隧道洞口柔性棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性分析及應(yīng)用

嚴(yán)廣藝

（陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），陜西西安 710043）

高速鐵路和公路進(jìn)入山區(qū)后受地形限制常伴隨著大量的隧道及橋梁。由于隧道工程造價(jià)較高，許多隧道建設(shè)之初洞口未設(shè)計(jì)長(zhǎng)明洞，造成隧道進(jìn)出口邊坡高陡，地質(zhì)條件惡劣。在雨水、地震、長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化等自然營(yíng)力作用下產(chǎn)生的崩塌落石影響線路的安全運(yùn)行。因此，必須對(duì)隧道洞口落石進(jìn)行防護(hù)。

實(shí)際工程中，一般多采用被動(dòng)防護(hù)措施對(duì)落石進(jìn)行防護(hù)，其中棚洞結(jié)構(gòu)運(yùn)用較多［1-3］。由于隧道已經(jīng)處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，采用傳統(tǒng)混凝土明洞結(jié)構(gòu)接長(zhǎng)隧道工期較長(zhǎng)，工序復(fù)雜，因此采用新型柔性棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)隧道洞口進(jìn)行防護(hù)更具優(yōu)勢(shì)［4-5］。

本文以西安—成都高速鐵路隧道洞口增設(shè)棚洞為例，通過建立有限元數(shù)值模型，對(duì)柔性棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析，以確保棚洞在使用階段的安全性。

1 柔性棚洞的基本構(gòu)成

柔性棚洞與傳統(tǒng)鋼筋混凝土棚洞在結(jié)構(gòu)上有很大差異。柔性棚洞主要由支撐結(jié)構(gòu)和緩沖結(jié)構(gòu)組成［6-7］，如圖1所示。

支撐結(jié)構(gòu)主要由鋼拱架和剛性支撐組成。緩沖結(jié)構(gòu)主要包括消能器、支撐繩和柔性環(huán)形網(wǎng)。柔性棚洞主要利用自身強(qiáng)大的變形能力，不斷吸收落石的動(dòng)能，達(dá)到防護(hù)落石的目的。當(dāng)落石沖擊柔性棚洞時(shí)，首先與柔性環(huán)形網(wǎng)接觸，柔性環(huán)形網(wǎng)被拉緊以吸收落石的沖擊動(dòng)能。與此同時(shí)，柔性環(huán)形網(wǎng)將荷載傳至支撐繩和消能器，并通過鋼拱架傳導(dǎo)至下部基礎(chǔ)。整個(gè)過程落石的能量大部分通過柔性金屬網(wǎng)的彈塑性變形吸收［8］。柔性緩沖結(jié)構(gòu)工作過程如圖2所示。柔性棚洞憑借其自重低、可預(yù)制、施工速度快等特點(diǎn)，比傳統(tǒng)剛性棚洞更經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保。

圖1 柔性棚洞組成

圖2 柔性緩沖結(jié)構(gòu)工作過程

2 柔性棚洞設(shè)計(jì)原則

①棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)的功能為防止坡面細(xì)小落石侵入線路限界；②棚洞下部支撐結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土樁、柱和縱梁，結(jié)構(gòu)使用年限按100年設(shè)計(jì)。棚洞主體構(gòu)件使用年限按30年設(shè)計(jì)，部分零部件須進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)維修更換；③棚洞承受的主要荷載為結(jié)構(gòu)自重，附加荷載包括落石沖擊力、溫度應(yīng)力、雪荷載、風(fēng)荷載和氣動(dòng)荷載；④根據(jù)西安鐵路局管內(nèi)落石病害整治統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定抗落石沖擊能量為100 kJ；⑤防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合施工條件等因素綜合確定，并科學(xué)客觀地確定耐久性指標(biāo)，滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

3 柔性棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

通過現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察，確定柔性棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸（寬×高）為18.6 m×12.54 m。棚洞與隧道正洞內(nèi)輪廓最小距離2.32 m，每榀鋼架間距3 m，鋼架間布置橫向支撐鋼管，每隔3 m 增設(shè)斜支撐鋼管。主要構(gòu)件規(guī)格見表1，橫斷面如圖3所示。

表1 柔性棚洞主要構(gòu)件規(guī)格

圖3 柔性棚洞結(jié)構(gòu)橫斷面（單位：cm）

3.1 模型建立

利用有限元軟件LS-DYNA 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，橫、縱向支撐繩采用Link167 單元模擬，柔性金屬網(wǎng)采用Beam161 單元模擬。為考慮上述構(gòu)件的失效效應(yīng)，選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型，同時(shí)采用Cowper-Symonds 模型計(jì)入應(yīng)變效應(yīng)的影響［9-10］。落石采用剛性模型模擬，不考慮其變形。由于整個(gè)沖擊過程處于松弛狀態(tài)，仿真模型中不考慮環(huán)形網(wǎng)外側(cè)覆蓋的格柵網(wǎng)［11-12］。計(jì)算模型見圖4，材料力學(xué)參數(shù)見表2。

3.2 邊界條件與接觸關(guān)系

鋼拱架柱腳處固定連接，支撐繩鉸接連接。落石作用在棚洞中部跨中?？v向支撐繩穿過環(huán)形網(wǎng)，可沿著中跨鋼拱架滑移，且固定于邊跨鋼拱架。落石與環(huán)形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)與環(huán)形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)與卸扣均為接觸關(guān)系，卸扣與縱、橫向支撐繩為引導(dǎo)滑移關(guān)系。

圖4 計(jì)算模型

表2 材料力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1 落石與環(huán)形網(wǎng)能量分析

落石與環(huán)形網(wǎng)能量時(shí)程曲線見圖5。

圖5 落石與環(huán)形網(wǎng)能量時(shí)程曲線

由圖5可知，落石撞擊環(huán)形網(wǎng)后動(dòng)能迅速減少。0.15 s 時(shí)環(huán)形網(wǎng)內(nèi)能達(dá)到峰值90.05 kJ，此時(shí)落石速度降為0，隨后環(huán)形網(wǎng)內(nèi)能在短時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，變化不大。環(huán)形網(wǎng)吸收的總能量約占落石總能量的80%，可知環(huán)形網(wǎng)為柔性棚洞最主要的吸能構(gòu)件，實(shí)際工程中應(yīng)特別重視金屬網(wǎng)的質(zhì)量及防護(hù)工作。

落石與環(huán)形網(wǎng)接觸部位沖擊力時(shí)程曲線見圖6?？芍郝涫畲鬀_擊力為220.63 kN，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為落石與環(huán)形網(wǎng)首次碰撞。柔性金屬網(wǎng)承載力約292.63 kN，故環(huán)形網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)。

圖6 落石與環(huán)形網(wǎng)接觸部位沖擊力時(shí)程曲線

3.3.2 環(huán)形網(wǎng)變形分析

由于柔性棚洞主要依靠環(huán)形網(wǎng)的變形來吸收能量，一般情況下環(huán)形網(wǎng)受到荷載作用時(shí)變形越大其吸收的能量越多。設(shè)計(jì)柔性棚洞時(shí)除了要滿足防護(hù)能級(jí)要求外，還需考慮變形的影響。

沖擊部位落石豎向位移時(shí)程曲線見圖7。可知：沖擊部位落石最大豎向位移為1.208 m，小于棚洞至正洞內(nèi)輪廓最小距離2.32 m（參見圖3），即落石沒有侵入鐵路限界。

圖7 落石豎向位移時(shí)程曲線

3.3.3 應(yīng)力分析

1）縱向支撐繩內(nèi)力

該柔性棚洞總共布置了69 根直徑18 mm 的縱向支撐繩，中間的16 根支撐繩位置及編號(hào)見圖8。其峰值軸力見表3。

圖8 中間16根支撐繩位置及編號(hào)

表3 縱向支撐繩軸力

由表3可知：在落石沖擊作用下，7#，8#，9#，10#支撐繩軸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他支撐繩，各縱向支撐繩中最大軸力為91.7 kN。GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》中規(guī)定：直徑18 mm、抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa 的鋼芯鋼絲繩最小破斷拉力為204 kN，故各縱向支撐繩在整個(gè)過程中均處于正常工作狀態(tài)。

2）鋼管支撐應(yīng)力

落石沖擊作用下柱間鋼管支撐應(yīng)力云圖見圖9?？芍褐g鋼管支撐最大應(yīng)力為211.3 MPa，鋼管的屈服應(yīng)力為235 MPa，故鋼管未屈服。

圖9 落石沖擊下柱間鋼管支撐應(yīng)力云圖

3）鋼拱架應(yīng)力

落石沖擊作用下鋼拱架應(yīng)力云圖見圖10。可知：落石沖擊作用下鋼拱架最大應(yīng)力為153.8 MPa，小于Q345B 鋼材的屈服強(qiáng)度345 MPa，鋼拱架處于線彈性工作狀態(tài)。

圖10 鋼拱架應(yīng)力云圖

4 工程應(yīng)用

該柔性棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于西安—成都高速鐵路。該高速鐵路紙坊1 號(hào)隧道進(jìn)口柔性棚洞實(shí)景見圖11。安裝3年來柔性棚洞防護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)良好，未發(fā)生落石破壞環(huán)形網(wǎng)侵入鐵路限界的情況。表明柔性棚洞設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)安全可靠，可推廣應(yīng)用于其他類似工程。

圖11 柔性棚洞實(shí)景

5 結(jié)論

通過工程實(shí)例建立柔性棚洞數(shù)值模型，模擬了落石沖擊過程，從能量、變形、應(yīng)力3 方面分析了柔性棚洞的可靠性。結(jié)果表明，柔性棚洞能夠?qū)Τ跏紕?dòng)能為100 kJ的落石進(jìn)行有效攔截，沒有出現(xiàn)支撐繩破斷、落石侵入鐵路限界等現(xiàn)象，可以正常工作。由此可見，柔性棚洞設(shè)計(jì)安全可靠。

相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土棚洞，柔性棚洞本著“安全適用、節(jié)約環(huán)?！钡脑O(shè)計(jì)理念，“以柔克剛”吸收落石的沖擊能量。柔性棚洞不需要大面積基礎(chǔ)開挖，對(duì)環(huán)境影響小。柔性棚洞為非封閉式結(jié)構(gòu)，有利于隧道洞口的采光并可大大減少列車氣動(dòng)壓力的影響。各構(gòu)件均可工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間短，造價(jià)低，應(yīng)急能力強(qiáng)，維修方便。其在場(chǎng)地條件差的隧道洞口以及既有工程改造項(xiàng)目中有較大優(yōu)勢(shì)。