装配式轻型棚洞的应用

殷强　李树鼎　雷洛

【摘 要】国道213线映秀至汶川公路沿线崩塌灾害发育，文章以老虎嘴工点存在飞石、掉块为例，介绍了一种利于快速修建、利于既有道路保通的轻型装配式棚洞结构体系，根据综合治理，多级设防，装配化施工的原则，对结构设计特点，落石分析及棚洞结构计算进行了论述，可为同类型建设条件下地灾防护设计提供参考。

【关键词】装配式; 棚洞; 飞石; 保通; 综合防护

【中图分类号】U453.1【文献标志码】B

1 棚洞防护

国道213线映秀至汶川段公路老虎嘴路段位于“5·12”汶川特大地震极重灾区中心区域，历时3个月方才艰难打通。原路线形指标差、沿线地质灾害发育，汛期多次中断交通。恢复重建时该段利用原路，局部对不满足规范要求的平、纵面进行了优化调整，其中K3+571～K3+890豆芽坪坡面泥石流严重路段设置319 m拱形明洞通过（图1）。

该段为国道213、国道317线以及映汶高速汶川北互通至映秀连接线的共用路段，日均交通量大，重车、客车多。原设计明洞范围外K3+481～K3+571段路基施工过程中发现受强降雨影响，该段边坡虽未发生大规模崩塌，但出现零星飞石掉块的情况，威胁过往车辆、人员和施工安全，需增加落石防护，保证运营安全。

2 场地工程地质条件

该段老路下临岷江老虎嘴堰塞湖，内侧傍山，约60～70 m高，坡度40～70 °，局部段落近乎直立。路线利用抢险保通时原山体开挖形成。右侧坡體总体呈折线形，下陡上缓，基岩出露。崩塌落石发育长度80～90 m，最大相对高差60～100 m。斜坡基岩为元古代澄江—晋宁期闪长岩，碎裂状结构，强卸荷带，表层岩体异常破碎，闪长岩中节理裂隙发育。岩体被切割呈碎块状及块状，且发育有倾向坡外的优势结构面，崩塌以滑移式和坠落式为主。

据调查，崩落块石块径以0.2～1.0 m居多，主要失稳区高度30～60 m，失稳轨迹主要为沿斜坡坠落、弹跳、滚动至路面上，威胁施工及后期运营安全。单个危岩块体在崩塌坠落过程中，岩块受斜坡影响，普遍存在跳跃、弹跳性坠落，而不同规模、位置的块体轨迹是不一致的，具有随机性，同时由于该段边坡高陡，裂隙发育，不排除极端情况下高位崩塌、飞石的可能，因此需采取多种措施进行综合防护处治。

3 棚洞设计

3.1 设计原则

考虑到老虎嘴路段交通量大，横坡较陡，既有路基宽度受限，路侧无法修建保通便道，且无法绕行，施工过程中不能断道、保通难度极大。因此拟定了如下设计原则：

（1）便于实施、利于保通，施工期间不能断道。

（2）综合治理，多级设防，分级耗能，提高道路自身抗灾能力，保障结构及运营安全。

3.2 方案比选

现有的棚洞通常为钢筋混凝土结构以及型钢棚洞。其中钢筋混凝土多为拱式、框架式结构，或内外墙支撑、构筑顶棚架并回填而成的洞身构造（图2～图3）。

对于钢筋混凝土棚洞，其优点是抗灾能力强，但无论是框架棚洞或是拱式棚洞等，其施工工序复杂、施工周期长，常规棚洞均需断道施工，对既有道路通行干扰较大，交通影响时间长。

型钢棚洞主要为轻型钢结构柔性棚洞，分别有型钢棚架、型钢拱架+柔性防护网等，适用于地形受限、棚洞顶无法回填土的路段，安装便捷、防护能级相对较低，主要结构为型钢构件，需定期维护和更换，崩塌飞石易损坏、更换困难，养护成本高（图4、图5）。

该段受地形条件限制，路基宽度不足，保通压力和施工干扰大，无法设置抗灾能力更强的拱形明洞或矩形框架棚洞，而型钢棚洞方案存在抗灾能力相对较低、后期养护成本高等原因，针对本工点地质灾害特点及其对道路运营安全威胁的方式，设计在综合防护基础上提出了一种利于快速修建且便于保通的装配式轻型棚洞方案。

3.3 装配式轻型棚洞防护方案

3.3.1 综合防护

为保证施工安全，首先对部分危岩体进行清除，于距路面60～70 m高度斜坡平台主要危岩体范围挂防护能级1 000 kJ的帘式导石网进行综合防护。

考虑到帘式网开口处防护网拦截高度、位置设置有限，可能存在零星处于高位、直径较小的飞石直接越过防护网从而威胁道路行车安全的情况，在清危、帘式网综合防护的基础上设置轻型棚洞进行防护（图6）。

3.3.2 棚洞结构设计

棚洞采用梁柱式+顶板结构，纵向15 m设置一道矩形横梁、桩柱式基础，横梁上纵向搁置钢筋混凝土空心板。横梁与顶板采用预制件，构造简单。

棚洞上部采用15 m跨径的预制空心板（利用本项目既有16 m空心板模板，常规采用预制矮T梁承载能力更好），板顶设置整体化钢筋混凝土调平层，铺设松散土回填+EPS泡沫板和废旧轮胎缓冲层。下部横梁采用预应力混凝土矩形截面，横梁下部外侧采用钢筋混凝土圆形柱、桩基础，内侧采用钢筋混凝土方柱、桩基础。钢筋混凝土方柱靠山侧设置6根32 mm锚杆锚固于基岩限制横向位移（图7～图9）。

3.3.3 预制拼装矩形横梁

预制横梁吊装重量86 t，墩柱和预制横梁之间通过灌浆套筒进行连接，灌浆连接套筒（D=80 mm）采用高强球墨铸铁制作，采用成整体灌浆连接型，灌浆套筒设置在横梁底面，灌浆式钢筋连接构造由连接套筒、螺纹钢筋、灌浆料及相关配件组成。灌浆连接套简与高强无收缩水泥灌浆料组合体系性能符合现行JGJ107-2016《钢筋机械连接技术规程》I级连接接头要求，其工艺如下（图10）。

（1）墩柱顶对应位置预留连接钢筋，其长度满足灌浆套筒连接钢筋锚固构造长度10D要求。保证其垂直度及平面位置准确。

（2）预制横梁时，横梁底部埋设灌浆套筒，套筒安装时，采用橡胶密封塞将其固定在底模上，套筒与底模垂直。连接钢筋从套筒预埋端插入，采取措施固定并安装密封环，防止漏浆。与套筒连接的灌浆管也需要定位准确，安装稳固。

（3）横梁运至现场，墩柱与横梁拼装前，在墩顶台顶面铺设高强砂浆，用吊车拼装墩柱与横梁。

（4）按照设定配比称重灌浆料。灌浆时，由套筒下方注浆孔注入，待其它套筒的出浆孔出浆时，对出浆孔进行封闭。

3.3.4 施工及交通组织方案

下部桩基采用人工挖孔施工，现场立模浇筑墩柱，在下部施工同时，预制横梁、空心板，现场吊车拼装矩形横梁、空心板后浇筑整体防水层、回填、铺设缓冲层。

施工过程中仅预制横梁、板梁吊装时利用夜间或车流量较小时段临时中断交通安装。整个施工期间基本能保证车辆通行需求。

4 轻型棚洞数值分析

4.1 落石计算

国内对落石灾害的基础研究较薄弱，目前公路行业仅有JTG/T D70-2010《公路隧道设计细则》有关落石计算的技术规范，但这些算法的适宜性、合理性一直未能得到充分讨论和厘清。叶四桥等[3]等选择国内外代表性的5种冲击力算法系统对比分析，同等条件下的冲击力计算结果差异达数倍甚至几十倍、上百倍。按照国内隧道设计细则推荐的落石冲击力算法实际计算的是落石冲击过程平均冲击力，而并非最大冲击力，从而导致工程應用中计算结果严重偏小。

工程实践表明，在防护结构上设置垫层材料能有效地减轻落石的冲击力，何思明[4]以典型落石防护结构为原型，根据球形压模压入半空间基本理论，提出落石冲击力会导致垫层材料产生塑性变形，从而推导了落石冲击压力计算公式。采用该模型和冲击压力计算公式，拟定坡面有一直径为0.5 m的落石垂直冲击防护结构，落石施加在防护结构上的冲击压力及其分布特性相关计算参数见表1。

根据该模型提供的冲击压力公式落石作用在垫层材料上的最大冲击压力、垫层材料最大压缩量、最大接触圆半径等计算结果见表2。

4.2 棚洞计算

根据结构特点，采用midascivil软件进行三维有限元分析。上部梁体采用梁格法建立梁板模型，各主梁间采取铰接的连接方式（图11）。

4.2.1 梁体强度计算

落石按极限冲击压力加载于空心板边梁跨中时为最不利工况。采用基本组合与偶然组合时，跨中最大正弯矩设计值为1 558 kN·m，空心板所能提供的抗力为1 929 kN·m。最大剪力设计值为385 kN，截面所提供的抗力为633 kN。

4.2.2 横梁强度计算

当落石冲击力作用在支点附近且靠近盖梁跨中位置时，盖梁跨中受力最不利。采用基本组合与偶然组合时，跨中最大正弯矩设计值为5 545 kN·m，横梁所能提供的抗力为45 180 kN·m。最大剪力设计值为2 652 kN，截面所提供的抗力为7 318 kN。

4.2.3 抗震验算

桩基均采用空间梁单元，基础边界条件按地质建立有限元模型。为模拟桩-土共同作用，对于地面线以下的桩基础，采用土弹簧模型模拟。根据JTGD63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》中的“m法”确定土的地基系数C，再由其计算出土弹簧的刚度。

本项目位于地震烈度Ⅷ度、地震动峰值加速度0.2g地区，特征周期0.35 s，场地类型为Ⅱ类场地。根据JTG/TB02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》进行了E1、E2地震两水准设防、两阶段验算（表3、表4）。

对于E2地震作用下方柱M≥Meq，M≤1.5Meq，墩柱屈服，需进一步验算E2地震作用下墩顶的位移和塑性铰位置的抗剪强度，验算结果见表5。

5 结论

根据现场实际建设条件和既有道路保通要求，该装配式轻型棚洞方案构造简单、受力明确、施工快捷，施工过程中能够保障运营道路的通行需求，建成通车后运营状况良好。可用于保通要求较高的、常规棚洞无法设置的山区公路借鉴推广（图12）。

参考文献

[1]四川省公路规划勘察设计研究院有限公司.《国道213线映秀至汶川段公路“7.9”山洪泥石流灾害恢复重建工程两阶段施工图设计文件》[R].2015.

[2]四川省公路规划勘察设计研究院有限公司.《映秀至汶川公路通道地质灾害调查及风险评估》[R]，2013.

[3]叶四桥，陈洪凯，唐红梅.落石冲击力计算方法的比较研究[J].水文工程地质，2010（3）.

[4]何思明.滚石对防护结构的冲击压力计算[J].工程力学，2010（9）：175-180.

[5]JTG/T B02-01-2008 公路桥梁抗震设计细则[S].

[定稿日期]2021-04-22

[作者简介]殷强（1977～），男，硕士，高级工程师，从事桥梁设计、咨询工作。