落石沖擊隧道洞口結構砂墊層的緩沖效果研究

宋東旭

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

0 引 言

我國西部屬于多山地區，地形條件較為復雜,山體滑坡、崩塌落石等自然地質災害頻繁,崩塌落石為公路運輸安全的重大隱患之一，必須提前加以防范與整治，盡可能地減少崩塌落石對公路運營秩序的影響，確保公路運輸秩序的安全穩定。近年來,如何應對崩塌的技術研究不斷重視,在較為陡峭的高山峽谷下方時，由于施工難度較高，采取主動防護非常困難，且防護效果欠佳，在隧道洞口設置明洞結構作為一種典型的被動防護形式，本身具有較強的防護能力,有著良好的力學性能，成熟的施工工藝，以及廣泛的適宜性，兼顧交通、環保、防災，現被廣泛應用于山區的公路工程、鐵路工程、隧道工程中[1-3]。

典型的隧道洞口結構由鋼筋混凝土結構框架以及覆蓋在結構頂部的緩沖材料組成，在落石沖擊作用下，通過墊層材料的緩沖作用，可吸收部分落石的沖擊能量，將一部分沖擊壓力傳遞到防護結構上，文章利用ANSYS/LS-DYNA有限元動力分析軟件，運用數值模擬對落石直接沖擊混凝土結構以及沖擊設有砂墊層的混凝土結構的兩種工況進行模擬，通過結果對比，分析砂墊層的緩沖效果，為實際設計施工提供參考[4-6]。

1 工程概括

峨漢高速第2標段第12合同段，地處四川省雅安市漢源縣順河鄉境內，屬超特長隧道，隧道長7021m(左右線平均)，主洞左線起訖里程 ZK104+545- ZK111+554，全長7009m；主洞右線起訖里程 K104+525- K111+558，全長7033m；在進口端，隧道軸線與地形線基本正交，地形陡峻，洞口附近為巨厚松散崩坡積體，且左右線為小凈距隧道，為避免隧道穿越洞口覆蓋層時發生坍塌冒頂，節約工程造價，同時方便布置長大隧道施工場地，對進口端覆蓋層進行清方處理，為增加高邊坡的穩定性，保證隧道洞口的行車安全，左右線均設置了10m路塹式明洞。洞口明洞立面圖，見圖1。

圖1 洞口明洞立面圖

2 數值模型與計算參數

2.1 問題描述

沖擊過程主要涉及混凝土板、墊層、落石，因此將模型簡化，考察如圖2所示的結構，假定落石以一定的速度沖擊混凝土板與墊層，考慮砂墊層材料的相對剛度較小，落石視為剛形體，不考慮質量損失，模型所在整個空間內在沖擊過程中只考慮豎向位移，不存在旋轉自由度，沖擊過程計入落石重力，不考慮空氣阻力[7-9]。

圖2 混凝土結構頂板模型網格圖

文章采用ANSYS/LS-DYNA軟件，利用其顯示動力算法模擬落石沖擊結構的動力過程，接觸算法采用“對稱罰函數法”,通過細化網格來控制Hourglass效應。為節省計算時間，在t=0時落石與墊層接觸，對落石組件施加初始速度來模擬下落高度。

2.2 模型尺寸

混凝土結構模型分為3部分，包括落石、混凝土板、混凝土梁。混凝土梁截面長寬分別為0.6m、0.8m，板跨度8m，厚0.5m，墊層厚度為1.5m，計算寬度6m。根據有關部門的調查數據,對于山區公路的一般防塌明洞來說,落石體積大部分為1-2m3。落石半徑為0.5m，取落石沖擊速度為14m/s(即從10m高處自由下落)，沖擊動能為130kJ。

2.3 單元及材料

數值模擬分析中落石、混凝土、砂墊層均采用SOLID164單元。為節省計算時間，落石采用剛體模型，密度為2500kg/m3,泊松比為0.22，彈性模量為1GPa。混凝土采用HJC模型，該模型適應于混凝土承受大應變、高應變率和超壓等場合。砂土墊層采用Drucker-Prager材料模型，但采用DP材料模型模擬時不能實現砂土模型失效后單元的刪除，因此在本模擬中通過施加關鍵字來實現單元的失效，單元失效會自動刪除從而退出工作，失效準則是屈服極限達到0.148MPa[10-12]。

表1 材料參數

2.4 邊界條件

在本模擬過程中，混凝土結構上面為自由面，對橫梁底部采用全約束。同時為模擬結構的延伸性，在縱向邊界設置無反射邊界條件，防止反射波進入模型對最終計算結果產生影響。在沖擊碰撞過程中，定義落石與混凝土結構之間的接觸為面面自動接觸[13-14]。

3 計算結果分析

3.1 落石直接沖擊混凝土結構

1)塑性變形：t=0.01s時刻塑性變形云圖，如圖3所示。

圖3 t=0.01s時刻塑性變形云圖

在沖擊過程中，在t=0.01s時刻落石與混凝土板發生碰撞，落石正下方混凝土結構開始發生破壞，出現塑性變形，并逐漸向四周擴散，最大塑性應變為0.018，并且可以在云圖上觀察到，發生塑性的破壞范圍是以落石下落點為圓心，半徑為0.62m的圓形范圍內。

2)頂板Mises等效動應力分析：頂板內側中心點Mises等效應力時程曲線，如圖4所示。

圖4 頂板內側中心點Mises等效應力時程曲線

從圖2中可以看出，落石沖擊力直接作用在結構上，在跨中位置處的等效動應力最大，為46MPa，在板與梁的交接處，出現了應力集中，等效應力為10.4MPa，這是由于沖擊力所引起的彎矩作用。從圖3中可以看出，Mises等效動應力時程曲線變化趨勢呈現波動狀，在落石沖擊力的作用下等效動應力迅速增大到最大值，為12.9MPa，達到峰值后不斷減小。

3)落石加速度：落石加速度時程曲線，如圖5所示。

圖5 落石加速度時程曲線

整個沖擊過程歷時0.02s，落石加速度曲線形狀大致呈正弦狀，加速度達到最大值后開始減少，最大值為2290m/s2，模型中落石質量為1308kg，由F=ma可計算得到最大沖擊力為3000kN。

3.2 落石沖擊1m墊層混凝土結構

1)頂板Mises等效動應力分析：t=0.1s時等效動應力云圖，如圖6所示；頂板內側中心點Mises等效應力時程曲線，如圖7所示。

圖6 t=0.1s時等效動應力云圖

圖7 頂板內側中心點Mises等效應力時程曲線

落石沖擊設有墊層材料的混凝土結構，在跨中位置處以及在板與梁的交接處，出現了較大的等效動應力，但最大的等效動應力為1.7Mpa。頂板內側中心點Mises等效應力的時程曲線呈脈沖狀，最大值發生在0.05s，為1.9Mpa，與直接沖擊混凝土結構相比減少了85%。

2)落石加速度：落石加速度時程曲線，如圖8所示。

圖8 落石加速度時程曲線

從圖上可以看出，加速度時程曲線同樣呈脈沖狀，在極短的時間內落石沖擊力達到峰值603KN,隨后落石沖擊力迅速減小，直至減少至0，主要由于墊層的緩沖作用，土體發生變形吸收了部分沖擊能量，整個沖擊過程持續0.15s，沖擊持續時間發生了增加，可看出墊層對混凝土結構的保護作用。

4 結 論

文章以峨漢高速第2標段第12合同段大巖隧道洞口明洞為背景，結合數值模擬，重點研究了混凝土板結構在落石沖擊下的力學響應以及采用砂墊層的緩沖效果，得到以下結論：

1)落石在沖擊過程中，會產生較大的沖擊力，在混凝土板與梁的交接處易發生破壞，在設計施工時應重點關注。

2)通過在混凝土結構上添加砂土墊層能有效的降低落石沖擊下結構的應力值，其等效應力值可減少85%左右，結構受到的落石沖擊力可減少79%，因此在混凝土結構頂部設置墊層材料是相當必要的。