廖沛源 魏记承 黎良仆

(四川省交通勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610017)

1 背景

某公路发生高位崩塌地质灾害，塌方面距道路高度约700 m，宽约100 m，垮方量约6万m3。受九寨沟7.0级地震影响发生二次垮塌，垮方量约2万m3，高位落石不断，给抢通保通工作带来了极大的困难。为尽快给地震灾区提供交通保障，展开了该段的保通方案研究。

2 方案比较

该段高位崩塌体位于公路右侧上方，坡脚距国道边缘约10 m，山体横坡50°～60°，坡体表层为薄层崩坡积块碎石土，厚度约2 m～4 m，下伏三叠系侏倭组砂质板岩夹变质砂岩，局部基岩裸露，表层岩体破碎，风化严重，节理裂隙发育，多处可见不利结构面组合，在雨季或地震等恶劣气候情况下，不利结构面形成卸荷拉裂或楔形破坏，大量块石崩塌至路面，堵塞公路造成断道，对行车安全构成严重的威胁，灾害发生后，内侧边坡仍飞石不断，给道路抢通保通工作造成了极大阻碍。

该段地处岷江U形河谷，对岸山体为巨厚覆盖层，两跨岷江+隧道绕避方案工程投资大，隧道穿越巨厚覆盖层，地质条件差、进出洞口偏压严重，河岸冲刷严重，工期长，综合考虑确定在本岸研究保通方案，高位崩塌体及对岸覆盖层如图1所示。

保通方案比较主要考虑施工安全性、施工工期、投资等方面，经初步筛选，将边坡防护方案、钢筋混凝土明洞、钢筋混凝土棚洞、钢波纹板明洞纳入最终比较。无论采用何种方案，应首先对危岩边坡进行必要防护，以保证原路保通施工安全，经综合比较，选用钢波纹管通道作为实施方案，崩塌路段地形图如图2所示。

2.1 边坡防护方案

边坡防护方案拟对危岩体采用锚索框架梁进行处治，裸露山坡坡面采用挂网锚喷进行封闭，在路基内侧设高6 m路堑挡墙，挡墙顶部设置被动网。

优点：处治工期短，造价相对较低。

缺点：实施难度大，施工安全难以保证，治理范围有限，未处治范围仍有崩塌可能，威胁道路行车安全。

2.2 钢筋混凝土明洞

明洞结构形式多样，常见的有拱形明洞和整体式矩形明洞，近年来地质灾害频发，公路工程中大量运用明洞进行抢险保通，黎良仆等[1]通过数值计算，研究了箱型明洞受力特性和影响明洞内力因素。袁松等[2]通过对汶川震后公路10年明洞病害及处治工程跟踪调查，总结了明洞建设选址、设计、施工的经验与教训。

以目前的研究成果来看，明洞结构整体性较好，相比一般路基防护结构优势明显。明洞方案拟在高位崩塌段落采用拱形明洞，在两端崩塌影响段落采用矩形明洞方案，矩形明洞开孔，以保证洞内行车视线，明洞方案如图3所示。

优点：明洞结构受力较好，基本能解决边坡飞石对公路的影响。

缺点：明洞方案投资高，崩塌现场施工时间长，现场浇筑施工，安全风险高。

2.3 钢筋混凝土棚洞

棚洞上部结构采用预制顶梁，内外墙(柱)采用现浇施工，顶部回填一定厚度的土石回填等缓冲层。

优点：工期相对较短，造价相对较低。

缺点：棚洞结构受力相比明洞较差，内侧虚渣清除后，内侧较宽，棚洞不宜回填。高位崩塌落石对棚洞结构造成较大影响，不利于棚洞的安全和稳定。另外投资相对较高，崩塌现场施工时间较长，施工风险较高。

2.4 钢波纹板明洞

钢波纹板明洞由工厂将钢波纹板(成品)运至工地现场安全地方(终点有安全场地)，现场拼装成管状结构，吊装或轨道运输到位拼接而成。

优点：钢波纹板明洞为圆形结构，钢波纹板强度高，受力好，且管状结构在场外拼装好再运至现场安装，大大减少了现场施工时间，极大地降低了施工风险。

缺点：安装工艺要求较高。

3 结构设计

根据高位崩塌影响范围及坡脚堆积范围，并经现场测量，最终确定钢波纹板明洞设置长度。

3.1 建筑限界及内轮廓

保通阶段主要考虑“通”“安全”两方面的因素，为节约投资，保证通行安全的原则确定限界宽度。

根据《公路工程技术标准》[3]，按四级公路，设计速度20 km/h时，车道宽度为3 m，路肩宽度0.25 m，净高4.5 m，则建筑限界：6.5 m×4.5 m，据此直径8 m的钢波纹板明洞满足要求。按四级公路，设计速度30 km/h时，车道宽度为3.25 m，路肩宽度0.5 m，净高5.0 m，则建筑限界：7.5 m×5.0 m，据此直径9 m的钢波纹板明洞满足要求。

考虑到施工难度及投资控制，作为临时保通工程，设计速度20 km/h更为合适，故采用直径8 m的钢波纹板明洞。所以，该明洞能满足设计速度20 km/h，双车道通行，钢波纹板明洞建筑限界及内轮廓如图4所示。

3.2 结构设计

3.2.1 结构尺寸

钢波纹板明洞受高位崩塌落石影响，冲击动能较大，采用大波形，钢波纹板壁厚应不小于7 mm，其中波距为300 mm，波高为110 mm。

以钢波纹板明洞为主体结构，设计高程以下管体周围回填C20早强混凝土，外侧设置反压墙、内侧回填土石约束，以期受力均衡，尽可能轴向受力，减少钢波纹板明洞局部变形。钢波纹板明洞结构如图5所示。

3.2.2 结构安装

根据波纹管拼装设计图，首先在预制工厂生产管片，整个波纹管结构由7个管片组成。

管片生产完成后，由车辆运至现场安全拼装地点，为防止拼装成管状时的变形和减少螺栓连接的难度，采用竖向放置拼装，现场钢波纹管拼装。

拼装节段时应考虑运输过程中自重的影响，在安装过程中对钢波纹管竖向施加+3%～+5%的预变形，采用每节段波纹钢管布置一道横向拉锁实现。管状结构水平就位后，采用轨道运输至拼接现场，工人在管道内部进行螺栓拼接作业，施工安全能得以保障。

3.3 防排水

钢波纹管拼接完后，为防止拱顶回填面地表水沿节段间缝隙渗入通道内，影响行车安全，于波纹管外壁设置无纺布和防水板。

钢波纹管表面“凹凸不平”，且有连接螺栓，若直接在表面铺设防水板，土石回填后防水板将被螺栓突起刺破，影响防水效果，因此在钢波纹管外壁铺设一层8 cm厚的EPE，该材料柔韧性好，不易被螺栓刺破，铺设好EPE后，再铺设防水层。

王东坡、黎良仆等[4,5]利用动力有限元模拟了采用EPE(聚乙烯)和EPS(聚苯乙烯)材料换填回填土层，可增加明洞结构的抗冲击性能，本项目在钢波纹管外壁铺设EPE有助于提高结构抗冲击性能，现场EPE及防水板铺设见图6。

3.4 土石回填

钢波纹管外侧墙浇筑应严格与内侧回填土石同步进行，防止偏压。施工时要采用轻型静碾压路机，减少施工期间的动荷载。土石回填应碾压密实，减少后期土石沉降造成的不利影响。

侧墙浇筑和土石回填时，波纹管顶部是不受约束的，为自由端，受两侧挤压，拱部将会产生向上变形，因此在钢波纹管顶部放置沙袋压重，施加竖向力，当管顶覆土高度达到100 cm后拆除拉锁。

3.5 路面结构

保通路面采用C40混凝土回填，考虑到道路重型货车较多，在路面下12.5 cm处设置钢筋网，C40混凝土回填每隔5 m～10 m设置一道沉降缝，缝宽2 cm，缝间用沥青麻絮填充，钢波纹板明洞内路面如图7所示。

3.6 耐久性

本钢波纹板明洞为临时性通道(使用年限至永久绕避工程投入使用为限)，工期紧，未进行镀锌防腐，采用防锈底漆涂于钢波纹管内部、外部、连接件进行防腐，确保临时保通期内不会出现锈蚀或磨损等现象。

管节之间、翻边结合面之间以及搭接的波纹钢板件之间应采取密封措施。密封料应具有弹性和不透水性，并应填塞紧密。低温条件下密封材料应具有良好的抗冻、耐寒性能。密封料可采用天然橡胶、氯丁橡胶、聚乙烯泡沫或耐候密封胶。

4 结构计算

4.1 有限元模型

本文采用常用的ANSYS进行计算，模型中钢波纹管采用梁单元模拟(Beam3)；回填土石和地基用弹簧单元模拟(Combin14)，整个计算用二维平面模型进行计算，纵向计算长度为1 m，采用结构荷载模型进行计算。钢波纹板明洞计算模型如图8所示。

土石回填压力计算根据JTG 3370.1—2018公路隧道设计规范[6]中附录H明洞回填荷载计算方法进行计算。

1)回填土石垂直压力。

qi=γihi。

其中，qi为结构上任意点的回填土石垂直压力，N/m2；γ1为回填土石的重度；hi为任意一点的土柱高度。

2)回填土石侧压力。

ei=γ1hiλ。

其中，ei为结构上任意点的侧压力；N/m2；λ为侧压力系数。当回填坡面向上倾斜时：

其中，φc为墙背回填土石的计算摩擦角，按地质工程手册[7]取值为35°。

钢波纹板明洞计算所涉及的材料主要包括钢波纹管结构、两侧C20回填基座，洞身周围回填土石，其中钢波纹管采用Q345C热轧钢板制作，壁厚为7 mm，采用大波形钢波纹管，其中波距为300 mm，波高为110 mm，根据等效原则换算出每延米钢波纹管的刚度，以上材料参数如表1所示。

表1 材料参数

4.2 计算结果

通过对钢波纹板明洞标准断面的计算，得到钢波纹管结构变形如图9所示。

图10～图13分别为钢波纹管的轴力分布图、剪力分布图、弯矩分布图及应力分布图。

4.3 结果分析

由应力图可知最大拉压应力出现在钢波纹左下部与混凝土地基的交界处，其他部位均比较小，根据结算结果提取出单元应力及变形最大值，如表2所示。

表2 计算结果

从表2可知：最大竖向位移为3.58 cm，最大水平位移为3.66 cm，考虑到钢波纹管本身为柔性结构，能承受一定程度的变形，且为临时保通项目，因此满足使用要求。

钢波纹管最大拉应力为122 MPa，最大压应力为228 MPa，钢波纹管采用Q345C钢材，其抗拉压强度470 MPa～630 MPa，结构安全系数在2.0以上，因此满足使用要求。

此外，本项目钢波纹管道通车已近3年，从历次调查情况来看，结构完整性较好，无渗水，较好满足了该道路临时保通需求。

5 结论与建议

本文以某一公路抢险工程为例，根据工程实际情况及ANSYS数值计算，总结了一种新型的隧道结构——钢波纹板明洞的设计与施工经验，得出以下结论与建议：

1)钢波纹板明洞作为一种预制拼装结构，大部分作业在工厂和安全地点完成，具有施工时间短，安全性高等特点，尤其适合应急抢险临时工程。2)钢波纹管为圆形结构，且采用高强度的钢波纹钢，受力较好，能承受较高位的落石冲击。3)钢波纹管拼装接头较多，为防止漏水，可采用柔性的EPE材料包裹管体，从而避免防水层被突起的螺栓刺破，也能提高钢波纹管抗冲击性能。4)钢波纹管为柔性结构，在两侧回填时一定要对称回填，在钢波纹管顶部放置沙袋压重，施加竖向力，并在管体内部设置横向拉锁，管顶回填至一定高度时方可拆除。5)从钢波纹管变形及内力图分析，有条件时内外侧应采用弹性模量基本一致的回填材料，以达到受力均匀的目的。6)钢波纹管安装完成后应布设监控量测点，观察钢波纹管在回填土石完成后的变形特点。7)钢波纹管在过水涵洞、人行通道案例较多，但作为公路通道的应用实例较少，本文提出的设计思路与方法供广大工程建设者参考借鉴。