新型結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)后重建中的應(yīng)用★

王 希 寶

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610017)

1 概述

地震常引發(fā)大量次生地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)震區(qū)公路、鐵路路基、橋梁、隧道等造成了巨大損壞。以汶川地震為例，據(jù)國(guó)家汶川地震專家委員會(huì)數(shù)據(jù)，汶川地震直接經(jīng)濟(jì)總損失8 451.4億元，其中基礎(chǔ)設(shè)施的損失占到21.9%，總損失近三成是由滑坡、崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)后造成的。地震災(zāi)區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害一般具有以下基本特征：

1)地質(zhì)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，沿線崩塌與巖堆、滑坡、泥石流極端發(fā)育。從映秀到汶川的20 km路段，共發(fā)育340多處滑坡、崩塌，路基遭受嚴(yán)重毀壞。

2)災(zāi)后余震不斷，崩塌落石不斷，防災(zāi)與重建并行。

3)受地形限制，次生地質(zhì)災(zāi)害一般表現(xiàn)為崩塌及覆蓋層滑坡，物源區(qū)多位于陡峭山壁，原位治理困難，只能采取被動(dòng)防護(hù)措施。

作者結(jié)合所參與的映秀—汶川—馬爾康公路災(zāi)后重建工程和川主寺—汶川路改建項(xiàng)目，鑒于部分路段地形特殊，一般構(gòu)筑物不能滿足設(shè)計(jì)要求，創(chuàng)新型的提出一些新穎的結(jié)構(gòu)，較好的解決了工程實(shí)際問題，下面分別予以介紹。

2 工程實(shí)例

2.1 錨拉樁基礎(chǔ)防泥石流明洞

1)工程概況。

麻柳灣位于國(guó)道213(317)線都江堰—汶川段K30+300處，距岷江下游映秀鎮(zhèn)約4.4 km，內(nèi)側(cè)邊坡陡峻。汶川地震引發(fā)大規(guī)模崩塌，數(shù)十萬方塊碎石土飛泄而下，直接掩埋公路長(zhǎng)達(dá)100余米。由于坡面殘留堆積體較多，在余震及降雨作用下，逐漸發(fā)展為坡面泥石流，并多次爆發(fā)，部分或全部掩埋公路，嚴(yán)重影響行車安全。

2)防泥石流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

因地形坡度大、坡面松散塊碎石土仍處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)等諸多不確定因素，采用主動(dòng)防治措施造價(jià)高、風(fēng)險(xiǎn)大，因此采用被動(dòng)防治措施，具體如下：

a.沿都汶公路通行方向設(shè)置長(zhǎng)度大于其影響范圍的明洞，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮洞頂泥石流堆積荷載。b.在公路內(nèi)側(cè)坡面泥石流出口處設(shè)置渡槽，沿溝口兩側(cè)布置八字墻導(dǎo)流，將泥石流引至公路外側(cè)，渡槽縱坡參照泥石流防治要求在10°～14°范圍，其強(qiáng)度需滿足抗塊石沖擊要求，建議采用構(gòu)筑物與泥石流沖擊方向小夾角方式布置，并在兩側(cè)設(shè)矮擋墻。

設(shè)計(jì)采用如圖1所示的斷面結(jié)構(gòu)，由渡槽、明洞、樁基托梁基礎(chǔ)組成。

明洞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

洞頂土石回填表面設(shè)置泥石流渡槽，引流泥石流至明洞結(jié)構(gòu)外側(cè)；渡槽設(shè)置凸榫增加抗滑力；渡槽采用30 cm厚混凝土，并設(shè)置鋼筋網(wǎng)，增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度。采用分離單壓式明洞：襯砌只承受洞頂回填土石的壓力和泥石流沖擊荷載，不承受側(cè)墻拉力。避免側(cè)墻與明洞襯砌的不均勻沉降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力。

樁基托梁側(cè)墻基礎(chǔ)(加錨索)：地震堆積體結(jié)構(gòu)松散，承載力低。設(shè)托梁基礎(chǔ)，樁頂設(shè)錨索平衡泥石流沖擊力水平分力。

3)防護(hù)效果。

麻柳灣明洞結(jié)構(gòu)于2009年8月完成主體結(jié)構(gòu)施工。陸續(xù)經(jīng)歷了2010年2月27日4.2級(jí)余震誘發(fā)的大規(guī)模崩塌和其后數(shù)年的中小規(guī)模崩塌，結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，安全可靠，見圖2。

2.2 福堂隧道鋼架棚洞

2.2.1 工程概況

福堂隧道位于岷江右岸，徹底關(guān)溝與桃關(guān)大橋之間，地處岷江上游高山峽谷地段，山峰頂標(biāo)高大于2 000 m，相對(duì)高差1 000 m～1 500 m，屬剝蝕～侵蝕中高山地貌。隧址區(qū)谷坡陡峻，一般30°～70°，部分成懸崖。汶川端洞口原設(shè)計(jì)為環(huán)框式洞口，無洞門端墻，仰坡采用GPS2型SNS邊坡柔性主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)范圍以隧道中線為軸線對(duì)稱布置40 m～60 m，高度由洞口山頂向下至洞頂位置。

2.2.2 崩塌危險(xiǎn)性分析及評(píng)價(jià)

洞口高仰坡崩塌危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及落石分析表明：

1)5·12汶川大地震引發(fā)福堂隧道汶川端洞口邊仰坡碎裂結(jié)構(gòu)巖體大量崩塌、甚至彈射，落石大量堆積于坡腳及路基兩側(cè)，遠(yuǎn)及岷江。其中尤以桃關(guān)大橋起點(diǎn)內(nèi)側(cè)邊坡為甚，崩塌波及深度大于30 m，在坡腳形成坡度約35°的巖堆，巨石林立。

2)地震中洞口正上方巖體較穩(wěn)定，崩塌較少，部分落石為兩側(cè)碎裂巖體在大量墜落過程中互相撞擊彈射而來。洞外接填方路基，路面標(biāo)高高于兩側(cè)地面約3 m，洞口范圍內(nèi)因余震與風(fēng)化卸荷剝落的落石墜落或落地后飛躍上路面的可能性不大。

3)對(duì)洞口上方巖體的穩(wěn)定性分析表明，在長(zhǎng)期的風(fēng)化卸荷和凍脹作用下，在隧道運(yùn)營(yíng)期內(nèi)存在墜石的可能，特別是頂部坡口的A區(qū)，C區(qū)。建議采用主動(dòng)網(wǎng)+洞口防落石結(jié)構(gòu)的綜合防護(hù)措施。

4)對(duì)落石巖堆粒徑統(tǒng)計(jì)分析表明，出現(xiàn)直徑大于20 cm的落石可能性小于10%。但由于落石可能在撞擊地表后崩解，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)誤差，建議防落石設(shè)計(jì)按20 cm×20 cm×20 cm設(shè)防，安全保證率可達(dá)95%，同時(shí)對(duì)50 cm×50 cm×50 cm的落石具有一定的緩沖及防護(hù)能力。

5)一般零星落石情況下，巖塊多墜落于洞口一定范圍內(nèi)，由于洞口高仰坡主動(dòng)網(wǎng)施工已經(jīng)完成，建議對(duì)防落石結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，洞外10 m范圍可考慮加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗沖擊能力。

福堂隧道出口及崩塌危險(xiǎn)性分區(qū)見圖3。

2.2.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)景觀設(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)洞口景觀的要求，結(jié)合本工點(diǎn)的實(shí)際情況，考慮結(jié)構(gòu)與既有建筑、工程周邊自然及人文環(huán)境等相協(xié)調(diào)，選擇每榀鋼架高低錯(cuò)落布置的異型鋼棚洞方案作為本工點(diǎn)實(shí)施方案(見圖4)。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

a.型鋼彎制成主鋼架，高低錯(cuò)落布置，景觀效果好；

b.鋼架縱向采用小鋼管連接，提高穩(wěn)定性；

c.鋼架外表面鋪設(shè)兩層3 cm×3 cm鋼絲網(wǎng)，交錯(cuò)布置，緩沖能力強(qiáng)；

d.兩側(cè)坡面陡，利于落石下滑；

e.抗震能力強(qiáng)，一般情況下結(jié)構(gòu)本身不會(huì)損壞。

2)輪廓設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)輪廓根據(jù)福堂隧道建筑限界以及景觀設(shè)計(jì)效果擬定，三維軸測(cè)效果如圖5所示。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以落石地質(zhì)調(diào)查及分析成果、景觀及輪廓設(shè)計(jì)成果作為設(shè)計(jì)依據(jù)，采用H型鋼彎制而成的鋼架作為主要受力構(gòu)件，每榀鋼架縱向采用鋼管連接提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，再在鋼架頂面和底面分別掛設(shè)兩層高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)以緩沖落石沖擊均勻作用于鋼架上的集中荷載。

該鋼架棚洞于2009年12月完成棚洞主體結(jié)構(gòu)施工(見圖6)。2010年2月27日5時(shí)20分左右，汶川地區(qū)發(fā)生了4.2級(jí)余震。余震時(shí)，棚洞上方山體掉下數(shù)塊落石多次擊中棚洞，所有小型落石均被彈落于岷江或者工棚附近。其中一塊規(guī)格32 cm×24 cm×15 cm，重約20 kg的中型落石砸斷一根鋼絲纜繩和外層柔性防護(hù)網(wǎng)，但被第二層柔性防護(hù)網(wǎng)和鋼梁連接件成功攔截并掉落在岷江側(cè)棚洞柱腳附近。鋼結(jié)構(gòu)柔性棚洞起到了預(yù)期的防護(hù)效果。

2.3 半橋式棚洞及明洞

國(guó)道317線汶川—馬爾康公路改建工程柴棚子工點(diǎn)為防護(hù)崩塌落石而設(shè)，由于重建線路優(yōu)化調(diào)整，設(shè)計(jì)中線相對(duì)老路偏出約6.5 m，2/3的路基懸空于雜谷腦河之上，嚴(yán)重侵占河道。

為了治理邊坡滑塌、飛石等病害，結(jié)合改建公路設(shè)計(jì)，根據(jù)汶馬路全線各病害工點(diǎn)具體情況選用不同的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于邊坡一次塌方量較大，落石較多，崩塌落石沖擊荷載較大地段采用拱形明洞結(jié)構(gòu)，當(dāng)邊坡塌方量較少或少量落石地段，內(nèi)外側(cè)地質(zhì)軟硬差別大或外側(cè)地形狹窄時(shí)采用棚洞結(jié)構(gòu)。當(dāng)棚洞、明洞外側(cè)侵占河道過多時(shí)，為保證岷江泄洪要求，較小路基沖刷，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了半橋式明洞和半橋式棚洞(見圖7，圖8)。

2.3.1 半橋式棚洞適用條件

當(dāng)邊坡塌方量較少或少量落石地段內(nèi)外側(cè)地質(zhì)軟硬差別大或外側(cè)地形狹窄地段路基侵占河道，不能滿足行洪要求時(shí)。

2.3.2 半橋式明洞適用條件

邊坡一次塌方量較大，落石較多地段、崩塌落石沖擊荷載較大地段、設(shè)置棚洞內(nèi)側(cè)開挖較多地段、路基侵占河道，不能滿足行洪要求時(shí)。

2.3.3 路基式明洞適用條件

邊坡一次塌方量較大，落石較多地段、設(shè)置棚洞內(nèi)側(cè)開挖較多地段、崩塌落石沖擊荷載較大地段。路基式明洞見圖9。

2.3.4 棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)結(jié)構(gòu)組成。棚洞結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成，分別是內(nèi)側(cè)混凝土邊墻、外側(cè)框架、頂梁。當(dāng)棚洞侵入河道過多時(shí)，棚洞路基不采用回填土，設(shè)計(jì)采用半橋式棚洞，即外側(cè)立柱置于樁基蓋梁上，在內(nèi)側(cè)擋墻設(shè)置C30鋼筋混凝土臺(tái)帽，在蓋梁和臺(tái)帽上架設(shè)橫置板(預(yù)制鋼筋混凝土空心板)，減少對(duì)河道的侵占。考慮到施工保通等因素，本設(shè)計(jì)橫置板采用預(yù)制鋼筋混凝土空心板，汽車吊運(yùn)安裝。橫置板順公路縱向密排，截面采用空心矩形板。

2)棚洞框架地基處理。據(jù)受力分析和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，外側(cè)立柱基礎(chǔ)基底應(yīng)力較大，根據(jù)實(shí)際情況選用擴(kuò)大基礎(chǔ)或鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。當(dāng)立柱基礎(chǔ)埋置深度超過路面以下3 m時(shí)，在路面下設(shè)置鋼筋混凝土橫向拉桿，并錨固于內(nèi)邊墻，并且立柱在路基平面處加設(shè)縱撐。

2.3.5 明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

明洞結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，分別是拱形明洞襯砌、外側(cè)墻、樁基托梁基礎(chǔ)、錨樁及拉桿。汶馬路改建施工場(chǎng)地狹窄，為保證施工期公路暢通，明洞不設(shè)仰拱，采用拉桿和錨樁結(jié)構(gòu)施加內(nèi)側(cè)拱腳及樁基托梁橫向約束。當(dāng)明洞外側(cè)侵占河道較少時(shí)，采用路肩墻；當(dāng)明洞侵入河道過多時(shí)，采用半橋式明洞，即外側(cè)墻置于樁基蓋梁上，在內(nèi)側(cè)拱腳設(shè)置C30鋼筋混凝土臺(tái)帽，在蓋梁和臺(tái)帽上架設(shè)橫置板(預(yù)制鋼筋混凝土空心板)，減少對(duì)河道的侵占(如圖8半橋式明洞所示)。

3 結(jié)論與建議

1)災(zāi)后重建面臨各種非常規(guī)設(shè)計(jì)工況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須因地制宜，在充分考慮現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)及環(huán)境條件基礎(chǔ)上創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決特殊問題。

2)文中所提及的新型明洞及棚洞結(jié)構(gòu)均較好的解決了工程實(shí)際問題，經(jīng)工程驗(yàn)證效果良好，值得推廣應(yīng)用。