基于“川院”精神工程文化的地震多发山区公路抗震减灾技术

姚 刚

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610041)

0 引言

四川山区地震活动强烈,先后发生了汶川特大地震、芦山地震及九寨沟大地震等地震灾害。山区地形地质条件极其复杂,公路边坡高陡,地震、地质与洪水灾害交互作用、不断恶化,导致公路灾害突发、频发,对山区公路边坡、桥梁、隧道等关键节点工程安全运营造成极大安全威胁。笔者所在四川省公路规划勘察设计研究院有限公司依托“陆地交通灾害防治技术国家工程实验室”等科研平台,组建山区公路抗震救灾研究团队,学科布局包括地质、路线、路基、桥梁、隧道、路面、交安等专业,进行了十余年的不懈攻关,科技人员发扬吃苦敬业、务实严谨、钻研创新、追求卓越的“川院”精神,坚守“崇尚技术、争当专家”核心价值观,面对地震、洪灾、滑坡、泥石流等灾害无畏艰险、不惧牺牲、冲锋在前、敢于担当、勤于攻关。在“5·12”汶川特大地震、“4·20”芦山地震及“8·8”九寨沟大地震中汲取经验,在抗震减灾中推动技术进步,形成的了地震多发山区公路抗震减灾技术创新成果。

地震多发山区公路抗震减灾技术依托交通运输部西部交通建设科技项目、四川省交通运输科技项目等9项科技项目,围绕解决强震山区公路建设减灾技术难题,采用高精度遥感、三维岩体激光扫描、现场实测跟踪等方法,揭示了震后公路沿线崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害链式演变规律,研发了新型耗能减震公路路基支挡防护结构。研发了全钢管混凝土桁梁桥长联抗震体系,降低了地震力峰值,均衡了联内各桥墩受力,解决了中等跨度桥梁抗震难题。研发了新型悬索桥抗震体系——波形钢腹板横梁和铰接式耗能型中央扣,破解了高烈度地震区千米级悬索桥使用钢筋混凝土桥塔的难题。创建了高烈度地震区隧道三区段抗震设防新体系,建立了三区段隧道抗震计算方法与抗减震综合对策,形成了隧道三区段抗震减灾关键技术。2010年以来,地震多发山区公路抗震减灾技术相关成果先后获国际桥梁大奖1项省部级级科技奖项17项;获得国家授权发明专利54项;制定行业标准、地方标准等标准规范8部;出版专著8部,发表学术论文192篇,其中SCI检索40篇、EI检索58篇。依靠该技术体系,指导了映秀至汶川高速、映秀至卧龙公路、川主寺至九寨沟公路的灾后重建工作和汶川至马尔康、雅安至康定等高速公路建设工作。地震多发山区公路抗震减灾技术总体达到国际先进水平。

1 技术创新亮点

(1)研发钢管混凝土桁梁桥轻型化的集成创新技术,使桥梁的重量更轻、强度更高、安全储备更大,能够有效降低地震响应,详见表1。

(2)建立了等效桥墩高度与主梁最佳联长的计算原理与方法,提出了支座与桥墩水平刚度串联的匹配技术以提高桥梁的总体刚度(图1),开发了形状相同的水平方向变刚度支座构造等系列技术,实现了支座刚度与桥墩刚度可匹配、伸缩缝之间主梁长度可设计,形成了墩群均衡受力的抗震结构体系,改善了桥梁抗震性能,提高了桥梁的抗震能力。

图1 长联结构体系示意

(3)首次将波形钢腹板用于桥塔横梁,采用波形钢腹板与混凝土顶底板的组合结构,开发了波形钢腹板组合横梁,如图2、图3所示。组合横梁在提高抗剪能力的同时,降低了抗弯刚度,是高烈度地震区混凝土桥塔理想的横向联结方式。

图2 波形钢腹板横梁

图3 混凝土横梁与波形钢腹板横梁E2地震响应比较

(4)发明了一种铰结式耗能型中央扣(图4)。中央扣杆件与主缆和主梁均采用铰接方式连接,以释放杆端弯矩,克服了传统刚性中央扣因刚接而产生附加应力的缺点。有效改善了桥塔抗震性能,梁体纵向位移减小约70%,桥塔纵向地震响应降低达到20%以上。

图4 铰接式耗能型中央扣

(5)创建了高烈度地震区隧道三区段抗震设防新体系(图5、图6),建立了三区段隧道抗震计算方法与抗减震综合对策,形成了隧道三区段抗震减灾关键技术。

图5 抗震设防区段示意

图6 公路隧道抗减震计算方法和技术体系

(6)揭示了震后公路沿线地质灾害演变规律,建立了震后公路次生地质灾害评估体系方法,如图7、图8所示。

图7 活跃泥石流沟松散堆积体随时间演变特征

图8 地震后泥石流活动趋势预测

(7)研发了高烈度地震区边坡耗能减震防护新技术、基于弹塑性接触理论的高位崩塌滚石和泥石流冲击防护技术,开发了基于GIS+BIM的公路边坡三维决策支持云平台,如图9～图13所示。

2 主要成果及获奖

地震多发山区公路抗震减灾技术相关成果获得国家授权发明专利54项;制定行业标准、地方标准等标准规范8部;出版专著8部,发表学术论文192篇,其中SCI检索40篇、EI检索58篇。该技术相关成果获国际桥梁大奖1项、省部级科技奖17项。

2.1 授权专利

地震多发山区公路抗震减灾技术获得国家授权专利54项,其中授权发明专利6项,详见表2。

表2 授权国家发明专利清单

2.2 标准规范

编制发布行业标准、地方标准8部,详见表3。

表3 编制发布的行业标准、地方标准清单

2.3 获奖情况

获得各类科技奖项18项,其中国际桥梁大奖1项,省级科技奖项7项、部级科技奖10项,获奖情况详见表4。

表4 获得科技奖项清单

3 应用情况和效益

(1)项目成果应用于汶马高速汶川克枯大桥(图14)、久马高速红原大桥(图15)、雅康高速泸定大渡河大桥(1 100 m单跨悬索桥)等一批重大工程,形成良好示范效应。波形钢腹板横梁和铰接式耗能型中央扣两项创新技术共同构成了新型悬索桥抗震体系,破解了高烈度地震区千米级悬索桥使用钢筋混凝土桥塔的难题,与钢桥塔相比,极大节省了投资。

(2)研究成果应用于大量强震频发区隧道(超过50座),如都汶高速紫坪铺隧道-龙溪隧道-龙洞子隧道-烧火坪隧道、汶马高速汶川隧道、雅康高速二郎山隧道等。在四川发生的多次较大地震中,上述公路隧道表现出良好的抗震减灾功能,发挥了生命通道的作用,显示了巨大的经济与社会效益。

(3)项目成果应用于四川汶川至马尔康高速公路、雅安至康定高速公路、映秀至汶川高速公路(图16～图18)、映秀至卧龙公路等高等级公路建设,提升了复杂艰险山区公路建设和运营的安全保障水平,为灾后重建和生命线安全畅通做出巨大贡献。

4 结束语

地震多发山区公路抗震减灾技术,围绕地震多发山区公路抗震技术难题,开展了公路沿线地质灾害理论、高烈度地震区边坡减震防护技术及设计方法、高陡边坡灾害广域高效识别技术等关键技术研究。主要技术成果有:

(1)在桥型选择、桥梁结构体系和材料优化、抗震构造措施等方面取得系统性成果,填补了桥梁地震安全性风险评估、设防标准和设计方法中的空白。

(2)研发形成高烈度地震区隧道分段分级综合抗减震关键技术,极大提高了震区隧道的抗震能力。

(3)揭示了震后公路沿线地质灾害演变规律,建立了震后公路次生地质灾害评估方法体系,研发了高烈度地震区边坡耗能减震防护技术。

四川省公路规划勘察设计研究院有限公司研发的地震多发山区公路抗震减灾技术得益于桥梁、隧道、地质等科技人员十余年的不懈攻关,研究成果具有系统性、创新性和先进性,已在多项工程实践中得到应用,为交通灾后重建和生命线安全畅通提供了重要技术支撑,具有应对地震灾害、加快灾后重建、保障群众生命财产安全等综合效益,对我国地震多发山区公路建设和管理具有重要的推广应用价值。