麗香鐵路達落雙線中橋增設棚洞結構設計

李貴民 郭永發 丁文云 王化武

摘? 要：該文以在建麗香鐵路蒙古哨隧道出口與七達里隧道進口間達落雙線中橋為工程依托，根據地形地質、落石重量、坡面高差、結構跨度及防護等級等基本情況，分析常規明洞、柔性鋼網棚洞、拱橋棚洞、縱向剛架棚洞及橫向剛架棚洞各自適用條件，選用合理的棚洞型式及結構尺寸。研究結論表明，對隧道坡面危巖落石重量及高差進行詳細的調查分析，是確定采用柔性鋼網棚洞還是鋼筋砼剛性棚洞的前提。鋼筋砼剛性棚洞沿線路方向跨度、沖溝排洪要求及基巖完整程度，是確定剛性棚洞具體類型的關鍵。落石沖擊強度選用路基手冊計算法較為合適，落石沖擊力按移動荷載考慮，移動步距按2 m考慮為宜。棚洞結構內力及構件尺寸計算時，按落石不同位置的彎矩包絡圖最不利工況考慮。

關鍵詞：V型沖溝；增設棚洞；落石沖擊；移動步距；麗香鐵路

中圖分類號：U25? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0126-04

Abstract： Based on the middle bridge between the exit of Menggushao Tunnel and the entrance of Qidali Tunnel on Lijiang-Shangrila Railway， this paper analyzes the applicable conditions of conventional open tunnel， flexible steel mesh tunnel， arch bridge tunnel， vertical rigid frame tunnel and horizontal rigid frame tunnel according to the basic conditions of terrain and geological conditions， rock fall weight， slope elevation difference， structural span and protection grade. We selected reasonable shed type and structure size. Conclusion， the detailed investigation and analysis of the weight and height difference of the dangerous rock fall on the tunnel slope is the premise of deciding whether to use the flexible steel mesh shed or the reinforced concrete rigid shed. The span of road direction along the reinforced concrete rigid shed tunnel， the requirements of flood drainage and the integrity of bedrock are the key to determine the specific type of rigid shed tunnel. It is more appropriate to choose the calculation method of the roadbed manual for the rock fall impact strength. The rockfall impact force is considered according to the moving load， and the moving step is considered according to 2 meters. When calculating the internal force and component size of the shed structure， the most unfavorable working conditions should be considered according to the bending moment envelope diagram of different positions of the falling rock.

Keywords： V-shaped trench; additional shed; rock fall impact; moving step; Lijiang-Shangrila Railway

西南山區縱橫坡較陡、坡面巖體破碎，隧道洞口危巖落石較為發育，對鐵路運營安全產生較大的安全隱患。采取經濟合理的隧道洞口危巖落石防護措施對鐵路運營安全極為重要。

目前，為了避免危巖落石對鐵路運營安全產生威脅，隧道洞口邊仰坡除了采用清除零星危石、錨桿框架梁、主（被）動防護網等防護措施外，在地形允許時增設明洞或棚洞[1]結構較為常見，棚洞一般為縱向剛架棚洞。但是一些隧道口位于橋隧相連的V型沖溝內，隧道縱坡陡峭，坡面巖體剝落嚴重，無法采用普通明洞或棚洞結構防護危巖落石。因此，迫切需要一種適合橋隧相連沖溝的隧道口危巖落石防護型式[2]。

本文以在建麗香鐵路蒙古哨隧道出口與七達里隧道進口間達落雙線中橋為工程依托，對橋隧相連V型沖溝間隧道口的危巖落石防護措施進行深入的結構選型及設計分析，提出一種分離于橋設計的樁基+柱+橫向剛架+頂部T梁的設計方案。

1? 工程概況

達落雙線中橋為32 m簡支梁，屬雙線車站段。由于兩端隧道洞口仰坡坡面較為陡峻，局部為陡崖，危巖落石較為發育，如圖1所示，施工及運營過程中可能產生落石，為確保施工及運營安全，蒙古哨隧道出口至七達里隧道進口之間增設棚洞。

圖1? 兩隧道口間沖溝內危巖落石

2? 棚洞類型比選

危巖落石病害處理時應整治到位，不留隱患[3]。

第一，本工點內軌頂面至溝底高差達18 m，常規的隧道明洞結構基礎采用雙耳墻擴大基礎，由于高差過大無法落底，常規明洞不予采用。

第二，經計算分析及類似項目選型結果顯示，本工點現場調查發現最大落石質量約500 kg，最大落石高差約50 m，柔性鋼網棚洞不予采用[4]。

第三，拱橋棚洞適用于兩岸基巖完整，且沖溝排洪要求較高地段。本工點兩端隧道洞口仰坡坡面巖體較為松散破碎，無法提供拱橋拱座有效支承力，拱橋基礎難以施做，拱橋棚洞不予采用。

第四，縱向剛架棚洞適用于沿線路方向跨度不大于20 m，且基礎高程變化不大的地段。本工點增設棚洞沿線路方向長45 m，縱向剛架棚洞沿線路方向跨度過大，沖溝內泥石流發育，沖溝內無法設置縱向剛架樁基，縱向剛架棚洞不予采用。

第五，根據以上分析，本工點僅適合采用橫向剛架棚洞。最終采用方案為橫向剛架棚洞沿線路方向按10 m間距布置，共設置4跨，垂直線路方向寬度17 m，結構尺寸及受力較為合理。橫向剛架棚洞整體縱斷面如圖2所示，橫向剛架棚洞整體橫斷面如圖3所示。

3? 棚洞結構計算

3.1? 棚洞荷載分類

棚洞結構承受荷載由自重及填土等恒載，溫度應力及落石沖擊等附加荷載，與地震等特殊荷載組成。

3.2? 棚洞落石沖擊強度計算

落石沖擊強度計算時，路基手冊法計算結果與隧道手冊法較為接近（前者結果略大，偏保守），本工點危巖落石對結構的沖擊力影響采用路基手冊法進行計算分析。

計算結果為落石沖擊強度q=64.03 kN/m2，為方便計算，將擴散至懸臂梁頂的圓面積轉換為正方形，換算正方形邊長為2.58 m。

3.3? 棚洞剛架內力計算

本次棚洞剛架內力計算采用ANSYS進行分析，由樁基底部提供固端約束。

地震作用只與恒載和活載組合，即不同時考慮水平地震力和落石沖擊力。落石沖擊力按移動荷載考慮，移動步距按2 m考慮為宜，分別計算后求包絡值，取最不利結果進行結構配筋檢算。

承載能力極限狀態的落石沖擊力作用下的偶然組合彎矩計算結果如圖4所示。

圖4? 落石沖擊作用下（落石位于剛架跨中）的結構彎矩圖

3.4? 棚洞剛架橫梁尺寸及配筋

根據內力計算結果顯示，棚洞剛架橫梁跨中最大豎向變形為6 mm，包絡圖最大彎矩跨中為-10 700 kN·m，端頭彎矩為7 350 kN·m。按概率極限狀態法進行結構配筋檢算，計算結果為棚洞剛架橫梁跨中截面尺寸1.5 m×2.0 m，下部采用72根？椎25螺紋筋，如圖5所示。

達落雙線中橋增設棚洞工程實景照片如圖6所示。

圖5? 棚洞剛架橫梁跨中配筋橫斷面

圖6? 達落雙線中橋增設棚洞施工照片

4? 結論

1）對隧道坡面危巖落石重量及高差進行詳細的調查分析，是確定采用柔性鋼網棚洞還是鋼筋砼剛性棚洞的前提。本工點危巖落石沖擊能量為250 kN·m，適合采用鋼筋砼剛性棚洞。

2）鋼筋砼剛性棚洞沿線路方向跨度、沖溝排洪要求及基巖完整程度，是確定剛性棚洞具體類型的關鍵。本工點兩岸巖體較為破碎，沿線路方向跨度為45 m，適合采用橫向剛架棚洞。

3）棚洞剛架結構計算落石沖擊強度時，采用路基手冊計算法較為合適（為大量工程經驗公式，結果偏保守）。落石沖擊力按移動荷載考慮，移動步距按2 m考慮為宜。

4）棚洞結構內力及構件尺寸計算時，由樁基提供固端約束，采用概率極限狀態法進行配筋檢算，地震作用只與恒載和活載組合（即不同時考慮水平地震力和落石沖擊力），按落石不同位置的彎矩包絡圖最不利工況考慮。

參考文獻：

[1] 羅仁立，酈亞軍.長昆線橋隧相接段危巖落石防護結構方案研究[J].鐵道工程學報，2016（2）：59-63.

[2] 劉建紅.V型沖溝落石防護結構設計[J].隧道建設，2012，32（5）：665-669.

[3] 李現賓.成昆線危巖落石病害整治中的棚洞設計[J].現代隧道技術，2009，46（5）：19-22.

[4] 史先偉.艱險山區高速鐵路隧道洞口新型棚洞結構研究[J].鐵道工程學報，2017（6）：60-64.