3种隧道洞口落石防护方案对比分析

为解决既有隧道洞口落石防护问题,比较了钢桁架棚洞、柔性棚洞以及波纹钢板棚洞3种落石防护结构的优缺点,并采用有限元软件对其可靠性进行数值模拟。研究结果表明:3种防护结构均能对能级为100 kJ的落石进行有效拦截;钢桁架棚洞为刚性结构,不利于落石的缓冲及能量吸收,会发生局部变形损伤,适用于洞口坡面陡峭、桥面与地面高差不大、围岩条件较好地段;柔性棚洞以柔克刚能充分吸收落石的冲击能量,适用于洞口场地施工条件差的隧道以及既有工程改造项目;波纹钢板棚洞施工速度快、强度高,更适用于洞口抢修工程。     

隧道洞口柔性棚洞防护结构可靠性分析及应用

为了解决山区高速铁路隧道洞口的落石问题,结合工程实例建立柔性棚洞数值模型,模拟了落石冲击过程,从能量、变形、应力3方面对柔性棚洞防护结构可靠性进行了分析。结果表明:柔性棚洞能够对初始动能为100 kJ的落石进行有效拦截,受落石冲击柔性棚洞防护结构没有出现支撑绳和环形网破断。与传统的钢筋混凝土棚洞相比,柔性棚洞在结构受力、施工速度、环保、经济性等方面均有显著优势,适用于隧道洞口落石防护,尤其是快速抢修抢建工程。     

隧道衬砌背后空洞上方落石对衬砌结构的破坏机理及整治措施

针对某铁路隧道衬砌出现的掉块病害进行了现场勘查以及三维激光扫描,并对隧道衬砌掉块的成因进行了分析。引入混凝土冲切破坏理论计算方法,估算了衬砌抗冲切承载力。同时,借鉴国内外落石冲击力理论、经验计算方法并利用LS-DYNA动力学软件建立了落石冲击衬砌结构动力学分析模型,对落石冲击作用下衬砌结构的破坏机理进行了分析。结果表明:不同方法计算的落石冲击力与有限元分析所得的冲击力差异较大,这主要是因为各种计算方法的试验条件、理论基础不同;衬砌背后空洞上方的落石冲击衬砌时,在短时间内冲击荷载将达到峰值,易导致衬砌结构发生冲切破坏。针对该隧道状况,通过方案比选,提出了预制拼装波纹板的整治技术。     

兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石分析及防护设计

根据兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石发育情况,利用rockfall软件,建立危岩落石运动模型,分析落石的运动特征,实现危岩落石可视化,结合落石运动轨迹、落点分布情况、冲击能量、冲击力、弹跳高度、位移偏移量等研究成果,提出接长明洞和主被动防护相结合的落石综合防护措施。结果表明:在坡面坡积层和明洞回填土缓冲和消耗作用下,接长明洞和主被动防护网相结合的方法可有效防护危岩落石,降低落石冲击风险,保证洞口的安全。可保证隐式中墙复合式连拱隧道施工安全     

张吉怀铁路土峪隧道危岩落石特征及防护措施研究

山区铁路隧道进出口常面临危岩落石的威胁，依托张吉怀铁路开展高陡边坡危岩落石勘察及防护措施研究。土峪隧道进出口山体陡峭，竖向节理发育，岩体破碎，分布大量危岩落石，对铁路施工及运营构成巨大威胁。通过遥感解译、三维激光扫描、现场调查等“空-天-地”综合勘察手段，查清了土峪隧道进出口的危岩落石分布范围和特征；采用落石模拟软件Rockfall对洞口落石的运动轨迹进行模拟，分析落石的影响范围、冲击速度、弹跳高度和冲击能量，结合土峪隧道进出口地形、地质条件，提出“清除锚固+棚洞/明洞+主被动网”的综合防护措施；最后，总结形成了山区铁路隧道口硬质岩陡峭边坡危岩落石的勘察方法和加固防护设计原则。     

防落石刚性栅栏防护能量试验与数值分析

结合山区高速铁路沿线刚性栅栏的工程应用情况,针对防落石冲击刚性栅栏防护能量缺乏设计依据的现状,开展了实际尺寸刚性栅栏落石冲击试验,研究其变形特征和传力机理。分析该结构受落石冲击过程中三阶段的传力工作状态,指出了系统中的薄弱环节。基于LS-DYNA的显式算法,模拟落石冲击刚性栅栏的全过程,并与试验结果进行对比,二者吻合较好。研究结果表明:刚性栅栏的主要耗能构件为角钢横撑和角钢钢柱,整个系统的刚度较大,防护能量较小,在落石冲击下将会产生较大变形。基于研究结果提出了刚性栅栏防落石系统设计优化建议。     

山区桥梁柔性防护棚洞抗冲击性能研究

我国西部山区崩塌落石灾害频发，柔性棚洞是一种常见的被动防护措施，凭借结构轻巧、安装方便等特点，适用于桥梁结构的落石防护。为研究桥梁钢结构柔性防护棚洞在落石冲击下的响应，本文运用LS-DYNA显式动力学分析软件对落石冲击桥梁柔性防护棚洞进行仿真模拟，分析不同冲击速度、不同冲击位置等对柔性棚洞以及桥梁结构冲击响应的影响，得到棚洞结构中高强钢丝网、钢拱圈和钢横梁3种主要构件及T梁结构本身在冲击作用下的响应规律。研究结果表明：落石冲击柔性防护棚洞结构的不同位置，产生的冲击响应均随着落石速度的增加而增大；其中落石冲击防护网时桥梁受到的冲击效应最小，在防护网未被冲破的情况下不会对桥梁结构造成太大损伤；而落石直接冲击钢拱圈时桥梁受到的冲击效应最大，钢基座下方混凝土在较低能级冲击下就会破坏。另外还对多落石冲击工况进行初步尝试，为桥梁落石防护的工程设计提供参考依据。     

坪上隧道口危岩落石失稳模式及运动特征分析

研究目的:在建成都至贵阳铁路坪上隧道进口上方仰坡高陡,危岩落石发育,一旦失稳则造成的危害极大,严重影响铁路施工及运营安全。因此需通过分析研究坪上隧道进口危岩落石的形成机理、失稳模式及破坏后的运动特征,以确定危岩落石的失稳滚落概率及路径,并提出有针对性的整治、防护措施,同时也为其他山区铁路遇到危岩落石不良地质时提供调查、分析、计算方法及工程防护措施的参考。研究结论:(1)在基于现场调查及实测工作基础上,将坪上隧道进口危岩落石失稳划分为4类破坏模式;(2)通过对落石运动的模拟,确定了隧道洞口上方约有6%的危岩体失稳后将对洞口及桥梁构成危险;(3)提出了隧道洞口危岩落石整治方法及设置防护的具体位置和措施,从而确保铁路施工及运营安全;(4)该研究成果可应用于危岩落石不良地质工程的勘察及设计中。     

波纹管(板)在铁路工程中的技术应用与发展

高强波纹管(板)强度大、承载力高,具有优良的适应结构变形的能力,不仅可用于铁路新建小跨度桥梁、涵洞、隧道支护、隧道明洞及隧道防危岩落石防护结构,还可用于既有线桥涵与隧道病害整治工程,具有较为广泛的应用前景。通过调查研究,分析波纹管(板)技术国内外研究现状和应用效果,阐述波纹管(板)应用于铁路桥涵、隧道及洞口防护结构设计以及施工及质量验收方法,并分析今后铁路应用前景。     

山区高速铁路隧道间桥隧连接结构探讨

研究目的:根据调整后的中长期铁路网规划,我国将建设1.6万千米以上的客运专线,而位于中西部山区的高速铁路需修建大量的桥隧工程,且大多桥隧相连、成群分布,高速列车运行对安全度要求极高,乘客舒适度也是必须考虑的问题,当两隧道间因地形条件及线路走向限制,明线间隔距离很短时,有必要对是否在桥上部设置连接防护结构及其结构型式进行深入研究,确保运营安全和提高乘客舒适度。研究结论:(1)两隧道洞口间距大于250 m时可将隧道看成独立隧道。小于250 m时,单列车通过隧道群中的每一座隧道时引起的车内压力波动相互间有影响,之间加设连接结构可降低车内3 s内最大压力变化值,有利于改善车内舒适度环境,可缓解列车频繁进出隧道,"黑洞"和"白洞"效应引起的乘客视觉疲劳问题。(2)隧道洞口坡面陡峻,存在危岩落石危害时,在采取坡面防护措施的基础上,设置连接防护结构可以有效防止小粒径落石对运营安全的威胁。(3)连接防护结构采用柔性防护网钢结构,具有安全可靠、经济适用的优点,在进行落石冲击试验后可以用于实际工程。     

隧道波纹板套衬连接件承载力试验研究

隧道波纹板套衬结构多采用螺栓搭接的连接方式,为了解这种连接方式的受力特性,本文设计了多组波纹板连接件试件,通过试件的静力抗压试验,研究了不同波形及壁厚条件下波纹板螺栓受剪破坏现象和力学性能。结果表明:波纹板连接件的承载力较相应平板连接件下降较为明显,波纹板的板厚对连接性能影响较大,而波高影响较小;在5,6,8 mm 3种厚度下200 mm×55 mm,230 mm×64 mm,300 mm×110 mm波形波纹板的平均承载力相当于平板承载的88. 3%,85. 1%,81. 2%;波纹板连接件强度可按照平板状态下承压面承载力进行折减。     

“两隧夹一桥”段落高铁落石脉冲式碰撞防护方案研究

我国建成高铁主要分布在平原区,"十三五"规划中部分高铁位于山区,山区危岩落石多,需加强落石防护。受山区陡峭地形限制,以往的隧道明洞接长防落石方案已经不能满足使用要求,目前没有特别适合的防护方案,陡峭山区的落石防护成了制约我国高铁发展的瓶颈。针对陡峭地形特征建立工程模型,对落石轨迹模拟分析,落石最大速度和动能计算研究,提出适宜防护方案和缓冲层方案,研究结论:(1)落石能量宜分级化,对设防目标分级处理,才能使防护结构进一步精确化;(2)基于落石的脉冲力特性,柔性结构承受脉冲力荷载有天然优势,且柔性结构质量轻,引起下部增加的工程数量小,落石防护方案宜向柔性结构方向靠近;(3)落石防护应与主、被动防护网结合,主要是对漏过主、被动防护网后的"漏网之石"进行二次防护为主,对防护任务分层处理,明确各处防护结构的防护目标。     

高速铁路隧道设计几个问题的探讨

结合郑西铁路客运专线黄土隧道的实践,分析隧道空气压力变化对乘客舒适度的影响,提出相邻隧道相连的处理措施,减缓了空气动力学效应;采用瞬态动力学有限元方法,计算隧道在地震荷载作用下的动力反应、衬砌内力、变形及安全性。     

隧道洞口坡段落石灾害危险性等级评价方法

出于隧道洞口坡段落石灾害防治决策的需要,针对铁路和公路的隧道洞口及交通运营特点,从落石致灾可能性(包括危岩崩落可能性、落石达到洞口区域可能性)和致灾严重性2个方面对落石灾害危险性等级进行综合评价,据此定义隧道洞口坡段落石灾害危险性分级指标,并在量化评分各影响因子的基础上,建立隧道洞口区域落石灾害危险性等级评价方法。将该方法用于8个隧道洞口的落石灾害危险性评价,结果表明该方法能够满足落石防治决策需要,并可为落石运动路径、速度、动能等计算设定风险等级。     

新木厂子一号隧道出口危岩整治设计

研究目的:以襄渝线增建二线新木厂子一号隧道工程为背景,针对隧道洞口存在危岩落石、并横跨公路的桥隧相连复杂工程,提出可靠、安全、有效的设计方案. 研究结论:结合本工程的地形地质特点,设计方案中将公路防护、边坡整治、桥台基础布局优化、隧道控制爆破以及洞口接长棚洞等措施综合考虑,确保了210国道行车及行人的安全,消除了今后铁路运营安全的隐患.对于类似工程的设计,应重视以下3点:(1) 精心勘察.勘测阶段详细测量出公路、桥台与洞口的位置关系,道路等级、是否存在危岩落石情况以及危岩落石分布等资料;若公路上方岩体呈倒悬状,应详细测出倒悬断面,并于断面上标注节理发育情况.(2) 设计方案应确保公路运营及行人安全.(3) 设计方案应考虑铁路开通运营后危岩落石对铁路运营安全的影响.     

长昆线桥隧相连设计研究

研究目的:沪昆铁路客运专线长沙至玉屏段,沿线地形起伏,存在多处桥隧相连段落.在桥隧相连设计过程中,隧道洞门能否容纳下桥台结构并有效缓解洞口空气动力学效应、隧道低洞口端洞口排水、桥隧电缆槽对接过渡以及隧道洞外存在挡墙结构时挡墙是否能起到作用并能保证施工安全等,均存在较大的难点.为解决沪昆铁路客运专线长沙至玉屏段桥隧相连的工程难题,需对桥隧相连进行专门研究.研究结论:(1)采用扩大洞门横断面+挖孔灌注桩方案,能有效解决桥隧串接时桥台结构伸入隧道及洞口空气动力学效应等难题;(2)桥隧对接时,桥台基坑可根据条件的不同分别采用台后挖孔灌注桩防护和台后放坡两种方式开挖;(3)对于桥隧对接时洞门结构外存在挡墙的情况,在挡墙下设桩基+托梁,并将挡墙设计为锚杆挡墙,可以解决桥台基坑开挖引起挡墙结构不稳的难题;(4)通过在隧道内设置过渡段,可有效地将桥梁与隧道电缆槽顺接起来;(5)隧道内低洞口端设置洞口检查井汇集洞内水体,能有效解决洞内排水问题.     

隧道洞口段危岩崩塌落石冲击风险评价研究

研究目的:西南山区隧道进出口段往往位于沟谷,地形切割强烈,洞口仰坡易发生崩塌落石灾害。为评价落石灾害风险,本文建立新的隧道洞口段危岩落石风险的综合评估流程以及多指标综合评估模型,克服以往确定指标权重时人为因素影响较大的缺陷,为今后隧道洞口坡段落石灾害治理决策、落石计算和防治工程等设定风险等级提供依据。研究结论:(1)将可拓学理论引入隧道洞口危岩落石风险评估中,建立了隧道洞口危岩落石风险的可拓综合评估流程,构建了落石风险的多指标可拓综合评估模型;(2)对定性指标做定量化处理并对评价指标进行归一化处理,使得评估指标具有可比性,并提出用简单关联函数确定各指标权重;(3)构建了隧道洞口危岩落石风险分级的物元可拓模型,将落石风险等级定为极低风险(Ⅰ)、低风险(Ⅱ)、中等风险(Ⅲ)、高风险(Ⅳ)与极高风险(Ⅴ)五类,通过工程实例验证并利用层次分析-模糊数学综合评价法进行对比,验证了该评价模型的评估结果是合理的、可行的;(4)本研究结果可为落石风险评估提供一种新的思路。     

艰险山区高速铁路隧道洞口新型棚洞结构研究

研究目的:艰险山区高速铁路隧道洞口坡面落石防护问题是制约安全运营的重要因素,本文以西安至成都高速铁路项目为依托,结合地形特点,提出两种新型棚洞结构:桥隧一体化柔性钢网棚洞及柱、梁支撑式钢筋混凝土棚洞,分析各自特点,并提出适用条件。研究结论:(1)柱、梁支撑式钢筋混凝土棚洞的上部结构自重大,需单独设置基础,工序复杂,施工难度大,投资大,但耐久性好,后期维护成本低,在轨面标高与地面高差较大、高地震区采用时,务必进行详细检算分析;(2)桥隧一体化柔性钢网棚洞可以与桥设为一体,不需单独设置基础,具有制作安装方便、经济美观等优点,但钢材耐久性差,需定期防锈处理,后期维护成本高;(3)轨面距沟心地面高差是影响两种新型棚洞型式选取的重要因素,一般高差小于15 m时优先选用柱、梁支撑式钢筋混凝土棚洞;(4)该研究成果可在铁路隧道洞口落石防护中推广使用。     

落石冲击作用下柔性棚洞结构灵敏度分析

研究目的:柔性棚洞是一种拦截边坡落石的被动防护结构,凭借施工方便、经济环保等特点广泛运用于落石灾害防护领域,但是目前没有规范指导柔性棚洞结构进行设计.本文基于能量法建立落石冲击柔性棚洞结构失效模型等三个模型,采用Sobol'全局灵敏度分析法得到柔性棚洞结构参数一阶、全局灵敏度,提出柔性棚洞结构优化设计思路.研究结论:(...     

既有重载铁路病害涵洞波纹板加固技术

针对一重载铁路涵洞出现的掉块、露筋、腐蚀等问题,通过现场检测分析了病害原因。综合考虑涵洞净空、经济性和工期提出了一种适宜于重载铁路病害涵洞加固的新技术——波纹板加固技术。利用ANSYS有限元软件建立了涵洞与波纹板共同作用分析模型,分析了重载列车作用下波纹板结构内力、变形以及螺栓的抗剪承载力。对该涵洞加固前后盖板钢筋受力及挠度进行了测试。计算及测试结果表明:重载列车作用下,涵洞跨中波纹板最大Mises应力出现在倒角部位,最大值为11.8 MPa,小于Q345钢材的容许应力;跨中最大挠度为0.33 mm,挠跨比远小于规范规定的普通高度钢筋混凝土梁竖向挠跨比通常值;实测23 t轴重5 400 t编组列车作用下,加固前后跨中顶板钢筋应变降低了55.8%,盖板挠度降低了91.4%,加固效果明显。