3种隧道洞口落石防护方案对比分析

严广艺 付兵先

（1.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），西安 710043；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

我国西部高山峡谷区地势陡峻，高速铁路和公路穿越该地区常须修建大量隧道，崩塌落石是这些隧道洞口经常面临的地质灾害之一。落石灾害突然发生，极易造成重大人身及财产损失，严重威胁工程的运营安全［1-2］。随着工程技术人员对洞口工程安全的日益重视，新建工程常采用隧道洞口接长钢筋混凝土棚洞的方式对落石进行防护。对于已经运营的工程，洞口场地多狭小，钢筋混凝土结构由于施工工期长、工序较复杂，很难满足这类工程现场要求。因此，施工较为便捷的轻型棚洞成为了一种新的选择。本文以西安—成都高速铁路隧道洞口落石防护工程为例，对比分析钢桁架棚洞、柔性棚洞、波纹钢板棚洞3种落石防护结构的可靠性，以期为类似工程建设提供参考。

1 落石防护结构设计原则

1）棚洞结构的功能为防止隧道洞口崩塌落石侵入铁路限界。

2）棚洞上部主体结构使用年限按30年设计，下部支撑结构使用年限按100年设计［3］。

3）结构计算时，落石冲击力按附加荷载考虑，同时须考虑结构自重、温度应力、风荷载、雪荷载以及气动荷载［4］。

4）落石冲击能量按100 kJ设计。

5）棚洞结构应结合现场施工场地、施工设备等条件综合确定，并满足工程的安全性、耐久性及经济性要求。

2 3种落石防护结构对比分析

2.1 钢桁架棚洞

钢桁架棚洞由上部抵御落石冲击的钢盖板与钢桁架以及下部基础组成，主要利用钢盖板的强度抵御落石冲击。钢桁架棚洞横断面如图1所示。

图1 钢桁架棚洞横断面（单位：cm）

钢桁架结构为带竖杆的三角桁架结构［5］，设置在纵梁上。钢桁架节间长度9 m，桁高13 m，左右钢桁架中心距15 m。桁架上节点采用横撑连接，顶部设置H型钢盖板，间距1 m。钢盖板上铺设整体钢板，并浇筑轻型泡沫混凝土，形成整体结构。钢桁架两侧挂设防护网，以防细小颗粒侵入线路。

利用MIDAS有限元软件建立钢桁架棚洞模型（图2），对整体稳定性、结构强度和变形进行分析。

图2 钢桁架棚洞数值模型

1）整体稳定性

结构稳定性计算结果见表1。可知，钢桁架棚洞结构的稳定安全系数最小值为17.2，大于规范限值4，满足要求。

表1 结构稳定性计算结果

2）结构强度

恒载（150 kN）+落石冲击动能（100 kJ）作用下钢盖板最大主应力53 MPa、钢盖板下工字钢最大主应力99 MPa、上弦杆最大主应力160 MPa，腹杆压应力73 MPa，均满足规范要求。其中腹杆主要受压，可根据下式验算其稳定性。

式中：σ为计算所得腹杆压应力；ϕ为轴心受压稳定系数，取0.55；［σ］为Q235钢材的容许屈服强度，取200 MPa。

由式（1）可得，73＜0.55×200=110 MPa，满足要求。

3）钢盖板变形

恒载（150 kN）+落石冲击动能（100 kJ）作用下钢盖板最大变形37 mm，出现在落石冲击处，小于钢结构设计规范限值L/400=15 000 mm/400＝37.5 mm的要求（L为盖板的长度）。

由以上分析可以看出，在落石冲击作用下钢桁架棚洞结构各项指标均满足规范要求，但局部会发生变形损伤。

2.2 柔性棚洞结构

柔性棚洞一般由型钢钢架、支撑绳、柔性环形网等构成。其主要通过柔性环形网的变形来吸收落石的动能，从而避免落石破坏防护结构，防止落石侵入铁路限界［6-9］。

柔性棚洞结构宽18.6 m，高12.54 m，钢拱架纵向间距3 m。棚洞横断面如图3所示。主要构件规格见表2。

图3 柔性棚洞横断面（单位：cm）

表2 柔性棚洞主要构件规格

利用LS⁃DYNA有限元软件建立柔性棚洞模型（图4），对其能量变化、结构内力、环形网变形进行分析。

图4 柔性棚洞数值模型

1）能量变化

落石与环形网能量时程曲线见图5。可以看出，落石撞击环形网后落石动能迅速下降，环形网内能快速增加。在0.15 s时落石动能降为0，环形网内能达到最大值90.05 kJ。随后，由于落石的弹跳导致其动能有小幅波动，环形网内能在短时间内保持稳定。整个过程环形网吸收的能量约80 kJ，约占落石初始动能的80%。

图5 落石与环形网能量时程曲线

2）支撑绳内力

柔性棚洞共布置了69根ϕ18支撑绳，落石冲击部位附近16根支撑绳（图6）的最大轴力见表3。

图6 中间16根支撑绳编号

表3 支撑绳最大轴力 kN

由表3可知，在落石冲击作用下7#—10#支撑绳发挥主要作用，最大轴力远大于其他支撑绳，其中8#支撑绳所受轴力最大，其值为91.7 kN。根据GB/T 8918—2006《重要用途钢丝绳》，抗拉强度1 770 MPa的ϕ18钢丝绳最小破断拉力为204 kN。由此可知，在落石冲击作用下各支撑绳受力均在正常范围内。

3）钢拱架应力

落石动能为0时钢拱架应力见图7。可知，此时钢拱架最大应力为153.8 MPa。根据GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》，Q355B钢材的屈服强度为355 MPa。钢拱架受力未超过材料强度允许值，处于正常状态。

4）环形网内力

落石与环形网接触部位所受冲击力时程曲线见图8。可知，落石与环形网接触部位所受到的最大落石冲击力为220.63 kN。柔性环形网承载力约为292.63 kN。由此可知，此时环形网受力正常。

图7 钢拱架应力

图8 落石与环形网接触部位所受冲击力时程曲线

5）环形网变形

柔性棚洞设计时，在满足落石防护能级要求保证结构安全的基础上，还须考虑柔性环形网的变形大小，保证柔性棚洞在落石冲击作用下受冲击部位环形网位移在铁路限界之外［10-12］。

落石动能为0时受冲击部位环形网的竖向位移见图9。可知，受冲击部位环形网最大竖向位移为1.203 m，小于环形网与正洞内轮廓的间距2.32 m（参见图3），即落石没有侵入铁路限界。

图9 受冲击部位环形网竖向位移

由以上分析可知，初始能级100 kJ的落石冲击柔性棚洞后，没有发生支撑绳和环形网破断，钢拱架受力正常，落石没有侵入铁路限界，柔性棚洞能正常工作，成功拦截落石。

2.3 波纹钢板棚洞

波纹钢板棚洞主要由上部弧形波纹钢板防护结构和下部基础组成［13］。其横断面如图10所示，上部结构采用3 000 mm×1 100 mm×8 mm的波纹钢板，波纹钢板各块之间采用螺栓连接；下部结构采用纵梁及桩柱基础。

图10 波纹钢板棚洞横断面（单位：cm）

利用LS⁃DYNA有限元软件，建立预制装配式波纹钢板棚洞结构计算模型，分析落石冲击作用下其受力及变形特征。

在100 kJ冲击能量作用下，波纹钢板棚洞拱顶Mises应力为356 MPa。

波纹钢板棚洞拱顶和起拱点位移时程曲线见图11。可知，波纹钢板棚洞拱顶最大竖向位移0.18 m，起拱线最大水平位移0.57 m。

图11 波纹钢板棚洞拱顶和起拱线位移时程曲线

由以上分析可见，波纹钢板棚洞结构变形小，各部件受力性能好，技术可行。

3 结论

1）在100 kJ的落石冲击作用下，钢桁架棚洞、柔性棚洞以及波纹钢板棚洞均能对落石进行有效拦截，保证线路运行安全。

2）钢桁架棚洞整体为刚性结构，不利于落石的缓冲及能量的吸收，局部变形损伤。同时存在节点多，节点破坏修复难度大等缺点。钢桁架棚洞属于封闭结构，列车进出隧道洞口的瞬间空气压力和吸力较大，在空气动力作用下封闭盖板自身和连接部位高强螺栓的耐久性和抗疲劳性能有待进一步验证。柔性棚洞以柔克刚，能充分吸收落石的冲击能量。其各构件均可工厂化加工预制，工程造价低，施工场地占用小，安装速度快，维修方便。波纹钢板棚洞作为一种新型结构，其具有强度高、自重轻、造价低、运营维护方便等特点。

3）综合3种棚洞自身结构特点，钢桁架棚洞主要针对桥台进洞或者桥隧相连处的落石防护，适用于洞口坡面陡峭，桥面与地面高差不大，围岩条件较好地段。柔性棚洞现场安装时间短、造价低、维修方便，适用于洞口场地施工条件差的隧道，以及既有工程改造项目。波纹钢板棚洞施工速度快、强度高，更适用于洞口抢修工程。