基于“川院”精神工程文化的地震多發山區公路抗震減災技術

姚 剛

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610041)

0 引言

四川山區地震活動強烈,先后發生了汶川特大地震、蘆山地震及九寨溝大地震等地震災害。山區地形地質條件極其復雜,公路邊坡高陡,地震、地質與洪水災害交互作用、不斷惡化,導致公路災害突發、頻發,對山區公路邊坡、橋梁、隧道等關鍵節點工程安全運營造成極大安全威脅。筆者所在四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司依托“陸地交通災害防治技術國家工程實驗室”等科研平臺,組建山區公路抗震救災研究團隊,學科布局包括地質、路線、路基、橋梁、隧道、路面、交安等專業,進行了十余年的不懈攻關,科技人員發揚吃苦敬業、務實嚴謹、鉆研創新、追求卓越的“川院”精神,堅守“崇尚技術、爭當專家”核心價值觀,面對地震、洪災、滑坡、泥石流等災害無畏艱險、不懼犧牲、沖鋒在前、敢于擔當、勤于攻關。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驗,在抗震減災中推動技術進步,形成的了地震多發山區公路抗震減災技術創新成果。

地震多發山區公路抗震減災技術依托交通運輸部西部交通建設科技項目、四川省交通運輸科技項目等9項科技項目,圍繞解決強震山區公路建設減災技術難題,采用高精度遙感、三維巖體激光掃描、現場實測跟蹤等方法,揭示了震后公路沿線崩塌、滑坡、泥石流等地質災害鏈式演變規律,研發了新型耗能減震公路路基支擋防護結構。研發了全鋼管混凝土桁梁橋長聯抗震體系,降低了地震力峰值,均衡了聯內各橋墩受力,解決了中等跨度橋梁抗震難題。研發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千米級懸索橋使用鋼筋混凝土橋塔的難題。創建了高烈度地震區隧道三區段抗震設防新體系,建立了三區段隧道抗震計算方法與抗減震綜合對策,形成了隧道三區段抗震減災關鍵技術。2010年以來,地震多發山區公路抗震減災技術相關成果先后獲國際橋梁大獎1項省部級級科技獎項17項;獲得國家授權發明專利54項;制定行業標準、地方標準等標準規范8部;出版專著8部,發表學術論文192篇,其中SCI檢索40篇、EI檢索58篇。依靠該技術體系,指導了映秀至汶川高速、映秀至臥龍公路、川主寺至九寨溝公路的災后重建工作和汶川至馬爾康、雅安至康定等高速公路建設工作。地震多發山區公路抗震減災技術總體達到國際先進水平。

1 技術創新亮點

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

(2)建立了等效橋墩高度與主梁最佳聯長的計算原理與方法,提出了支座與橋墩水平剛度串聯的匹配技術以提高橋梁的總體剛度(圖1),開發了形狀相同的水平方向變剛度支座構造等系列技術,實現了支座剛度與橋墩剛度可匹配、伸縮縫之間主梁長度可設計,形成了墩群均衡受力的抗震結構體系,改善了橋梁抗震性能,提高了橋梁的抗震能力。

圖1 長聯結構體系示意

(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底板的組合結構,開發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,降低了抗彎剛度,是高烈度地震區混凝土橋塔理想的橫向聯結方式。

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地震響應比較

(4)發明了一種鉸結式耗能型中央扣(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,克服了傳統剛性中央扣因剛接而產生附加應力的缺點。有效改善了橋塔抗震性能,梁體縱向位移減小約70%,橋塔縱向地震響應降低達到20%以上。

圖4 鉸接式耗能型中央扣

(5)創建了高烈度地震區隧道三區段抗震設防新體系(圖5、圖6),建立了三區段隧道抗震計算方法與抗減震綜合對策,形成了隧道三區段抗震減災關鍵技術。

圖5 抗震設防區段示意

圖6 公路隧道抗減震計算方法和技術體系

(6)揭示了震后公路沿線地質災害演變規律,建立了震后公路次生地質災害評估體系方法,如圖7、圖8所示。

圖7 活躍泥石流溝松散堆積體隨時間演變特征

圖8 地震后泥石流活動趨勢預測

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

2 主要成果及獲獎

地震多發山區公路抗震減災技術相關成果獲得國家授權發明專利54項;制定行業標準、地方標準等標準規范8部;出版專著8部,發表學術論文192篇,其中SCI檢索40篇、EI檢索58篇。該技術相關成果獲國際橋梁大獎1項、省部級科技獎17項。

2.1 授權專利

地震多發山區公路抗震減災技術獲得國家授權專利54項,其中授權發明專利6項,詳見表2。

表2 授權國家發明專利清單

2.2 標準規范

編制發布行業標準、地方標準8部,詳見表3。

表3 編制發布的行業標準、地方標準清單

2.3 獲獎情況

獲得各類科技獎項18項,其中國際橋梁大獎1項,省級科技獎項7項、部級科技獎10項,獲獎情況詳見表4。

表4 獲得科技獎項清單

3 應用情況和效益

(1)項目成果應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。波形鋼腹板橫梁和鉸接式耗能型中央扣兩項創新技術共同構成了新型懸索橋抗震體系,破解了高烈度地震區千米級懸索橋使用鋼筋混凝土橋塔的難題,與鋼橋塔相比,極大節省了投資。

(2)研究成果應用于大量強震頻發區隧道(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。在四川發生的多次較大地震中,上述公路隧道表現出良好的抗震減災功能,發揮了生命通道的作用,顯示了巨大的經濟與社會效益。

(3)項目成果應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公路建設,提升了復雜艱險山區公路建設和運營的安全保障水平,為災后重建和生命線安全暢通做出巨大貢獻。

4 結束語

地震多發山區公路抗震減災技術,圍繞地震多發山區公路抗震技術難題,開展了公路沿線地質災害理論、高烈度地震區邊坡減震防護技術及設計方法、高陡邊坡災害廣域高效識別技術等關鍵技術研究。主要技術成果有:

(1)在橋型選擇、橋梁結構體系和材料優化、抗震構造措施等方面取得系統性成果,填補了橋梁地震安全性風險評估、設防標準和設計方法中的空白。

(2)研發形成高烈度地震區隧道分段分級綜合抗減震關鍵技術,極大提高了震區隧道的抗震能力。

(3)揭示了震后公路沿線地質災害演變規律,建立了震后公路次生地質災害評估方法體系,研發了高烈度地震區邊坡耗能減震防護技術。

四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司研發的地震多發山區公路抗震減災技術得益于橋梁、隧道、地質等科技人員十余年的不懈攻關,研究成果具有系統性、創新性和先進性,已在多項工程實踐中得到應用,為交通災后重建和生命線安全暢通提供了重要技術支撐,具有應對地震災害、加快災后重建、保障群眾生命財產安全等綜合效益,對我國地震多發山區公路建設和管理具有重要的推廣應用價值。