付兵先

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

随着铁路隧道的大规模修建，一些新建铁路隧道不可避免地会穿越许多地势高陡的山区，这些地段在降水、地震等自然灾害的作用下，会形成危岩、落石、崩塌等灾害。由于落石灾害具有随机性和突发性，对其运动路径进行准确预测比较困难。因而此类灾害对隧道口段及相邻的桥梁、线路造成巨大危害，严重危及行车安全。目前，常用的洞口防护结构有明洞或棚洞、主动和被动防护网、柔性钢结构棚洞等[1-2]。

钢筋混凝土明洞或棚洞防护性能好，但是钢筋混凝土明洞或棚洞结构质量大，基础埋深大、断面尺寸大，导致施工难度大，建设成本高。另外，在桥隧过渡段，机械设备无法进入施工场地，无法进行回填施工。主动防护网具有高柔性，高防护强度，易铺展，适应任何坡面地形，安装程序标准化、系统化等特点，可有效防护崩塌落石、风化剥落、泥石流等坡面地质灾害。但是目前常用的主被动防护网的防护能力有限。柔性钢结构棚洞以钢结构框架作为承载体，以柔性网作为防撞体。柔性防护网系统是一种高效的落石防护技术。但由于其网片本身呈镂空状，实际使用时，对粒径小、能量低的落石和碎石块的防护效果往往有限，甚至无法防护。

国内外学者对隧道洞口防护结构及相关技术进行了大量研究，并取得了一定的研究成果。刘雷[1]提出了一种桥隧相连处翼缘板纵梁式矩形框架型和拱墙型棚洞，并对棚洞结构受力以及空气动力学效应开展了计算分析；汪敏等[3]提出了一种主要由钢拱架与ROCCO圆环金属网组成的柔性钢结构防护结构，并对柔性结构的受力进行了试验研究；杨建荣等[4]提出一种适用于铁路线路落石防护的新型柔性棚洞，利用金属柔性网和弹簧撑杆组成柔性耗能结构取代传统钢筋混凝土棚洞顶部铺设的砂、砾石垫层来达到缓冲消能目的；何思明等[5]提出了一种新型耗能减震滚石棚洞结构；王林峰等[6]提出了一种消能棚洞，并对落石冲击计算及消能效果进行了研究；王琦等[7]对橡胶缓冲垫层保护下棚洞结构的落石冲击力学响应进行了研究。除此以外，成都奥斯特公司开发了适用于桥隧相连隧道洞口的柔性防护结构，该结构采用型钢骨架，上覆柔性网，通过网片大变形对落石进行卸载并弹开，具有良好的落石拦截性能。

根据以上防护结构的优缺点，本文提出一种新型承载结构形式，即装配式波纹管(板)结构。开展落石冲击作用下波纹板防护结构受力特征研究，对比分析试验和数值模拟结果，为后续柔性棚洞的优化及设计计算理论的建立奠定基础。

1 防护结构落石冲击足尺试验

波纹板是将厚2～10 mm的钢板压成波纹，经冷弯加工成相应弧度，采用热浸镀锌、喷涂涂层，然后通过高强螺栓连接，形成的拱(圆)形的承载结构。由于惯性矩和截面系数较平板结构增大，增加了抗压及抗弯性能，加工成的拱形结构承载力进一步提高。波纹板结构板材为延性结构，能够承受较大的冲击荷载。因此，波纹板结构作为隧道洞口防护结构具有明显的优势。

1.1 试验设计

为了验证波纹板作为隧道防护结构的可行性，选取典型波形并制作了1∶1的足尺试验模型进行落石冲击荷载作用下波纹板防护性能试验，分析结构的动态响应。

1.1.1 防护结构设计

试验用波纹板内轮廓圆弧半径较时速350 km高速铁路隧道断面的内轮廓圆弧半径大0.5 m。试验采用300 mm×110 mm波形，壁厚8 mm，材质为Q345钢，连接螺栓采用M24高强螺栓，强度等级为 S10.9。冲击试验过程中对结构受力及变形特性进行了监测。试验结构设计及监测点布置如图1所示。

图1 冲击试验结构设计及监测点布置示意(单位：cm)

1.1.2 冲击能量计算

隧道洞口危岩落石主要从隧道口的仰坡滚落以及直接从山体垂直掉落。冲击时落石的总动能为平动动能与转动动能之和。冲击能量W计算式为

(1)

式中：M为落石质量，kg;V0为落石冲击速度，m/s；I为岩石滚动时的惯性力矩，kg·m2/s2；ω为岩石滚动时的角速度，rad/s。

为防止落石冲击波纹板后对其附近建筑物造成破坏，落石设计成带棱角的六面体，落石外边采用钢板焊接，内部灌注钢砂，落石总质量4.0 t。落石见图2。

图2 冲击试验用落石

1.2 试验工况

本次试验主要模拟最不利情况，因此选择垂直冲击。冲击能量只考虑平动动能，忽略转动动能。试验工况见表1。

表1 试验工况

采用铅垂线确定冲击作用位置，让落石沿铅垂线自由下落后，冲击作用到波纹板防护结构的跨中位置(见图3)。利用高速摄像机对落石冲击碰撞过程进行拍摄，在拍摄过程中设置相机的采样频率为 300 帧/s。

图3 现场冲击试验

2 试验结果

2.1 波纹板内力

300 kJ冲击能量作用下，波纹板拱顶应变时程曲线见图4。

图4 波纹板拱顶应变时程曲线

由图4可知，落石冲击作用下，波纹板结构垂向、水平以及45°应变在0.14 s内达到最大值，当落石冲击波纹板结构后，落石被反弹，经过暂短时间后落石再次对波纹板进行了冲击，波纹板结构应变出现反复震荡。

波纹板不同部位应力与冲击能量关系曲线见图5。可知，在300 mm×110 mm×8 mm规格下，随着冲击能量的增大，波纹板防护结构拱顶、拱腰及边墙部位Mises应力呈非线性增大趋势，且拱顶应力最大，其次为拱腰，最后为边墙,总体在500 kJ以内。拱腰、边墙部位Mises应力未超过Q345钢板材的屈服强度，但拱顶板材应力出现局部屈服情况。因此，以屈服强度为判据，在500 kJ冲击能量下，钢板宜选用Q420及以上钢板。

图5 波纹板不同部位应力与冲击能量关系曲线

2.2 波纹板拱顶垂向变形

300 kJ冲击能量作用下，波纹板拱顶垂向变形时程曲线见图6。

图6 波纹板拱顶垂向变形时程曲线

由图6可知，落石冲击作用下，波纹板防护结拱顶垂向变形0.15 s内达到最大值，当落石首次冲击波纹板结构后落石出现反弹，经过暂短时间后落石再次对波纹板进行了冲击，波纹板结构变形出现2次峰值。

图7 波纹板拱顶垂向变形与冲击能量关系曲线

波纹板拱顶垂向变形与冲击能量的关系曲线见图7。可知，在300 mm×110 mm×8 mm规格下，随着冲击能量的增大，波纹板防护结构拱顶垂向变形与冲击能量基本呈线性关系。在350 kJ冲击能量下，波纹板防护结构拱顶垂向变形达到350 mm，在500 kJ冲击能量下，波纹板防护结构拱顶垂向变形达到510 mm。按照接触网带电部分至固定接地物的距离不小于300 mm 或跨越电气化铁路的各种建(构)筑物与带电部分最小距离不小于500 mm规定[8]，在波纹板防护结构与隧道内轮廓一致的情况下，300 mm×110 mm×8 mm 规格波纹板的最大防护等级为500 kJ。

2.3 基础压力

波纹板基础垂向压力时程曲线见图8。可知，落石冲击作用下，基础垂直压力呈脉冲式变化规律。其主要原因是波纹板受力后，基础经历了反复的拉压过程，实际采集传感器为压力传感器，采集过程中未采集到受拉过程造成的。

图8 波纹板基础垂向压力时程曲线

图9 波纹板基础压力与冲击能量关系曲线

波纹板拱顶垂向位移与冲击能量的关系曲线见图9。可知，在300 mm×110 mm×8 mm规格下，随着冲击能量的增大，波纹板防护结构基础垂向压力、水平推力与冲击能量基本呈幂函数关系且相关性较高。在500 kJ冲击能量下，波纹板防护结构基础垂向压力达到101.2 kN/m，水平推力达到41.3 kN/m。由于波纹板为面状结构，因此，冲击力传递至基础位置时落点附近压力较为均匀，结构受力较好，总体基础受力较小。

3 防护结构动态响应数值分析

3.1 计算模型

为了验证试验结果的可靠性，对落石作用下波纹板结构的动态响应进行了计算。由于落石对结构的冲击作用属于高度非线性问题，采用静态计算无法获得结构的真实受力。因此，借助于LS-DYNA有限元软件[9]建立波纹板防护结构三维动力学计算模型，分析落石冲击作用下波纹板结构的受力及变形特征。

模型纵向长度为10 m，波形为300 mm×110 mm×8 mm，波纹板内轮廓与现场足尺试验长度一致。波纹板采用Shell 163单元，落石采用Solid 164实体单元，共计 42 820 个单元，波纹板防护结构动力学分析模型见图10。

图10 波纹板防护结构动力学模型

3.2 计算参数

参数取值参见《铁路工程设计技术手册——隧道》[10]，当Q345钢波纹板进入塑性阶段后，采用双线性塑性本构模型进行分析，具体参数见表2。

表2 检算参数

3.3 计算荷载

波纹板作为隧道洞口防护结构时，需要考虑结构自重、落石冲击荷载、风荷载以及地震荷载。本次计算是为了验证足尺试验的可靠性，因此只考虑落石的冲击荷载，不考虑其他荷载。因此，波纹板结构承受的落石冲击能量分别按照100,200,300,500 kJ考虑。

3.4 计算结果分析

不同冲击能量下拱顶部位试验与计算结果对比见图11。可知，拱顶部位Mises应力、垂向变形及基础压力计算值与试验值变化规律基本吻合。但数值计算结果较足尺试验结果大，其主要原因是足尺试验时，为保证基础每个支点全部受力，基础底部采用了橡胶缓冲层结构，吸收了大部分的冲击能量。另外，螺栓孔存在一些间隙，也会吸收部分冲击能量，由此降低了结构的受力。而在数值计算中，模型为整体结构，无任何间隙，且底部为固定端，由于冲击波传递至基础位置时能量吸收较少，导致振动波出现反射，由此造成计算结果相对较大。

图11 不同冲击能量下波纹板内力及变形

由图11可知，采用300 mm×110 mm×8 mm波形且在500 kJ冲击能量作用下，波纹板防护结构拱顶部位Mises应力计算值与试验值均超过Q345钢材的屈服强度，但均未超过其极限强度；波纹板防护结构拱顶变形计算最大值为65 cm，试验最大值为51 cm，总体变形较小，后期可通过增加波纹板内轮廓半径来满足后期接触网安全距离要求；波纹板基础垂直压力计算最大值接近120 kN/m，试验最大值为101.2 kN/m。由于缓冲层作用，降低了基础的压力。因此，后期在基础内设置缓冲结构对减小基础压力具有重要意义。

4 结论

为了掌握波纹板结构在落石冲击作用下的防护性能，设计并制作了1∶1的足尺试验模型进行了冲击试验。结合数值计算结果，得到了如下主要结论：

1)波纹板防护结构通过弹塑性变形吸收了部分落石的动能，而螺栓基本上在弹性范围内吸收能量。在设计中，在满足供电安全距离的情况下，应尽可能地增加波纹板吸收的能量，减少螺栓吸收的能量。

2)采用300 mm×110 mm及以上波形时，可以抵御500 kJ落石的冲击作用。在500 kJ冲击能量作用下，即使板材个别位置出现屈服，但是整体拱顶变形最大只有0.51 m，所以采用大波形能够作为隧道洞口防护结构。实际设计时，应考虑波纹板防护结构的动态变形小于预留空间距离，从而满足铁路供电安全距离要求。

3)当防护的地点落石发生频率较高且冲击能量较大时，波纹板防护结构由于多次的冲击，结构后期会出现不同程度的损伤。因此为了提高抗冲击性能，可在波纹板防护结构背后设置缓冲层以提高波纹板防护结构的耐久性。