公路隧道陡崖倒削竹洞口设计研究

周祥 宋伟 胡卫军 陈广深

作者简介：周 祥（1987—），高级工程师，主要从事公路工程的勘察设计工作。

文章以工程案例为依托，通过对陡崖倒削竹洞口的落石作用、结构设计、协同措施的分析，阐述了倒削竹洞口设计要点，得出了以下结论：（1）倒削竹洞口主要适用于陡崖下存在基础问题的地貌，洞口设计应配合主被动防护措施；（2）倒削竹洞口设计应充分考虑悬挑段和压重段的整体性；（3）落石对对衬砌的冲击作用非常复杂，需要多种手段进行分析。

陡崖；隧道；倒削竹；碰撞

U453.1A531873

0 引言

随着公路隧道向复杂山区建设，地形地貌及其他约束条件变得更加复杂。受限于各种条件，岩溶区公路隧道在陡崖上开洞的情况越来越多。隧道陡崖进洞需要解决隧顶落石及隧底基础问题，通常会依托桥跨、处理的地基支托延长的明洞、缓冲层来解决，但这种方法会造成施工难度增大，工程规模大幅度增加。相比之下，倒削竹隧道洞口在一定的约束条件下，能够解决隧道顶部的落石及隧底的基础问题，施工简单，工程造价低，是一种解决公路隧道悬崖进洞的好方法。目前设计规范［1-2］无相关规定，国内关于倒削竹洞口形式的研究也较少，其设计要点需要进一步深入研究。

1 工程概况

某高速公路分离式隧道洞口连接高架桥，隧道区属岩溶峰丛谷地地貌，山峰陡峻高大，地形起伏较大。隧道出洞口段山体斜坡自然坡角约为65°～75°，坡体主要由破碎的微风化灰岩组成，表层覆盖厚度较薄的全新统残坡积层红黏土。

针对这种地形特点，结合该隧道洞口的桥隧相接、洞口隧底陡坡、洞顶陡崖问题，设计了倒削竹洞口形式，如图1所示。倒削竹洞口包括悬挑倒削竹段及压重暗洞段，两段衬砌整体浇筑。倒削竹悬挑段为半拱圈，底部悬空，悬空段下部桥隧相接。桥台采用U台加桩基、U台墙背后回填混凝土的方式解决地基问题。为了提高倒削竹洞口的防落石能力，在倒削竹顶部10 m范围内，配合设置了主洞防护网协调防护。

2 适用条件

倒削竹洞口适用范围受限于多种因素。（1）落石运动可分为滚动、滑动、抛物落体、碰撞、回弹等，其形态、规模、作用形式非常复杂，具有较强的随机性，倒削竹洞口较难针对复杂轨迹落石设防；（2）落石的冲击荷载巨大，因为倒削竹洞口受限于施工难度、经济性等原因，其悬挑长度和承载力有限，无法承受过大的冲击荷载；（3）因为

倒削竹洞口悬挑段为弧形结构，山体落石无法堆积在其上部，存在落石从倒削竹上落下造成的二次冲击问题。

综合考虑以上限制条件，倒削竹洞口适用条件可总结如下：（1）适用于陡崖且落石碰撞倒削竹衬砌前水平速度小，落石没有越过倒削竹衬砌防护长度范围的情况；（2）适用于冲击荷载较小，落石为小型单块落石，落石冲击力不损坏结构的情况；（3）适用于左右洞之间或者隧道与重要构筑物之间有足够的距离，能避免经二次碰撞的情况；（4）适用于配合主动网、被动网、帘式网等控能、消能设置使用的情况。

3 落石作用

倒削竹衬砌对落石的防护作用主要指其对落石的抗冲击能力。落石对倒削竹衬砌的冲击非常复杂，其本质上是一种动力响应，冲击过程中伴随着落石、衬砌的弹塑性形变、块体断裂等过程，总体上可分为纵向变形、横向变形回弹及冲击荷载三个方面。

3.1 纵向作用

如图2所示，倒削竹衬砌在受到冲击瞬间，其在纵向将产生下挠变形和纵向水平变形。下挠变形将使得隧道顶部衬砌受到拉伸，下部受到压缩，纵向水平变形使得下部和上部均拉伸。由于倒削竹悬挑段下部镂空，其刚度大幅度减弱，造成受到落石冲击的倒削竹衬砌产生较大的形变及结构内力，同时较大的形变将落石的冲击动能转化为形变内能，并在振动过程中逐步消散。由于较大的形变缓冲了落石冲击作用，增大了冲击时间，根据冲量定律，将减小落石对倒削竹衬砌的冲击作用。

3.2 横向变形回弹

如图3所示，落石碰撞倒削竹衬砌时，由于倒削竹衬砌为拱形，落石冲击会产生径向冲击、切向冲击作用，将造成倒削竹衬砌拱圈产生局部的相对下挠变形，对落石产生径向回弹力和切向回弹力。通常情况下陡崖下落的落石竖向冲击速度远大于切向速度，且切向冲击主要靠摩擦力进行传递，导致径向回弹力远大于切向回弹力，从而造成落石向远离倒削竹的方向弹跳。在冲击过程中由于倒削竹衬砌的挠曲，冲击能量会部分转化为形变内能，造成回弹后的速度小于撞击初始速度。

3.3 冲击荷载

目前关于倒削竹的冲击荷载尚无相关规范进行明确规定，考虑到倒削竹洞口主要适用于陡崖地段，其冲击速度竖向分量远大于切向分量，因此计算冲击荷载时可根据冲量定律进行计算，相关公式见式（1）及式（2）。

利用冲量定律计算冲击荷载时，受限于复杂的边界条件、多动力响应性能、落石轨迹，较难通过解析的方式获得冲击响应时间，因此需要采取其他方法进行计算。由于计算机软件运算能力有限，可通过数值方法计算其冲击响应时间。在具体设计时，应根据拟定的倒削竹结构几何尺寸、力学参数，采用数值方法模拟其力学相应性能，得出冲击时间和冲击速度的关系，然后结合勘察、调查结果确定潜在落石的高度、落石的大小，进而根据冲量定律计算潜在冲击荷载。潜在冲击荷载应按照作用在最不利位置考虑，荷载性质应按照偶然荷载考虑。当未发现明显落石风险时，宜按照最不利位置采取≥500 kN的荷载进行构造设防。

4 结构设计

倒削竹结构设计的重点在于其防落石功能设计，保障倒削竹结构具备足够的抗冲击承载能力。如图4所示，在结构设计时可将倒削竹结构分为悬挑段和压重段两个部分。悬挑段主要受到冲击荷载，压重段受到悬挑段传来的荷载以及洞口本身的山体荷载。在进行结构设计时需要重视以下几个方面：

（1）设计时应明确悬挑段二次衬砌与压重段衬砌整体浇筑。因压重段过长需要分段浇筑时，分段浇筑应加强纵向连接钢筋并处理好分段的施工面，保障界面的传力性能。

（2）悬挑段衬砌配筋时要参照牛腿的做法，保障衬砌拱部上部钢筋的抗拉性能和下部的抗压性能，同时要考虑落石的局部冲切作用和局部弯矩作用，对衬砌采取双层配筋。

（3）考虑到倒削竹洞口施工往往是最后进行，因此在进行复合式衬砌设计时，应加强洞口压重段的初期支护，确保施工期间的安全性。

（4）倒削竹洞口因为是倾斜的削面，会造成在远离山体端的悬挑段端部受切削影响产生很薄的衬砌，形成局部薄弱环节，因此设计上应考虑对薄弱处进行切口，保障倒削竹衬砌的结构厚度。

5 协同措施

倒削竹洞口由于其承载能力的限制，其对落石的高度和大小均有严格的限制，通过采取一些消能措施，降低隧道洞口落石的冲击动能，能够提高倒削竹洞口的防护能力，从而扩展其适用范围。目前可配合倒削竹洞口的协同措施可分为主动措施和被动措施，主动措施的机理是限制危岩体运动，避免其产生冲击动能，被动措施的机理通过被动形变消耗落石的冲击动能，减轻其残余动能的危害。主动措施主要包括锚杆加固、主洞防护网等，被动措施主要包括被动防护网、被动防护桩方法等。如图5所示，常见的配合倒削竹洞口的协同设计主要有主动防护网和被动防护网。

6 结语

（1）在陡崖下，存在基础问题时可采用倒削竹式洞口，可结合主动防护网、被动防护网等进行协同设计。

（2）倒削竹洞口衬砌包括悬挑段及压重段，设计时应合理配筋，充分考虑压重段与悬挑段的结合作用，并适当加强压重段的初期支护。

图5 典型协同防护措施示意图

（3）倒削竹洞口的冲击荷载极为复杂，设计时应根据构造、类比、数值分析等手段充分考虑落石的冲击作用。

［1］JTG 3370.1-2018，公路隧道设计规范［S］.

［2］JTG/TD70-2010，公路隧道设计细则［S］.