新型结构在地震灾后重建中的应用★

王 希 宝

(四川省交通勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610017)

1 概述

地震常引发大量次生地质灾害，对震区公路、铁路路基、桥梁、隧道等造成了巨大损坏。以汶川地震为例，据国家汶川地震专家委员会数据，汶川地震直接经济总损失8 451.4亿元，其中基础设施的损失占到21.9%，总损失近三成是由滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾后造成的。地震灾区公路地质灾害一般具有以下基本特征：

1)地质环境遭受严重破坏，沿线崩塌与岩堆、滑坡、泥石流极端发育。从映秀到汶川的20 km路段，共发育340多处滑坡、崩塌，路基遭受严重毁坏。

2)灾后余震不断，崩塌落石不断，防灾与重建并行。

3)受地形限制，次生地质灾害一般表现为崩塌及覆盖层滑坡，物源区多位于陡峭山壁，原位治理困难，只能采取被动防护措施。

作者结合所参与的映秀—汶川—马尔康公路灾后重建工程和川主寺—汶川路改建项目，鉴于部分路段地形特殊，一般构筑物不能满足设计要求，创新型的提出一些新颖的结构，较好的解决了工程实际问题，下面分别予以介绍。

2 工程实例

2.1 锚拉桩基础防泥石流明洞

1)工程概况。

麻柳湾位于国道213(317)线都江堰—汶川段K30+300处，距岷江下游映秀镇约4.4 km，内侧边坡陡峻。汶川地震引发大规模崩塌，数十万方块碎石土飞泄而下，直接掩埋公路长达100余米。由于坡面残留堆积体较多，在余震及降雨作用下，逐渐发展为坡面泥石流，并多次爆发，部分或全部掩埋公路，严重影响行车安全。

2)防泥石流结构设计。

因地形坡度大、坡面松散块碎石土仍处于临界稳定状态等诸多不确定因素，采用主动防治措施造价高、风险大，因此采用被动防治措施，具体如下：

a.沿都汶公路通行方向设置长度大于其影响范围的明洞，结构设计需考虑洞顶泥石流堆积荷载。b.在公路内侧坡面泥石流出口处设置渡槽，沿沟口两侧布置八字墙导流，将泥石流引至公路外侧，渡槽纵坡参照泥石流防治要求在10°～14°范围，其强度需满足抗块石冲击要求，建议采用构筑物与泥石流冲击方向小夹角方式布置，并在两侧设矮挡墙。

设计采用如图1所示的断面结构，由渡槽、明洞、桩基托梁基础组成。

明洞结构特点：

洞顶土石回填表面设置泥石流渡槽，引流泥石流至明洞结构外侧；渡槽设置凸榫增加抗滑力；渡槽采用30 cm厚混凝土，并设置钢筋网，增强抗拉强度。采用分离单压式明洞：衬砌只承受洞顶回填土石的压力和泥石流冲击荷载，不承受侧墙拉力。避免侧墙与明洞衬砌的不均匀沉降导致结构附加应力。

桩基托梁侧墙基础(加锚索)：地震堆积体结构松散，承载力低。设托梁基础，桩顶设锚索平衡泥石流冲击力水平分力。

3)防护效果。

麻柳湾明洞结构于2009年8月完成主体结构施工。陆续经历了2010年2月27日4.2级余震诱发的大规模崩塌和其后数年的中小规模崩塌，结构状态良好，安全可靠，见图2。

2.2 福堂隧道钢架棚洞

2.2.1 工程概况

福堂隧道位于岷江右岸，彻底关沟与桃关大桥之间，地处岷江上游高山峡谷地段，山峰顶标高大于2 000 m，相对高差1 000 m～1 500 m，属剥蚀～侵蚀中高山地貌。隧址区谷坡陡峻，一般30°～70°，部分成悬崖。汶川端洞口原设计为环框式洞口，无洞门端墙，仰坡采用GPS2型SNS边坡柔性主动防护系统进行防护，防护范围以隧道中线为轴线对称布置40 m～60 m，高度由洞口山顶向下至洞顶位置。

2.2.2 崩塌危险性分析及评价

洞口高仰坡崩塌危险性评价及落石分析表明：

1)5·12汶川大地震引发福堂隧道汶川端洞口边仰坡碎裂结构岩体大量崩塌、甚至弹射，落石大量堆积于坡脚及路基两侧，远及岷江。其中尤以桃关大桥起点内侧边坡为甚，崩塌波及深度大于30 m，在坡脚形成坡度约35°的岩堆，巨石林立。

2)地震中洞口正上方岩体较稳定，崩塌较少，部分落石为两侧碎裂岩体在大量坠落过程中互相撞击弹射而来。洞外接填方路基，路面标高高于两侧地面约3 m，洞口范围内因余震与风化卸荷剥落的落石坠落或落地后飞跃上路面的可能性不大。

3)对洞口上方岩体的稳定性分析表明，在长期的风化卸荷和冻胀作用下，在隧道运营期内存在坠石的可能，特别是顶部坡口的A区，C区。建议采用主动网+洞口防落石结构的综合防护措施。

4)对落石岩堆粒径统计分析表明，出现直径大于20 cm的落石可能性小于10%。但由于落石可能在撞击地表后崩解，导致统计误差，建议防落石设计按20 cm×20 cm×20 cm设防，安全保证率可达95%，同时对50 cm×50 cm×50 cm的落石具有一定的缓冲及防护能力。

5)一般零星落石情况下，岩块多坠落于洞口一定范围内，由于洞口高仰坡主动网施工已经完成，建议对防落石结构进行分段设计，洞外10 m范围可考虑加强结构抗冲击能力。

福堂隧道出口及崩塌危险性分区见图3。

2.2.3 钢结构设计

1)景观设计。根据对洞口景观的要求，结合本工点的实际情况，考虑结构与既有建筑、工程周边自然及人文环境等相协调，选择每榀钢架高低错落布置的异型钢棚洞方案作为本工点实施方案(见图4)。其主要结构特点为：

a.型钢弯制成主钢架，高低错落布置，景观效果好；

b.钢架纵向采用小钢管连接，提高稳定性；

c.钢架外表面铺设两层3 cm×3 cm钢丝网，交错布置，缓冲能力强；

d.两侧坡面陡，利于落石下滑；

e.抗震能力强，一般情况下结构本身不会损坏。

2)轮廓设计。钢结构轮廓根据福堂隧道建筑限界以及景观设计效果拟定，三维轴测效果如图5所示。

3)结构设计。结构设计以落石地质调查及分析成果、景观及轮廓设计成果作为设计依据，采用H型钢弯制而成的钢架作为主要受力构件，每榀钢架纵向采用钢管连接提高结构整体稳定性，再在钢架顶面和底面分别挂设两层高强钢丝网以缓冲落石冲击均匀作用于钢架上的集中荷载。

该钢架棚洞于2009年12月完成棚洞主体结构施工(见图6)。2010年2月27日5时20分左右，汶川地区发生了4.2级余震。余震时，棚洞上方山体掉下数块落石多次击中棚洞，所有小型落石均被弹落于岷江或者工棚附近。其中一块规格32 cm×24 cm×15 cm，重约20 kg的中型落石砸断一根钢丝缆绳和外层柔性防护网，但被第二层柔性防护网和钢梁连接件成功拦截并掉落在岷江侧棚洞柱脚附近。钢结构柔性棚洞起到了预期的防护效果。

2.3 半桥式棚洞及明洞

国道317线汶川—马尔康公路改建工程柴棚子工点为防护崩塌落石而设，由于重建线路优化调整，设计中线相对老路偏出约6.5 m，2/3的路基悬空于杂谷脑河之上，严重侵占河道。

为了治理边坡滑塌、飞石等病害，结合改建公路设计，根据汶马路全线各病害工点具体情况选用不同的结构形式。对于边坡一次塌方量较大，落石较多，崩塌落石冲击荷载较大地段采用拱形明洞结构，当边坡塌方量较少或少量落石地段，内外侧地质软硬差别大或外侧地形狭窄时采用棚洞结构。当棚洞、明洞外侧侵占河道过多时，为保证岷江泄洪要求，较小路基冲刷，创新设计了半桥式明洞和半桥式棚洞(见图7，图8)。

2.3.1 半桥式棚洞适用条件

当边坡塌方量较少或少量落石地段内外侧地质软硬差别大或外侧地形狭窄地段路基侵占河道，不能满足行洪要求时。

2.3.2 半桥式明洞适用条件

边坡一次塌方量较大，落石较多地段、崩塌落石冲击荷载较大地段、设置棚洞内侧开挖较多地段、路基侵占河道，不能满足行洪要求时。

2.3.3 路基式明洞适用条件

边坡一次塌方量较大，落石较多地段、设置棚洞内侧开挖较多地段、崩塌落石冲击荷载较大地段。路基式明洞见图9。

2.3.4 棚洞结构设计

1)结构组成。棚洞结构主要由三大部分组成，分别是内侧混凝土边墙、外侧框架、顶梁。当棚洞侵入河道过多时，棚洞路基不采用回填土，设计采用半桥式棚洞，即外侧立柱置于桩基盖梁上，在内侧挡墙设置C30钢筋混凝土台帽，在盖梁和台帽上架设横置板(预制钢筋混凝土空心板)，减少对河道的侵占。考虑到施工保通等因素，本设计横置板采用预制钢筋混凝土空心板，汽车吊运安装。横置板顺公路纵向密排，截面采用空心矩形板。

2)棚洞框架地基处理。据受力分析和结构内力计算，外侧立柱基础基底应力较大，根据实际情况选用扩大基础或钻孔灌注桩基础。当立柱基础埋置深度超过路面以下3 m时，在路面下设置钢筋混凝土横向拉杆，并锚固于内边墙，并且立柱在路基平面处加设纵撑。

2.3.5 明洞结构设计

明洞结构主要由四部分组成，分别是拱形明洞衬砌、外侧墙、桩基托梁基础、锚桩及拉杆。汶马路改建施工场地狭窄，为保证施工期公路畅通，明洞不设仰拱，采用拉杆和锚桩结构施加内侧拱脚及桩基托梁横向约束。当明洞外侧侵占河道较少时，采用路肩墙；当明洞侵入河道过多时，采用半桥式明洞，即外侧墙置于桩基盖梁上，在内侧拱脚设置C30钢筋混凝土台帽，在盖梁和台帽上架设横置板(预制钢筋混凝土空心板)，减少对河道的侵占(如图8半桥式明洞所示)。

3 结论与建议

1)灾后重建面临各种非常规设计工况，结构设计必须因地制宜，在充分考虑现场地形、地质及环境条件基础上创新结构设计，解决特殊问题。

2)文中所提及的新型明洞及棚洞结构均较好的解决了工程实际问题，经工程验证效果良好，值得推广应用。