吳 華， 卿偉宸， 胡迪川， 張 磊， 李濟(jì)良

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

1 概述

成蘭鐵路隧道洞口地形陡峭，受地震影響效應(yīng)嚴(yán)重，坡面巖體節(jié)理和裂隙十分發(fā)育，危巖落石災(zāi)害頻發(fā)；隧道洞口自然坡面坡度大多介于35～75 °，坡高幾百米甚至上千米，全線隧道有50 %以上的洞口均不同程度地受到危巖落石的威脅，坡面危巖落石嚴(yán)重威脅到隧道洞口的施工及運(yùn)營(yíng)安全。

成蘭鐵路隧道洞口75 %緊鄰橋梁工程，為防止高陡邊坡橋梁及隧道洞口施工和運(yùn)營(yíng)期間受坡面危巖落石沖擊的影響，需在隧道進(jìn)出口的坡面以及洞門(mén)結(jié)構(gòu)上設(shè)置防護(hù)危巖落石的擋護(hù)結(jié)構(gòu)，可采取的措施主要有在隧道進(jìn)出口的坡面上設(shè)置主動(dòng)與被動(dòng)防護(hù)措施或在隧道洞門(mén)設(shè)置防護(hù)落石的明洞或棚洞等結(jié)構(gòu)。為保證隧道洞口的施工與運(yùn)營(yíng)安全，開(kāi)展了橋隧結(jié)合防護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，為成蘭鐵路隧道洞口橋隧共同防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支撐，同時(shí)為復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路工程橋隧共同防護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 橋隧共同防護(hù)結(jié)構(gòu)形式

2.1 上部結(jié)構(gòu)形式

目前橋隧共同防護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用框架棚洞及拱形明洞兩種。鋼結(jié)構(gòu)棚洞因防落石沖擊能力弱、耐久性差、接觸網(wǎng)絕緣問(wèn)題等原因在鐵路工程中應(yīng)用較少。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架型棚洞及拱形明洞各有其優(yōu)缺點(diǎn)，具體詳見(jiàn)表1。

表1 框架型棚洞及拱形明洞優(yōu)缺點(diǎn)比較

2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

橋隧緊鄰洞口自然坡面普遍較陡，為減少危巖落石對(duì)橋梁工程的影響，隧道洞口里程一般會(huì)延伸至橋梁范圍，鐵路工程中俗稱為“橋臺(tái)進(jìn)洞”。受橋臺(tái)及地形條件的限制，橋臺(tái)進(jìn)洞工點(diǎn)中明洞或棚洞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)置條件有限，基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)綜合考慮上部結(jié)構(gòu)荷載、地形條件及橋臺(tái)布置的影響。

2.2.1 框架型棚洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

框架型棚洞為梁、柱、板框架結(jié)構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)較輕，具有與橋梁共用基礎(chǔ)的條件，按棚洞基礎(chǔ)與橋臺(tái)的關(guān)系，可分為分離式與一體式兩種，如圖1所示。

圖1 棚洞基礎(chǔ)形式

一體式棚洞基礎(chǔ)與橋梁共用承臺(tái)，可節(jié)約空間，減少工程量及投資，但棚洞與橋臺(tái)相互干擾大，設(shè)計(jì)施工難度大；棚洞及橋梁荷載共同作用于橋梁承臺(tái)上，對(duì)橋臺(tái)基礎(chǔ)承載力要求較高。分離式棚洞基礎(chǔ)與橋梁承臺(tái)各自獨(dú)立設(shè)置，設(shè)計(jì)施工相對(duì)簡(jiǎn)單，荷載作用明確，且對(duì)地基承載力要求相對(duì)較低，但空間浪費(fèi)大。

2.2.2 拱形明洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

橋臺(tái)進(jìn)洞采用的拱形明洞一般為耳墻式無(wú)仰拱拱形結(jié)構(gòu)。由于明洞結(jié)構(gòu)自重大，若明洞與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置一體式基礎(chǔ)，再加上風(fēng)荷載、地震力的作用，下部基礎(chǔ)需提供非常大的豎向及橫向支撐力。因此，明洞基礎(chǔ)與橋梁基礎(chǔ)多數(shù)情況下分離設(shè)置。無(wú)仰拱明洞基礎(chǔ)形式與地質(zhì)地形條件、基礎(chǔ)承載力、懸空高度有關(guān)，按其結(jié)構(gòu)形式可分為三種：實(shí)體基礎(chǔ)、樁基承臺(tái)基礎(chǔ)、樁基托梁基礎(chǔ)。

實(shí)體基礎(chǔ)材料多采用混凝土，適用于地基承載力較好、地面坡較緩的地段，要求換填部分的自重提供的抗傾覆力矩大于橫向力產(chǎn)生的力矩，實(shí)體基礎(chǔ)懸空高度一般宜控制在5 m以內(nèi)，設(shè)計(jì)施工相對(duì)簡(jiǎn)單(圖2)。

圖2 拱形明洞實(shí)體基礎(chǔ)

樁基承臺(tái)基礎(chǔ)對(duì)地基承載力要求相對(duì)較低，地形適應(yīng)性相對(duì)較好，但承受橫向力的能力較弱。樁基承臺(tái)基礎(chǔ)懸空高度一般不宜大于10 m，當(dāng)基礎(chǔ)懸空較高時(shí)，承臺(tái)樁基不足以抵抗橫向力產(chǎn)生的彎矩作用(圖3)。其設(shè)計(jì)較復(fù)雜、施工相對(duì)簡(jiǎn)單，工程投資相對(duì)較大。

圖3 拱形明洞樁基承臺(tái)基礎(chǔ)

樁基托梁基礎(chǔ)對(duì)地基承載力及地形要求均較低，且矩形樁抗彎能力大，承受橫向力的能力較高，基礎(chǔ)懸空高度可達(dá)15～20 m(圖4)。其設(shè)計(jì)、施工均相對(duì)復(fù)雜，工程投資較大。

圖4 拱形明洞樁基托梁基礎(chǔ)

3 防護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)試驗(yàn)

框架型棚洞或拱形明洞作為隧道洞口及橋梁防護(hù)落石沖擊作用的最后一道防線，其結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能會(huì)直接影響到防護(hù)效果，但現(xiàn)場(chǎng)又不能開(kāi)展破壞性的試驗(yàn)。根據(jù)工程需要，成蘭鐵路開(kāi)展了隧道洞口危巖落石條件下的橋隧共同防護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征室內(nèi)模型試驗(yàn)。

模型試驗(yàn)尺寸比例為1∶10，框架型棚洞基礎(chǔ)取兩跨支柱(圖5)，為比較兩者上部結(jié)構(gòu)對(duì)危石的抗沖擊能力，將拱形明洞拱圈以下的耳墻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成支柱。根據(jù)相似理論，模型試驗(yàn)中混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度為原型混凝土抗壓強(qiáng)度的0.1倍，即4～5 MPa，各構(gòu)件內(nèi)的受力鋼筋統(tǒng)一采用φ3 mm的光圓鋼筋簡(jiǎn)化模擬。見(jiàn)圖6。

圖5 棚洞及明洞室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖6 棚洞及明洞室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)景

Muraishi H等[1]對(duì)日本某鐵路沿線在1987～1997年發(fā)生的落石事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表明小于1 000 kJ的落石事件約占總落石事件的90 %。Spadari M等[2]針對(duì)澳大利亞新威爾士州東海岸落石研究，認(rèn)為褶皺帶砂巖區(qū)、玄武巖區(qū)、褶皺帶火山巖區(qū)落石，其沖擊能量一般不大于200 kJ； 盆地砂巖區(qū)和花崗巖區(qū)的落石95 %的落石沖擊能量小于1 340 kJ。成蘭鐵路隧道洞口以千枚巖地層為主，易風(fēng)化、強(qiáng)度低、完整性較差，難以形成巨大塊狀的落石。因此，將本線洞口落石的沖擊能量限定在1 000 kJ以內(nèi)，根據(jù)相似準(zhǔn)則換算為本實(shí)驗(yàn)中最大計(jì)算模型沖擊能量為100 J。

棚洞或明洞頂回填材料一般采用普通粘土，根據(jù)壓縮模量相似準(zhǔn)則，普通土采用土+鐵粉(質(zhì)量比1∶1)混合材料模擬。

3.1 拱形明洞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)工況1∶落石沿明洞頂部豎直向下正向沖擊明洞模型，將落石的沖擊能量固定為21.0 J，明洞頂部的緩沖墊層厚度分別設(shè)置為10 cm、12 cm、14 cm、16 cm和18 cm，明洞各部位實(shí)測(cè)應(yīng)變值(με)詳見(jiàn)表2。

試驗(yàn)工況2：落石沿明洞拱肩斜向45 °沖擊明洞模型，將落石的沖擊能量固定為21.0 J，明洞頂部的緩沖墊層厚度分別設(shè)置為10 cm、12 cm、14 cm、16 cm和18 cm，明洞各部位實(shí)測(cè)應(yīng)變值(με)詳見(jiàn)表3。

表2 不同緩沖墊層厚度明洞各部位應(yīng)變值(με)

表3 不同緩沖墊層厚度明洞各部位應(yīng)變值(με)

試驗(yàn)工況3：落石沿豎直方向正向沖擊明洞模型，將明洞頂部緩沖墊層的厚度設(shè)定為14 cm，并將落石的沖擊能量分別設(shè)定為21.0 J、37.8 J、54.8 J、71.0 J和92.4 J五個(gè)等級(jí)，明洞各部位實(shí)測(cè)應(yīng)變值(με)詳見(jiàn)表4：

表4 不同沖擊能量明洞各部位應(yīng)變值(με)

試驗(yàn)工況4：破壞性試驗(yàn)

撤除拱形明洞頂部的緩沖墊層，讓落石直接沖擊棚洞，逐步加大沖擊能量，當(dāng)沖擊能量加大至213.4 J時(shí)，拱形明洞的拱圈出現(xiàn)了明顯的裂縫，相當(dāng)于原形落石的沖擊能量為2 134 kJ時(shí)拱形明洞破壞。

3.2 框架型棚洞試驗(yàn)工況及結(jié)果

試驗(yàn)工況1：落石沿棚洞蓋板中部豎直向下正向沖擊框架形棚洞模型，將落石的沖擊能量固定為21.0 J，棚洞蓋板頂部的緩沖墊層厚度分別設(shè)置為10 cm、12 cm、14 cm、16 cm和18 cm，明洞各部位實(shí)測(cè)應(yīng)變值(με)詳見(jiàn)表5。

試驗(yàn)工況2：落石沿棚洞蓋板中部豎直向下正向沖擊框架形棚洞模型，將棚洞蓋板頂部緩沖墊層的厚度設(shè)定為14 cm，

表5 不同緩沖墊層厚度棚洞各部位應(yīng)變值(με)

并將落石的沖擊能量分別設(shè)定為21.0 J、37.8 J、54.8 J、71.0 J和92.4 J五個(gè)等級(jí)，棚洞各部位實(shí)測(cè)應(yīng)變值(με)詳見(jiàn)表6。

表6 不同沖擊能量棚洞各部位應(yīng)變值(με)

試驗(yàn)工況3：破壞性試驗(yàn)。撤除框架型棚洞頂部的緩沖墊層，讓落石直接沖擊棚洞，逐步加大沖擊能量，當(dāng)沖擊能量加大至169.1 J時(shí)，棚洞的拱圈出現(xiàn)了明顯的裂縫，相當(dāng)于原形落石的沖擊能量為1 691 kJ時(shí)框架型棚洞破壞。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可得出以下結(jié)論：

(1)在拱形明洞及框架型棚洞頂部填筑100～180 cm普通土作為緩沖材料，可有效減緩落石對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊和破壞作用。

(2)拱形明洞和框架形棚洞模型均能承受21～92.4 J落石沖擊荷載，且主體結(jié)構(gòu)不損壞；折算成實(shí)物原型，拱形明洞和框架型棚洞均能承受210 kJ～924 kJ落石沖擊荷載。

(3)通過(guò)破壞性試驗(yàn)顯示，框架型棚洞及拱形明洞承受落石沖擊能量的極限分別為1 691 kJ及2 134 kJ。

(4)與框架形棚洞相比，拱形棚洞在各種工況下的力學(xué)特性要優(yōu)于框架形棚洞，更具有良好的抗落石沖擊的性能。

4 落石沖擊力試驗(yàn)及公式修正

在棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全性檢算中，落石沖擊力的計(jì)算極為關(guān)鍵，很多學(xué)者開(kāi)展了研究并提出了相應(yīng)的算法。國(guó)外主要有日本算法、瑞士算法和澳大利亞算法；而國(guó)內(nèi)主要有楊其新算法及相關(guān)規(guī)范中的計(jì)算方法。各方法在計(jì)算落石沖擊力時(shí)，差異較大。文獻(xiàn)[3-5]從理論分析、數(shù)值模擬分析及試驗(yàn)等，認(rèn)為國(guó)內(nèi)算法計(jì)算的落石沖擊荷載偏低，國(guó)外算法偏高，實(shí)際落石沖擊荷載介于國(guó)內(nèi)外算法之間。本文結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)落石沖擊沖擊力進(jìn)行了研究，提出了落石沖擊力的修正公式，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：ρ為緩沖層的密度；g為重力加速度；E,μ分別為緩沖墊層的彈性模量與泊松比；M為落石質(zhì)量；h為緩沖層的厚度；vbn為落石沖擊棚洞后回彈的速度；van為落石沖擊棚洞前的速度；k為落石沖擊力擴(kuò)大系數(shù)。

運(yùn)用式(1)和一些國(guó)內(nèi)外算法得到不同沖擊能量對(duì)應(yīng)的落石沖擊力計(jì)算值，與前述落石沖擊棚洞模擬試驗(yàn)實(shí)測(cè)的沖擊力值進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如圖7所示；試驗(yàn)實(shí)測(cè)的沖擊力值(Fre)與采用本文提出的修正計(jì)算公式得出的沖擊力理論計(jì)算值(Fth)對(duì)比的結(jié)果如表7所示。

圖7 沖擊能量與沖擊力的關(guān)系

表7 落石沖擊力理論值與實(shí)測(cè)值的誤差對(duì)比

由圖7和表7可知：沖擊力計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)值之間誤差均在10 %以內(nèi)，因此公式(1)可作為改進(jìn)的落石沖擊力計(jì)算公式，可滿足實(shí)際工程中計(jì)算落石沖擊力的需要。

5 工程應(yīng)用

5.1 工程概況

成蘭鐵路茂縣隧道出口位于茂縣渭門(mén)鄉(xiāng)，屬2008年“5·12”汶川地震災(zāi)害重災(zāi)區(qū)，地震效應(yīng)明顯。茂縣隧道出口段為雙洞單線分修隧道，左右線線間距30 m，洞口緊鄰核桃溝雙線特大橋。

隧道出口自然橫坡陡峻，洞口上方危巖落石發(fā)育，出露基巖為千枚巖地層，巖質(zhì)軟破碎、風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、分層明顯；加之2008年“5·12”汶川地震及其后的多次余震導(dǎo)致山體邊坡松動(dòng)、松弛，局部坡面自穩(wěn)性差，崩塌剝落有逐年累積惡化發(fā)展的趨勢(shì)，洞口施工及運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖8 茂縣隧道出口地形及巖體細(xì)部實(shí)景

5.2 工程措施

為保證施工、運(yùn)營(yíng)安全，基于地質(zhì)、地形條件，運(yùn)用成蘭鐵路開(kāi)展的洞口相關(guān)試驗(yàn)及科研課題的研究成果，茂縣隧道出口最終形成以“危石清除+坡面加固的主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)+被動(dòng)網(wǎng)及橋隧共同防護(hù)結(jié)構(gòu)的被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)”組成的綜合防治體系。

圖9 茂縣隧道出口綜合防治工程措施平面

5.2.1 危石清除及被動(dòng)網(wǎng)

茂縣出口仰坡共分布四個(gè)危巖區(qū)，其中4號(hào)危巖區(qū)位于洞頂上方約30～40 m處，該處危巖在下部坡面剝蝕作用下已形成臨空面，對(duì)工程安全影響最大，為防止繼續(xù)風(fēng)化導(dǎo)致巖體失穩(wěn)，對(duì)4號(hào)危巖區(qū)進(jìn)行清除，并對(duì)清除后的坡面進(jìn)行防護(hù)。

圖10 茂縣隧道出口4號(hào)危巖實(shí)景

1～3號(hào)危巖區(qū)位于洞頂上方約200～300 m處，主要是風(fēng)化形成的小型剝落體，對(duì)該部分松動(dòng)危巖進(jìn)行清除，并對(duì)難以清除時(shí)采用M10漿砌片石支頂、嵌補(bǔ)。

由于仰坡高處存在無(wú)法探明的小型危巖落石，且運(yùn)營(yíng)期間局部風(fēng)化作用可能產(chǎn)生新的危巖落石，因此，于洞口上方約50 m、100 m、200 m處設(shè)置三道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

5.2.2 坡面加固

在自然邊坡條件下，茂縣隧道出口段洞口所在的坡面是不穩(wěn)定的，在坡面沿土體分層處塑性區(qū)很快便會(huì)貫通，而且碎石土與強(qiáng)風(fēng)化的炭質(zhì)千枚巖之間貫通的速度比強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)千枚巖與弱風(fēng)化炭質(zhì)千枚巖貫通速度要快。從坡面穩(wěn)定性角度出發(fā)，對(duì)邊坡進(jìn)行加固的關(guān)鍵在于提高坡面巖體分層之間的粘結(jié)力，顯然錨噴是較為可行的加固方案，具體防護(hù)措施分成錨索加固區(qū)和錨噴加固區(qū)分區(qū)處理，如圖11所示。

圖11 茂縣隧道出口坡面加固典型斷面

錨索+錨噴防護(hù)區(qū)：該區(qū)域自然坡面較陡，局部風(fēng)化成凹地形，分布有一組不利節(jié)理面，且節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體易風(fēng)化崩落，對(duì)該區(qū)采用節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)錨索(20 m)+節(jié)點(diǎn)間短錨桿(12 m)+掛網(wǎng)噴混凝土處理。

普通錨噴防護(hù)區(qū)：防護(hù)范圍為4號(hào)危巖區(qū)，對(duì)4號(hào)危巖區(qū)進(jìn)行清除刷方，該區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育相對(duì)較少的區(qū)域，對(duì)該區(qū)采用節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)錨桿(12 m)+節(jié)點(diǎn)短錨桿(5 m)+掛網(wǎng)噴混凝土處理。

5.2.3 橋隧共同防護(hù)結(jié)構(gòu)

(1)結(jié)構(gòu)形式：結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，綜合考慮拱形明洞及框架型棚洞在抗震、抵抗落石沖擊性能方面，結(jié)合茂縣出口地形條件，本工點(diǎn)接長(zhǎng)明洞采用抗震性能較好，結(jié)構(gòu)受力清晰的下部樁基托梁+上部雙耳墻式護(hù)橋明洞結(jié)構(gòu)，如圖12所示。

圖12 茂縣隧道出口橋隧共同防護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面

(2)明洞長(zhǎng)度：根據(jù)Rockfall軟件對(duì)落石軌跡的模擬計(jì)算結(jié)果，茂縣隧道出口段防護(hù)危巖落石明洞的長(zhǎng)度應(yīng)不小于18.2 m，綜合地形條件，左線明洞長(zhǎng)度采用22 m，右線明洞長(zhǎng)度采用20 m。

(3)緩沖層：洞頂緩沖層料采用取材便利的普通土作為緩沖層，填土厚度取2 m。

6 結(jié)論

(1)框架型棚洞和拱形明洞均可作為橋隧共同防護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)地形地質(zhì)特點(diǎn)，可選用分離式或一體式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

(2)框架型棚洞和拱形明洞均具有良好的抗落石沖擊的性能，但拱形明洞在落石作用下的力學(xué)特性優(yōu)于框架形棚洞。

(3)對(duì)地質(zhì)地形條件差、危巖落石發(fā)育嚴(yán)重的洞口地段，應(yīng)建立“危石清除+主動(dòng)防護(hù)+被動(dòng)防護(hù)”的綜合防護(hù)體系，并設(shè)置橋隧共同防護(hù)結(jié)構(gòu)，確保運(yùn)營(yíng)安全。