巩 跃 龙

(山西交通控股集团有限公司晋城高速公路分公司，山西 晋城 048000)

0 引言

我国在落石方面的研究起步较晚，既有高边坡的危岩体落石研究[1-3]尚需完善。中西部地质构造复杂，岩体破碎，极易发生危岩、泥石流、崩塌、滑坡等地质灾害；落石灾害因随机性大，突发性强，预测、防治困难，已经成为突出的地质灾害问题[4-6](见图1)。

目前，工程中常采用的防护措施有主、被动网、拦石墙、棚洞、明洞以及锚固等形式。然而当防护面积过大时，主动网不经济；传统的拦石墙、被动网需要确定落石运动路径以及最佳拦截位置[7，8]，而现有的手段都只能进行二维平面落石分析，与实际落石结果相差太大。为此，实际工程中采用钢筋混凝土结构形式的棚洞或明洞，对落石进行防护。当棚洞或明洞直接承受落石冲击作用时，受到的冲击动荷载大，导致结构的体积、重量极大，常需要埋深大、断面尺寸大的结构，其成本高，施工难度大、时间长，运行期间补建，时常需要断道施工。近年来，以钢桁架为主体结构，上面铺设柔性金属网为消能缓冲件的柔性钢棚洞起到了良好的工程效果。

柔性钢棚洞结构利用了金属网“以柔克刚”的特点，具有结构可靠、施工便捷、应急能力强、造价经济、外形美观等优点；有关棚洞结构设计也得到了长足的发展。何思明等[9,10]研究了滚石在坡面运动过程中的法向冲击响应与坡面土体屈服特性，在此基础上，提出了滚石法向恢复系数与切向恢复系数计算方法；Delhomme等[11]提出了基于金属耗能器的新型滚石防护棚洞；汪敏等[12，13]设计了一种由型钢拱架和环形网组成的柔性棚洞，并对其开展了落石冲击试验研究。目前国内还缺乏对整体棚洞受冲击动力时系统的研究。施加在棚洞结构上的冲击力，与很多种因素有关，如落石的质量、冲击速度、形状等，如何定量评价落石冲击压力成为棚洞结构设计的关键。

本文结合拍盘隧道出口危岩体滚落运动规律，利用冲击数值模拟，分析了钢结构棚洞在落石冲击荷载作用下的受力、变形以及稳定性，验证了其工程的适用性，为类似工程提供参考及借鉴。

1 工程概况

1.1 地质概况

拍盘隧道K1081+266(济源端)为分离式双洞隧道，洞口为端墙式洞门结构形式，洞门之上的高陡岩质边坡分为上部边坡、下部边坡两部分，上、下边坡之间为植被覆盖的斜坡。上部高陡岩质边坡沿坡体走向长约70.0 m，高约59.5 m～79.8 m，面积6 685 m2，岩壁倾向170°，平均坡角53°，局部坡面陡立；下部高陡岩质边坡沿坡体走向长约70.0 m，高约95.9 m～134.6 m，面积7 336 m2，岩壁倾向170°，平均坡角79°，局部坡面陡立。左洞口边坡顶部的斜坡沿坡向宽1.2 m～26.8 m，高1.1 m～17.3 m；右洞出口上、下边坡之间的斜坡沿坡向宽24.6 m～37.5 m，高0.5 m～22.8 m；斜坡植被发育，主要为草灌木，覆盖率约90%，斜坡土壤瘠薄，草灌木根系扎根于斜坡风化岩体裂缝之中。白云岩与灰岩地层近水平产出，岩体中共发育3组结构面，分别为：1)层面：320°∠4°，厚层状，倾向坡内；2)节理组1：170°∠80°，与坡向一致，陡倾向坡外；3)节理组2：60°∠74°，节理面陡倾，与坡面近垂直。受节理、结构面切割岩层内结合较差，呈块状结构，局部较破碎。根据GB 50021—2001岩土工程勘察规范(2009年版)及GB 50550—2013建筑边坡工程技术规范，该岩质边坡坡体岩体结构类型为块状结构，岩体的完整程度等级为整体较完整、局部较破碎，边坡岩体类型为Ⅱ类。

1.2 危岩带基本特征

根据坡体地形条件、坡面危岩特征，将隧道洞口以上岩壁分为2个危岩带(编号为WYD1,WYD2)，危岩带分布面积共达12 175 m2，危岩体积约7 544 m3。

1.3 结构面稳定性分析

危岩带赤平投影分析见图2。

从图2可以看出，岩层近水平产出，微倾向坡内，边坡属于反向坡；该边坡共发育三组结构面，除岩层面近水平外，其他两组均为高角度节理面。两组结构面组合形成的切割体中存在不稳定结构，故该边坡处于不稳定状态。

2 落石运动分析

根据对其边坡地质分析，设边坡动摩擦系数0.5，滚动摩擦系数0.15，模拟0.5 t落石重量进行统计分析。

落石初始条件：水平初速度为0 m/s，竖向初速度为0 m/s。

跌落统计次数：100次(根据此次数进行概率统计)。

落石断面形状分别包括：圆形、椭圆形、三角形、六角形、八角形、菱形、方形等。

落石属性：V为0.2 m3；γ为2 500 kg/m3；m为500 kg。

利用Rocfall软件进行落石分析；Rocfall是一款统计陡峭岩质边坡落石评价其安全性的软件，它可以计算落石的动能、速率、弹起高度以及落点位置(见图3)。

通过落石分析可以得出，在此断面中初始条件下，最大冲击能级约370.32 kJ，落石停留的位置主要在隧道出口底部20 m范围左右。

3 柔性钢棚洞方案

3.1 柔性钢棚洞简介

柔性防护钢棚洞以钢结构钢架作为主体，铺设柔性防护网作为落石防护网。充分利用了柔性防护网“以柔克刚”的特点，增加了棚洞的采光度，减小运营时采光以及通风的成本(见图4)。

柔性防护棚洞由支承结构和缓冲结构组成，其中支承结构包括钢拱架、系杆和刚性支撑构成，缓冲结构由拦截网、缓冲支承绳、耗能装置组成，棚洞各个构件功能为：

1)支承结构：由钢拱架、系杆和刚性支撑组成，为缓冲结构提供支撑；

2)拦截网：用于拦截落石、直接承受落石冲击；

3)缓冲钢丝绳：连接耗能装置，用于传递落石冲击力，当冲击力达到耗能器启动阈值时、触发耗能器启动；

4)耗能装置：用于耗散落石冲击能量。

3.2 拍盘柔性钢棚洞设计方案

拍盘隧道出口桥面宽度11 m，且两侧均有混凝土护栏，在不拆除护栏影响桥梁主体结构情况下，运用“夹板型”底板连接。断面图如图5所示。

柔性钢棚洞钢拱架半径5.3 m，跨度11 m，拱架距5 m，总长50 m左右。钢拱架采用焊接H型钢H400×220×8×14，材料为Q345B支座材料为345B，预埋件材料为Q235；撑杆采用无缝钢管，材料为Q235B。材料参数见表1。

表1 材料参数

4 柔性棚洞数值模拟

4.1 模型结构

本次模拟中环形网选用R12/3/300；抗拉强度不低于1 770 MPa，钢丝采用缠绕形编制方式，单个环由单根钢丝相互缠绕12圈而成外径300 mm的圆环，每个环应与周边4个环相扣。模型中纵向绳和环形网接触滑移关系，环形网和钢拱架连接关系，环形网的收边简化为纵向绳穿过环形网，可沿着中跨拱架滑移，且固定于边跨拱架；沿着拱架布置一道环向支撑绳，环向支撑绳锚固于地面，端部环形网通过卸扣与环向支撑绳连接。底边设置一道收边绳，底部环形网通过卸扣与收边绳相互连接。

4.2 模型分析条件

1)边界条件。

钢拱架柱脚处固定连接，环向支撑绳铰接连接。

2)接触关系。

a.纵向支撑绳穿过环形网，可沿着中跨钢拱拱架滑移，且固定于边跨拱架。

b.落石与环形网、环形网与环形网、环形网与卸扣均为接触关系，卸扣与纵、环向支撑绳为引导滑移关系。

4.3 冲击作用下系统能量

LS-DYNA程序是功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性和接触非线性程序。

整体计算模型图如图6所示。

系统的动能、内能、能量比、滑移能(分别对应图7a)～图7d))在计算时间内的时程曲线如图7所示。

一般情况下，系统在受到荷载作用时变形距离越大，金属网吸收的能量越多。其Z向位移时程曲线如图8所示。

从系统的动能和内能的转化可知，当t=0.15 s时，落石的冲击能量基本全部被柔性网片吸收，此时网片的变形也达到最大值，即0.99 m左右。0.1 s后滑移能逐步增加，同时，系统能量比保持在数值1附近，表明此系统受力扩散较为合理，说明系统配置适当。

5 实际应用

拍盘隧道出口钢棚洞于9月份开始施工，根据棚洞的施工安排，当其完成20 m施工时(见图9)，同时对坡体危岩进行加固施工；由于坡体施工扰动，10月8号坡体危岩发生了坠落事件(见图10)，被棚洞挡住，且棚洞没有发生任何损伤。掉落的岩块直径约为60 cm，掉落高度约为80 m，估算冲击能级约为400 kJ。

6 结语

1)本文根据晋(城)—济(源)高速公路拍盘出口隧接桥这一特征，设置柔性钢结构棚洞对洞口桥体进行落石防护，满足了工程要求。

2)以落石冲击作用下柔性棚洞为研究对象，运用LS-DYNA进行冲击动力数值模拟，结果表明此方案系统配置合理。

3)随着柔性支护理念的发展，柔性棚洞会占据着十分重要的位置，但是目前的研究尚不够透彻。例如耗能构件的布置、结构尺寸效应以及金属网片参数等等都有待于进一步进行研究。