成蘭鐵路橋隧共同防護結構試驗研究及工程應用

吳 華， 卿偉宸， 胡迪川， 張 磊， 李濟良

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 概述

成蘭鐵路隧道洞口地形陡峭，受地震影響效應嚴重，坡面巖體節理和裂隙十分發育，危巖落石災害頻發；隧道洞口自然坡面坡度大多介于35～75 °，坡高幾百米甚至上千米，全線隧道有50 %以上的洞口均不同程度地受到危巖落石的威脅，坡面危巖落石嚴重威脅到隧道洞口的施工及運營安全。

成蘭鐵路隧道洞口75 %緊鄰橋梁工程，為防止高陡邊坡橋梁及隧道洞口施工和運營期間受坡面危巖落石沖擊的影響，需在隧道進出口的坡面以及洞門結構上設置防護危巖落石的擋護結構，可采取的措施主要有在隧道進出口的坡面上設置主動與被動防護措施或在隧道洞門設置防護落石的明洞或棚洞等結構。為保證隧道洞口的施工與運營安全，開展了橋隧結合防護結構試驗研究，為成蘭鐵路隧道洞口橋隧共同防護結構設計提供支撐，同時為復雜艱險山區鐵路工程橋隧共同防護設計提供一定的參考。

2 橋隧共同防護結構形式

2.1 上部結構形式

目前橋隧共同防護結構主要采用框架棚洞及拱形明洞兩種。鋼結構棚洞因防落石沖擊能力弱、耐久性差、接觸網絕緣問題等原因在鐵路工程中應用較少。鋼筋混凝土結構框架型棚洞及拱形明洞各有其優缺點，具體詳見表1。

表1 框架型棚洞及拱形明洞優缺點比較

2.2 基礎結構形式

橋隧緊鄰洞口自然坡面普遍較陡，為減少危巖落石對橋梁工程的影響，隧道洞口里程一般會延伸至橋梁范圍，鐵路工程中俗稱為“橋臺進洞”。受橋臺及地形條件的限制，橋臺進洞工點中明洞或棚洞結構基礎設置條件有限，基礎的結構形式應綜合考慮上部結構荷載、地形條件及橋臺布置的影響。

2.2.1 框架型棚洞基礎結構形式

框架型棚洞為梁、柱、板框架結構體系，上部結構較輕，具有與橋梁共用基礎的條件，按棚洞基礎與橋臺的關系，可分為分離式與一體式兩種，如圖1所示。

圖1 棚洞基礎形式

一體式棚洞基礎與橋梁共用承臺，可節約空間，減少工程量及投資，但棚洞與橋臺相互干擾大，設計施工難度大；棚洞及橋梁荷載共同作用于橋梁承臺上，對橋臺基礎承載力要求較高。分離式棚洞基礎與橋梁承臺各自獨立設置，設計施工相對簡單，荷載作用明確，且對地基承載力要求相對較低，但空間浪費大。

2.2.2 拱形明洞基礎結構形式

橋臺進洞采用的拱形明洞一般為耳墻式無仰拱拱形結構。由于明洞結構自重大，若明洞與橋梁結構設置一體式基礎，再加上風荷載、地震力的作用，下部基礎需提供非常大的豎向及橫向支撐力。因此，明洞基礎與橋梁基礎多數情況下分離設置。無仰拱明洞基礎形式與地質地形條件、基礎承載力、懸空高度有關，按其結構形式可分為三種：實體基礎、樁基承臺基礎、樁基托梁基礎。

實體基礎材料多采用混凝土，適用于地基承載力較好、地面坡較緩的地段，要求換填部分的自重提供的抗傾覆力矩大于橫向力產生的力矩，實體基礎懸空高度一般宜控制在5 m以內，設計施工相對簡單(圖2)。

圖2 拱形明洞實體基礎

樁基承臺基礎對地基承載力要求相對較低，地形適應性相對較好，但承受橫向力的能力較弱。樁基承臺基礎懸空高度一般不宜大于10 m，當基礎懸空較高時，承臺樁基不足以抵抗橫向力產生的彎矩作用(圖3)。其設計較復雜、施工相對簡單，工程投資相對較大。

圖3 拱形明洞樁基承臺基礎

樁基托梁基礎對地基承載力及地形要求均較低，且矩形樁抗彎能力大，承受橫向力的能力較高，基礎懸空高度可達15～20 m(圖4)。其設計、施工均相對復雜，工程投資較大。

圖4 拱形明洞樁基托梁基礎

3 防護結構室內試驗

框架型棚洞或拱形明洞作為隧道洞口及橋梁防護落石沖擊作用的最后一道防線，其結構的抗沖擊性能會直接影響到防護效果，但現場又不能開展破壞性的試驗。根據工程需要，成蘭鐵路開展了隧道洞口危巖落石條件下的橋隧共同防護結構受力特征室內模型試驗。

模型試驗尺寸比例為1∶10，框架型棚洞基礎取兩跨支柱(圖5)，為比較兩者上部結構對危石的抗沖擊能力，將拱形明洞拱圈以下的耳墻結構簡化成支柱。根據相似理論，模型試驗中混凝土的立方體抗壓強度為原型混凝土抗壓強度的0.1倍，即4～5 MPa，各構件內的受力鋼筋統一采用φ3 mm的光圓鋼筋簡化模擬。見圖6。

圖5 棚洞及明洞室內試驗模型

圖6 棚洞及明洞室內試驗模型實景

Muraishi H等[1]對日本某鐵路沿線在1987～1997年發生的落石事件進行統計，表明小于1 000 kJ的落石事件約占總落石事件的90 %。Spadari M等[2]針對澳大利亞新威爾士州東海岸落石研究，認為褶皺帶砂巖區、玄武巖區、褶皺帶火山巖區落石，其沖擊能量一般不大于200 kJ； 盆地砂巖區和花崗巖區的落石95 %的落石沖擊能量小于1 340 kJ。成蘭鐵路隧道洞口以千枚巖地層為主，易風化、強度低、完整性較差，難以形成巨大塊狀的落石。因此，將本線洞口落石的沖擊能量限定在1 000 kJ以內，根據相似準則換算為本實驗中最大計算模型沖擊能量為100 J。

棚洞或明洞頂回填材料一般采用普通粘土，根據壓縮模量相似準則，普通土采用土+鐵粉(質量比1∶1)混合材料模擬。

3.1 拱形明洞試驗結果

試驗工況1∶落石沿明洞頂部豎直向下正向沖擊明洞模型，將落石的沖擊能量固定為21.0 J，明洞頂部的緩沖墊層厚度分別設置為10 cm、12 cm、14 cm、16 cm和18 cm，明洞各部位實測應變值(με)詳見表2。

試驗工況2：落石沿明洞拱肩斜向45 °沖擊明洞模型，將落石的沖擊能量固定為21.0 J，明洞頂部的緩沖墊層厚度分別設置為10 cm、12 cm、14 cm、16 cm和18 cm，明洞各部位實測應變值(με)詳見表3。

表2 不同緩沖墊層厚度明洞各部位應變值(με)

表3 不同緩沖墊層厚度明洞各部位應變值(με)

試驗工況3：落石沿豎直方向正向沖擊明洞模型，將明洞頂部緩沖墊層的厚度設定為14 cm，并將落石的沖擊能量分別設定為21.0 J、37.8 J、54.8 J、71.0 J和92.4 J五個等級，明洞各部位實測應變值(με)詳見表4：

表4 不同沖擊能量明洞各部位應變值(με)

試驗工況4：破壞性試驗

撤除拱形明洞頂部的緩沖墊層，讓落石直接沖擊棚洞，逐步加大沖擊能量，當沖擊能量加大至213.4 J時，拱形明洞的拱圈出現了明顯的裂縫，相當于原形落石的沖擊能量為2 134 kJ時拱形明洞破壞。

3.2 框架型棚洞試驗工況及結果

試驗工況1：落石沿棚洞蓋板中部豎直向下正向沖擊框架形棚洞模型，將落石的沖擊能量固定為21.0 J，棚洞蓋板頂部的緩沖墊層厚度分別設置為10 cm、12 cm、14 cm、16 cm和18 cm，明洞各部位實測應變值(με)詳見表5。

試驗工況2：落石沿棚洞蓋板中部豎直向下正向沖擊框架形棚洞模型，將棚洞蓋板頂部緩沖墊層的厚度設定為14 cm，

表5 不同緩沖墊層厚度棚洞各部位應變值(με)

并將落石的沖擊能量分別設定為21.0 J、37.8 J、54.8 J、71.0 J和92.4 J五個等級，棚洞各部位實測應變值(με)詳見表6。

表6 不同沖擊能量棚洞各部位應變值(με)

試驗工況3：破壞性試驗。撤除框架型棚洞頂部的緩沖墊層，讓落石直接沖擊棚洞，逐步加大沖擊能量，當沖擊能量加大至169.1 J時，棚洞的拱圈出現了明顯的裂縫，相當于原形落石的沖擊能量為1 691 kJ時框架型棚洞破壞。

3.3 試驗結果對比與分析

通過實驗對比可得出以下結論：

(1)在拱形明洞及框架型棚洞頂部填筑100～180 cm普通土作為緩沖材料，可有效減緩落石對結構的沖擊和破壞作用。

(2)拱形明洞和框架形棚洞模型均能承受21～92.4 J落石沖擊荷載，且主體結構不損壞；折算成實物原型，拱形明洞和框架型棚洞均能承受210 kJ～924 kJ落石沖擊荷載。

(3)通過破壞性試驗顯示，框架型棚洞及拱形明洞承受落石沖擊能量的極限分別為1 691 kJ及2 134 kJ。

(4)與框架形棚洞相比，拱形棚洞在各種工況下的力學特性要優于框架形棚洞，更具有良好的抗落石沖擊的性能。

4 落石沖擊力試驗及公式修正

在棚洞結構設計和安全性檢算中，落石沖擊力的計算極為關鍵，很多學者開展了研究并提出了相應的算法。國外主要有日本算法、瑞士算法和澳大利亞算法；而國內主要有楊其新算法及相關規范中的計算方法。各方法在計算落石沖擊力時，差異較大。文獻[3-5]從理論分析、數值模擬分析及試驗等，認為國內算法計算的落石沖擊荷載偏低，國外算法偏高，實際落石沖擊荷載介于國內外算法之間。本文結合室內模型試驗，對落石沖擊沖擊力進行了研究，提出了落石沖擊力的修正公式，見式(1)。

(1)

式中：ρ為緩沖層的密度；g為重力加速度；E,μ分別為緩沖墊層的彈性模量與泊松比；M為落石質量；h為緩沖層的厚度；vbn為落石沖擊棚洞后回彈的速度；van為落石沖擊棚洞前的速度；k為落石沖擊力擴大系數。

運用式(1)和一些國內外算法得到不同沖擊能量對應的落石沖擊力計算值，與前述落石沖擊棚洞模擬試驗實測的沖擊力值進行比較，對比結果如圖7所示；試驗實測的沖擊力值(Fre)與采用本文提出的修正計算公式得出的沖擊力理論計算值(Fth)對比的結果如表7所示。

圖7 沖擊能量與沖擊力的關系

表7 落石沖擊力理論值與實測值的誤差對比

由圖7和表7可知：沖擊力計算值與實測數值之間誤差均在10 %以內，因此公式(1)可作為改進的落石沖擊力計算公式，可滿足實際工程中計算落石沖擊力的需要。

5 工程應用

5.1 工程概況

成蘭鐵路茂縣隧道出口位于茂縣渭門鄉，屬2008年“5·12”汶川地震災害重災區，地震效應明顯。茂縣隧道出口段為雙洞單線分修隧道，左右線線間距30 m，洞口緊鄰核桃溝雙線特大橋。

隧道出口自然橫坡陡峻，洞口上方危巖落石發育，出露基巖為千枚巖地層，巖質軟破碎、風化強烈，巖體節理裂隙發育、分層明顯；加之2008年“5·12”汶川地震及其后的多次余震導致山體邊坡松動、松弛，局部坡面自穩性差，崩塌剝落有逐年累積惡化發展的趨勢，洞口施工及運營安全風險較大。

圖8 茂縣隧道出口地形及巖體細部實景

5.2 工程措施

為保證施工、運營安全，基于地質、地形條件，運用成蘭鐵路開展的洞口相關試驗及科研課題的研究成果，茂縣隧道出口最終形成以“危石清除+坡面加固的主動防護系統+被動網及橋隧共同防護結構的被動防護系統”組成的綜合防治體系。

圖9 茂縣隧道出口綜合防治工程措施平面

5.2.1 危石清除及被動網

茂縣出口仰坡共分布四個危巖區，其中4號危巖區位于洞頂上方約30～40 m處，該處危巖在下部坡面剝蝕作用下已形成臨空面，對工程安全影響最大，為防止繼續風化導致巖體失穩，對4號危巖區進行清除，并對清除后的坡面進行防護。

圖10 茂縣隧道出口4號危巖實景

1～3號危巖區位于洞頂上方約200～300 m處，主要是風化形成的小型剝落體，對該部分松動危巖進行清除，并對難以清除時采用M10漿砌片石支頂、嵌補。

由于仰坡高處存在無法探明的小型危巖落石，且運營期間局部風化作用可能產生新的危巖落石，因此，于洞口上方約50 m、100 m、200 m處設置三道被動防護網。

5.2.2 坡面加固

在自然邊坡條件下，茂縣隧道出口段洞口所在的坡面是不穩定的，在坡面沿土體分層處塑性區很快便會貫通，而且碎石土與強風化的炭質千枚巖之間貫通的速度比強風化炭質千枚巖與弱風化炭質千枚巖貫通速度要快。從坡面穩定性角度出發，對邊坡進行加固的關鍵在于提高坡面巖體分層之間的粘結力，顯然錨噴是較為可行的加固方案，具體防護措施分成錨索加固區和錨噴加固區分區處理，如圖11所示。

圖11 茂縣隧道出口坡面加固典型斷面

錨索+錨噴防護區：該區域自然坡面較陡，局部風化成凹地形，分布有一組不利節理面，且節理裂隙發育，巖體易風化崩落，對該區采用節點長錨索(20 m)+節點間短錨桿(12 m)+掛網噴混凝土處理。

普通錨噴防護區：防護范圍為4號危巖區，對4號危巖區進行清除刷方，該區節理裂隙發育相對較少的區域，對該區采用節點長錨桿(12 m)+節點短錨桿(5 m)+掛網噴混凝土處理。

5.2.3 橋隧共同防護結構

(1)結構形式：結合室內試驗的結果，綜合考慮拱形明洞及框架型棚洞在抗震、抵抗落石沖擊性能方面，結合茂縣出口地形條件，本工點接長明洞采用抗震性能較好，結構受力清晰的下部樁基托梁+上部雙耳墻式護橋明洞結構，如圖12所示。

圖12 茂縣隧道出口橋隧共同防護結構典型斷面

(2)明洞長度：根據Rockfall軟件對落石軌跡的模擬計算結果，茂縣隧道出口段防護危巖落石明洞的長度應不小于18.2 m，綜合地形條件，左線明洞長度采用22 m，右線明洞長度采用20 m。

(3)緩沖層：洞頂緩沖層料采用取材便利的普通土作為緩沖層，填土厚度取2 m。

6 結論

(1)框架型棚洞和拱形明洞均可作為橋隧共同防護結構，根據地形地質特點，可選用分離式或一體式基礎結構。

(2)框架型棚洞和拱形明洞均具有良好的抗落石沖擊的性能，但拱形明洞在落石作用下的力學特性優于框架形棚洞。

(3)對地質地形條件差、危巖落石發育嚴重的洞口地段，應建立“危石清除+主動防護+被動防護”的綜合防護體系，并設置橋隧共同防護結構，確保運營安全。