新型棚洞在既有线桥隧相连隧道仰坡病害整治中的应用与发展
2020-03-22王飞
王飞
（西安公路研究院 陕西西安 710065）
0 引言
铁路是国家重要的基础设施，在国计民生中发挥了重要的作用。铁路既有线在穿越地形复杂，地质结构多变，河流环绕，峡谷陡峭的山区时势必会存在桥隧相连且隧道口仰坡高陡的情况。受限于当时的修建条件，隧道口高陡的坡面未能得到有效的防护，随着铁路使用时间的不断增长，坡面逐渐风化，极易造成崩塌落石，危及行车安全。如何确保铁路线运输安全就成了工程师们争相关注的焦点[1-2]。本文将依托工程实践分析新型棚洞在既有线桥隧相连隧道仰坡病害整治中的应用与发展。
1 工程概况
朔黄铁路是我国目前投资与建设规模最大的并一次性建成双线电气化的一条合资铁路，在全国路网中占有重要地位。特别是对加快沿线地方经济发展、保证华东、东南沿海地区能源供应、扩大我国煤炭出口能力具有极其重要的战略意义。但朔黄铁路因当时修建条件限制，大部分桥隧相连隧道仰坡高陡，且未能得到有效的防护，存在崩塌落石危及行车安全的可能。
依托工程将对朔黄铁路上行K150+099寺铺尖隧道入口山体崩塌落石病害进行整治。铺尖隧道进口仰坡山体高约150m，坡体后缘陡直，具有产生崩塌、落石的危险。寺铺尖隧道仰坡如图1所示。
2 地质灾害特征
区内山体陡峭，K150+099处为寺铺尖隧道进口，进口仰坡山体基岩裸露，下部自然坡度40°～60°，上部为陡崖呈直立状，岩体表层极破碎，部分地段可见受差异风化作用形成岩腔悬空，局部危岩体已脱离母岩，在降雨及地震等因素的诱发下极易发生崩塌落石灾害，对行车安全造成严重威胁。
图1 寺铺尖隧道仰坡
3 既有防护措施
目前寺铺尖隧道进口暂无任何防护措施。
4 整治方案
针对寺铺尖隧道入口处病害情况，从安全性及经济性角度综合考虑拟定在寺铺尖隧道入口K150+099向小里程施做20m棚洞。
方案一为接长普通混凝土棚洞，方案二为接长柔性钢棚洞。以下是对普通混凝土棚洞和柔性钢棚洞方案技术标准的介绍：
4.1 普通混凝土棚洞技术标准
（1）防落石原理：通过砂砾石或土体垫层材料吸收落石能量。
（2）施工方法：上部结构采用混凝土现浇施工；下部基础采用高桩承台基础。
（3）结构耐久性：普通混凝土棚洞结构设计使用年限级别为一级，结构设计使用年限按100年设计。
4.2 柔性钢棚洞技术标准
（1）防落石原理：柔性钢棚洞由金属网和钢架组成，钢架固定在地基上，金属网位于钢架的外侧与地基相连，在落实冲击作用下，产生较大的变形，吸收大量的冲击能量。
（2）施工方法：上部结构采用预制件拼装施工；下部基础采用双柱墩+地系梁形式，双桩双柱。
（3）结构耐久性：柔性钢棚洞的各个部件经过防腐处理后，最高防腐年限可达50年。
柔性钢棚洞效果图如图2所示。
图2 柔性钢棚洞效果
5 方案比选
5.1 结构受力性能
柔性钢棚洞主要依靠钢绞线的变形来吸收能量且钢结构的内部组织比较均匀，具有较好的韧性和塑性，一般不会因为偶然或局部超载而突然断裂破坏，对动态荷载的适应性较强，为结构的安全提供了充分的保证。普通混凝土棚洞要通过砂砾石或土体垫层材料吸收能量，效果不太理想。
5.2 施工因素
柔性钢棚洞施工过程中可现场加工，构件现场拼装、施工方便、施工周期短，施工期间基本不影响列车的正常运行。普通混凝土棚洞需现浇施工，施工困难，受天窗点影响施工工期长，施工期间列车需限速行驶。对于桥隧相连的情况普通混凝土棚洞施工会更加困难。
5.3 建设投资
柔性钢棚洞上部结构采用钢、网结构，螺栓连接，结构轻巧，可有效减小下部结构的体量，减少建设成本。普通混凝土棚洞上部结构自重过大导致下部结构体量巨大，增加了不少建设成本。
5.4 维修成本
已建成的柔性钢结构也易于拆卸、加固、改造或回收利用，大大降低了运营期间的维修成本。普通混凝土棚洞不易维修。
5.5 采光通风
柔性钢棚洞为非封闭式结构，增加了棚洞的采光度，减少运营时采光以及通风的成本。普通混凝土棚洞为封闭结构无上述优点。
5.6 耐久性
柔性钢棚洞最高防腐年限可达50年，耐久性较差。普通混凝土棚洞为100年，耐久性更佳。
为了更加清晰的对比两种明、棚洞的优缺点，将两种明、棚洞的优缺点列于表1。
表1 方案优缺点比选
6 推荐方案
经过对两种方案的受力性能、施工难度及工期、建设投资、维修成本、采光通风、使用寿命及美观程度对比研究看出，方案二有更多优点，故对本工点的病害治理推荐方案二。
7 结论
（1）对比普通混凝土棚洞柔性钢棚洞具有受力性能更好、施工难度低、工期短、建设投资少、维修成本小、采光通风好且更美观的优点。
（2）柔性钢棚洞也存在钢结构耐久性较差的问题。但其拆卸维修比较容易，问题可以得到很好的解决。
（3）对于桥隧相连的隧道洞口，综合考虑施工难度和自身体量问题，推荐在以后的病害整治过程中首选新建柔性钢棚洞。
