V型冲沟落石防护结构设计

刘建红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

0 引言

随着我国高速铁路的快速发展，铁路向西部、山区纵向延伸，隧道在线路中所占的比例逐渐增大，并且不可避免地遇到地形艰险、山高谷深、地质条件复杂等情况。目前，为了减小危岩落石对运营安全的影响，一般除了对边坡采用防护措施外，便是在隧道洞口接长拱形明洞［1－2］或设置棚洞结构［3－5］。但是一些洞口位于“V”型高山峡谷中的隧道，桥隧相连，坡面陡峭，岩石风化剥落，经常发生落石，且由于泥石流或泄洪需要而不能侵占原桥下净空，所以无法用一般基础的明洞结构解决落石防护问题。这就迫切需要一种新型的、适用于“V”型高陡峡谷的落石防护结构。

本文以宝兰客运专线南马棕山隧道和千家沟隧道之间落石防护设计为工程背景，对“V”型沟谷间小间距隧道的落石防护结构进行详细的设计研究，提出一种独立于桥设计的墩、桩基+纵梁结构上托拱形明洞的设计方案。该方案采用独立的墩、桩基础，上托2根沿线路方向的纵梁，用以支撑上部的拱形明洞结构。这种设计不仅彻底解决了危岩落石对铁路安全运营的威胁，而且又不影响沟谷内的桥下净空，并且通过在拱形明洞上开孔，能有效缓解空气动力学效应，改善乘车的舒适度。

1 工程概况

宝兰客专位于甘肃、陕西省境内，线路在南马棕山与千家沟“V”型沟谷处以大水沟中桥跨越，桥两端分别与南马棕山隧道和千家沟隧道相连，隧道间距为65 m。

大水沟常年流水，雨季常有山洪爆发。“V”型沟谷宽65 m，大水沟中桥为2～40 m预应力混凝土T构，T构采用挂篮悬臂灌注施工，两端桥台均进入隧道。

南马棕山隧道位于宝鸡市南马棕山村，隧道地形起伏较大，山势陡峻，河流曲折，全长1 320.4 m，洞身最大埋深约332 m。该隧道出口里程为DK681+308，其中DK681+265～+317段洞口上方存在危岩落石。

千家沟隧道地处渭河南岸峡谷，坡岸陡峻，地形起伏较大，全长443 m，最大埋深约192 m。该隧道进口里程为DK681+373，其中DK681+362～+424段存在落石，对线路影响较大的落石面积约1 300 m2，落石方量约200 m3。

2 洞口坡面防护

两隧道洞口坡面陡峭，基岩裸露，表层花岗岩节理裂隙发育，风化较严重，且均存在危岩落石。为确保洞口开挖时自然边坡的稳定，避免隧道上方花岗岩因风化而与母体剥离，造成落石，影响铁路的安全运营，应对洞口坡面采取有效的防护措施。

先清除坡面较大的危岩落石，然后再加固洞口一定范围内的边、仰坡。南马棕山隧道出口拱顶以上及左右两侧各15 m范围内采用锚索框架梁［6］结构防护，锚索长20 m，锚固段长5 m。锚索框架梁按矩形分布，采用C30钢筋混凝土，梁柱节点间距3 m。框架梁内铺空心砖+草灌防护。千家沟隧道进口拱顶以上15 m，洞口基础以下15 m及左右两侧各30 m、隧道洞口及桥台结构范围以外部分采用锚杆框架梁进行加固。锚杆采用2根φ 28 mm钢筋并联焊接，长度均为8 m，间距3 m×3 m;框架梁内铺空心砖+草灌防护，山体较陡处，在框架间采用挂网喷射混凝土防护。2隧道洞口范围以外的落石采用主、被动防护网进行防护。洞口的坡面防护范围如图1所示。

3 拱形明洞防护结构设计

“V”型沟谷地段多为桥隧相连结构，隧道间距小，地形复杂、坡面陡峻，多有落石分布，采用支挡、防护网等措施能有效地减少落石，但是无法从根本上消除落石对铁路桥梁及运营安全的潜在威胁。危岩落石发生后，其规模及运动轨迹存在不确定性，落石的防护难度较大。为了确保运营期间的安全，缓解空气动力学效应，改善乘车的舒适度［7］，其落石防护结构的合理选择及结构安全性的分析，尤为重要。

图1 两隧道洞口坡面防护范围Fig.1 Protection range of side slopes between South Mazongshan tunnel and Qianjiagou tunnel

3.1 落石防护结构型式选择

落石防护结构的型式一般有钢筋混凝土结构和柔性钢结构。钢筋混凝土结构自身重力大，其结构与桥结构多采用分离式结构形式，单独设置基础，投资较大，但耐久性好，后期维护成本低。柔性钢结构轻巧，制作安装方便，并可结合桥结构进行统筹布置设计，造价较低，但需定期进行防锈保养以提高其耐久性，后期维护成本高。

综合技术经济比较，同时考虑材料的耐久性、后期运营维修、成本及施工难度等，并结合该工程特点，拟采用墩+梁结构上托拱形钢筋混凝土明洞的落石防护结构。

3.2 防护结构设计

防护结构采用三跨梁式结构，中间跨度为21 m，2个边跨为22 m。中间设4个直径1.5 m的圆柱式墩，墩高均为19.5 m，墩底采用1.8 m的钻孔灌注桩，桩长分别为17.5 m和19 m，深入弱风化层4 m。两端分别设置矩形墩，墩与纵梁同宽，尺寸为2 m×3 m，高度分别为4.4 m和8 m。为保证中间墩柱的整体稳定性及结构受力的合理传递，设置4道中间连接系梁，系梁尺寸为0.9 m×0.6 m，系梁竖向间距为4 m，2个边墩底部设置基础连接系梁，厚度为1.5 m。

墩顶设置纵梁，纵梁上托拱形明洞，两端的矩形墩与纵梁支座连接，中间的柱式墩与纵梁固结，底梁尺寸为2 m×2 m，拱形明洞结构采用C40钢筋混凝土结构，内轮廓与隧道相同，衬砌厚度为35 cm，外侧挂废旧轮胎防落石冲击。上部明洞结构与沿隧道纵向设置的2根纵梁进行分离设计。其防护结构的纵断面及横断面如图2—4所示。

图2 防护结构纵断面布置图(单位:cm)Fig.2 Longitudinal profile of protection structure(cm)

图3 DK681+308横断面(单位:cm)Fig.3 Cross-section at DK681+308(cm)

4 防护结构分析

在结构受力分析中，若将上部明洞结构与2根纵梁组成的异型截面作为一个整体考虑，在结构自身重力的作用下，整体结构的弯矩均为正弯矩，中间墩子处上部结构正弯矩很大，其受力变形接近于中间无支撑的简支梁;在此情况下，再加上上部结构是异型截面，则无法进行截面配筋。因此，上部明洞结构与梁在构造上应该分隔开，支撑于梁上，梁承担自身与上部结构的重力。这样，结构功能明确，受力清晰，并且便于上部结构的配筋。

上部明洞结构主要承受自身重力、落石的冲击能力、风荷载和雪荷载。对落石的运动轨迹进行数值模拟研究，并采用Midas－GTS软件对拱形明洞结构进行分析。

图4 DK681+328横断面(单位:cm)Fig.4 Cross-section at DK681+328(cm)

4.1 落石模拟计算

假定有一体积为0.5 m3、约1 t落石从危岩区脱离，并向下滚落，落石水平初速取0.1 m/s，随机抛掷50次;考虑到隧道洞口上方一定范围内，风化岩层或土层要进行清理，并对坡面采用骨架护坡或喷锚加固等处理措施，在本次模拟计算中，假定落石下落所经坡面为较光滑的硬岩，明洞顶面为混凝土;假定落石完全在洞口明洞长度范围内运动，并以此确定明洞的计算长度。

经计算分析，隧道洞口落石的运动轨迹分别如图5和图6所示。

南马棕山隧道兰州端洞口落石开始沿坡面滑动，在冲击到明洞顶部时弹跳较大，落石最远停留在距明暗分界水平距离约14 m的明洞上，落石在下落过程中最大冲击动能为283 kJ，冲击位置在在明洞顶部;千家沟隧道宝鸡端洞口落石开始沿坡面滑动，在冲击到明洞顶部时弹跳不大，落石最远停留在距明暗分界水平距离约3 m的明洞上，落石在下落过程中最大冲击动能为106 kJ，冲击位置在山坡上，冲击在明洞上的最大动能为14 kJ。

根据落石运动轨迹的模拟分析，需要在南马棕山隧道和千家沟隧道洞口分别设置不少于14 m和3 m的明洞。考虑到乘车的舒适度，2隧道之间设置贯通的明洞结构。落石冲击在明洞顶上的最大动能为283 kJ，为了保证明洞结构的安全性，首先在明洞顶设置废弃轮胎缓冲结构层，以吸收、消耗落石冲击能量，保证落石传递到结构上的能量很小，并通过结构分析，结构满足安全性要求。

4.2 拱形明洞结构分析

采用Midas－GTS应用荷载－结构模式对明洞结构进行模拟分析，计算结果如表1所示。

表1 拱形明洞结构计算结果Table 1 Calculation results of arched open-cut tunnel structure

计算表明:明洞结构的不利位置在拱顶和拱腰，按照铁路隧道规范［8］对结构进行检算，混凝土结构的安全系数较低，不满足混凝土达到抗拉极限强度时的安全系数3.6，需通过配筋提高结构强度，配5 φ 22 mm钢筋，安全系数均大于2.4。

4.3 纵向整体分析

将整体结构离散为44个单元，划分为8个施工阶段(含运营阶段)，采用西南交通大学编制的《桥梁结构分析系统》(BSAS)程序，对纵梁及墩结构进行施工阶段和运营阶段的整体结构分析，并按照铁路桥梁规范［9］对结构进行检算。结构在主力及主力+附加荷载作用下的结构弯矩图分别如图7和图8所示。

图7 结构主力弯矩包络图(单位:kN·m)Fig.7 Envelope of bending moment of structure under main force(kN·m)

图8 结构主+附弯矩包络图(单位:kN·m)Fig.8 Envelope of bending moment of structure under main force+additional force(kN·m)

根据纵梁受力进行配筋，最大弯矩处受拉侧需要配60根φ 28 mm的普通钢筋，按照3根/束布置一排，钢筋之间的净距较小，布置困难，并且钢筋用量大。因此，梁纵向考虑配置预应力钢束。

采用等长的8根预应力钢绞线，在纵向按照结构弯矩形状布置。钢绞线的布置形式如图9所示，配置预应力钢束后在主力及主力+附加荷载作用下的结构弯矩图分别如图10和图11所示。

配预应力束后计算表明，施工过程中，梁最大压应力 4.8 MPa，最大拉应力 1.0 MPa，满足规范要求。运营过程中，梁最大压应力5.7 MPa，满足规范要求;最小压应力0.2 MPa，未出现拉应力，梁结构设置预应力钢束后，其截面只用按照构造配置普通钢筋。结构最大主压应力 5.3 MPa，最大主拉应力 0.5 MPa，截面最小抗裂安全系数1.5，正截面强度最小安全系数2.4，各参数均满足规范要求。

从计算结果可以看出，配预应力钢束，纵梁全截面受压，结构不会出现裂缝，耐久性好，并且配筋量少，造价比配普通钢筋低得多。综合考虑，纵梁拟采用预应力钢束。

4.4 地震力分析

采用有限元软件Midas/Civil 2010对结构进行抗震分析，将纵梁、墩子及桩进行离散，建立结构力学模型。模型尽可能地反映实际情况，梁、墩基础都采用空间梁单元，梁与中间柱墩采用刚性连接进行模拟，支座采用弹性连接单元来模拟，桩－土间相互作用采用三弹簧法来模拟，桩－土弹簧刚度根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》［10］，按“m 法”来进行计算。计算中，不考虑明洞结构的刚度作用，将其作为均布荷载施加于梁上，并将荷载转化为等效质量。

采用反应谱法进行结构的地震力分析，反应谱法概念简单，计算方便，同时考虑了地面运动和结构的动力特性，从地震动出发求解出结构的最大地震反应［11］。结构部分位置的地震力计算结果如表2所示。

表2 结构关键部位地震力Table 2 Seismic force for key part of structure

将地震力与主力进行组合，对墩子与桩基的配筋及桩基础的承载力进行检算，均满足要求。

5 结论与讨论

目前高速客运专线发展迅速，桥隧比例高，地质复杂，小间距相邻隧道工程较多，落石防护设计尤为重要。

1)通过对南马棕山隧道与千家沟隧道之间的“V”型沟谷地段落石发育程度及规模的调查分析，并结合数值理论分析方法对落石的运动轨迹及冲击能量进行模拟分析，落石最大弹跳水平距离约14 m，冲击在明洞上的最大动能为283 kJ。

2)落石防护结构采用与桥梁结构分离的墩柱+梁上托拱形明洞的结构形式，力的传递明确，结构受力合理、耐久性高、后期养护维修少。

3)由于“V”型沟谷内设计墩+梁上托钢筋混凝土拱形明洞防护结构，在铁路隧道设计中属首次应用，目前工程还处于施工图设计阶段，尚未实施，其实用性有待进一步验证。

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