“两隧夹一桥”段落高铁落石脉冲式碰撞防护方案研究

2020-02-26刘宗峰陈应陶杨少军

铁道标准设计 2020年2期

刘宗峰，陈应陶，杨少军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 研究背景

危岩落石灾害是我国三大地质灾害之一[1]，落石是岩土体受节理裂隙的切割，在重力或其他外力作用下，突然脱离母体或离开原位向下崩落的一种动力地质灾害现象[2]，是峡谷地区及陡峭山区的一种常见地质灾害类型，对其危害范围内的构筑物和人类活动构成了严重威胁。

我国高铁广泛分布，建成项目主要位于平原地区，根据“十三五”铁路规划，我国将建设1.6万km以上的高速铁路，而位于中西部山区的高速铁路需修建大量的桥隧工程，且大多桥隧相连、成群分布[3]。高铁速度快，一个很小的石块就可能造成难以估量的危害，高铁的落石防护需要给予足够的认识。

隧道出口处的危岩落石防护，主要采用隧道明洞接长，山坡上铺设主、被动防护网的方式。此防护类型适合山坡较缓地段。

在地势起伏大，山形陡峭的V形沟区域，若仍采用隧道明洞接长的防护方式，将面临接长明洞基础过高，受力不合理，工程量大，不经济，明洞与桥墩基础交错影响铁路桥下行洪及立交，陡峭边坡基础施工难度大等一系列问题，且V形沟区域，一般不具备接长常规明洞条件[4]。以往的防护方案已难以满足使用要求。

截止目前，防护方案虽多，但没有特别适合陡峭山区V形沟的防护方案，陡峭山区V形沟的落石防护成为制约我国高铁发展的瓶颈。我国高铁的发展，需要针对陡峭地形特征，研究新的落石防护方案，突破瓶颈束缚，才能在国际上更好地推广。

以西康高铁为例，西康高铁全长175 km，位于秦岭山区的线路长度约142 km，占总长的83%。受地形影响，北秦岭高、中山区及南秦岭中山峡谷区主要以隧道形式通过，隧道露头处即为桥梁工程。此段落山形陡峭，隧道洞门处山形坡度大，是危岩落石防护的重点段落(图1)。

图1 秦岭山中地形

全线共有桥梁36座，位于两隧道间的桥梁有27座，占桥梁总数的75%。共54个隧道洞门需设置危岩落石防护结构。其中两隧道间桥梁长度在100 m左右的17座，占需要防护的63%，推测防护重点是对“两隧夹一桥”，桥长约100 m的工程模型进行落石防护[5]。

2 落石冲击力特点

落石的运动主要有滑动、滚动、飞落以及碰撞4种形式(图2)，落石在运动过程中不可能是单一的某种运动形式，往往是多种运动形式的组合[6]。实际运动时与边坡形状、边坡覆盖层以及落石自身性质等因素息息相关。对落石运动的分析方法可分为:试验方法(现地试验和模型试验)、理论解析方法[7-8]和数值分析方法[9]。运用数值模拟软件对边坡落石运动进行计算分析，获取落石运动轨迹、速度、能量以及弹跳高度[10]。

图2 滚石轨迹示意

对落石的处理不仅要有总的评价，还要用力学原理估算[11]。防护棚洞结构设计的主要荷载之一就是落石的冲击力。冲击力的计算国内有公路路基提出的计算公式、铁路隧道手册提出的计算公式，国外有经典的弹性碰撞Hertz理论，弹塑性碰撞Thornton (1998)理论。落石冲击防护结构的过程是一种脉冲式的碰撞行为，落石对缓冲层(如填土，柔性网等)的碰撞既有弹性、塑性变形，也伴随着黏性、硬化和摩擦能量的耗散等行为，结构体系的动力特性也反过来影响冲击力的大小，因此利用经典理论来求落石的冲击力是不准确的，公路路基公式及铁路隧道手册提出的计算公式都是落石撞击静态分析方法，具有一定局限性。国外对冲击力的计算常基于现场冲击力实验的半经验半理论算法，如日本道路公团，Labiouse(1996)等的推荐算法[12]较为实用。

对落石轨迹模拟分析、落石最大速度和动能计算等研究[13]，因地制宜，选用合适的防护方案，并配合监控，通过远程视频监视系统的使用，可以有效提高我国山区铁路预防减灾的效果[14]。

3 方案介绍

艰险山区高速铁路设计、建设及运营时间相对较短，技术难度大，仍需要从设计源头开始进行攻坚克难，创新提升技术[15]。防护结构结合地形及工程主体布置，主要作用是阻止落石侵入铁路限界。按防护结构的构造特点，可将防护结构大致分为刚性防护和柔性防护两种形式。以下对高山峡谷区铁路防护标准化设计中“两隧夹一桥”，桥长约100 m的工程模型防护方案进行介绍，经筛选后较有价值的方案如下。

3.1 刚性防护方案

方案1：槽形梁组合桁架方案(图3)

图3 槽形梁组合桁架纵断面及横断面

槽形梁组合桁架方案，利用槽形梁肋板加钢桁梁，将槽形梁钢桁架顶部横撑加密，在顶部横撑上架设钢格栅层承受上部落石冲击。顶部设拱形柔性棚洞。当有落石发生时，利用顶部拱形柔性棚洞的弹塑性变形来减小落石瞬间脉冲力，当顶部柔性钢棚洞被破坏后，顶部横撑的钢格栅层可以对落石进行二次防护。

下部桥墩根据槽形梁底宽相应加宽加大，桥墩横向加宽后，可对中间镂空，以降低自身圬工量，基础根据上部构造相应加宽。

方案2：双层门形墩加纵横梁防护方案(图4)

将铁路桥墩加宽，做成三柱式门形墩，在铁路桥墩顶部设第二层门形墩，铁路梁及通道在上层门形墩内部。上层门形墩顶部沿着铁路方向架设与铁路梁同跨度纵横梁，在纵横梁顶部铺设钢板。

图4 双层门墩加纵横梁纵、横断面

在上层门形墩上竖起支架，纵向设中间高，两侧低的3根索，3根索之间铺设防护网，消除落石的冲击力。纵横梁左、右两侧设防护栏杆，用以保护检修人员安全。梁体按目前通用的(2016)2322A系列梁图施工，下部桥墩随顶部构造加宽，设置三柱式门形墩。

方案3：上承式拱结构防护方案(图5)

铁路桥墩采用三柱式门墩。将铁路桥墩顶部加宽，在铁路桥墩顶帽两侧各设一个与铁路平行的上承式钢管混凝土拱结构。将两个上承式拱结构顶部的纵梁用横撑固结，横撑需要高于铁路限界。在横撑上铺设钢板，上面铺设缓冲层。此防护结构下部与双层门墩下部类似，上部采用横向固结的两个上承式拱结构。

图5 上承式拱结构纵、横断面

方案4：铁路梁加拱顶棚洞(图6)

将铁路桥墩加宽，将铁路梁体纵向长度不变，横向加宽，断面形式由目前通用的单箱单室改造成单箱双室。在铁路梁体上加拱顶棚洞，拱脚与翼缘板位置固结，纵向拉通，将铁路梁体完全覆盖。为减轻棚洞自重，将棚洞两侧直墙段镂空，在拱顶棚洞上铺设缓冲层。棚顶内层铺设一层碳纤维布，防止棚顶破坏后掉块。

图6 铁路梁加拱顶棚洞纵、横断面

3.2 柔性防护方案

方案5：三悬索防护网(图7)

图7 三悬索方案桥墩及隧道洞门处断面

桥梁下部采用目前通用的(2016)2322A系列梁体及配套桥墩体系。在桥梁上部沿桥纵向悬挂中间高，左、右侧低的3根悬索，悬索间用防护网连接。索塔设在桥大小里程侧隧道洞门左右两侧，将隧道洞门加宽作为索塔基础。塔两侧设防护网，防止山上落石直接砸到索塔。3根索之间用横向钢丝绳连接，加上反向拉力，以加强整体刚度，减小风振。为方便网的后期更换，将网做成4.5 m×2 m的边框，内设减压环网，减压环可增强被动柔性防护网的柔性、改善作用部位的性能，同时能显著地提高被动柔性防护网的耗能能力[16]。减压环网与纵、横向钢索固定，当网损坏后，整块更换。

减压环网块铺设于横向钢丝绳上，当有落石时，减压环网与横向索共同承担落石的冲击力，将力传向3根纵向索，再传至锚固端。

方案6：柔性钢棚洞方案

沿铁路梁方向设柔性钢棚洞，纵向拉通。棚洞两侧拱脚与梁体两侧翼缘板连接，在梁体底部与翼缘板之间设斜撑。

柔性整体拱钢棚洞上部结构主骨架为H400×220×8×14焊接H型钢，置于两侧纵梁上，单榀钢架质量约2.75 t。棚洞整体宽18.6 m，总高度12.54 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。外铺φ18 mm钢丝绳@30 cm孔径500 mm的环形网、两层网孔孔径50 mm×60 mm的格栅网。

梁体按目前通用的(2016)2322A系列梁图施工，桥梁下部采用与梁体配套的桥墩体系。

4 方案优缺点分析

方案1：槽形梁组合桁架方案

优点：利用组合梁的构造优势，对原结构改变不大，因防护额外附加的构造少。仅需对顶部横撑进行加密后，铺设钢料，增加顶部柔性棚洞，结构受力较合理，后期养护相对方便。

缺点：槽形梁组合桁架梁本身宽，底部桥墩宽度相应加宽，基础加大，整体下部工程数量增加多。梁体为特制梁体，后期梁体有病害时，无法从梁场调配更换，现场现浇施工工期长。

方案2：双层门式墩加纵横梁防护方案

优点：结构分级明确，利用双层桥的原理。上层防护梁可根据需要进行加大，防冲击能力强。铁路梁体按目前通用的(2016)2322A系列梁图施工，不需特殊设计，后期铁路梁体破坏后，可从梁场调配，更换方便。

缺点：双层桥结构原理，上部仅防落石，门形墩结构加宽后，导致下部铁路桥墩加宽，基础相应加宽，结构本身工程量增加较多，结构较高，地震作用力大。

方案3：上承式拱结构防护方案

优点：上承式拱结构防护方案，采用拱桥结构，受力合理，造型美观，结构轻型。上部结构较轻，高度低。铁路梁体采用目前通用梁体，不需对梁进行改造，因防护额外增加的结构少。

缺点：结构较复杂，施工难度大，纵横向连接多，主要为钢管等钢结构，运营后养护维修较困难。下部桥墩及基础增加工程数量较多。

方案4：铁路梁加拱顶棚洞

优点：拱顶混凝土棚洞方案，为钢筋混凝土结构，与目前广泛使用的隧道明洞接长防护方案类似，上部已经有成熟的施工工艺及养护方案。后期检修不需要对混凝土棚洞做附加处理，相对简单。

缺点：混凝土棚洞方案拱脚与箱梁翼缘端部连接，铁路箱梁截面需要加宽，底部相应加宽，导致桥墩加宽，基础加大，整体下部工程数量增加较多。拱顶混凝土棚洞顶部是刚性结构，不利于抵抗落石的瞬时力。落石砸伤后，更换修补工期时间较长。梁体是特制梁体，后期梁体有病害时，无法从梁场调配更换，现场现浇施工工期长。

方案5：三悬索防护网方案

优点：利用悬索桥的原理，在工程本体上盖上一层横向“人字形”悬索桥防护网，梁体按目前通用的(2016)2322A系列梁图施工，不需特殊设计，不需对梁体及桥墩进行改造，防护与桥梁本体工程完全分开，构造简单，增加的工程量小，柔性网具有防护能量高、造价低和对场地适应性强等优点[17]，索网体系对防落石的瞬时脉冲力有利。后期梁体有病害时，可从梁场调配更换，施工工期短。

缺点：悬索两侧索塔与隧道洞门连接，施工中可能有交叉影响，索网受冲击后变形较大，索网不能将上部完全封闭，碰到细小的砂砾及泥浆发生时，索网防护会失效，在隧道洞门上方需要设置防泥浆等挡护设施。后期网的养护更换较麻烦。

方案6：柔性钢棚洞方案(图8)

图8 高铁柔性棚洞防护

优点：梁体按目前通用的(2016)2322A系列梁图施工，不需对梁体及桥墩进行大规模的改造。

缺点：结构受既有梁体断面控制，防护结构不能做的太大，对大的落石防护能力有限。整体为金属结构，受落石撞击后，变形较大，容易侵入接触网安全限界以内，导致断电，对列车运行造成影响。钢结构，螺栓较多，不利于后期的养护维修。

5 方案造价分析

以上几个防护方案除方案4铁路梁加拱顶棚洞方案增加圬工量较明显，对造价影响较多，其余几个方案造价基本接近，对造价接近的方案进行比较，由于防护而引起的造价增加情况如表1所示。

表1 防护方案造价比选万元/m

表1所列为每延米造价，目前仅是方案研究，数量均为估算，数量表数值精度较低，仅供参考。

方案6柔性钢棚洞方案目前已有部分铁路建成使用，是目前使用较广泛的防护方案。其余4个方案是本次筛选出的可实施性较强的方案，且都是首次提出，较有创新意义。

其中，三悬索防护方案与铁路本体干扰少，做到防护与工程本体完全分离，造价低，并且可根据山形及落石能量情况，调整悬索的型号及索塔基础规模。三悬索防护方案，进一步细化，有明显优势。

实际工程中，根据危岩、落石具体特征，采取爆破清除，锚杆(索)加固，柔性主、被动防护网，柔性引导防护系统(窗帘式防护网)等措施对危岩落石进行加固，配合落石脉冲式碰撞防护措施使用。以上防护措施主要是对漏过主、被动防护网的落石，进行二次防护。以消灭掉“漏网之石”为主要任务，将防护任务分层化，铁路附近的防护结构规模就可轻型化。

将“漏网之石”进行分类，对落石冲击力能量大小精确化，做到有的放矢，为后续的防护工程设计明确目标。

6 缓冲层设置

刚性结构对落石脉冲力集中荷载响应难以达到强度要求，需要在结构层外设缓冲层。缓冲层布设有两个思路，一是延长作用时间，二是将落石对结构的脉冲集中荷载转换为结构的整体分散荷载。目前采用的结构层上填土的方式，受填土高度及土自重的影响，使得下部结构必须做大做强，具有一定的局限性。对缓冲层的设计思路可从不降低缓冲效果的情况下，减轻缓冲层的重量的思路出发[18]。对缓冲层介绍以下3个方案。

方案1：填土加EPS泡沫板(图9)

在结构层上先铺上EPS泡沫层等轻型材料，在泡沫层上铺填土。此构造减轻了自重。泡沫层受上部填土层的保护，延长了使用寿命，减小了自燃的可能性。