殷強　李樹鼎　雷洛

【摘 要】國道213線映秀至汶川公路沿線崩塌災(zāi)害發(fā)育，文章以老虎嘴工點存在飛石、掉塊為例，介紹了一種利于快速修建、利于既有道路保通的輕型裝配式棚洞結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)綜合治理，多級設(shè)防，裝配化施工的原則，對結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，落石分析及棚洞結(jié)構(gòu)計算進行了論述，可為同類型建設(shè)條件下地災(zāi)防護設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】裝配式; 棚洞; 飛石; 保通; 綜合防護

【中圖分類號】U453.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

1 棚洞防護

國道213線映秀至汶川段公路老虎嘴路段位于“5·12”汶川特大地震極重災(zāi)區(qū)中心區(qū)域，歷時3個月方才艱難打通。原路線形指標(biāo)差、沿線地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，汛期多次中斷交通?；謴?fù)重建時該段利用原路，局部對不滿足規(guī)范要求的平、縱面進行了優(yōu)化調(diào)整，其中K3+571～K3+890豆芽坪坡面泥石流嚴(yán)重路段設(shè)置319 m拱形明洞通過（圖1）。

該段為國道213、國道317線以及映汶高速汶川北互通至映秀連接線的共用路段，日均交通量大，重車、客車多。原設(shè)計明洞范圍外K3+481～K3+571段路基施工過程中發(fā)現(xiàn)受強降雨影響，該段邊坡雖未發(fā)生大規(guī)模崩塌，但出現(xiàn)零星飛石掉塊的情況，威脅過往車輛、人員和施工安全，需增加落石防護，保證運營安全。

2 場地工程地質(zhì)條件

該段老路下臨岷江老虎嘴堰塞湖，內(nèi)側(cè)傍山，約60～70 m高，坡度40～70 °，局部段落近乎直立。路線利用搶險保通時原山體開挖形成。右側(cè)坡體總體呈折線形，下陡上緩，基巖出露。崩塌落石發(fā)育長度80～90 m，最大相對高差60～100 m。斜坡基巖為元古代澄江—晉寧期閃長巖，碎裂狀結(jié)構(gòu)，強卸荷帶，表層巖體異常破碎，閃長巖中節(jié)理裂隙發(fā)育。巖體被切割呈碎塊狀及塊狀，且發(fā)育有傾向坡外的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，崩塌以滑移式和墜落式為主。

據(jù)調(diào)查，崩落塊石塊徑以0.2～1.0 m居多，主要失穩(wěn)區(qū)高度30～60 m，失穩(wěn)軌跡主要為沿斜坡墜落、彈跳、滾動至路面上，威脅施工及后期運營安全。單個危巖塊體在崩塌墜落過程中，巖塊受斜坡影響，普遍存在跳躍、彈跳性墜落，而不同規(guī)模、位置的塊體軌跡是不一致的，具有隨機性，同時由于該段邊坡高陡，裂隙發(fā)育，不排除極端情況下高位崩塌、飛石的可能，因此需采取多種措施進行綜合防護處治。

3 棚洞設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

考慮到老虎嘴路段交通量大，橫坡較陡，既有路基寬度受限，路側(cè)無法修建保通便道，且無法繞行，施工過程中不能斷道、保通難度極大。因此擬定了如下設(shè)計原則：

（1）便于實施、利于保通，施工期間不能斷道。

（2）綜合治理，多級設(shè)防，分級耗能，提高道路自身抗災(zāi)能力，保障結(jié)構(gòu)及運營安全。

3.2 方案比選

現(xiàn)有的棚洞通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及型鋼棚洞。其中鋼筋混凝土多為拱式、框架式結(jié)構(gòu)，或內(nèi)外墻支撐、構(gòu)筑頂棚架并回填而成的洞身構(gòu)造（圖2～圖3）。

對于鋼筋混凝土棚洞，其優(yōu)點是抗災(zāi)能力強，但無論是框架棚洞或是拱式棚洞等，其施工工序復(fù)雜、施工周期長，常規(guī)棚洞均需斷道施工，對既有道路通行干擾較大，交通影響時間長。

型鋼棚洞主要為輕型鋼結(jié)構(gòu)柔性棚洞，分別有型鋼棚架、型鋼拱架+柔性防護網(wǎng)等，適用于地形受限、棚洞頂無法回填土的路段，安裝便捷、防護能級相對較低，主要結(jié)構(gòu)為型鋼構(gòu)件，需定期維護和更換，崩塌飛石易損壞、更換困難，養(yǎng)護成本高（圖4、圖5）。

該段受地形條件限制，路基寬度不足，保通壓力和施工干擾大，無法設(shè)置抗災(zāi)能力更強的拱形明洞或矩形框架棚洞，而型鋼棚洞方案存在抗災(zāi)能力相對較低、后期養(yǎng)護成本高等原因，針對本工點地質(zhì)災(zāi)害特點及其對道路運營安全威脅的方式，設(shè)計在綜合防護基礎(chǔ)上提出了一種利于快速修建且便于保通的裝配式輕型棚洞方案。

3.3 裝配式輕型棚洞防護方案

3.3.1 綜合防護

為保證施工安全，首先對部分危巖體進行清除，于距路面60～70 m高度斜坡平臺主要危巖體范圍掛防護能級1 000 kJ的簾式導(dǎo)石網(wǎng)進行綜合防護。

考慮到簾式網(wǎng)開口處防護網(wǎng)攔截高度、位置設(shè)置有限，可能存在零星處于高位、直徑較小的飛石直接越過防護網(wǎng)從而威脅道路行車安全的情況，在清危、簾式網(wǎng)綜合防護的基礎(chǔ)上設(shè)置輕型棚洞進行防護（圖6）。

3.3.2 棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

棚洞采用梁柱式+頂板結(jié)構(gòu)，縱向15 m設(shè)置一道矩形橫梁、樁柱式基礎(chǔ)，橫梁上縱向擱置鋼筋混凝土空心板。橫梁與頂板采用預(yù)制件，構(gòu)造簡單。

棚洞上部采用15 m跨徑的預(yù)制空心板（利用本項目既有16 m空心板模板，常規(guī)采用預(yù)制矮T梁承載能力更好），板頂設(shè)置整體化鋼筋混凝土調(diào)平層，鋪設(shè)松散土回填+EPS泡沫板和廢舊輪胎緩沖層。下部橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土矩形截面，橫梁下部外側(cè)采用鋼筋混凝土圓形柱、樁基礎(chǔ)，內(nèi)側(cè)采用鋼筋混凝土方柱、樁基礎(chǔ)。鋼筋混凝土方柱靠山側(cè)設(shè)置6根32 mm錨桿錨固于基巖限制橫向位移（圖7～圖9）。

3.3.3 預(yù)制拼裝矩形橫梁

預(yù)制橫梁吊裝重量86 t，墩柱和預(yù)制橫梁之間通過灌漿套筒進行連接，灌漿連接套筒（D=80 mm）采用高強球墨鑄鐵制作，采用成整體灌漿連接型，灌漿套筒設(shè)置在橫梁底面，灌漿式鋼筋連接構(gòu)造由連接套筒、螺紋鋼筋、灌漿料及相關(guān)配件組成。灌漿連接套簡與高強無收縮水泥灌漿料組合體系性能符合現(xiàn)行JGJ107-2016《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》I級連接接頭要求，其工藝如下（圖10）。

（1）墩柱頂對應(yīng)位置預(yù)留連接鋼筋，其長度滿足灌漿套筒連接鋼筋錨固構(gòu)造長度10D要求。保證其垂直度及平面位置準(zhǔn)確。

（2）預(yù)制橫梁時，橫梁底部埋設(shè)灌漿套筒，套筒安裝時，采用橡膠密封塞將其固定在底模上，套筒與底模垂直。連接鋼筋從套筒預(yù)埋端插入，采取措施固定并安裝密封環(huán)，防止漏漿。與套筒連接的灌漿管也需要定位準(zhǔn)確，安裝穩(wěn)固。

（3）橫梁運至現(xiàn)場，墩柱與橫梁拼裝前，在墩頂臺頂面鋪設(shè)高強砂漿，用吊車拼裝墩柱與橫梁。

（4）按照設(shè)定配比稱重灌漿料。灌漿時，由套筒下方注漿孔注入，待其它套筒的出漿孔出漿時，對出漿孔進行封閉。

3.3.4 施工及交通組織方案

下部樁基采用人工挖孔施工，現(xiàn)場立模澆筑墩柱，在下部施工同時，預(yù)制橫梁、空心板，現(xiàn)場吊車拼裝矩形橫梁、空心板后澆筑整體防水層、回填、鋪設(shè)緩沖層。

施工過程中僅預(yù)制橫梁、板梁吊裝時利用夜間或車流量較小時段臨時中斷交通安裝。整個施工期間基本能保證車輛通行需求。

4 輕型棚洞數(shù)值分析

4.1 落石計算

國內(nèi)對落石災(zāi)害的基礎(chǔ)研究較薄弱，目前公路行業(yè)僅有JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計細(xì)則》有關(guān)落石計算的技術(shù)規(guī)范，但這些算法的適宜性、合理性一直未能得到充分討論和厘清。葉四橋等[3]等選擇國內(nèi)外代表性的5種沖擊力算法系統(tǒng)對比分析，同等條件下的沖擊力計算結(jié)果差異達(dá)數(shù)倍甚至幾十倍、上百倍。按照國內(nèi)隧道設(shè)計細(xì)則推薦的落石沖擊力算法實際計算的是落石沖擊過程平均沖擊力，而并非最大沖擊力，從而導(dǎo)致工程應(yīng)用中計算結(jié)果嚴(yán)重偏小。

工程實踐表明，在防護結(jié)構(gòu)上設(shè)置墊層材料能有效地減輕落石的沖擊力，何思明[4]以典型落石防護結(jié)構(gòu)為原型，根據(jù)球形壓模壓入半空間基本理論，提出落石沖擊力會導(dǎo)致墊層材料產(chǎn)生塑性變形，從而推導(dǎo)了落石沖擊壓力計算公式。采用該模型和沖擊壓力計算公式，擬定坡面有一直徑為0.5 m的落石垂直沖擊防護結(jié)構(gòu)，落石施加在防護結(jié)構(gòu)上的沖擊壓力及其分布特性相關(guān)計算參數(shù)見表1。

根據(jù)該模型提供的沖擊壓力公式落石作用在墊層材料上的最大沖擊壓力、墊層材料最大壓縮量、最大接觸圓半徑等計算結(jié)果見表2。

4.2 棚洞計算

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，采用midascivil軟件進行三維有限元分析。上部梁體采用梁格法建立梁板模型，各主梁間采取鉸接的連接方式（圖11）。

4.2.1 梁體強度計算

落石按極限沖擊壓力加載于空心板邊梁跨中時為最不利工況。采用基本組合與偶然組合時，跨中最大正彎矩設(shè)計值為1 558 kN·m，空心板所能提供的抗力為1 929 kN·m。最大剪力設(shè)計值為385 kN，截面所提供的抗力為633 kN。

4.2.2 橫梁強度計算

當(dāng)落石沖擊力作用在支點附近且靠近蓋梁跨中位置時，蓋梁跨中受力最不利。采用基本組合與偶然組合時，跨中最大正彎矩設(shè)計值為5 545 kN·m，橫梁所能提供的抗力為45 180 kN·m。最大剪力設(shè)計值為2 652 kN，截面所提供的抗力為7 318 kN。

4.2.3 抗震驗算

樁基均采用空間梁單元，基礎(chǔ)邊界條件按地質(zhì)建立有限元模型。為模擬樁-土共同作用，對于地面線以下的樁基礎(chǔ)，采用土彈簧模型模擬。根據(jù)JTGD63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中的“m法”確定土的地基系數(shù)C，再由其計算出土彈簧的剛度。

本項目位于地震烈度Ⅷ度、地震動峰值加速度0.2g地區(qū)，特征周期0.35 s，場地類型為Ⅱ類場地。根據(jù)JTG/TB02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》進行了E1、E2地震兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段驗算（表3、表4）。

對于E2地震作用下方柱M≥Meq，M≤1.5Meq，墩柱屈服，需進一步驗算E2地震作用下墩頂?shù)奈灰坪退苄糟q位置的抗剪強度，驗算結(jié)果見表5。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場實際建設(shè)條件和既有道路保通要求，該裝配式輕型棚洞方案構(gòu)造簡單、受力明確、施工快捷，施工過程中能夠保障運營道路的通行需求，建成通車后運營狀況良好?？捎糜诒Ｍㄒ筝^高的、常規(guī)棚洞無法設(shè)置的山區(qū)公路借鑒推廣（圖12）。

參考文獻(xiàn)

[1]四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司.《國道213線映秀至汶川段公路“7.9”山洪泥石流災(zāi)害恢復(fù)重建工程兩階段施工圖設(shè)計文件》[R].2015.

[2]四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司.《映秀至汶川公路通道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及風(fēng)險評估》[R]，2013.

[3]葉四橋，陳洪凱，唐紅梅.落石沖擊力計算方法的比較研究[J].水文工程地質(zhì)，2010（3）.

[4]何思明.滾石對防護結(jié)構(gòu)的沖擊壓力計算[J].工程力學(xué)，2010（9）：175-180.

[5]JTG/T B02-01-2008 公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則[S].

[定稿日期]2021-04-22

[作者簡介]殷強（1977～），男，碩士，高級工程師，從事橋梁設(shè)計、咨詢工作。