柔性棚洞在陡崖落石災害防治中的應用研究

鞏 躍 龍

(山西交通控股集團有限公司晉城高速公路分公司，山西 晉城 048000)

0 引言

我國在落石方面的研究起步較晚，既有高邊坡的危巖體落石研究[1-3]尚需完善。中西部地質構造復雜，巖體破碎，極易發生危巖、泥石流、崩塌、滑坡等地質災害；落石災害因隨機性大，突發性強，預測、防治困難，已經成為突出的地質災害問題[4-6](見圖1)。

目前，工程中常采用的防護措施有主、被動網、攔石墻、棚洞、明洞以及錨固等形式。然而當防護面積過大時，主動網不經濟；傳統的攔石墻、被動網需要確定落石運動路徑以及最佳攔截位置[7，8]，而現有的手段都只能進行二維平面落石分析，與實際落石結果相差太大。為此，實際工程中采用鋼筋混凝土結構形式的棚洞或明洞，對落石進行防護。當棚洞或明洞直接承受落石沖擊作用時，受到的沖擊動荷載大，導致結構的體積、重量極大，常需要埋深大、斷面尺寸大的結構，其成本高，施工難度大、時間長，運行期間補建，時常需要斷道施工。近年來，以鋼桁架為主體結構，上面鋪設柔性金屬網為消能緩沖件的柔性鋼棚洞起到了良好的工程效果。

柔性鋼棚洞結構利用了金屬網“以柔克剛”的特點，具有結構可靠、施工便捷、應急能力強、造價經濟、外形美觀等優點；有關棚洞結構設計也得到了長足的發展。何思明等[9,10]研究了滾石在坡面運動過程中的法向沖擊響應與坡面土體屈服特性，在此基礎上，提出了滾石法向恢復系數與切向恢復系數計算方法；Delhomme等[11]提出了基于金屬耗能器的新型滾石防護棚洞；汪敏等[12，13]設計了一種由型鋼拱架和環形網組成的柔性棚洞，并對其開展了落石沖擊試驗研究。目前國內還缺乏對整體棚洞受沖擊動力時系統的研究。施加在棚洞結構上的沖擊力，與很多種因素有關，如落石的質量、沖擊速度、形狀等，如何定量評價落石沖擊壓力成為棚洞結構設計的關鍵。

本文結合拍盤隧道出口危巖體滾落運動規律，利用沖擊數值模擬，分析了鋼結構棚洞在落石沖擊荷載作用下的受力、變形以及穩定性，驗證了其工程的適用性，為類似工程提供參考及借鑒。

1 工程概況

1.1 地質概況

拍盤隧道K1081+266(濟源端)為分離式雙洞隧道，洞口為端墻式洞門結構形式，洞門之上的高陡巖質邊坡分為上部邊坡、下部邊坡兩部分，上、下邊坡之間為植被覆蓋的斜坡。上部高陡巖質邊坡沿坡體走向長約70.0 m，高約59.5 m～79.8 m，面積6 685 m2，巖壁傾向170°，平均坡角53°，局部坡面陡立；下部高陡巖質邊坡沿坡體走向長約70.0 m，高約95.9 m～134.6 m，面積7 336 m2，巖壁傾向170°，平均坡角79°，局部坡面陡立。左洞口邊坡頂部的斜坡沿坡向寬1.2 m～26.8 m，高1.1 m～17.3 m；右洞出口上、下邊坡之間的斜坡沿坡向寬24.6 m～37.5 m，高0.5 m～22.8 m；斜坡植被發育，主要為草灌木，覆蓋率約90%，斜坡土壤瘠薄，草灌木根系扎根于斜坡風化巖體裂縫之中。白云巖與灰巖地層近水平產出，巖體中共發育3組結構面，分別為：1)層面：320°∠4°，厚層狀，傾向坡內；2)節理組1：170°∠80°，與坡向一致，陡傾向坡外；3)節理組2：60°∠74°，節理面陡傾，與坡面近垂直。受節理、結構面切割巖層內結合較差，呈塊狀結構，局部較破碎。根據GB 50021—2001巖土工程勘察規范(2009年版)及GB 50550—2013建筑邊坡工程技術規范，該巖質邊坡坡體巖體結構類型為塊狀結構，巖體的完整程度等級為整體較完整、局部較破碎，邊坡巖體類型為Ⅱ類。

1.2 危巖帶基本特征

根據坡體地形條件、坡面危巖特征，將隧道洞口以上巖壁分為2個危巖帶(編號為WYD1,WYD2)，危巖帶分布面積共達12 175 m2，危巖體積約7 544 m3。

1.3 結構面穩定性分析

危巖帶赤平投影分析見圖2。

從圖2可以看出，巖層近水平產出，微傾向坡內，邊坡屬于反向坡；該邊坡共發育三組結構面，除巖層面近水平外，其他兩組均為高角度節理面。兩組結構面組合形成的切割體中存在不穩定結構，故該邊坡處于不穩定狀態。

2 落石運動分析

根據對其邊坡地質分析，設邊坡動摩擦系數0.5，滾動摩擦系數0.15，模擬0.5 t落石重量進行統計分析。

落石初始條件：水平初速度為0 m/s，豎向初速度為0 m/s。

跌落統計次數：100次(根據此次數進行概率統計)。

落石斷面形狀分別包括：圓形、橢圓形、三角形、六角形、八角形、菱形、方形等。

落石屬性：V為0.2 m3；γ為2 500 kg/m3；m為500 kg。

利用Rocfall軟件進行落石分析；Rocfall是一款統計陡峭巖質邊坡落石評價其安全性的軟件，它可以計算落石的動能、速率、彈起高度以及落點位置(見圖3)。

通過落石分析可以得出，在此斷面中初始條件下，最大沖擊能級約370.32 kJ，落石停留的位置主要在隧道出口底部20 m范圍左右。

3 柔性鋼棚洞方案

3.1 柔性鋼棚洞簡介

柔性防護鋼棚洞以鋼結構鋼架作為主體，鋪設柔性防護網作為落石防護網。充分利用了柔性防護網“以柔克剛”的特點，增加了棚洞的采光度，減小運營時采光以及通風的成本(見圖4)。

柔性防護棚洞由支承結構和緩沖結構組成，其中支承結構包括鋼拱架、系桿和剛性支撐構成，緩沖結構由攔截網、緩沖支承繩、耗能裝置組成，棚洞各個構件功能為：

1)支承結構：由鋼拱架、系桿和剛性支撐組成，為緩沖結構提供支撐；

2)攔截網：用于攔截落石、直接承受落石沖擊；

3)緩沖鋼絲繩：連接耗能裝置，用于傳遞落石沖擊力，當沖擊力達到耗能器啟動閾值時、觸發耗能器啟動；

4)耗能裝置：用于耗散落石沖擊能量。

3.2 拍盤柔性鋼棚洞設計方案

拍盤隧道出口橋面寬度11 m，且兩側均有混凝土護欄，在不拆除護欄影響橋梁主體結構情況下，運用“夾板型”底板連接。斷面圖如圖5所示。

柔性鋼棚洞鋼拱架半徑5.3 m，跨度11 m，拱架距5 m，總長50 m左右。鋼拱架采用焊接H型鋼H400×220×8×14，材料為Q345B支座材料為345B，預埋件材料為Q235；撐桿采用無縫鋼管，材料為Q235B。材料參數見表1。

表1 材料參數

4 柔性棚洞數值模擬

4.1 模型結構

本次模擬中環形網選用R12/3/300；抗拉強度不低于1 770 MPa，鋼絲采用纏繞形編制方式，單個環由單根鋼絲相互纏繞12圈而成外徑300 mm的圓環，每個環應與周邊4個環相扣。模型中縱向繩和環形網接觸滑移關系，環形網和鋼拱架連接關系，環形網的收邊簡化為縱向繩穿過環形網，可沿著中跨拱架滑移，且固定于邊跨拱架；沿著拱架布置一道環向支撐繩，環向支撐繩錨固于地面，端部環形網通過卸扣與環向支撐繩連接。底邊設置一道收邊繩，底部環形網通過卸扣與收邊繩相互連接。

4.2 模型分析條件

1)邊界條件。

鋼拱架柱腳處固定連接，環向支撐繩鉸接連接。

2)接觸關系。

a.縱向支撐繩穿過環形網，可沿著中跨鋼拱拱架滑移，且固定于邊跨拱架。

b.落石與環形網、環形網與環形網、環形網與卸扣均為接觸關系，卸扣與縱、環向支撐繩為引導滑移關系。

4.3 沖擊作用下系統能量

LS-DYNA程序是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉動和大應變)、材料非線性和接觸非線性程序。

整體計算模型圖如圖6所示。

系統的動能、內能、能量比、滑移能(分別對應圖7a)～圖7d))在計算時間內的時程曲線如圖7所示。

一般情況下，系統在受到荷載作用時變形距離越大，金屬網吸收的能量越多。其Z向位移時程曲線如圖8所示。

從系統的動能和內能的轉化可知，當t=0.15 s時，落石的沖擊能量基本全部被柔性網片吸收，此時網片的變形也達到最大值，即0.99 m左右。0.1 s后滑移能逐步增加，同時，系統能量比保持在數值1附近，表明此系統受力擴散較為合理，說明系統配置適當。

5 實際應用

拍盤隧道出口鋼棚洞于9月份開始施工，根據棚洞的施工安排，當其完成20 m施工時(見圖9)，同時對坡體危巖進行加固施工；由于坡體施工擾動，10月8號坡體危巖發生了墜落事件(見圖10)，被棚洞擋住，且棚洞沒有發生任何損傷。掉落的巖塊直徑約為60 cm，掉落高度約為80 m，估算沖擊能級約為400 kJ。

6 結語

1)本文根據晉(城)—濟(源)高速公路拍盤出口隧接橋這一特征，設置柔性鋼結構棚洞對洞口橋體進行落石防護，滿足了工程要求。

2)以落石沖擊作用下柔性棚洞為研究對象，運用LS-DYNA進行沖擊動力數值模擬，結果表明此方案系統配置合理。

3)隨著柔性支護理念的發展，柔性棚洞會占據著十分重要的位置，但是目前的研究尚不夠透徹。例如耗能構件的布置、結構尺寸效應以及金屬網片參數等等都有待于進一步進行研究。