六車道橋隧相接落石防護技術(shù)研究

摘" 要：如何有效地控制落石災害，對確保項目施工安全及運營安全至關(guān)重要。基于大跨度橋隧相接實例，針對性地提出系統(tǒng)的落石防護措施;通過數(shù)值模擬分析，不受石頭沖擊作用下鋼棚架結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，并提出滿足不同設防落石沖擊需求的鋼拱架參數(shù)，為類似工程提供借鑒性的參考。

關(guān)鍵詞：落石防護;落石沖擊力;大跨度鋼結(jié)構(gòu)棚架;屈曲;結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號：U451" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0189-04

Abstract： How to effectively control the rockfall disaster is very important to ensure the construction safety and operation safety of the project. Based on the example of the connection of long-span bridges and tunnels， the systematic rockfall protection measures are put forward， and the numerical simulation analysis shows that the steel scaffolding structure without stone impact meets the requirements of the code. The steel arch parameters to meet the requirements of different anti-rockfall impact are put forward， which provides a reference for similar projects.

Keywords： rockfall protection; rockfall impact force; long-span steel structure scaffolding; buckling; structural analysis

隨著國家基礎建設的快速發(fā)展，西部地區(qū)橋梁、隧道相連實例越來越多，主要分為橋梁與隧道相接、橋梁主體結(jié)構(gòu)深入隧道、橋梁與隧道間設置短路基。橋梁與隧道相接位置，一般山體較陡，山體滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象嚴重，其中落石災害嚴重威脅了施工及運營過程中的安全[1-2]。落石災害具有不可預見性、隨機性，分布范圍較廣[3]，其引起了國內(nèi)外學者的關(guān)注。

經(jīng)過學者們多年來的探索與發(fā)展，從最初的落石理論分析研究，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱W分析、經(jīng)驗類比研究等。沈顯才[4]基于碰撞理論和有限元分析，研究了石頭的運動軌跡和沖擊能量;柏雪松等[5]提出了危險落石以45°沖擊主體結(jié)構(gòu)時，切向方向的沖擊力最大;楊少軍等[6]提出了根據(jù)落石沖擊能量分為輕型、重型兩級設防標準;葉四橋等[7]提出了日本公團算法對危險落石最大沖擊力的簡化計算，與試驗數(shù)據(jù)較為吻合;何思明等[8]研究了8 m跨度的棚洞，主要為滾石從不同沖擊角度作用下的力學碰撞分析;王凱林等[9]研究了12.1 m跨度的鋼筋混凝土剛架式橋梁，可抵抗500 kJ沖擊能量的落石沖擊;孟杰等[10]研究了13.6 m跨度的輕型剛性棚洞結(jié)構(gòu)，落石沖擊作用點受力變化明顯，其余部位受力變化較小。

以上研究主要是圍繞落石沖擊的研究或以小跨徑橋隧相接實例的防落石研究，對于復雜地形、地貌的大跨度橋隧相接落石防護研究較少。基于某六車道大跨度橋隧相接實例，為了保證施工及運營的安全性，結(jié)合復雜地形、地貌等特性，提出了系統(tǒng)的落石防護措施。通過建立大跨度鋼結(jié)構(gòu)棚架Midas Civil三維數(shù)值等效模型，分不同設防標準對主體結(jié)構(gòu)進行受力分析，提出滿足不同設防標準需求的鋼棚架結(jié)構(gòu)主要參數(shù)，為類似工程設計與施工提供參考性依據(jù)。

1" 落石防護技術(shù)研究

1.1" 工程概況

橋梁與隧道按照高速公路分離式設計，路線小樁號側(cè)臨近黃河河道，綜合考慮地形地貌、溝道寬度等因素選取合理上部、下部結(jié)構(gòu)進行設計;路線大樁號側(cè)臨近山體，進口端選取端墻式洞門進行施作隧道。

六車道分離式隧道，線位從西北方向沿著山體布設，隧道進口端山體自然坡度接近于1∶1（約45°），項目區(qū)有少量雜草和沖溝，沖溝內(nèi)有短暫性雨季流水。隧道進口端強風化花崗巖外漏，約3～5 m厚強風化層，表層花崗巖破碎，不存在滑坡、變形等不良地質(zhì)現(xiàn)象，圍巖自穩(wěn)及成洞條件較好;赤平極射投影試驗結(jié)果表明，3組結(jié)構(gòu)面切割形成的結(jié)構(gòu)體分別屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，自然條件下邊坡穩(wěn)定性較好。

1.2" 落石防護主要措施

基于工程現(xiàn)場地形、地貌等資料，橋隧相接位置采取以下全方位系統(tǒng)的落石防護措施。

1）隧道進口端強風化花崗巖破碎，結(jié)合巖土勘察、試驗等資料，清除影響施工安全、行車安全范圍的危險落石。

工程施工要嚴格控制邊坡開挖高度，及時以梅花狀間距1.5 m布設水泥砂漿錨桿、敷設鋼筋噴射C20混凝土，對臨時欠穩(wěn)定仰坡進行錨噴防護。

2）整理完坡面危石后，進口端邊坡坡面布設主動防護網(wǎng)，并均勻布設被動防護網(wǎng)。主動防護網(wǎng)采用高防護強度、高柔性的鋼絲格柵覆蓋或包裹在影響施工安全、行車安全的危險區(qū)域，能有效防治強風化花崗巖的松散剝落或部分巖體坍塌掉落等，極大程度上限制了石頭的運動軌跡。被動防護網(wǎng)采用較高攔截強度、富有消能設計的鋼絲繩網(wǎng)，按照坡面地形均勻布置，整體形成有效的面防護，阻止了崩塌落石的下落，起到邊坡坡面防護的效果。

主動、被動防護網(wǎng)作為有效防治坡面危險落石的柔性防護體系，用以遮蓋落石、阻攔落石，有效地降低了落石飛落、滾動、碰撞和滑動的可能性[11]。

3）隧道進口端地形復雜，巖體坡面較陡，石頭下墜高度較大，為避免小概率落石下落至橋梁結(jié)構(gòu)的行車道上，可在橋梁上方設置新型鋼結(jié)構(gòu)棚架，擬定方案一鋼結(jié)構(gòu)棚架斷面如圖1所示，鋼結(jié)構(gòu)棚架有效跨徑為19.1 m。

鋼結(jié)構(gòu)棚架主體結(jié)構(gòu)主要有型鋼、鋼管、螺栓等組成，鋼拱架頂部敷設纏繞型環(huán)形網(wǎng)，鋼絲不應有機械損傷、銹蝕現(xiàn)象。

陡坡坡面石頭可能以不同的作用點碰撞接觸主體結(jié)構(gòu)頂部，不同塊體的石頭造成的鋼結(jié)構(gòu)棚洞沖擊作用也是不同的。由于擬定方案主體結(jié)構(gòu)矢高較大、有效跨徑較大，需結(jié)合有限元進行計算分析。

1.3" 危險區(qū)域落石沖擊能量與沖擊力研究

為避免山體危險落石直接碰撞沖擊鋼棚架主體結(jié)構(gòu)，采用主動、被動防護網(wǎng)攔截危險區(qū)域落石，能大幅度地降低落石沖擊速度、沖擊能量，主體結(jié)構(gòu)可抵抗少許部分沖擊能量。鋼棚架主體結(jié)構(gòu)根據(jù)危石與結(jié)構(gòu)碰撞沖擊產(chǎn)生的最大能量分兩級標準設防[6]，沖擊能量分別為200、500 kJ;據(jù)落石多年資料統(tǒng)計，二級設防落石沖擊約占87.5%，一級設防落石沖擊約占68.8%。綜合考慮項目施工運營安全性、結(jié)構(gòu)方案合理性及落石沖擊的概率性，應結(jié)合實際工程石頭塊體大小、分布規(guī)律、運動軌跡、巖性成分、地形地貌和坡面評定等情況進一步做專項分析。

六車道分離式隧道邊坡坡面坡度接近于1∶1（約45°），坡面約100 m高度處有一平臺（假定為危險落石高度），根據(jù)危險落石沖擊能量統(tǒng)計數(shù)據(jù)[9]，約0.25 m3落石能產(chǎn)生500 kJ沖擊能量，約0.125 m3落石能產(chǎn)生250 kJ沖擊能量。

日本相關(guān)專家基于Hertz彈性碰撞接觸理論進行大量的危險落石碰撞沖擊試驗，推算出危險落石產(chǎn)生最大沖擊力的簡化計算方法[12]

F=2.108×H3/5×λ2/5×M2/3，

式中：F為危險落石產(chǎn)生的最大沖擊力，kN;H為石頭下落的相對高度，m;λ一般取1 000 kN/m2;M為石頭的質(zhì)量，t。

根據(jù)上述簡化公式計算不同設防落石沖擊能量下的落石沖擊力，500 kJ沖擊能量產(chǎn)生的最大沖擊力約397.3 kN;250 kJ沖擊能量產(chǎn)生的最大沖擊力約250.3 kN。

2" 大跨度鋼結(jié)構(gòu)棚架數(shù)值模擬研究

2.1" 建立鋼棚架數(shù)值模型

擬定方案一，鋼結(jié)構(gòu)棚洞環(huán)向鋼拱架采用型鋼HW388×402×15/15，縱向間距為3 000 mm;環(huán)向鋼拱架間采用φ60×6 mm鋼管連接，環(huán)向間距為1 500 mm;環(huán)向拱架豎直段間及縱梁與鋼拱架間通過焊接Ⅰ18斜向支撐加強聯(lián)系;棚洞縱梁采用型鋼HW428×407×20/35，縱梁、環(huán)向鋼拱架和斜撐均采用高強螺栓連接，棚洞主體結(jié)構(gòu)頂層鋪設纏繞型環(huán)形網(wǎng)，建立Midas Civil三維數(shù)值有限元模型，如圖2所示。

2.2" 計算荷載取值

型鋼及鋼管結(jié)構(gòu)重力密度為78.5 kN/m3，鋼材型號為Q355鋼;棚洞結(jié)構(gòu)環(huán)形網(wǎng)等附屬構(gòu)件重力密度取0.5 kN/m3;項目區(qū)地處寒冷地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)棚架有效溫度標準值最低、最高分別為-21、46 ℃[13]，結(jié)構(gòu)安裝溫度以20 ℃為宜，構(gòu)件整體升溫41 ℃，整體降溫-26 ℃;50年一遇基本風壓[14]為0.35 kN/m2;50年一遇基本雪壓[15]為0.2 kN/m2。

2.3" 鋼棚架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

細長桿件在落石沖擊外力下易發(fā)生屈曲，由原結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)發(fā)生突變，造成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定失效。當落石沖擊力大于臨界荷載Fcr時，棚架結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，臨界荷載的歐拉公式[16]

Fcr=，

式中：Fcr為桿件的臨界荷載，kN;L為考慮長度因數(shù)的桿件計算長度，m;EI為桿件的抗彎剛度，kN·m2。

鋼拱架頂部、鋼拱架與斜撐相接處為受力薄弱點位置，利用三維等效數(shù)值模型模擬臨界荷載。屈曲模態(tài)特征值分析結(jié)果表明，鋼拱架頂部位置承擔的臨界荷載為2 029 kN，鋼拱架與斜撐相接位置承擔的臨界荷載為1 409 kN，均大于397.3 kN，則一級、二級設防落石產(chǎn)生的最大沖擊力均不會導致鋼棚架結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.4" 鋼棚架結(jié)構(gòu)強度分析

1）鋼結(jié)構(gòu)棚架原始模型不施加石頭沖擊力作用，主體結(jié)構(gòu)應力包絡圖如圖3所示。

分析結(jié)果表明，最不利荷載組合下，棚洞縱梁構(gòu)件應力最大值為106.1 MPa，橫梁構(gòu)件應力最大值為43.8 MPa，鋼拱架構(gòu)件應力最大值為92.6 MPa，各構(gòu)件應力最大值均小于型鋼應力設計值270 MPa，各構(gòu)件強度滿足規(guī)范要求。

2）在擬定方案一原數(shù)值模型基礎上施加一級設防落石最大沖擊力，荷載組合包絡狀態(tài)下，棚洞縱梁構(gòu)件應力最大值為125.5 MPa，橫梁構(gòu)件應力最大值為162.1 MPa，鋼拱架構(gòu)件應力最大值為506.0 MPa，鋼拱架構(gòu)件應力大于型鋼應力設計值270 MPa，鋼拱架構(gòu)件強度不滿足規(guī)范要求。

2.5" 鋼棚架結(jié)構(gòu)變形分析

1）鋼結(jié)構(gòu)棚架不考慮石頭沖擊力作用時，荷載組合包絡狀態(tài)下，棚洞橫梁構(gòu)件豎向位移最大值為19.6 mm，小于規(guī)范控制值19.1×1 000/500=38.2 mm，構(gòu)件變形滿足規(guī)范要求;縱梁構(gòu)件豎向位移最大值為7.8 mm，鋼拱架構(gòu)件豎向位移最大值為18.1 mm，各構(gòu)件變形滿足規(guī)范要求。

2）鋼棚架結(jié)構(gòu)施加一級設防落石沖擊力，最不利荷載組合下，棚洞橫梁構(gòu)件豎向位移最大值為20.1 mm，縱梁構(gòu)件豎向位移最大值為8.1 mm，鋼拱架構(gòu)件豎向位移最大值為64.3 mm，鋼拱架構(gòu)件變形不滿足規(guī)范要求。

鋼拱架桿件橫向位移最大值為257 mm，而鋼拱架與橋梁上方建筑限界輪廓的最小距離約184 mm，則棚架橫向變形已侵入橋梁的限界范圍。

2.6" 鋼棚架結(jié)構(gòu)擬定方案調(diào)整

擬定方案一，鋼結(jié)構(gòu)棚架原模型不受石頭沖擊力作用下，各構(gòu)件強度、變形均滿足規(guī)范要求;一級設防落石沖擊力作用下鋼拱架構(gòu)件的強度、變形均超出了規(guī)范限值。

擬定方案二，鋼結(jié)構(gòu)棚洞僅拱架構(gòu)件調(diào)整為型鋼HW428×407×20/35，其余構(gòu)件不變，荷載組合包絡狀態(tài)下，棚洞構(gòu)件應力最大值為253.7 MPa，棚洞構(gòu)件豎向位移最大值為37.7 mm，一級設防落石沖擊作用下棚洞各構(gòu)件強度、變形均滿足規(guī)范要求。

擬定方案三，鋼結(jié)構(gòu)棚洞僅拱架構(gòu)件調(diào)整為型鋼HW498×432×45/70，其余構(gòu)件不變，荷載組合包絡狀態(tài)下，棚洞構(gòu)件應力最大值為226.0 MPa，棚洞構(gòu)件豎向位移最大值為32.8 mm，二級設防落石沖擊作用下棚洞各構(gòu)件強度、變形均滿足規(guī)范要求。

3" 結(jié)論

基于復雜地形、地貌的六車道大跨度橋隧相接實例，建立三維數(shù)值等效模型進行有限元數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論。

1）針對性地提出了系統(tǒng)的落石防護措施，主要為清除影響施工、運營安全范圍的危石，陡坡面設置主動防護網(wǎng)、被動防護網(wǎng)，橋隧相接位置設置鋼結(jié)構(gòu)棚洞。

2）鋼結(jié)構(gòu)棚洞擬定方案一，不受石頭沖擊作用的情況下，主體結(jié)構(gòu)各桿件強度、變形均滿足規(guī)范要求，富裕度至少約50%;施加一級設防落石沖擊力的作用下，鋼拱架強度、變形超出了規(guī)范限值，橫向變形侵入橋梁范圍建筑限界。

3）擬定方案二，鋼結(jié)構(gòu)棚洞僅拱架構(gòu)件調(diào)整為型鋼HW428×407×20/35， 一級設防落石沖擊作用下主體結(jié)構(gòu)各桿件滿足規(guī)范限值;擬定方案三，鋼結(jié)構(gòu)棚洞僅拱架構(gòu)件調(diào)整為型鋼HW498×432×45/70，二級設防落石沖擊作用下主體結(jié)構(gòu)各桿件滿足規(guī)范限值，為類似工程設計、施工提供了借鑒性的參考。

參考文獻：

[1] 陳泰江，向欣，章廣成.落石沖擊棚洞結(jié)構(gòu)沖切特性研究[J].工程地質(zhì)學報，2023（1）：199-206.

[2] 張晉斌.某隧道口邊坡防護設計與施工技術(shù)[J].江西建材，2022（7）：206-208.

[3] 張路青，楊志法，許兵.滾石與滾石災害[J].工程地質(zhì)學報，2004（3）：225-231.

[4] 沈顯才.落石運動分析和治理[J].施工技術(shù)，2009（S1）：618-620.

[5] 柏雪松，李俊峰，祁小博，等.落石沖擊棚洞結(jié)構(gòu)的動力響應研究[J].公路交通科技，2020（8）：73-80.

[6] 楊少軍，劉琛，高明昌.橋梁防治危巖落石的設計標準探討[J].鐵道標準設計，2020（S1）：74-79.

[7] 葉四橋，陳洪凱，唐紅梅.落石沖擊力計算方法的比較研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010（2）：59-64.

[8] 何思明，沈均，吳永.滾石沖擊荷載下棚洞結(jié)構(gòu)動力響應[J].巖土力學，2011（3）：781-788.

[9] 王凱林，高策，周勇政.鐵路防治危巖落石橋梁-棚洞一體化結(jié)構(gòu)設計研究[J].鐵道標準設計，2023（7）：106-112.

[10] 孟杰，王玉鎖，王明年，等.落石沖擊下輕型剛性棚洞結(jié)構(gòu)力學響應[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019（S2）：172-178.

[11] 崔俊濤.復雜地段危巖落石處理技術(shù)探討[J].公路與汽運，2020（3）：72-76.

[12] KAWAHARA S，MURO T.Effects of dry density and thickness of sandy soil on impact response due to rockfall[J].Journal of Terramechanics，2005，43（3）：329-340.

[13] 公路橋涵設計通用規(guī)范：JTG D60—2015[S].2015.

[14] 公路橋梁抗風設計規(guī)范： JTG/T 3360-01—2018[S].2018.

[15] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S].2012.

[16] 孫訓方，方孝淑，關(guān)來泰，等.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2019.

第一作者簡介：孫先委（1992-），男，碩士，工程師。研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)設計。