劉建紅

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路向西部、山區(qū)縱向延伸，隧道在線路中所占的比例逐漸增大，并且不可避免地遇到地形艱險、山高谷深、地質條件復雜等情況。目前，為了減小危巖落石對運營安全的影響，一般除了對邊坡采用防護措施外，便是在隧道洞口接長拱形明洞［1－2］或設置棚洞結構［3－5］。但是一些洞口位于“V”型高山峽谷中的隧道，橋隧相連，坡面陡峭，巖石風化剝落，經常發(fā)生落石，且由于泥石流或泄洪需要而不能侵占原橋下凈空，所以無法用一般基礎的明洞結構解決落石防護問題。這就迫切需要一種新型的、適用于“V”型高陡峽谷的落石防護結構。

本文以寶蘭客運專線南馬棕山隧道和千家溝隧道之間落石防護設計為工程背景，對“V”型溝谷間小間距隧道的落石防護結構進行詳細的設計研究，提出一種獨立于橋設計的墩、樁基+縱梁結構上托拱形明洞的設計方案。該方案采用獨立的墩、樁基礎，上托2根沿線路方向的縱梁，用以支撐上部的拱形明洞結構。這種設計不僅徹底解決了危巖落石對鐵路安全運營的威脅，而且又不影響溝谷內的橋下凈空，并且通過在拱形明洞上開孔，能有效緩解空氣動力學效應，改善乘車的舒適度。

1 工程概況

寶蘭客專位于甘肅、陜西省境內，線路在南馬棕山與千家溝“V”型溝谷處以大水溝中橋跨越，橋兩端分別與南馬棕山隧道和千家溝隧道相連，隧道間距為65 m。

大水溝常年流水，雨季常有山洪爆發(fā)?！癡”型溝谷寬65 m，大水溝中橋為2～40 m預應力混凝土T構，T構采用掛籃懸臂灌注施工，兩端橋臺均進入隧道。

南馬棕山隧道位于寶雞市南馬棕山村，隧道地形起伏較大，山勢陡峻，河流曲折，全長1 320.4 m，洞身最大埋深約332 m。該隧道出口里程為DK681+308，其中DK681+265～+317段洞口上方存在危巖落石。

千家溝隧道地處渭河南岸峽谷，坡岸陡峻，地形起伏較大，全長443 m，最大埋深約192 m。該隧道進口里程為DK681+373，其中DK681+362～+424段存在落石，對線路影響較大的落石面積約1 300 m2，落石方量約200 m3。

2 洞口坡面防護

兩隧道洞口坡面陡峭，基巖裸露，表層花崗巖節(jié)理裂隙發(fā)育，風化較嚴重，且均存在危巖落石。為確保洞口開挖時自然邊坡的穩(wěn)定，避免隧道上方花崗巖因風化而與母體剝離，造成落石，影響鐵路的安全運營，應對洞口坡面采取有效的防護措施。

先清除坡面較大的危巖落石，然后再加固洞口一定范圍內的邊、仰坡。南馬棕山隧道出口拱頂以上及左右兩側各15 m范圍內采用錨索框架梁［6］結構防護，錨索長20 m，錨固段長5 m。錨索框架梁按矩形分布，采用C30鋼筋混凝土，梁柱節(jié)點間距3 m。框架梁內鋪空心磚+草灌防護。千家溝隧道進口拱頂以上15 m，洞口基礎以下15 m及左右兩側各30 m、隧道洞口及橋臺結構范圍以外部分采用錨桿框架梁進行加固。錨桿采用2根φ 28 mm鋼筋并聯焊接，長度均為8 m，間距3 m×3 m;框架梁內鋪空心磚+草灌防護，山體較陡處，在框架間采用掛網噴射混凝土防護。2隧道洞口范圍以外的落石采用主、被動防護網進行防護。洞口的坡面防護范圍如圖1所示。

3 拱形明洞防護結構設計

“V”型溝谷地段多為橋隧相連結構，隧道間距小，地形復雜、坡面陡峻，多有落石分布，采用支擋、防護網等措施能有效地減少落石，但是無法從根本上消除落石對鐵路橋梁及運營安全的潛在威脅。危巖落石發(fā)生后，其規(guī)模及運動軌跡存在不確定性，落石的防護難度較大。為了確保運營期間的安全，緩解空氣動力學效應，改善乘車的舒適度［7］，其落石防護結構的合理選擇及結構安全性的分析，尤為重要。

圖1 兩隧道洞口坡面防護范圍Fig.1 Protection range of side slopes between South Mazongshan tunnel and Qianjiagou tunnel

3.1 落石防護結構型式選擇

落石防護結構的型式一般有鋼筋混凝土結構和柔性鋼結構。鋼筋混凝土結構自身重力大，其結構與橋結構多采用分離式結構形式，單獨設置基礎，投資較大，但耐久性好，后期維護成本低。柔性鋼結構輕巧，制作安裝方便，并可結合橋結構進行統(tǒng)籌布置設計，造價較低，但需定期進行防銹保養(yǎng)以提高其耐久性，后期維護成本高。

綜合技術經濟比較，同時考慮材料的耐久性、后期運營維修、成本及施工難度等，并結合該工程特點，擬采用墩+梁結構上托拱形鋼筋混凝土明洞的落石防護結構。

3.2 防護結構設計

防護結構采用三跨梁式結構，中間跨度為21 m，2個邊跨為22 m。中間設4個直徑1.5 m的圓柱式墩，墩高均為19.5 m，墩底采用1.8 m的鉆孔灌注樁，樁長分別為17.5 m和19 m，深入弱風化層4 m。兩端分別設置矩形墩，墩與縱梁同寬，尺寸為2 m×3 m，高度分別為4.4 m和8 m。為保證中間墩柱的整體穩(wěn)定性及結構受力的合理傳遞，設置4道中間連接系梁，系梁尺寸為0.9 m×0.6 m，系梁豎向間距為4 m，2個邊墩底部設置基礎連接系梁，厚度為1.5 m。

墩頂設置縱梁，縱梁上托拱形明洞，兩端的矩形墩與縱梁支座連接，中間的柱式墩與縱梁固結，底梁尺寸為2 m×2 m，拱形明洞結構采用C40鋼筋混凝土結構，內輪廓與隧道相同，襯砌厚度為35 cm，外側掛廢舊輪胎防落石沖擊。上部明洞結構與沿隧道縱向設置的2根縱梁進行分離設計。其防護結構的縱斷面及橫斷面如圖2—4所示。

圖2 防護結構縱斷面布置圖(單位:cm)Fig.2 Longitudinal profile of protection structure(cm)

圖3 DK681+308橫斷面(單位:cm)Fig.3 Cross-section at DK681+308(cm)

4 防護結構分析

在結構受力分析中，若將上部明洞結構與2根縱梁組成的異型截面作為一個整體考慮，在結構自身重力的作用下，整體結構的彎矩均為正彎矩，中間墩子處上部結構正彎矩很大，其受力變形接近于中間無支撐的簡支梁;在此情況下，再加上上部結構是異型截面，則無法進行截面配筋。因此，上部明洞結構與梁在構造上應該分隔開，支撐于梁上，梁承擔自身與上部結構的重力。這樣，結構功能明確，受力清晰，并且便于上部結構的配筋。

上部明洞結構主要承受自身重力、落石的沖擊能力、風荷載和雪荷載。對落石的運動軌跡進行數值模擬研究，并采用Midas－GTS軟件對拱形明洞結構進行分析。

圖4 DK681+328橫斷面(單位:cm)Fig.4 Cross-section at DK681+328(cm)

4.1 落石模擬計算

假定有一體積為0.5 m3、約1 t落石從危巖區(qū)脫離，并向下滾落，落石水平初速取0.1 m/s，隨機拋擲50次;考慮到隧道洞口上方一定范圍內，風化巖層或土層要進行清理，并對坡面采用骨架護坡或噴錨加固等處理措施，在本次模擬計算中，假定落石下落所經坡面為較光滑的硬巖，明洞頂面為混凝土;假定落石完全在洞口明洞長度范圍內運動，并以此確定明洞的計算長度。

經計算分析，隧道洞口落石的運動軌跡分別如圖5和圖6所示。

南馬棕山隧道蘭州端洞口落石開始沿坡面滑動，在沖擊到明洞頂部時彈跳較大，落石最遠停留在距明暗分界水平距離約14 m的明洞上，落石在下落過程中最大沖擊動能為283 kJ，沖擊位置在在明洞頂部;千家溝隧道寶雞端洞口落石開始沿坡面滑動，在沖擊到明洞頂部時彈跳不大，落石最遠停留在距明暗分界水平距離約3 m的明洞上，落石在下落過程中最大沖擊動能為106 kJ，沖擊位置在山坡上，沖擊在明洞上的最大動能為14 kJ。

根據落石運動軌跡的模擬分析，需要在南馬棕山隧道和千家溝隧道洞口分別設置不少于14 m和3 m的明洞。考慮到乘車的舒適度，2隧道之間設置貫通的明洞結構。落石沖擊在明洞頂上的最大動能為283 kJ，為了保證明洞結構的安全性，首先在明洞頂設置廢棄輪胎緩沖結構層，以吸收、消耗落石沖擊能量，保證落石傳遞到結構上的能量很小，并通過結構分析，結構滿足安全性要求。

4.2 拱形明洞結構分析

采用Midas－GTS應用荷載－結構模式對明洞結構進行模擬分析，計算結果如表1所示。

表1 拱形明洞結構計算結果Table 1 Calculation results of arched open-cut tunnel structure

計算表明:明洞結構的不利位置在拱頂和拱腰，按照鐵路隧道規(guī)范［8］對結構進行檢算，混凝土結構的安全系數較低，不滿足混凝土達到抗拉極限強度時的安全系數3.6，需通過配筋提高結構強度，配5 φ 22 mm鋼筋，安全系數均大于2.4。

4.3 縱向整體分析

將整體結構離散為44個單元，劃分為8個施工階段(含運營階段)，采用西南交通大學編制的《橋梁結構分析系統(tǒng)》(BSAS)程序，對縱梁及墩結構進行施工階段和運營階段的整體結構分析，并按照鐵路橋梁規(guī)范［9］對結構進行檢算。結構在主力及主力+附加荷載作用下的結構彎矩圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 結構主力彎矩包絡圖(單位:kN·m)Fig.7 Envelope of bending moment of structure under main force(kN·m)

圖8 結構主+附彎矩包絡圖(單位:kN·m)Fig.8 Envelope of bending moment of structure under main force+additional force(kN·m)

根據縱梁受力進行配筋，最大彎矩處受拉側需要配60根φ 28 mm的普通鋼筋，按照3根/束布置一排，鋼筋之間的凈距較小，布置困難，并且鋼筋用量大。因此，梁縱向考慮配置預應力鋼束。

采用等長的8根預應力鋼絞線，在縱向按照結構彎矩形狀布置。鋼絞線的布置形式如圖9所示，配置預應力鋼束后在主力及主力+附加荷載作用下的結構彎矩圖分別如圖10和圖11所示。

配預應力束后計算表明，施工過程中，梁最大壓應力 4.8 MPa，最大拉應力 1.0 MPa，滿足規(guī)范要求。運營過程中，梁最大壓應力5.7 MPa，滿足規(guī)范要求;最小壓應力0.2 MPa，未出現拉應力，梁結構設置預應力鋼束后，其截面只用按照構造配置普通鋼筋。結構最大主壓應力 5.3 MPa，最大主拉應力 0.5 MPa，截面最小抗裂安全系數1.5，正截面強度最小安全系數2.4，各參數均滿足規(guī)范要求。

從計算結果可以看出，配預應力鋼束，縱梁全截面受壓，結構不會出現裂縫，耐久性好，并且配筋量少，造價比配普通鋼筋低得多。綜合考慮，縱梁擬采用預應力鋼束。

4.4 地震力分析

采用有限元軟件Midas/Civil 2010對結構進行抗震分析，將縱梁、墩子及樁進行離散，建立結構力學模型。模型盡可能地反映實際情況，梁、墩基礎都采用空間梁單元，梁與中間柱墩采用剛性連接進行模擬，支座采用彈性連接單元來模擬，樁－土間相互作用采用三彈簧法來模擬，樁－土彈簧剛度根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》［10］，按“m 法”來進行計算。計算中，不考慮明洞結構的剛度作用，將其作為均布荷載施加于梁上，并將荷載轉化為等效質量。

采用反應譜法進行結構的地震力分析，反應譜法概念簡單，計算方便，同時考慮了地面運動和結構的動力特性，從地震動出發(fā)求解出結構的最大地震反應［11］。結構部分位置的地震力計算結果如表2所示。

表2 結構關鍵部位地震力Table 2 Seismic force for key part of structure

將地震力與主力進行組合，對墩子與樁基的配筋及樁基礎的承載力進行檢算，均滿足要求。

5 結論與討論

目前高速客運專線發(fā)展迅速，橋隧比例高，地質復雜，小間距相鄰隧道工程較多，落石防護設計尤為重要。

1)通過對南馬棕山隧道與千家溝隧道之間的“V”型溝谷地段落石發(fā)育程度及規(guī)模的調查分析，并結合數值理論分析方法對落石的運動軌跡及沖擊能量進行模擬分析，落石最大彈跳水平距離約14 m，沖擊在明洞上的最大動能為283 kJ。

2)落石防護結構采用與橋梁結構分離的墩柱+梁上托拱形明洞的結構形式，力的傳遞明確，結構受力合理、耐久性高、后期養(yǎng)護維修少。

3)由于“V”型溝谷內設計墩+梁上托鋼筋混凝土拱形明洞防護結構，在鐵路隧道設計中屬首次應用，目前工程還處于施工圖設計階段，尚未實施，其實用性有待進一步驗證。

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