公路隧道陡崖倒削竹洞口設計研究

周祥 宋偉 胡衛軍 陳廣深

作者簡介：周?祥（1987—），高級工程師，主要從事公路工程的勘察設計工作。

文章以工程案例為依托，通過對陡崖倒削竹洞口的落石作用、結構設計、協同措施的分析，闡述了倒削竹洞口設計要點，得出了以下結論：（1）倒削竹洞口主要適用于陡崖下存在基礎問題的地貌，洞口設計應配合主被動防護措施；（2）倒削竹洞口設計應充分考慮懸挑段和壓重段的整體性；（3）落石對對襯砌的沖擊作用非常復雜，需要多種手段進行分析。

陡崖；隧道；倒削竹；碰撞

U453.1A531873

0?引言

隨著公路隧道向復雜山區建設，地形地貌及其他約束條件變得更加復雜。受限于各種條件，巖溶區公路隧道在陡崖上開洞的情況越來越多。隧道陡崖進洞需要解決隧頂落石及隧底基礎問題，通常會依托橋跨、處理的地基支托延長的明洞、緩沖層來解決，但這種方法會造成施工難度增大，工程規模大幅度增加。相比之下，倒削竹隧道洞口在一定的約束條件下，能夠解決隧道頂部的落石及隧底的基礎問題，施工簡單，工程造價低，是一種解決公路隧道懸崖進洞的好方法。目前設計規范［1-2］無相關規定，國內關于倒削竹洞口形式的研究也較少，其設計要點需要進一步深入研究。

1?工程概況

某高速公路分離式隧道洞口連接高架橋，隧道區屬巖溶峰叢谷地地貌，山峰陡峻高大，地形起伏較大。隧道出洞口段山體斜坡自然坡角約為65°～75°，坡體主要由破碎的微風化灰巖組成，表層覆蓋厚度較薄的全新統殘坡積層紅黏土。

針對這種地形特點，結合該隧道洞口的橋隧相接、洞口隧底陡坡、洞頂陡崖問題，設計了倒削竹洞口形式，如圖1所示。倒削竹洞口包括懸挑倒削竹段及壓重暗洞段，兩段襯砌整體澆筑。倒削竹懸挑段為半拱圈，底部懸空，懸空段下部橋隧相接。橋臺采用U臺加樁基、U臺墻背后回填混凝土的方式解決地基問題。為了提高倒削竹洞口的防落石能力，在倒削竹頂部10 m范圍內，配合設置了主洞防護網協調防護。

2?適用條件

倒削竹洞口適用范圍受限于多種因素。（1）落石運動可分為滾動、滑動、拋物落體、碰撞、回彈等，其形態、規模、作用形式非常復雜，具有較強的隨機性，倒削竹洞口較難針對復雜軌跡落石設防；（2）落石的沖擊荷載巨大，因為倒削竹洞口受限于施工難度、經濟性等原因，其懸挑長度和承載力有限，無法承受過大的沖擊荷載；（3）因為

倒削竹洞口懸挑段為弧形結構，山體落石無法堆積在其上部，存在落石從倒削竹上落下造成的二次沖擊問題。

綜合考慮以上限制條件，倒削竹洞口適用條件可總結如下：（1）適用于陡崖且落石碰撞倒削竹襯砌前水平速度小，落石沒有越過倒削竹襯砌防護長度范圍的情況；（2）適用于沖擊荷載較小，落石為小型單塊落石，落石沖擊力不損壞結構的情況；（3）適用于左右洞之間或者隧道與重要構筑物之間有足夠的距離，能避免經二次碰撞的情況；（4）適用于配合主動網、被動網、簾式網等控能、消能設置使用的情況。

3?落石作用

倒削竹襯砌對落石的防護作用主要指其對落石的抗沖擊能力。落石對倒削竹襯砌的沖擊非常復雜，其本質上是一種動力響應，沖擊過程中伴隨著落石、襯砌的彈塑性形變、塊體斷裂等過程，總體上可分為縱向變形、橫向變形回彈及沖擊荷載三個方面。

3.1?縱向作用

如圖2所示，倒削竹襯砌在受到沖擊瞬間，其在縱向將產生下撓變形和縱向水平變形。下撓變形將使得隧道頂部襯砌受到拉伸，下部受到壓縮，縱向水平變形使得下部和上部均拉伸。由于倒削竹懸挑段下部鏤空，其剛度大幅度減弱，造成受到落石沖擊的倒削竹襯砌產生較大的形變及結構內力，同時較大的形變將落石的沖擊動能轉化為形變內能，并在振動過程中逐步消散。由于較大的形變緩沖了落石沖擊作用，增大了沖擊時間，根據沖量定律，將減小落石對倒削竹襯砌的沖擊作用。

3.2?橫向變形回彈

如圖3所示，落石碰撞倒削竹襯砌時，由于倒削竹襯砌為拱形，落石沖擊會產生徑向沖擊、切向沖擊作用，將造成倒削竹襯砌拱圈產生局部的相對下撓變形，對落石產生徑向回彈力和切向回彈力。通常情況下陡崖下落的落石豎向沖擊速度遠大于切向速度，且切向沖擊主要靠摩擦力進行傳遞，導致徑向回彈力遠大于切向回彈力，從而造成落石向遠離倒削竹的方向彈跳。在沖擊過程中由于倒削竹襯砌的撓曲，沖擊能量會部分轉化為形變內能，造成回彈后的速度小于撞擊初始速度。

3.3?沖擊荷載

目前關于倒削竹的沖擊荷載尚無相關規范進行明確規定，考慮到倒削竹洞口主要適用于陡崖地段，其沖擊速度豎向分量遠大于切向分量，因此計算沖擊荷載時可根據沖量定律進行計算，相關公式見式（1）及式（2）。

利用沖量定律計算沖擊荷載時，受限于復雜的邊界條件、多動力響應性能、落石軌跡，較難通過解析的方式獲得沖擊響應時間，因此需要采取其他方法進行計算。由于計算機軟件運算能力有限，可通過數值方法計算其沖擊響應時間。在具體設計時，應根據擬定的倒削竹結構幾何尺寸、力學參數，采用數值方法模擬其力學相應性能，得出沖擊時間和沖擊速度的關系，然后結合勘察、調查結果確定潛在落石的高度、落石的大小，進而根據沖量定律計算潛在沖擊荷載。潛在沖擊荷載應按照作用在最不利位置考慮，荷載性質應按照偶然荷載考慮。當未發現明顯落石風險時，宜按照最不利位置采取≥500 kN的荷載進行構造設防。

4?結構設計

倒削竹結構設計的重點在于其防落石功能設計，保障倒削竹結構具備足夠的抗沖擊承載能力。如圖4所示，在結構設計時可將倒削竹結構分為懸挑段和壓重段兩個部分。懸挑段主要受到沖擊荷載，壓重段受到懸挑段傳來的荷載以及洞口本身的山體荷載。在進行結構設計時需要重視以下幾個方面：

（1）設計時應明確懸挑段二次襯砌與壓重段襯砌整體澆筑。因壓重段過長需要分段澆筑時，分段澆筑應加強縱向連接鋼筋并處理好分段的施工面，保障界面的傳力性能。

（2）懸挑段襯砌配筋時要參照牛腿的做法，保障襯砌拱部上部鋼筋的抗拉性能和下部的抗壓性能，同時要考慮落石的局部沖切作用和局部彎矩作用，對襯砌采取雙層配筋。

（3）考慮到倒削竹洞口施工往往是最后進行，因此在進行復合式襯砌設計時，應加強洞口壓重段的初期支護，確保施工期間的安全性。

（4）倒削竹洞口因為是傾斜的削面，會造成在遠離山體端的懸挑段端部受切削影響產生很薄的襯砌，形成局部薄弱環節，因此設計上應考慮對薄弱處進行切口，保障倒削竹襯砌的結構厚度。

5?協同措施

倒削竹洞口由于其承載能力的限制，其對落石的高度和大小均有嚴格的限制，通過采取一些消能措施，降低隧道洞口落石的沖擊動能，能夠提高倒削竹洞口的防護能力，從而擴展其適用范圍。目前可配合倒削竹洞口的協同措施可分為主動措施和被動措施，主動措施的機理是限制危巖體運動，避免其產生沖擊動能，被動措施的機理通過被動形變消耗落石的沖擊動能，減輕其殘余動能的危害。主動措施主要包括錨桿加固、主洞防護網等，被動措施主要包括被動防護網、被動防護樁方法等。如圖5所示，常見的配合倒削竹洞口的協同設計主要有主動防護網和被動防護網。

6?結語

（1）在陡崖下，存在基礎問題時可采用倒削竹式洞口，可結合主動防護網、被動防護網等進行協同設計。

（2）倒削竹洞口襯砌包括懸挑段及壓重段，設計時應合理配筋，充分考慮壓重段與懸挑段的結合作用，并適當加強壓重段的初期支護。

圖5?典型協同防護措施示意圖

（3）倒削竹洞口的沖擊荷載極為復雜，設計時應根據構造、類比、數值分析等手段充分考慮落石的沖擊作用。

［1］JTG 3370.1-2018，公路隧道設計規范［S］.

［2］JTG/TD70-2010，公路隧道設計細則［S］.