丽香铁路达落双线中桥增设棚洞结构设计

李贵民 郭永发 丁文云 王化武

摘  要：该文以在建丽香铁路蒙古哨隧道出口与七达里隧道进口间达落双线中桥为工程依托，根据地形地质、落石重量、坡面高差、结构跨度及防护等级等基本情况，分析常规明洞、柔性钢网棚洞、拱桥棚洞、纵向刚架棚洞及横向刚架棚洞各自适用条件，选用合理的棚洞型式及结构尺寸。研究结论表明，对隧道坡面危岩落石重量及高差进行详细的调查分析，是确定采用柔性钢网棚洞还是钢筋砼刚性棚洞的前提。钢筋砼刚性棚洞沿线路方向跨度、冲沟排洪要求及基岩完整程度，是确定刚性棚洞具体类型的关键。落石冲击强度选用路基手册计算法较为合适，落石冲击力按移动荷载考虑，移动步距按2 m考虑为宜。棚洞结构内力及构件尺寸计算时，按落石不同位置的弯矩包络图最不利工况考虑。

关键词：V型冲沟；增设棚洞；落石冲击；移动步距；丽香铁路

中图分类号：U25         文献标志码：A          文章编号：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

西南山區纵横坡较陡、坡面岩体破碎，隧道洞口危岩落石较为发育，对铁路运营安全产生较大的安全隐患。采取经济合理的隧道洞口危岩落石防护措施对铁路运营安全极为重要。

目前，为了避免危岩落石对铁路运营安全产生威胁，隧道洞口边仰坡除了采用清除零星危石、锚杆框架梁、主（被）动防护网等防护措施外，在地形允许时增设明洞或棚洞[1]结构较为常见，棚洞一般为纵向刚架棚洞。但是一些隧道口位于桥隧相连的V型冲沟内，隧道纵坡陡峭，坡面岩体剥落严重，无法采用普通明洞或棚洞结构防护危岩落石。因此，迫切需要一种适合桥隧相连冲沟的隧道口危岩落石防护型式[2]。

本文以在建丽香铁路蒙古哨隧道出口与七达里隧道进口间达落双线中桥为工程依托，对桥隧相连V型冲沟间隧道口的危岩落石防护措施进行深入的结构选型及设计分析，提出一种分离于桥设计的桩基+柱+横向刚架+顶部T梁的设计方案。

1  工程概况

达落双线中桥为32 m简支梁，属双线车站段。由于两端隧道洞口仰坡坡面较为陡峻，局部为陡崖，危岩落石较为发育，如图1所示，施工及运营过程中可能产生落石，为确保施工及运营安全，蒙古哨隧道出口至七达里隧道进口之间增设棚洞。

图1  两隧道口间冲沟内危岩落石

2  棚洞类型比选

危岩落石病害处理时应整治到位，不留隐患[3]。

第一，本工点内轨顶面至沟底高差达18 m，常规的隧道明洞结构基础采用双耳墙扩大基础，由于高差过大无法落底，常规明洞不予采用。

第二，经计算分析及类似项目选型结果显示，本工点现场调查发现最大落石质量约500 kg，最大落石高差约50 m，柔性钢网棚洞不予采用[4]。

第三，拱桥棚洞适用于两岸基岩完整，且冲沟排洪要求较高地段。本工点两端隧道洞口仰坡坡面岩体较为松散破碎，无法提供拱桥拱座有效支承力，拱桥基础难以施做，拱桥棚洞不予采用。

第四，纵向刚架棚洞适用于沿线路方向跨度不大于20 m，且基础高程变化不大的地段。本工点增设棚洞沿线路方向长45 m，纵向刚架棚洞沿线路方向跨度过大，冲沟内泥石流发育，冲沟内无法设置纵向刚架桩基，纵向刚架棚洞不予采用。

第五，根据以上分析，本工点仅适合采用横向刚架棚洞。最终采用方案为横向刚架棚洞沿线路方向按10 m间距布置，共设置4跨，垂直线路方向宽度17 m，结构尺寸及受力较为合理。横向刚架棚洞整体纵断面如图2所示，横向刚架棚洞整体横断面如图3所示。

3  棚洞结构计算

3.1  棚洞荷载分类

棚洞结构承受荷载由自重及填土等恒载，温度应力及落石冲击等附加荷载，与地震等特殊荷载组成。

3.2  棚洞落石冲击强度计算

落石冲击强度计算时，路基手册法计算结果与隧道手册法较为接近（前者结果略大，偏保守），本工点危岩落石对结构的冲击力影响采用路基手册法进行计算分析。

计算结果为落石冲击强度q=64.03 kN/m2，为方便计算，将扩散至悬臂梁顶的圆面积转换为正方形，换算正方形边长为2.58 m。

3.3  棚洞刚架内力计算

本次棚洞刚架内力计算采用ANSYS进行分析，由桩基底部提供固端约束。

地震作用只与恒载和活载组合，即不同时考虑水平地震力和落石冲击力。落石冲击力按移动荷载考虑，移动步距按2 m考虑为宜，分别计算后求包络值，取最不利结果进行结构配筋检算。

承载能力极限状态的落石冲击力作用下的偶然组合弯矩计算结果如图4所示。

图4  落石冲击作用下（落石位于刚架跨中）的结构弯矩图

3.4  棚洞刚架横梁尺寸及配筋

根据内力计算结果显示，棚洞刚架横梁跨中最大竖向变形为6 mm，包络图最大弯矩跨中为-10 700 kN·m，端头弯矩为7 350 kN·m。按概率极限状态法进行结构配筋检算，计算结果为棚洞刚架横梁跨中截面尺寸1.5 m×2.0 m，下部采用72根？椎25螺纹筋，如图5所示。

达落双线中桥增设棚洞工程实景照片如图6所示。

图5  棚洞刚架横梁跨中配筋横断面

图6  达落双线中桥增设棚洞施工照片

4  结论

1）对隧道坡面危岩落石重量及高差进行详细的调查分析，是确定采用柔性钢网棚洞还是钢筋砼刚性棚洞的前提。本工点危岩落石冲击能量为250 kN·m，适合采用钢筋砼刚性棚洞。

2）钢筋砼刚性棚洞沿线路方向跨度、冲沟排洪要求及基岩完整程度，是确定刚性棚洞具体类型的关键。本工点两岸岩体较为破碎，沿线路方向跨度為45 m，适合采用横向刚架棚洞。

3）棚洞刚架结构计算落石冲击强度时，采用路基手册计算法较为合适（为大量工程经验公式，结果偏保守）。落石冲击力按移动荷载考虑，移动步距按2 m考虑为宜。

4）棚洞结构内力及构件尺寸计算时，由桩基提供固端约束，采用概率极限状态法进行配筋检算，地震作用只与恒载和活载组合（即不同时考虑水平地震力和落石冲击力），按落石不同位置的弯矩包络图最不利工况考虑。

参考文献：

[1] 罗仁立，郦亚军.长昆线桥隧相接段危岩落石防护结构方案研究[J].铁道工程学报，2016（2）：59-63.

[2] 刘建红.V型冲沟落石防护结构设计[J].隧道建设，2012，32（5）：665-669.

[3] 李现宾.成昆线危岩落石病害整治中的棚洞设计[J].现代隧道技术，2009，46（5）：19-22.

[4] 史先伟.艰险山区高速铁路隧道洞口新型棚洞结构研究[J].铁道工程学报，2017（6）：60-64.