边坡滚石冲击荷载下明洞防护处治方案研究

时间：2024-07-28

向龙，田志宇，田尚志，王联

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院, 四川成都 610000)

边坡滚石冲击荷载下明洞防护处治方案研究

向龙，田志宇，田尚志，王联

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院, 四川成都 610000)

雅西高速公路某段经过某花岗岩开采区，对高速公路的运营安全存在极大隐患，目前国内对于边坡滚石冲击荷载一般采用棚洞结构对其防护，矩形棚洞抗冲击荷载相对较小，文章结合该工程冲击荷载大等特点，采用拱形明洞、EPS缓冲层等综合防护措施，具有较高的工程应用价值。

拱形明洞；滚石；冲击荷载； ESP垫层；缓冲层； ANSYS计算

中国西部地区地势复杂，高山峡谷众多，特殊的地质地貌引发了大量滚石山地灾害，严重威胁山区人民的安全。某高速公路经过某花岗岩开采区，边坡滚石对高速公路的运营安全存在极大隐患，目前国内对于边坡滚石冲击荷载防护一般采用棚洞结构对其防治，一般认为，采用棚洞结构对其防治是最为有效的工程措施之一。典型棚洞结构[1-3]由2部分组成：一是棚洞钢筋混凝土结构；二是覆盖在棚洞顶板上一定厚度的缓冲垫层。目的是抵御巨大的冲击力，但是此高速公路滚石冲击力荷载大，矩形棚洞无法抵抗其冲击荷载，本文结合自身特点，采用拱形明洞、EPS缓冲层等综合防护措施，具有较高的工程应用价值。

1 工程概况

雅西高速公路某段经过某花岗岩开采区，对高速公路的运营安全存在极大隐患，2012年4月24日，该地区普降暴雨，由于早期开采区上部局部受人工爆破影响，坡面起伏较大，裂隙发育，加之2011年冬季以来长时间干旱、K99+070～+130段路线左侧凹腔上方陡壁岩体结构面受短时间大量雨水下渗影响，造成岩体内静水压力陡增，结构面软化严重，滚石体在重力作用与水压力作用下失稳、崩落，砸毁坡面被动网后落到路基上。2012年7月2日，该地区连续多日晴天之后连降暴雨，早期开采区上部局部裂隙发育，滚石体在重力作用与水压力作用下失稳、崩落，砸毁坡面被动网后落到路基上，现阶段雅西高速已经通车运营，此段滚石在施工过程中虽经过多次处理，但由于斜坡高度大，局部高位滚石距现有高速公路路面约100～150 m，范围大，滚石块体具有破坏的随机性(图1)，所采用的处理措施不能根除滚石对现有高速公路的危害。为解决本路段的安全隐患，采取明洞防护措施。

图1 现场滚石

2 滚石危害预测

为了深刻认识研究区内滚石的稳定性，适应滚石整治的需要，根据滚石体的受力情况和可能破坏形式，依据DB 50/143-2003《地质灾害防治工程勘察规范》[4]所提供的方法理论来确定，滚石边界条件、规模大小，主要通过野外精细调查和室内分析确定。

研究区内滚石(带)的崩塌类型为滑移、错断-坠落及倾倒3种类型，主要以滑移、错断-坠落为主，由于各滚石规模、成因类型，滚石下方斜坡特征等各异，崩塌体运动方式亦不相同。为了解区内滚石发生崩塌落石的运动方式、运动途径以及影响范围，由试验及调查综合分析得出，研究区滚石体在脱离母岩后主要存在直(坠)落式、滚落-跳跃式与滑移-(滚动)跳跃式3种运动形式。

(1)直(坠)落式：主要为直立山坡的突出的滚石失稳脱离母岩时呈自由落体向下崩落，主要代表性滚石为W8、W12、W15等。

(2)直(滚)落-跳跃式：通常情况下，滚石脱离母岩后，向下滚动或作不定向跳跃，在直立台阶式的边坡上滚石向下崩落过程中，岩块先自由坠落，与台阶或凸出的岩体碰撞后，产生跳跃后落到地面，崩塌岩块运动距离较远，研究区滚石崩塌落石多属此类，其运动速度、运动距离受坡面平整度、植被发育情况以及坡面堆积物的影响。一般来说，在坡度较陡、坡面平整、植被稀疏、坡体堆积少的坡段，崩塌岩块作加速运动，运动距离相对较远；而在坡度较缓、坡面粗糙、植被茂密、坡体松散的坡段，崩塌岩块作减速运动，代表性滚石有W9、W22、W26等。

(3)滑移～(滚动)跳跃式：滚石脱离母岩后，向下滑移。呈此种运动方式的崩塌现象通常发生在坡度>30°斜坡体上，崩塌岩块体积一般较大且各向块径不等(呈长条状、板状等)，其运动速度、运动距离一是受滑面影响，二是岩体运动破坏下滑后，主要受坡面平整度、堆积形态以及块体大小影响。一般来说，在坡度较陡、坡面平整及坡体堆积少的坡段，崩塌岩块作加速运动，运动距离相对较远；而在坡度较缓、坡面粗糙及坡体松散的坡段，崩塌岩块作减速运动；体积越大的崩塌岩块，运动距离越远，遇陡坡时可转化为(滚动)跳跃式，代表性滚石有W7、W21。

(4)综合运动方式：有的滚石崩塌运动方式并不是一种运动方式，运动方式可互相转变，如滑移式运动滚石，滚石滑移后受斜坡及陡崖影响，部分转变为(滚动)跳跃式运动。

根据《雅西高速C12合同段K98+100～K99+200段滚石体专项调查和灾害评估分析研究报告》[5]，研究区滚石最不利或最大滚石冲击能量综合预测见表1。

表1 滚石综合预测[1]

3 明洞防护结构

3.1 明洞结构设计

明洞结构设计见图2。

图2 明洞结构设计示意

(1)明洞结构设计：明洞采用60 cm C40钢筋混凝土，采用受力较好的拱形结构形式；

(2)中间设置缓冲层：满布一层EPS(发泡聚苯乙烯)厚35 cm，其上部再布一层C30钢筋混凝土板厚20 cm，C30钢筋混凝土板中设置两道钢筋网，上部另铺设废轮胎一层(相当于加筋土)，废轮胎采取钢丝连接，形成整体；

(3)土石回填：在缓冲层底部及顶部回填土石，土石回填进行分层压实，回填需土级配良好的碎石类土、砂土、爆破石渣、卵石或块石等。

3.2 明洞施作工序

①右侧路基拓宽，场地整理→②对明洞路基开挖，根据地质条件对地基进行处理→③修建明洞结构→④防水层、浆砌片石回填、土石回填及缓冲层施作→⑤洞外截水沟及高强度钢轨格栅→⑥恢复原道路交通。

4 明洞结构计算

4.1 明洞荷载计算

根据《雅西高速C12合同段K98+100～K99+200段滚石体专项调查和灾害评估分析研究报告》，计算取值B区：最大直径2 m，速度37.53 m/s，冲击角度42.75°；C区：最大直径2.5 m，速度40 m/s，冲击角度44°。考虑边坡采取综合防护等措施，明洞结构仅按B区设防标准考虑(最大直径2 m，速度37.53 m/s，冲击角度42.75°，冲击能量8.53×103kJ)。

目前关于落石冲击方面的研究相关文献较少，根据有限的文献[6-8]可知，适当的选用缓冲材料可以有效地减小最大冲击荷载并且延长冲击时间。由于设计采用了废旧轮胎和EPS(发泡聚苯乙烯)等缓冲材料，最大冲击荷载按减小50 %，冲击时间延长1倍进行简化计算。

明洞设计荷载参照《公路隧道设计规范》[9]附录G以及《隧道》[10]计算方法进行计算(图3、图4)。

图3 拱圈回填土石侧压力计算

图4 拱墙回填土石侧压力计算

4.1.1 拱圈回填土石垂直压力

(1)

式中：qi为明洞结构上任意点i的回填土石垂直压力值kN/m2；γ1为拱背回填土石重度kN/ m3；hi为明洞结构上任意点i的土柱体高度m。

4.1.2 拱圈回填土石侧压力

(2)

式中：ei为任意点i的侧压力值kN/m2；λ为侧压力系数。

4.1.3 边墙回填土石侧压力

(3)

式中：γ2为墙背回填土石重度kN/m3；hi′为边墙计算点换算高度m。

4.1.4 挡墙主动土压力

挡墙主动土压力Ea的计算按照库仑主动土压力理论计算：

(4)

式中：Ka为库仑主动土压力系数，Ka与角α、β、δ、φ有关，而与γ、H无关；γ为填土的重度。

4.1.5 落石冲击荷载

(1)落石冲击力可近似地按下式计算。

P=QV0/gT

(5)

式中：P为落石冲击力kN；Q为落石重量kN；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；V0为冲击时的速度m/s；T为冲击持续时间s。

(2)落石冲击速度计算。

当石块直接从陡崖滚落到洞顶时：

(6)

式中：H为落石高度m；μ为系数。

(3)冲击持续时间计算。

落实冲击持续时间的计算，近似地按压缩的冲击波考虑，弹性波在缓冲回填土内的往复时间，可按下式求出：

T=2h/c

(7)

式中：h为缓冲回填土计算厚度m；c为压缩波在缓冲回填土中的往复速度，其计算式为：

(8)

其中：μ为回填土的横向变形系数(泊松系数)；E为回填土的弹性模量；ρ为回填土的密度kg/m3； γ为回填土石重度kN/m3。

(4)落石嵌入回填土内的最大深度计算。

(9)

式中：x为落石嵌入回填土内的最大深度m；φ为回填土的计算摩擦角，取为35°；F为落石嵌入回填土部分的表面，在垂直于冲击方向的平面上的投影面积m2。假设石块为半径等于R的球形，则：

当0

当x≥R时：F=πR2。

(5)冲击强度计算。

假定冲击的不利位置在拱顶正上方填土面上，冲击强度按下式计算：

(10)

式中：R为球形石块半径m，取为1 m；ε为石块冲击的分布角；h0为缓冲层最小计算厚度m，当x

(6)自重。

(11)

式中：γc为钢筋混凝土的重度kN/m3；V为钢筋混凝土的体积m3。

4.2 ANSYS数值模拟计算

4.2.1 计算模型

采用结构-荷载法计算，计算模式为平面应变模式，计算软件ANSYS。拱圈和仰拱采用BEAM3单元模拟，侧墙用PLAN42单元模拟，地层用LINK10单元模拟。计算中单位制均采用kN-m。建立的计算模型见图5，计算荷载见图6、表2。

图5 荷载结构计算模型

图6 计算荷载

表2 落石冲击荷载计算 kN/m2

4.2.2 计算结果

计算结果见图7～图11。

图7 轴力

图8 弯矩

图9 安全系数

图10 侧墙最大主应力

图11 侧墙最小主应力

结果计算明洞在冲击荷载下安全系数为1.14。侧墙的最大拉应力为9.41 MPa，大于抗拉极限强度2.7 MPa(设计中采用加强连接钢筋进行加强受拉部位)；最大压应力为13.97 MPa，小于抗压极限强度29.5 MPa；侧墙基础应力0.44 MPa冲击荷载实际为三维空间问题，本文采用二维ANSYS模型计算，结构相对较保守，满足工程要求。