成兰铁路桥隧共同防护结构试验研究及工程应用

吴 华， 卿伟宸， 胡迪川， 张 磊， 李济良

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

1 概述

成兰铁路隧道洞口地形陡峭，受地震影响效应严重，坡面岩体节理和裂隙十分发育，危岩落石灾害频发；隧道洞口自然坡面坡度大多介于35～75 °，坡高几百米甚至上千米，全线隧道有50 %以上的洞口均不同程度地受到危岩落石的威胁，坡面危岩落石严重威胁到隧道洞口的施工及运营安全。

成兰铁路隧道洞口75 %紧邻桥梁工程，为防止高陡边坡桥梁及隧道洞口施工和运营期间受坡面危岩落石冲击的影响，需在隧道进出口的坡面以及洞门结构上设置防护危岩落石的挡护结构，可采取的措施主要有在隧道进出口的坡面上设置主动与被动防护措施或在隧道洞门设置防护落石的明洞或棚洞等结构。为保证隧道洞口的施工与运营安全，开展了桥隧结合防护结构试验研究，为成兰铁路隧道洞口桥隧共同防护结构设计提供支撑，同时为复杂艰险山区铁路工程桥隧共同防护设计提供一定的参考。

2 桥隧共同防护结构形式

2.1 上部结构形式

目前桥隧共同防护结构主要采用框架棚洞及拱形明洞两种。钢结构棚洞因防落石冲击能力弱、耐久性差、接触网绝缘问题等原因在铁路工程中应用较少。钢筋混凝土结构框架型棚洞及拱形明洞各有其优缺点，具体详见表1。

表1 框架型棚洞及拱形明洞优缺点比较

2.2 基础结构形式

桥隧紧邻洞口自然坡面普遍较陡，为减少危岩落石对桥梁工程的影响，隧道洞口里程一般会延伸至桥梁范围，铁路工程中俗称为“桥台进洞”。受桥台及地形条件的限制，桥台进洞工点中明洞或棚洞结构基础设置条件有限，基础的结构形式应综合考虑上部结构荷载、地形条件及桥台布置的影响。

2.2.1 框架型棚洞基础结构形式

框架型棚洞为梁、柱、板框架结构体系，上部结构较轻，具有与桥梁共用基础的条件，按棚洞基础与桥台的关系，可分为分离式与一体式两种，如图1所示。

图1 棚洞基础形式

一体式棚洞基础与桥梁共用承台，可节约空间，减少工程量及投资，但棚洞与桥台相互干扰大，设计施工难度大；棚洞及桥梁荷载共同作用于桥梁承台上，对桥台基础承载力要求较高。分离式棚洞基础与桥梁承台各自独立设置，设计施工相对简单，荷载作用明确，且对地基承载力要求相对较低，但空间浪费大。

2.2.2 拱形明洞基础结构形式

桥台进洞采用的拱形明洞一般为耳墙式无仰拱拱形结构。由于明洞结构自重大，若明洞与桥梁结构设置一体式基础，再加上风荷载、地震力的作用，下部基础需提供非常大的竖向及横向支撑力。因此，明洞基础与桥梁基础多数情况下分离设置。无仰拱明洞基础形式与地质地形条件、基础承载力、悬空高度有关，按其结构形式可分为三种：实体基础、桩基承台基础、桩基托梁基础。

实体基础材料多采用混凝土，适用于地基承载力较好、地面坡较缓的地段，要求换填部分的自重提供的抗倾覆力矩大于横向力产生的力矩，实体基础悬空高度一般宜控制在5 m以内，设计施工相对简单(图2)。

图2 拱形明洞实体基础

桩基承台基础对地基承载力要求相对较低，地形适应性相对较好，但承受横向力的能力较弱。桩基承台基础悬空高度一般不宜大于10 m，当基础悬空较高时，承台桩基不足以抵抗横向力产生的弯矩作用(图3)。其设计较复杂、施工相对简单，工程投资相对较大。

图3 拱形明洞桩基承台基础

桩基托梁基础对地基承载力及地形要求均较低，且矩形桩抗弯能力大，承受横向力的能力较高，基础悬空高度可达15～20 m(图4)。其设计、施工均相对复杂，工程投资较大。

图4 拱形明洞桩基托梁基础

3 防护结构室内试验

框架型棚洞或拱形明洞作为隧道洞口及桥梁防护落石冲击作用的最后一道防线，其结构的抗冲击性能会直接影响到防护效果，但现场又不能开展破坏性的试验。根据工程需要，成兰铁路开展了隧道洞口危岩落石条件下的桥隧共同防护结构受力特征室内模型试验。

模型试验尺寸比例为1∶10，框架型棚洞基础取两跨支柱(图5)，为比较两者上部结构对危石的抗冲击能力，将拱形明洞拱圈以下的耳墙结构简化成支柱。根据相似理论，模型试验中混凝土的立方体抗压强度为原型混凝土抗压强度的0.1倍，即4～5 MPa，各构件内的受力钢筋统一采用φ3 mm的光圆钢筋简化模拟。见图6。

图5 棚洞及明洞室内试验模型

图6 棚洞及明洞室内试验模型实景

Muraishi H等[1]对日本某铁路沿线在1987～1997年发生的落石事件进行统计，表明小于1 000 kJ的落石事件约占总落石事件的90 %。Spadari M等[2]针对澳大利亚新威尔士州东海岸落石研究，认为褶皱带砂岩区、玄武岩区、褶皱带火山岩区落石，其冲击能量一般不大于200 kJ； 盆地砂岩区和花岗岩区的落石95 %的落石冲击能量小于1 340 kJ。成兰铁路隧道洞口以千枚岩地层为主，易风化、强度低、完整性较差，难以形成巨大块状的落石。因此，将本线洞口落石的冲击能量限定在1 000 kJ以内，根据相似准则换算为本实验中最大计算模型冲击能量为100 J。

棚洞或明洞顶回填材料一般采用普通粘土，根据压缩模量相似准则，普通土采用土+铁粉(质量比1∶1)混合材料模拟。

3.1 拱形明洞试验结果

试验工况1∶落石沿明洞顶部竖直向下正向冲击明洞模型，将落石的冲击能量固定为21.0 J，明洞顶部的缓冲垫层厚度分别设置为10 cm、12 cm、14 cm、16 cm和18 cm，明洞各部位实测应变值(με)详见表2。

试验工况2：落石沿明洞拱肩斜向45 °冲击明洞模型，将落石的冲击能量固定为21.0 J，明洞顶部的缓冲垫层厚度分别设置为10 cm、12 cm、14 cm、16 cm和18 cm，明洞各部位实测应变值(με)详见表3。

表2 不同缓冲垫层厚度明洞各部位应变值(με)

表3 不同缓冲垫层厚度明洞各部位应变值(με)

试验工况3：落石沿竖直方向正向冲击明洞模型，将明洞顶部缓冲垫层的厚度设定为14 cm，并将落石的冲击能量分别设定为21.0 J、37.8 J、54.8 J、71.0 J和92.4 J五个等级，明洞各部位实测应变值(με)详见表4：

表4 不同冲击能量明洞各部位应变值(με)

试验工况4：破坏性试验

撤除拱形明洞顶部的缓冲垫层，让落石直接冲击棚洞，逐步加大冲击能量，当冲击能量加大至213.4 J时，拱形明洞的拱圈出现了明显的裂缝，相当于原形落石的冲击能量为2 134 kJ时拱形明洞破坏。

3.2 框架型棚洞试验工况及结果

试验工况1：落石沿棚洞盖板中部竖直向下正向冲击框架形棚洞模型，将落石的冲击能量固定为21.0 J，棚洞盖板顶部的缓冲垫层厚度分别设置为10 cm、12 cm、14 cm、16 cm和18 cm，明洞各部位实测应变值(με)详见表5。

试验工况2：落石沿棚洞盖板中部竖直向下正向冲击框架形棚洞模型，将棚洞盖板顶部缓冲垫层的厚度设定为14 cm，

表5 不同缓冲垫层厚度棚洞各部位应变值(με)

并将落石的冲击能量分别设定为21.0 J、37.8 J、54.8 J、71.0 J和92.4 J五个等级，棚洞各部位实测应变值(με)详见表6。

表6 不同冲击能量棚洞各部位应变值(με)

试验工况3：破坏性试验。撤除框架型棚洞顶部的缓冲垫层，让落石直接冲击棚洞，逐步加大冲击能量，当冲击能量加大至169.1 J时，棚洞的拱圈出现了明显的裂缝，相当于原形落石的冲击能量为1 691 kJ时框架型棚洞破坏。

3.3 试验结果对比与分析

通过实验对比可得出以下结论：

(1)在拱形明洞及框架型棚洞顶部填筑100～180 cm普通土作为缓冲材料，可有效减缓落石对结构的冲击和破坏作用。

(2)拱形明洞和框架形棚洞模型均能承受21～92.4 J落石冲击荷载，且主体结构不损坏；折算成实物原型，拱形明洞和框架型棚洞均能承受210 kJ～924 kJ落石冲击荷载。

(3)通过破坏性试验显示，框架型棚洞及拱形明洞承受落石冲击能量的极限分别为1 691 kJ及2 134 kJ。

(4)与框架形棚洞相比，拱形棚洞在各种工况下的力学特性要优于框架形棚洞，更具有良好的抗落石冲击的性能。

4 落石冲击力试验及公式修正

在棚洞结构设计和安全性检算中，落石冲击力的计算极为关键，很多学者开展了研究并提出了相应的算法。国外主要有日本算法、瑞士算法和澳大利亚算法；而国内主要有杨其新算法及相关规范中的计算方法。各方法在计算落石冲击力时，差异较大。文献[3-5]从理论分析、数值模拟分析及试验等，认为国内算法计算的落石冲击荷载偏低，国外算法偏高，实际落石冲击荷载介于国内外算法之间。本文结合室内模型试验，对落石冲击冲击力进行了研究，提出了落石冲击力的修正公式，见式(1)。

(1)

式中：ρ为缓冲层的密度；g为重力加速度；E,μ分别为缓冲垫层的弹性模量与泊松比；M为落石质量；h为缓冲层的厚度；vbn为落石冲击棚洞后回弹的速度；van为落石冲击棚洞前的速度；k为落石冲击力扩大系数。

运用式(1)和一些国内外算法得到不同冲击能量对应的落石冲击力计算值，与前述落石冲击棚洞模拟试验实测的冲击力值进行比较，对比结果如图7所示；试验实测的冲击力值(Fre)与采用本文提出的修正计算公式得出的冲击力理论计算值(Fth)对比的结果如表7所示。

图7 冲击能量与冲击力的关系

表7 落石冲击力理论值与实测值的误差对比

由图7和表7可知：冲击力计算值与实测数值之间误差均在10 %以内，因此公式(1)可作为改进的落石冲击力计算公式，可满足实际工程中计算落石冲击力的需要。

5 工程应用

5.1 工程概况

成兰铁路茂县隧道出口位于茂县渭门乡，属2008年“5·12”汶川地震灾害重灾区，地震效应明显。茂县隧道出口段为双洞单线分修隧道，左右线线间距30 m，洞口紧邻核桃沟双线特大桥。

隧道出口自然横坡陡峻，洞口上方危岩落石发育，出露基岩为千枚岩地层，岩质软破碎、风化强烈，岩体节理裂隙发育、分层明显；加之2008年“5·12”汶川地震及其后的多次余震导致山体边坡松动、松弛，局部坡面自稳性差，崩塌剥落有逐年累积恶化发展的趋势，洞口施工及运营安全风险较大。

图8 茂县隧道出口地形及岩体细部实景

5.2 工程措施

为保证施工、运营安全，基于地质、地形条件，运用成兰铁路开展的洞口相关试验及科研课题的研究成果，茂县隧道出口最终形成以“危石清除+坡面加固的主动防护系统+被动网及桥隧共同防护结构的被动防护系统”组成的综合防治体系。

图9 茂县隧道出口综合防治工程措施平面

5.2.1 危石清除及被动网

茂县出口仰坡共分布四个危岩区，其中4号危岩区位于洞顶上方约30～40 m处，该处危岩在下部坡面剥蚀作用下已形成临空面，对工程安全影响最大，为防止继续风化导致岩体失稳，对4号危岩区进行清除，并对清除后的坡面进行防护。

图10 茂县隧道出口4号危岩实景

1～3号危岩区位于洞顶上方约200～300 m处，主要是风化形成的小型剥落体，对该部分松动危岩进行清除，并对难以清除时采用M10浆砌片石支顶、嵌补。

由于仰坡高处存在无法探明的小型危岩落石，且运营期间局部风化作用可能产生新的危岩落石，因此，于洞口上方约50 m、100 m、200 m处设置三道被动防护网。

5.2.2 坡面加固

在自然边坡条件下，茂县隧道出口段洞口所在的坡面是不稳定的，在坡面沿土体分层处塑性区很快便会贯通，而且碎石土与强风化的炭质千枚岩之间贯通的速度比强风化炭质千枚岩与弱风化炭质千枚岩贯通速度要快。从坡面稳定性角度出发，对边坡进行加固的关键在于提高坡面岩体分层之间的粘结力，显然锚喷是较为可行的加固方案，具体防护措施分成锚索加固区和锚喷加固区分区处理，如图11所示。

图11 茂县隧道出口坡面加固典型断面

锚索+锚喷防护区：该区域自然坡面较陡，局部风化成凹地形，分布有一组不利节理面，且节理裂隙发育，岩体易风化崩落，对该区采用节点长锚索(20 m)+节点间短锚杆(12 m)+挂网喷混凝土处理。

普通锚喷防护区：防护范围为4号危岩区，对4号危岩区进行清除刷方，该区节理裂隙发育相对较少的区域，对该区采用节点长锚杆(12 m)+节点短锚杆(5 m)+挂网喷混凝土处理。

5.2.3 桥隧共同防护结构

(1)结构形式：结合室内试验的结果，综合考虑拱形明洞及框架型棚洞在抗震、抵抗落石冲击性能方面，结合茂县出口地形条件，本工点接长明洞采用抗震性能较好，结构受力清晰的下部桩基托梁+上部双耳墙式护桥明洞结构，如图12所示。

图12 茂县隧道出口桥隧共同防护结构典型断面

(2)明洞长度：根据Rockfall软件对落石轨迹的模拟计算结果，茂县隧道出口段防护危岩落石明洞的长度应不小于18.2 m，综合地形条件，左线明洞长度采用22 m，右线明洞长度采用20 m。

(3)缓冲层：洞顶缓冲层料采用取材便利的普通土作为缓冲层，填土厚度取2 m。

6 结论

(1)框架型棚洞和拱形明洞均可作为桥隧共同防护结构，根据地形地质特点，可选用分离式或一体式基础结构。

(2)框架型棚洞和拱形明洞均具有良好的抗落石冲击的性能，但拱形明洞在落石作用下的力学特性优于框架形棚洞。

(3)对地质地形条件差、危岩落石发育严重的洞口地段，应建立“危石清除+主动防护+被动防护”的综合防护体系，并设置桥隧共同防护结构，确保运营安全。