術(shù)人員對(duì)洞口工程安全的日益重視，新建工程常采用隧道洞口接長鋼筋混凝土棚洞的方式對(duì)落石進(jìn)行防護(hù)。對(duì)于已經(jīng)運(yùn)營的工程，洞口場地多狹小，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于施工工期長、工序較復(fù)雜，很難滿足這類工程現(xiàn)場要求。因此，施工較為便捷的輕型棚洞成為了一種新的選擇。本文以西安—成都高速鐵路隧道洞口落石防護(hù)工程為例，對(duì)比分析鋼桁架棚洞、柔性棚洞、波紋鋼板棚洞3種落石防護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性，以期為類似工程建設(shè)提供參考。

1 落石防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1）棚洞結(jié)構(gòu)的功能為防止隧道洞口崩塌落石侵入鐵路限界。

2）棚洞上部主體結(jié)構(gòu)使用年限按30年設(shè)計(jì)，下部支撐結(jié)構(gòu)使用年限按100年設(shè)計(jì)［3］。

3）結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，落石沖擊力按附加荷載考慮，同時(shí)須考慮結(jié)構(gòu)自重、溫度應(yīng)力、風(fēng)荷載、雪荷載以及氣動(dòng)荷載［4］。

4）落石沖擊能量按100 kJ設(shè)計(jì)。

5）棚洞結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場施工場地、施工設(shè)備等條件綜合確定，并滿足工程的安全性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性要求。

2 3種落石防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

2.1 鋼桁架棚洞

鋼桁架棚洞由上部抵御落石沖擊的鋼蓋板與鋼桁架以及下部基礎(chǔ)組成，主要利用鋼蓋板的強(qiáng)度抵御落石沖擊。鋼桁架棚洞橫斷面如圖1所示。

圖1 鋼桁架棚洞橫斷面（單位：cm）

鋼桁架結(jié)構(gòu)為帶豎桿的三角桁架結(jié)構(gòu)［5］，設(shè)置在縱梁上。鋼桁架節(jié)間長度9 m，桁高13 m，左右鋼桁架中心距15 m。桁架上節(jié)點(diǎn)采用橫撐連接，頂部設(shè)置H型鋼蓋板，間距1 m。鋼蓋板上鋪設(shè)整體鋼板，并澆筑輕型泡沫混凝土，形成整體結(jié)構(gòu)。鋼桁架兩側(cè)掛設(shè)防護(hù)網(wǎng)，以防細(xì)小顆粒侵入線路。

利用MIDAS有限元軟件建立鋼桁架棚洞模型（圖2），對(duì)整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形進(jìn)行分析。

圖2 鋼桁架棚洞數(shù)值模型

1）整體穩(wěn)定性

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表1。可知，鋼桁架棚洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為17.2，大于規(guī)范限值4，滿足要求。

表1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

恒載（150 kN）+落石沖擊動(dòng)能（100 kJ）作用下鋼蓋板最大主應(yīng)力53 MPa、鋼蓋板下工字鋼最大主應(yīng)力99 MPa、上弦桿最大主應(yīng)力160 MPa，腹桿壓應(yīng)力73 MPa，均滿足規(guī)范要求。其中腹桿主要受壓，可根據(jù)下式驗(yàn)算其穩(wěn)定性。

式中：σ為計(jì)算所得腹桿壓應(yīng)力；?為軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)，取0.55；［σ］為Q235鋼材的容許屈服強(qiáng)度，取200 MPa。

由式（1）可得，73＜0.55×200=110 MPa，滿足要求。

3）鋼蓋板變形

恒載（150 kN）+落石沖擊動(dòng)能（100 kJ）作用下鋼蓋板最大變形37 mm，出現(xiàn)在落石沖擊處，小于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范限值L/400=15 000 mm/400＝37.5 mm的要求（L為蓋板的長度）。

由以上分析可以看出，在落石沖擊作用下鋼桁架棚洞結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但局部會(huì)發(fā)生變形損傷。

2.2 柔性棚洞結(jié)構(gòu)

柔性棚洞一般由型鋼鋼架、支撐繩、柔性環(huán)形網(wǎng)等構(gòu)成。其主要通過柔性環(huán)形網(wǎng)的變形來吸收落石的動(dòng)能，從而避免落石破壞防護(hù)結(jié)構(gòu)，防止落石侵入鐵路限界［6-9］。

柔性棚洞結(jié)構(gòu)寬18.6 m，高12.54 m，鋼拱架縱向間距3 m。棚洞橫斷面如圖3所示。主要構(gòu)件規(guī)格見表2。

圖3 柔性棚洞橫斷面（單位：cm）

表2 柔性棚洞主要構(gòu)件規(guī)格

利用LS?DYNA有限元軟件建立柔性棚洞模型（圖4），對(duì)其能量變化、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、環(huán)形網(wǎng)變形進(jìn)行分析。

圖4 柔性棚洞數(shù)值模型

1）能量變化

落石與環(huán)形網(wǎng)能量時(shí)程曲線見圖5。可以看出，落石撞擊環(huán)形網(wǎng)后落石動(dòng)能迅速下降，環(huán)形網(wǎng)內(nèi)能快速增加。在0.15 s時(shí)落石動(dòng)能降為0，環(huán)形網(wǎng)內(nèi)能達(dá)到最大值90.05 kJ。隨后，由于落石的彈跳導(dǎo)致其動(dòng)能有小幅波動(dòng)，環(huán)形網(wǎng)內(nèi)能在短時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。整個(gè)過程環(huán)形網(wǎng)吸收的能量約80 kJ，約占落石初始動(dòng)能的80%。

圖5 落石與環(huán)形網(wǎng)能量時(shí)程曲線

2）支撐繩內(nèi)力

柔性棚洞共布置了69根?18支撐繩，落石沖擊部位附近16根支撐繩（圖6）的最大軸力見表3。

圖6 中間16根支撐繩編號(hào)

表3 支撐繩最大軸力 kN

由表3可知，在落石沖擊作用下7#—10#支撐繩發(fā)揮主要作用，最大軸力遠(yuǎn)大于其他支撐繩，其中8#支撐繩所受軸力最大，其值為91.7 kN。根據(jù)GB/T 8918—2006《重要用途鋼絲繩》，抗拉強(qiáng)度1 770 MPa的?18鋼絲繩最小破斷拉力為204 kN。由此可知，在落石沖擊作用下各支撐繩受力均在正常范圍內(nèi)。

3）鋼拱架應(yīng)力

落石動(dòng)能為0時(shí)鋼拱架應(yīng)力見圖7。可知，此時(shí)鋼拱架最大應(yīng)力為153.8 MPa。根據(jù)GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，Q355B鋼材的屈服強(qiáng)度為355 MPa。鋼拱架受力未超過材料強(qiáng)度允許值，處于正常狀態(tài)。

4）環(huán)形網(wǎng)內(nèi)力

落石與環(huán)形網(wǎng)接觸部位所受沖擊力時(shí)程曲線見圖8。可知，落石與環(huán)形網(wǎng)接觸部位所受到的最大落石沖擊力為220.63 kN。柔性環(huán)形網(wǎng)承載力約為292.63 kN。由此可知，此時(shí)環(huán)形網(wǎng)受力正常。

圖7 鋼拱架應(yīng)力

圖8 落石與環(huán)形網(wǎng)接觸部位所受沖擊力時(shí)程曲線

5）環(huán)形網(wǎng)變形

柔性棚洞設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足落石防護(hù)能級(jí)要求保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，還須考慮柔性環(huán)形網(wǎng)的變形大小，保證柔性棚洞在落石沖擊作用下受沖擊部位環(huán)形網(wǎng)位移在鐵路限界之外［10-12］。

落石動(dòng)能為0時(shí)受沖擊部位環(huán)形網(wǎng)的豎向位移見圖9?？芍?，受沖擊部位環(huán)形網(wǎng)最大豎向位移為1.203 m，小于環(huán)形網(wǎng)與正洞內(nèi)輪廓的間距2.32 m（參見圖3），即落石沒有侵入鐵路限界。

圖9 受沖擊部位環(huán)形網(wǎng)豎向位移

由以上分析可知，初始能級(jí)100 kJ的落石沖擊柔性棚洞后，沒有發(fā)生支撐繩和環(huán)形網(wǎng)破斷，鋼拱架受力正常，落石沒有侵入鐵路限界，柔性棚洞能正常工作，成功攔截落石。

2.3 波紋鋼板棚洞

波紋鋼板棚洞主要由上部弧形波紋鋼板防護(hù)結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)組成［13］。其橫斷面如圖10所示，上部結(jié)構(gòu)采用3 000 mm×1 100 mm×8 mm的波紋鋼板，波紋鋼板各塊之間采用螺栓連接；下部結(jié)構(gòu)采用縱梁及樁柱基礎(chǔ)。

圖10 波紋鋼板棚洞橫斷面（單位：cm）

利用LS?DYNA有限元軟件，建立預(yù)制裝配式波紋鋼板棚洞結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，分析落石沖擊作用下其受力及變形特征。

在100 kJ沖擊能量作用下，波紋鋼板棚洞拱頂Mises應(yīng)力為356 MPa。

波紋鋼板棚洞拱頂和起拱點(diǎn)位移時(shí)程曲線見圖11?？芍y鋼板棚洞拱頂最大豎向位移0.18 m，起拱線最大水平位移0.57 m。

圖11 波紋鋼板棚洞拱頂和起拱線位移時(shí)程曲線

由以上分析可見，波紋鋼板棚洞結(jié)構(gòu)變形小，各部件受力性能好，技術(shù)可行。

3 結(jié)論

1）在100 kJ的落石沖擊作用下，鋼桁架棚洞、柔性棚洞以及波紋鋼板棚洞均能對(duì)落石進(jìn)行有效攔截，保證線路運(yùn)行安全。

2）鋼桁架棚洞整體為剛性結(jié)構(gòu)，不利于落石的緩沖及能量的吸收，局部變形損傷。同時(shí)存在節(jié)點(diǎn)多，節(jié)點(diǎn)破壞修復(fù)難度大等缺點(diǎn)。鋼桁架棚洞屬于封閉結(jié)構(gòu)，列車進(jìn)出隧道洞口的瞬間空氣壓力和吸力較大，在空氣動(dòng)力作用下封閉蓋板自身和連接部位高強(qiáng)螺栓的耐久性和抗疲勞性能有待進(jìn)一步驗(yàn)證。柔性棚洞以柔克剛，能充分吸收落石的沖擊能量。其各構(gòu)件均可工廠化加工預(yù)制，工程造價(jià)低，施工場地占用小，安裝速度快，維修方便。波紋鋼板棚洞作為一種新型結(jié)構(gòu)，其具有強(qiáng)度高、自重輕、造價(jià)低、運(yùn)營維護(hù)方便等特點(diǎn)。

3）綜合3種棚洞自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼桁架棚洞主要針對(duì)橋臺(tái)進(jìn)洞或者橋隧相連處的落石防護(hù)，適用于洞口坡面陡峭，橋面與地面高差不大，圍巖條件較好地段。柔性棚洞現(xiàn)場安裝時(shí)間短、造價(jià)低、維修方便，適用于洞口場地施工條件差的隧道，以及既有工程改造項(xiàng)目。波紋鋼板棚洞施工速度快、強(qiáng)度高，更適用于洞口搶修工程。