姚 剛

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610041)

0 引言

四川山區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)烈,先后發(fā)生了汶川特大地震、蘆山地震及九寨溝大地震等地震災(zāi)害。山區(qū)地形地質(zhì)條件極其復(fù)雜,公路邊坡高陡,地震、地質(zhì)與洪水災(zāi)害交互作用、不斷惡化,導(dǎo)致公路災(zāi)害突發(fā)、頻發(fā),對(duì)山區(qū)公路邊坡、橋梁、隧道等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程安全運(yùn)營(yíng)造成極大安全威脅。筆者所在四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司依托“陸地交通災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室”等科研平臺(tái),組建山區(qū)公路抗震救災(zāi)研究團(tuán)隊(duì),學(xué)科布局包括地質(zhì)、路線、路基、橋梁、隧道、路面、交安等專業(yè),進(jìn)行了十余年的不懈攻關(guān),科技人員發(fā)揚(yáng)吃苦敬業(yè)、務(wù)實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、鉆研創(chuàng)新、追求卓越的“川院”精神,堅(jiān)守“崇尚技術(shù)、爭(zhēng)當(dāng)專家”核心價(jià)值觀,面對(duì)地震、洪災(zāi)、滑坡、泥石流等災(zāi)害無畏艱險(xiǎn)、不懼犧牲、沖鋒在前、敢于擔(dān)當(dāng)、勤于攻關(guān)。在“5·12”汶川特大地震、“4·20”蘆山地震及“8·8”九寨溝大地震中汲取經(jīng)驗(yàn),在抗震減災(zāi)中推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步,形成的了地震多發(fā)山區(qū)公路抗震減災(zāi)技術(shù)創(chuàng)新成果。

地震多發(fā)山區(qū)公路抗震減災(zāi)技術(shù)依托交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目、四川省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目等9項(xiàng)科技項(xiàng)目,圍繞解決強(qiáng)震山區(qū)公路建設(shè)減災(zāi)技術(shù)難題,采用高精度遙感、三維巖體激光掃描、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)跟蹤等方法,揭示了震后公路沿線崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害鏈?zhǔn)窖葑円?guī)律,研發(fā)了新型耗能減震公路路基支擋防護(hù)結(jié)構(gòu)。研發(fā)了全鋼管混凝土桁梁橋長(zhǎng)聯(lián)抗震體系,降低了地震力峰值,均衡了聯(lián)內(nèi)各橋墩受力,解決了中等跨度橋梁抗震難題。研發(fā)了新型懸索橋抗震體系——波形鋼腹板橫梁和鉸接式耗能型中央扣,破解了高烈度地震區(qū)千米級(jí)懸索橋使用鋼筋混凝土橋塔的難題。創(chuàng)建了高烈度地震區(qū)隧道三區(qū)段抗震設(shè)防新體系,建立了三區(qū)段隧道抗震計(jì)算方法與抗減震綜合對(duì)策,形成了隧道三區(qū)段抗震減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)。2010年以來,地震多發(fā)山區(qū)公路抗震減災(zāi)技術(shù)相關(guān)成果先后獲國(guó)際橋梁大獎(jiǎng)1項(xiàng)省部級(jí)級(jí)科技獎(jiǎng)項(xiàng)17項(xiàng);獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利54項(xiàng);制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范8部;出版專著8部,發(fā)表學(xué)術(shù)論文192篇,其中SCI檢索40篇、EI檢索58篇。依靠該技術(shù)體系,指導(dǎo)了映秀至汶川高速、映秀至臥龍公路、川主寺至九寨溝公路的災(zāi)后重建工作和汶川至馬爾康、雅安至康定等高速公路建設(shè)工作。地震多發(fā)山區(qū)公路抗震減災(zāi)技術(shù)總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1 技術(shù)創(chuàng)新亮點(diǎn)

(1)研發(fā)鋼管混凝土桁梁橋輕型化的集成創(chuàng)新技術(shù),使橋梁的重量更輕、強(qiáng)度更高、安全儲(chǔ)備更大,能夠有效降低地震響應(yīng),詳見表1。

(2)建立了等效橋墩高度與主梁最佳聯(lián)長(zhǎng)的計(jì)算原理與方法,提出了支座與橋墩水平剛度串聯(lián)的匹配技術(shù)以提高橋梁的總體剛度(圖1),開發(fā)了形狀相同的水平方向變剛度支座構(gòu)造等系列技術(shù),實(shí)現(xiàn)了支座剛度與橋墩剛度可匹配、伸縮縫之間主梁長(zhǎng)度可設(shè)計(jì),形成了墩群均衡受力的抗震結(jié)構(gòu)體系,改善了橋梁抗震性能,提高了橋梁的抗震能力。

圖1 長(zhǎng)聯(lián)結(jié)構(gòu)體系示意

(3)首次將波形鋼腹板用于橋塔橫梁,采用波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓慕M合結(jié)構(gòu),開發(fā)了波形鋼腹板組合橫梁,如圖2、圖3所示。組合橫梁在提高抗剪能力的同時(shí),降低了抗彎剛度,是高烈度地震區(qū)混凝土橋塔理想的橫向聯(lián)結(jié)方式。

圖2 波形鋼腹板橫梁

圖3 混凝土橫梁與波形鋼腹板橫梁E2地震響應(yīng)比較

(4)發(fā)明了一種鉸結(jié)式耗能型中央扣(圖4)。中央扣桿件與主纜和主梁均采用鉸接方式連接,以釋放桿端彎矩,克服了傳統(tǒng)剛性中央扣因剛接而產(chǎn)生附加應(yīng)力的缺點(diǎn)。有效改善了橋塔抗震性能,梁體縱向位移減小約70%,橋塔縱向地震響應(yīng)降低達(dá)到20%以上。

圖4 鉸接式耗能型中央扣

(5)創(chuàng)建了高烈度地震區(qū)隧道三區(qū)段抗震設(shè)防新體系(圖5、圖6),建立了三區(qū)段隧道抗震計(jì)算方法與抗減震綜合對(duì)策,形成了隧道三區(qū)段抗震減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)。

圖5 抗震設(shè)防區(qū)段示意

圖6 公路隧道抗減震計(jì)算方法和技術(shù)體系

(6)揭示了震后公路沿線地質(zhì)災(zāi)害演變規(guī)律,建立了震后公路次生地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估體系方法,如圖7、圖8所示。

圖7 活躍泥石流溝松散堆積體隨時(shí)間演變特征

圖8 地震后泥石流活動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)

(7)研發(fā)了高烈度地震區(qū)邊坡耗能減震防護(hù)新技術(shù)、基于彈塑性接觸理論的高位崩塌滾石和泥石流沖擊防護(hù)技術(shù),開發(fā)了基于GIS+BIM的公路邊坡三維決策支持云平臺(tái),如圖9～圖13所示。

2 主要成果及獲獎(jiǎng)

地震多發(fā)山區(qū)公路抗震減災(zāi)技術(shù)相關(guān)成果獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利54項(xiàng);制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范8部;出版專著8部,發(fā)表學(xué)術(shù)論文192篇,其中SCI檢索40篇、EI檢索58篇。該技術(shù)相關(guān)成果獲國(guó)際橋梁大獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)17項(xiàng)。

2.1 授權(quán)專利

地震多發(fā)山區(qū)公路抗震減災(zāi)技術(shù)獲得國(guó)家授權(quán)專利54項(xiàng),其中授權(quán)發(fā)明專利6項(xiàng),詳見表2。

表2 授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利清單

2.2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

編制發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)8部,詳見表3。

表3 編制發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)清單

2.3 獲獎(jiǎng)情況

獲得各類科技獎(jiǎng)項(xiàng)18項(xiàng),其中國(guó)際橋梁大獎(jiǎng)1項(xiàng),省級(jí)科技獎(jiǎng)項(xiàng)7項(xiàng)、部級(jí)科技獎(jiǎng)10項(xiàng),獲獎(jiǎng)情況詳見表4。

表4 獲得科技獎(jiǎng)項(xiàng)清單

3 應(yīng)用情況和效益

(1)項(xiàng)目成果應(yīng)用于汶馬高速汶川克枯大橋(圖14)、久馬高速紅原大橋(圖15)、雅康高速瀘定大渡河大橋(1 100 m單跨懸索橋)等一批重大工程,形成良好示范效應(yīng)。波形鋼腹板橫梁和鉸接式耗能型中央扣兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)共同構(gòu)成了新型懸索橋抗震體系,破解了高烈度地震區(qū)千米級(jí)懸索橋使用鋼筋混凝土橋塔的難題,與鋼橋塔相比,極大節(jié)省了投資。

(2)研究成果應(yīng)用于大量強(qiáng)震頻發(fā)區(qū)隧道(超過50座),如都汶高速紫坪鋪隧道-龍溪隧道-龍洞子隧道-燒火坪隧道、汶馬高速汶川隧道、雅康高速二郎山隧道等。在四川發(fā)生的多次較大地震中,上述公路隧道表現(xiàn)出良好的抗震減災(zāi)功能,發(fā)揮了生命通道的作用,顯示了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

(3)項(xiàng)目成果應(yīng)用于四川汶川至馬爾康高速公路、雅安至康定高速公路、映秀至汶川高速公路(圖16～圖18)、映秀至臥龍公路等高等級(jí)公路建設(shè),提升了復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的安全保障水平,為災(zāi)后重建和生命線安全暢通做出巨大貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

地震多發(fā)山區(qū)公路抗震減災(zāi)技術(shù),圍繞地震多發(fā)山區(qū)公路抗震技術(shù)難題,開展了公路沿線地質(zhì)災(zāi)害理論、高烈度地震區(qū)邊坡減震防護(hù)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法、高陡邊坡災(zāi)害廣域高效識(shí)別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究。主要技術(shù)成果有:

(1)在橋型選擇、橋梁結(jié)構(gòu)體系和材料優(yōu)化、抗震構(gòu)造措施等方面取得系統(tǒng)性成果,填補(bǔ)了橋梁地震安全性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法中的空白。

(2)研發(fā)形成高烈度地震區(qū)隧道分段分級(jí)綜合抗減震關(guān)鍵技術(shù),極大提高了震區(qū)隧道的抗震能力。

(3)揭示了震后公路沿線地質(zhì)災(zāi)害演變規(guī)律,建立了震后公路次生地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估方法體系,研發(fā)了高烈度地震區(qū)邊坡耗能減震防護(hù)技術(shù)。

四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司研發(fā)的地震多發(fā)山區(qū)公路抗震減災(zāi)技術(shù)得益于橋梁、隧道、地質(zhì)等科技人員十余年的不懈攻關(guān),研究成果具有系統(tǒng)性、創(chuàng)新性和先進(jìn)性,已在多項(xiàng)工程實(shí)踐中得到應(yīng)用,為交通災(zāi)后重建和生命線安全暢通提供了重要技術(shù)支撐,具有應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害、加快災(zāi)后重建、保障群眾生命財(cái)產(chǎn)安全等綜合效益,對(duì)我國(guó)地震多發(fā)山區(qū)公路建設(shè)和管理具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。