殷強(qiáng)　李樹(shù)鼎　雷洛

【摘 要】國(guó)道213線映秀至汶川公路沿線崩塌災(zāi)害發(fā)育，文章以老虎嘴工點(diǎn)存在飛石、掉塊為例，介紹了一種利于快速修建、利于既有道路保通的輕型裝配式棚洞結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)綜合治理，多級(jí)設(shè)防，裝配化施工的原則，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，落石分析及棚洞結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行了論述，可為同類(lèi)型建設(shè)條件下地災(zāi)防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】裝配式; 棚洞; 飛石; 保通; 綜合防護(hù)

【中圖分類(lèi)號(hào)】U453.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

1 棚洞防護(hù)

國(guó)道213線映秀至汶川段公路老虎嘴路段位于“5·12”汶川特大地震極重災(zāi)區(qū)中心區(qū)域，歷時(shí)3個(gè)月方才艱難打通。原路線形指標(biāo)差、沿線地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，汛期多次中斷交通?；謴?fù)重建時(shí)該段利用原路，局部對(duì)不滿足規(guī)范要求的平、縱面進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，其中K3+571～K3+890豆芽坪坡面泥石流嚴(yán)重路段設(shè)置319 m拱形明洞通過(guò)（圖1）。

該段為國(guó)道213、國(guó)道317線以及映汶高速汶川北互通至映秀連接線的共用路段，日均交通量大，重車(chē)、客車(chē)多。原設(shè)計(jì)明洞范圍外K3+481～K3+571段路基施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)受強(qiáng)降雨影響，該段邊坡雖未發(fā)生大規(guī)模崩塌，但出現(xiàn)零星飛石掉塊的情況，威脅過(guò)往車(chē)輛、人員和施工安全，需增加落石防護(hù)，保證運(yùn)營(yíng)安全。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

該段老路下臨岷江老虎嘴堰塞湖，內(nèi)側(cè)傍山，約60～70 m高，坡度40～70 °，局部段落近乎直立。路線利用搶險(xiǎn)保通時(shí)原山體開(kāi)挖形成。右側(cè)坡體總體呈折線形，下陡上緩，基巖出露。崩塌落石發(fā)育長(zhǎng)度80～90 m，最大相對(duì)高差60～100 m。斜坡基巖為元古代澄江—晉寧期閃長(zhǎng)巖，碎裂狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)卸荷帶，表層巖體異常破碎，閃長(zhǎng)巖中節(jié)理裂隙發(fā)育。巖體被切割呈碎塊狀及塊狀，且發(fā)育有傾向坡外的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，崩塌以滑移式和墜落式為主。

據(jù)調(diào)查，崩落塊石塊徑以0.2～1.0 m居多，主要失穩(wěn)區(qū)高度30～60 m，失穩(wěn)軌跡主要為沿斜坡墜落、彈跳、滾動(dòng)至路面上，威脅施工及后期運(yùn)營(yíng)安全。單個(gè)危巖塊體在崩塌墜落過(guò)程中，巖塊受斜坡影響，普遍存在跳躍、彈跳性墜落，而不同規(guī)模、位置的塊體軌跡是不一致的，具有隨機(jī)性，同時(shí)由于該段邊坡高陡，裂隙發(fā)育，不排除極端情況下高位崩塌、飛石的可能，因此需采取多種措施進(jìn)行綜合防護(hù)處治。

3 棚洞設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

考慮到老虎嘴路段交通量大，橫坡較陡，既有路基寬度受限，路側(cè)無(wú)法修建保通便道，且無(wú)法繞行，施工過(guò)程中不能斷道、保通難度極大。因此擬定了如下設(shè)計(jì)原則：

（1）便于實(shí)施、利于保通，施工期間不能斷道。

（2）綜合治理，多級(jí)設(shè)防，分級(jí)耗能，提高道路自身抗災(zāi)能力，保障結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。

3.2 方案比選

現(xiàn)有的棚洞通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及型鋼棚洞。其中鋼筋混凝土多為拱式、框架式結(jié)構(gòu)，或內(nèi)外墻支撐、構(gòu)筑頂棚架并回填而成的洞身構(gòu)造（圖2～圖3）。

對(duì)于鋼筋混凝土棚洞，其優(yōu)點(diǎn)是抗災(zāi)能力強(qiáng)，但無(wú)論是框架棚洞或是拱式棚洞等，其施工工序復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)，常規(guī)棚洞均需斷道施工，對(duì)既有道路通行干擾較大，交通影響時(shí)間長(zhǎng)。

型鋼棚洞主要為輕型鋼結(jié)構(gòu)柔性棚洞，分別有型鋼棚架、型鋼拱架+柔性防護(hù)網(wǎng)等，適用于地形受限、棚洞頂無(wú)法回填土的路段，安裝便捷、防護(hù)能級(jí)相對(duì)較低，主要結(jié)構(gòu)為型鋼構(gòu)件，需定期維護(hù)和更換，崩塌飛石易損壞、更換困難，養(yǎng)護(hù)成本高（圖4、圖5）。

該段受地形條件限制，路基寬度不足，保通壓力和施工干擾大，無(wú)法設(shè)置抗災(zāi)能力更強(qiáng)的拱形明洞或矩形框架棚洞，而型鋼棚洞方案存在抗災(zāi)能力相對(duì)較低、后期養(yǎng)護(hù)成本高等原因，針對(duì)本工點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)及其對(duì)道路運(yùn)營(yíng)安全威脅的方式，設(shè)計(jì)在綜合防護(hù)基礎(chǔ)上提出了一種利于快速修建且便于保通的裝配式輕型棚洞方案。

3.3 裝配式輕型棚洞防護(hù)方案

3.3.1 綜合防護(hù)

為保證施工安全，首先對(duì)部分危巖體進(jìn)行清除，于距路面60～70 m高度斜坡平臺(tái)主要危巖體范圍掛防護(hù)能級(jí)1 000 kJ的簾式導(dǎo)石網(wǎng)進(jìn)行綜合防護(hù)。

考慮到簾式網(wǎng)開(kāi)口處防護(hù)網(wǎng)攔截高度、位置設(shè)置有限，可能存在零星處于高位、直徑較小的飛石直接越過(guò)防護(hù)網(wǎng)從而威脅道路行車(chē)安全的情況，在清危、簾式網(wǎng)綜合防護(hù)的基礎(chǔ)上設(shè)置輕型棚洞進(jìn)行防護(hù)（圖6）。

3.3.2 棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

棚洞采用梁柱式+頂板結(jié)構(gòu)，縱向15 m設(shè)置一道矩形橫梁、樁柱式基礎(chǔ)，橫梁上縱向擱置鋼筋混凝土空心板。橫梁與頂板采用預(yù)制件，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

棚洞上部采用15 m跨徑的預(yù)制空心板（利用本項(xiàng)目既有16 m空心板模板，常規(guī)采用預(yù)制矮T梁承載能力更好），板頂設(shè)置整體化鋼筋混凝土調(diào)平層，鋪設(shè)松散土回填+EPS泡沫板和廢舊輪胎緩沖層。下部橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土矩形截面，橫梁下部外側(cè)采用鋼筋混凝土圓形柱、樁基礎(chǔ)，內(nèi)側(cè)采用鋼筋混凝土方柱、樁基礎(chǔ)。鋼筋混凝土方柱靠山側(cè)設(shè)置6根32 mm錨桿錨固于基巖限制橫向位移（圖7～圖9）。

3.3.3 預(yù)制拼裝矩形橫梁

預(yù)制橫梁吊裝重量86 t，墩柱和預(yù)制橫梁之間通過(guò)灌漿套筒進(jìn)行連接，灌漿連接套筒（D=80 mm）采用高強(qiáng)球墨鑄鐵制作，采用成整體灌漿連接型，灌漿套筒設(shè)置在橫梁底面，灌漿式鋼筋連接構(gòu)造由連接套筒、螺紋鋼筋、灌漿料及相關(guān)配件組成。灌漿連接套簡(jiǎn)與高強(qiáng)無(wú)收縮水泥灌漿料組合體系性能符合現(xiàn)行JGJ107-2016《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》I級(jí)連接接頭要求，其工藝如下（圖10）。

（1）墩柱頂對(duì)應(yīng)位置預(yù)留連接鋼筋，其長(zhǎng)度滿足灌漿套筒連接鋼筋錨固構(gòu)造長(zhǎng)度10D要求。保證其垂直度及平面位置準(zhǔn)確。

（2）預(yù)制橫梁時(shí)，橫梁底部埋設(shè)灌漿套筒，套筒安裝時(shí)，采用橡膠密封塞將其固定在底模上，套筒與底模垂直。連接鋼筋從套筒預(yù)埋端插入，采取措施固定并安裝密封環(huán)，防止漏漿。與套筒連接的灌漿管也需要定位準(zhǔn)確，安裝穩(wěn)固。

（3）橫梁運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，墩柱與橫梁拼裝前，在墩頂臺(tái)頂面鋪設(shè)高強(qiáng)砂漿，用吊車(chē)拼裝墩柱與橫梁。

（4）按照設(shè)定配比稱重灌漿料。灌漿時(shí)，由套筒下方注漿孔注入，待其它套筒的出漿孔出漿時(shí)，對(duì)出漿孔進(jìn)行封閉。

3.3.4 施工及交通組織方案

下部樁基采用人工挖孔施工，現(xiàn)場(chǎng)立模澆筑墩柱，在下部施工同時(shí)，預(yù)制橫梁、空心板，現(xiàn)場(chǎng)吊車(chē)拼裝矩形橫梁、空心板后澆筑整體防水層、回填、鋪設(shè)緩沖層。

施工過(guò)程中僅預(yù)制橫梁、板梁吊裝時(shí)利用夜間或車(chē)流量較小時(shí)段臨時(shí)中斷交通安裝。整個(gè)施工期間基本能保證車(chē)輛通行需求。

4 輕型棚洞數(shù)值分析

4.1 落石計(jì)算

國(guó)內(nèi)對(duì)落石災(zāi)害的基礎(chǔ)研究較薄弱，目前公路行業(yè)僅有JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》有關(guān)落石計(jì)算的技術(shù)規(guī)范，但這些算法的適宜性、合理性一直未能得到充分討論和厘清。葉四橋等[3]等選擇國(guó)內(nèi)外代表性的5種沖擊力算法系統(tǒng)對(duì)比分析，同等條件下的沖擊力計(jì)算結(jié)果差異達(dá)數(shù)倍甚至幾十倍、上百倍。按照國(guó)內(nèi)隧道設(shè)計(jì)細(xì)則推薦的落石沖擊力算法實(shí)際計(jì)算的是落石沖擊過(guò)程平均沖擊力，而并非最大沖擊力，從而導(dǎo)致工程應(yīng)用中計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重偏小。

工程實(shí)踐表明，在防護(hù)結(jié)構(gòu)上設(shè)置墊層材料能有效地減輕落石的沖擊力，何思明[4]以典型落石防護(hù)結(jié)構(gòu)為原型，根據(jù)球形壓模壓入半空間基本理論，提出落石沖擊力會(huì)導(dǎo)致墊層材料產(chǎn)生塑性變形，從而推導(dǎo)了落石沖擊壓力計(jì)算公式。采用該模型和沖擊壓力計(jì)算公式，擬定坡面有一直徑為0.5 m的落石垂直沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，落石施加在防護(hù)結(jié)構(gòu)上的沖擊壓力及其分布特性相關(guān)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)該模型提供的沖擊壓力公式落石作用在墊層材料上的最大沖擊壓力、墊層材料最大壓縮量、最大接觸圓半徑等計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

4.2 棚洞計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用midascivil軟件進(jìn)行三維有限元分析。上部梁體采用梁格法建立梁板模型，各主梁間采取鉸接的連接方式（圖11）。

4.2.1 梁體強(qiáng)度計(jì)算

落石按極限沖擊壓力加載于空心板邊梁跨中時(shí)為最不利工況。采用基本組合與偶然組合時(shí)，跨中最大正彎矩設(shè)計(jì)值為1 558 kN·m，空心板所能提供的抗力為1 929 kN·m。最大剪力設(shè)計(jì)值為385 kN，截面所提供的抗力為633 kN。

4.2.2 橫梁強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)落石沖擊力作用在支點(diǎn)附近且靠近蓋梁跨中位置時(shí)，蓋梁跨中受力最不利。采用基本組合與偶然組合時(shí)，跨中最大正彎矩設(shè)計(jì)值為5 545 kN·m，橫梁所能提供的抗力為45 180 kN·m。最大剪力設(shè)計(jì)值為2 652 kN，截面所提供的抗力為7 318 kN。

4.2.3 抗震驗(yàn)算

樁基均采用空間梁?jiǎn)卧A(chǔ)邊界條件按地質(zhì)建立有限元模型。為模擬樁-土共同作用，對(duì)于地面線以下的樁基礎(chǔ)，采用土彈簧模型模擬。根據(jù)JTGD63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的“m法”確定土的地基系數(shù)C，再由其計(jì)算出土彈簧的剛度。

本項(xiàng)目位于地震烈度Ⅷ度、地震動(dòng)峰值加速度0.2g地區(qū)，特征周期0.35 s，場(chǎng)地類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。根據(jù)JTG/TB02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》進(jìn)行了E1、E2地震兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段驗(yàn)算（表3、表4）。

對(duì)于E2地震作用下方柱M≥Meq，M≤1.5Meq，墩柱屈服，需進(jìn)一步驗(yàn)算E2地震作用下墩頂?shù)奈灰坪退苄糟q位置的抗剪強(qiáng)度，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表5。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建設(shè)條件和既有道路保通要求，該裝配式輕型棚洞方案構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確、施工快捷，施工過(guò)程中能夠保障運(yùn)營(yíng)道路的通行需求，建成通車(chē)后運(yùn)營(yíng)狀況良好?？捎糜诒Ｍㄒ筝^高的、常規(guī)棚洞無(wú)法設(shè)置的山區(qū)公路借鑒推廣（圖12）。

參考文獻(xiàn)

[1]四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.《國(guó)道213線映秀至汶川段公路“7.9”山洪泥石流災(zāi)害恢復(fù)重建工程兩階段施工圖設(shè)計(jì)文件》[R].2015.

[2]四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.《映秀至汶川公路通道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》[R]，2013.

[3]葉四橋，陳洪凱，唐紅梅.落石沖擊力計(jì)算方法的比較研究[J].水文工程地質(zhì)，2010（3）.

[4]何思明.滾石對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊壓力計(jì)算[J].工程力學(xué)，2010（9）：175-180.

[5]JTG/T B02-01-2008 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[定稿日期]2021-04-22

[作者簡(jiǎn)介]殷強(qiáng)（1977～），男，碩士，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)、咨詢工作。