隧道洞口柔性棚洞防护结构可靠性分析及应用

严广艺

（陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），陕西西安 710043）

高速铁路和公路进入山区后受地形限制常伴随着大量的隧道及桥梁。由于隧道工程造价较高，许多隧道建设之初洞口未设计长明洞，造成隧道进出口边坡高陡，地质条件恶劣。在雨水、地震、长时间风化等自然营力作用下产生的崩塌落石影响线路的安全运行。因此，必须对隧道洞口落石进行防护。

实际工程中，一般多采用被动防护措施对落石进行防护，其中棚洞结构运用较多［1-3］。由于隧道已经处于运营状态，采用传统混凝土明洞结构接长隧道工期较长，工序复杂，因此采用新型柔性棚洞防护结构对隧道洞口进行防护更具优势［4-5］。

本文以西安—成都高速铁路隧道洞口增设棚洞为例，通过建立有限元数值模型，对柔性棚洞防护结构的可靠性进行分析，以确保棚洞在使用阶段的安全性。

1 柔性棚洞的基本构成

柔性棚洞与传统钢筋混凝土棚洞在结构上有很大差异。柔性棚洞主要由支撑结构和缓冲结构组成［6-7］，如图1所示。

支撑结构主要由钢拱架和刚性支撑组成。缓冲结构主要包括消能器、支撑绳和柔性环形网。柔性棚洞主要利用自身强大的变形能力，不断吸收落石的动能，达到防护落石的目的。当落石冲击柔性棚洞时，首先与柔性环形网接触，柔性环形网被拉紧以吸收落石的冲击动能。与此同时，柔性环形网将荷载传至支撑绳和消能器，并通过钢拱架传导至下部基础。整个过程落石的能量大部分通过柔性金属网的弹塑性变形吸收［8］。柔性缓冲结构工作过程如图2所示。柔性棚洞凭借其自重低、可预制、施工速度快等特点，比传统刚性棚洞更经济、安全、环保。

图1 柔性棚洞组成

图2 柔性缓冲结构工作过程

2 柔性棚洞设计原则

①棚洞防护结构的功能为防止坡面细小落石侵入线路限界；②棚洞下部支撑结构采用钢筋混凝土桩、柱和纵梁，结构使用年限按100年设计。棚洞主体构件使用年限按30年设计，部分零部件须进行及时养护维修更换；③棚洞承受的主要荷载为结构自重，附加荷载包括落石冲击力、温度应力、雪荷载、风荷载和气动荷载；④根据西安铁路局管内落石病害整治统计结果，确定抗落石冲击能量为100 kJ；⑤防护结构设计应结合施工条件等因素综合确定，并科学客观地确定耐久性指标，满足经济性要求。

3 柔性棚洞防护结构数值分析

通过现场详细勘察，确定柔性棚洞防护结构尺寸（宽×高）为18.6 m×12.54 m。棚洞与隧道正洞内轮廓最小距离2.32 m，每榀钢架间距3 m，钢架间布置横向支撑钢管，每隔3 m 增设斜支撑钢管。主要构件规格见表1，横断面如图3所示。

表1 柔性棚洞主要构件规格

图3 柔性棚洞结构横断面（单位：cm）

3.1 模型建立

利用有限元软件LS-DYNA 对结构进行数值模拟，横、纵向支撑绳采用Link167 单元模拟，柔性金属网采用Beam161 单元模拟。为考虑上述构件的失效效应，选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型，同时采用Cowper-Symonds 模型计入应变效应的影响［9-10］。落石采用刚性模型模拟，不考虑其变形。由于整个冲击过程处于松弛状态，仿真模型中不考虑环形网外侧覆盖的格栅网［11-12］。计算模型见图4，材料力学参数见表2。

3.2 边界条件与接触关系

钢拱架柱脚处固定连接，支撑绳铰接连接。落石作用在棚洞中部跨中。纵向支撑绳穿过环形网，可沿着中跨钢拱架滑移，且固定于边跨钢拱架。落石与环形网、环形网与环形网、环形网与卸扣均为接触关系，卸扣与纵、横向支撑绳为引导滑移关系。

图4 计算模型

表2 材料力学参数

3.3 计算结果与分析

3.3.1 落石与环形网能量分析

落石与环形网能量时程曲线见图5。

图5 落石与环形网能量时程曲线

由图5可知，落石撞击环形网后动能迅速减少。0.15 s 时环形网内能达到峰值90.05 kJ，此时落石速度降为0，随后环形网内能在短时间内保持稳定，变化不大。环形网吸收的总能量约占落石总能量的80%，可知环形网为柔性棚洞最主要的吸能构件，实际工程中应特别重视金属网的质量及防护工作。

落石与环形网接触部位冲击力时程曲线见图6。可知：落石最大冲击力为220.63 kN，对应时刻为落石与环形网首次碰撞。柔性金属网承载力约292.63 kN，故环形网处于正常工作状态。

图6 落石与环形网接触部位冲击力时程曲线

3.3.2 环形网变形分析

由于柔性棚洞主要依靠环形网的变形来吸收能量，一般情况下环形网受到荷载作用时变形越大其吸收的能量越多。设计柔性棚洞时除了要满足防护能级要求外，还需考虑变形的影响。

冲击部位落石竖向位移时程曲线见图7。可知：冲击部位落石最大竖向位移为1.208 m，小于棚洞至正洞内轮廓最小距离2.32 m（参见图3），即落石没有侵入铁路限界。

图7 落石竖向位移时程曲线

3.3.3 应力分析

1）纵向支撑绳内力

该柔性棚洞总共布置了69 根直径18 mm 的纵向支撑绳，中间的16 根支撑绳位置及编号见图8。其峰值轴力见表3。

图8 中间16根支撑绳位置及编号

表3 纵向支撑绳轴力

由表3可知：在落石冲击作用下，7#，8#，9#，10#支撑绳轴力远远大于其他支撑绳，各纵向支撑绳中最大轴力为91.7 kN。GB 8918—2006《重要用途钢丝绳》中规定：直径18 mm、抗拉强度为1 770 MPa 的钢芯钢丝绳最小破断拉力为204 kN，故各纵向支撑绳在整个过程中均处于正常工作状态。

2）钢管支撑应力

落石冲击作用下柱间钢管支撑应力云图见图9。可知：柱间钢管支撑最大应力为211.3 MPa，钢管的屈服应力为235 MPa，故钢管未屈服。

图9 落石冲击下柱间钢管支撑应力云图

3）钢拱架应力

落石冲击作用下钢拱架应力云图见图10。可知：落石冲击作用下钢拱架最大应力为153.8 MPa，小于Q345B 钢材的屈服强度345 MPa，钢拱架处于线弹性工作状态。

图10 钢拱架应力云图

4 工程应用

该柔性棚洞防护结构已应用于西安—成都高速铁路。该高速铁路纸坊1 号隧道进口柔性棚洞实景见图11。安装3年来柔性棚洞防护结构工作状态良好，未发生落石破坏环形网侵入铁路限界的情况。表明柔性棚洞设计合理，结构安全可靠，可推广应用于其他类似工程。

图11 柔性棚洞实景

5 结论

通过工程实例建立柔性棚洞数值模型，模拟了落石冲击过程，从能量、变形、应力3 方面分析了柔性棚洞的可靠性。结果表明，柔性棚洞能够对初始动能为100 kJ的落石进行有效拦截，没有出现支撑绳破断、落石侵入铁路限界等现象，可以正常工作。由此可见，柔性棚洞设计安全可靠。

相比传统的钢筋混凝土棚洞，柔性棚洞本着“安全适用、节约环保”的设计理念，“以柔克刚”吸收落石的冲击能量。柔性棚洞不需要大面积基础开挖，对环境影响小。柔性棚洞为非封闭式结构，有利于隧道洞口的采光并可大大减少列车气动压力的影响。各构件均可工厂预制，现场安装时间短，造价低，应急能力强，维修方便。其在场地条件差的隧道洞口以及既有工程改造项目中有较大优势。