落石沖擊對隧道結構安全影響評估

王 繼 飛

(上海同濟工程咨詢有限公司，上海 200092)

落石沖擊對隧道結構安全影響評估

王 繼 飛

(上海同濟工程咨詢有限公司，上海 200092)

主要分析了落石沖擊對二次襯砌的影響，介紹了計算落石沖擊力的方法，并通過初砌沖擊荷載設計值的計算，得出了一些有價值的結論，指出襯砌背后產生空洞后，其所產生的間接影響應引起高度重視。

襯砌背后，空洞，落石，隧道結構

0 引言

襯砌背后產生空洞后，由于圍巖失去了襯砌結構的支撐，空洞處圍巖應力發生了很大的變化，圍巖可能發生破壞并導致落石擊中襯砌導致襯砌開裂，實際工程中此類破壞的實例并不少見，如1999年，日本新干線的Rebunhama隧道就發生了由于圍巖掉落在襯砌上而導致襯砌破壞的事故，事故導致一列列車脫軌，造成了巨大的經濟損失。

1 落石沖擊對二次襯砌的影響

1.1 計算方法確定

我國的JTG D70—2004公路隧道設計規范[1]中也指出隧道設計時應考慮落石沖擊力的影響，但并未給出計算落石沖擊力的方法。本文主要探討不同大小的落石從不同高度處掉落在襯砌上時對襯砌所造成的沖擊力的計算方法。

由于空洞的形成原因多種多樣，所以其深度也各不相同，前面對空洞深度的影響進行分析時，假設空洞的深度分別為0.4 m，0.8 m，1.2 m和1.6 m，因此計算時也假設空洞分別從這4個不同的高度處跌落到襯砌上。根據牛頓第二定律：

可見兩物體相互撞擊時所產生的沖擊力的計算與速度和相互作用時間相關，也就是沖量定理，兩物體相撞過程中，可以用下式估算沖力的平均值：

因此問題的關鍵就在于如何確定落石質量、襯砌撞擊過程的時間以及撞擊前后的速度，一般來說，撞擊后落石即認為靜止在襯砌上，因此問題還可以簡化為確定落石質量、撞擊前的速度和撞擊過程的時間。上式可以簡化為:

(1)

而撞擊前的速度是由下落的高度h以及碰撞時與襯砌之間的夾角所決定的，如圖1所示。

根據自由落體的相關計算公式可知：

其中，g為重力加速度；θ為落石與襯砌間的夾角。

代入式(1)可得：

表1 不同厚度襯砌沖擊荷載設計值計算結果

kN

1.2 落石沖擊力的確定

落石的質量則是隨機的，無法確切的用公式來表達，從幾千克、幾十千克的小石塊到幾噸的巨石都有可能，為了簡化計算，本文假設落石的質量分別為400 kg，1 200 kg，2 000 kg和4 000 kg。落石和襯砌的作用時間是最難確定的量，參考我國部分沖擊實驗的結果[2]，考慮到圍巖級別不同時，落石的剛度也不相同，與襯砌的作用時間也不同，因此假設沖擊持續時間不超過0.1 s，最短為0.05 s，根據以上分析及假設，就可以計算落石沖擊力的大小，計算結果(考慮落石從拱頂正上方落下，即θ=90°)如圖2所示。

2 襯砌沖擊荷載設計值計算

根據《混凝土結構設計規范》規定，在局部荷載或集中反力作用下不配置箍筋或彎起鋼筋的板其受沖切承載力應符合下式規定：

Fl≤(0.7βhft+0.15σpc,m)ηumh0。

式中:Fl——局部荷載設計值或集中反力設計值；βh——截面高度影響系數，本文取值為1；ft——混凝土軸心抗拉強度設計值；σpc,m——臨界截面周長上兩個方向混凝土有效預壓應力按長度的加權平均值，本文取1.5；

h0——截面有效高度；

η1——局部荷載或集中反力作用面積形狀的影響系數；

η2——臨界截面周長與板截面有效高度之比的影響系數；

βs——局部荷載或集中反力作用面積為矩形時的長邊與短邊的比值，當面積為圓形時，取βs=2,本文取值為2；

αs——板柱結構中柱類型的影響系數。

《我國公路隧道設計規范》推薦的隧道襯砌厚度一般為35 cm～60 cm，一般采用C25混凝土，按照上述公式計算，可得不同襯砌的沖切荷載設計值如表1所示。

3 結語

根據計算所得到的落石沖擊力，當4 t重的石頭從1.6 m高處落下時，其沖擊力已經超過了35 cm厚襯砌的抗沖擊荷載容許值，已經足以導致襯砌結構的完全破壞，而較小的落石掉落到襯砌上時，其沖擊荷載雖不足以直接導致襯砌結構的破壞，但是也有可能導致襯砌結構開裂。而當襯砌設計厚度不足時，落石所造成的危害更大，其抗沖擊的能力大大下降，4 t重的石頭即使從0.4 m高處掉落，其所造成的沖擊力也可以直接導致襯砌結構的破壞，因此，襯砌背后產生空洞后，其所產生的間接影響(如落石沖擊)應引起高度的重視。

[1] JTG D70—2004，公路隧道設計規范[S].

[2] 羅林閣，曹映泓，陳國虞，等.船舶撞擊橋梁的撞擊力計算方法探討[J].中外公路，2006，26(5)：78-81.

Estimation on the influence of rockfall impaction upon tunnel structure safety

Wang Jifei

(ShanghaiTongjiEngineeringConsultingCo.,Ltd,Shanghai200092,China)

The paper mainly analyzes the impact of rockfall impaction upon secondary lining, and introduces the methods of calculating rockfall compaction force. Through computing lining compaction load, it draws some valuable conclusions. In addition, the indirect influence owing to lining back cavity should be noticed seriously.

lining back, cavity, rockfall, tunnel structure

2015-02-04

王繼飛(1978- )，男，工程師

1009-6825(2015)11-0174-02

U455.91

A