波紋鋼-混凝土組合明洞在雙線鐵路隧道洞口防護中的應用

王君順

蘭州鐵道設計院有限公司，蘭州730070

我國西部高山峽谷區地勢陡峭，鐵路及公路穿越該區通常需要修建大量隧道。受建設期地質條件、地形地貌、工程造價、設計理念、施工條件等的限制，個別服役隧道口存在刷坡范圍大、邊坡防護不到位、防護明洞結構過短或應設未設等情況。加之降雨、風化、地震等自然因素影響，隧道洞口可能產生危巖落石、邊仰坡表層坍塌失穩滑落等工程地質災害，嚴重威脅著線路的運營安全［1］。

鐵路運營期諸多隧道洞口不良地質問題的凸顯已引起工程技術人員對洞口工程安全的日益重視［2-3］。新建隧道常采用接長明洞、棚洞、設置主動防護網、被動防護網等綜合方式進行有效防護［4-5］。對于已運營的線路，尤其雙線線路，受洞口場地狹小、繁忙干線天窗點少、鋼筋混凝土結構施工工期長、工序復雜、安全風險高等因素影響，常采用主、被動柔性防護網進行防護。上述方法對于崩塌落石的運動軌跡和滑坡體的范圍很難定位，往往是治標不治本。明洞具有結構剛度大、抗沖擊能力強、防護范圍大、結構抗滑移性強等優點，因而，如何快速、高效、安全地接長既有干線鐵路隧道洞口明洞成為急需解決的工程難題。

近年來，專家學者對隧道洞口采用的波紋板防護技術進行了大量研究［6］。付兵先等［7］利用足尺試驗分析不同沖擊能量下隧道洞口波紋板防護結構內力、變形及基礎受力特性，應用LS?DYNA動力學軟件建立落石沖擊波紋板防護結構動力學分析模型，對落石沖擊作用下波紋板防護結構的內力、變形及基礎壓力進行了分析。王偉等［8］提出采用三維激光掃描技術對鋼波紋板套襯加固前后的隧道段進行掃描，建立包括外業掃描和內業處理的標準化工作流程。杜鋒濤［9］以漢中市108國道槐樹關隧道波紋鋼板拱在隧道套拱加固技術中的應用為例，分析總結波紋鋼板拱定位、拼裝的施工方法和加固后的效果。陳望祺等［10］提出使用波紋鋼板套襯的襯砌加固方法，使用化學錨栓將波紋鋼板與襯砌混凝土連接，并在中間添加填充材料，對加固效果進行有限元數值分析。

本文在已有研究工作的基礎上，以蘭青鐵路二線一運營雙線鐵路隧道洞口工程為依托，采用現場調查、理論分析、數值模擬等手段，對波紋鋼-混凝土組合式明洞應用于既有線隧道洞口防護的關鍵技術開展研究，為類似工程提供參考。

1 工程概況

蘭青鐵路二線為聯系甘肅和青海的鐵路干線，設計速度為160 km/h，2008年開通。該隧道洞口位于河流北岸高階地前緣近坡腳地帶，地形起伏較大，地面相對高差約120 m，主要地層為砂質黃土、卵石層、泥巖。洞口明洞長15 m，斜切式洞門，仰坡設有被動防護網，線路右側的高階地黃土陡坎設有擋土樁，洞口段路基邊坡設有重力式擋墻、錨索等防護結構。

蘭青鐵路二線開通運營多年來，由于受降雨、地震、風化、溫度等因素作用，隧道洞口病害頻發，經多次病害整治，均未能有效消除直立狀陡坎崩塌對既有鐵路運營安全的威脅。通過現場調研，總結出隧道洞口病害類型如下：

1）直立黃土陡坎風化剝落。在洞口頂部及線路右側的高階地上分布有長約100 m，高約30～50 m的砂質黃土層，其下部粗圓礫層及泥巖層風化剝落嚴重，砂質黃土層多呈近直立狀的陡坎，在降雨、地震等災害作用下，極易失穩崩塌。運營期多次進行坡面加固，鋪設防水布、增設抗滑樁，在隧道洞口仰坡上方仍有剝落崩塌體。

2）邊坡風化開裂。洞口坡面噴射混凝土開裂剝落，圍巖裸露，噴錨失效，邊坡頂部局部位置出現較深滑塌、溜坍，體積較大。

3）支擋結構變形開裂。隧道洞口重力式擋墻局部開裂，形成錯臺，裂縫最大3 mm，錯臺高5 cm。

2 組合式明洞結構設計

既有線為繁忙干線，天窗時間短（2～3 h），為減小既有線施工對線路造成的干擾，結合洞口地形地質條件，隧道出口設置長107.5 m波紋鋼-混凝土組合式明洞結構，襯砌斷面見圖1。明洞為C35鋼筋混凝土，厚80 cm，內模采用300 mm×110 mm×7 mm鍍鋅鋼波紋板，為減小拆模及對運營干擾，提高施工效率，現場進行預制拼裝。

圖1 明洞襯砌斷面（單位：cm）

板材分為A型和B型兩種，板材之間采用M24高強度螺栓連接，鋼波紋板每環縱向搭接不小于5 cm，環向搭接不小于12.5 cm，每環拼裝方式展開如圖2。

圖2 每環波紋鋼展開（單位：mm）

為增強波紋鋼-混凝土組合明洞整體強度及穩定性，考慮運營接觸網安全及明洞襯砌自重變形，將襯砌斷面半徑加大5 cm，明洞鋼筋混凝土結構下部設置承臺梁基礎，承臺梁頂面背靠背設置一對L形角鋼，通過預埋地腳螺栓固定。為控制鋼波紋板變形，提高鋼波紋板與混凝土間的黏結力，增加鋼與混凝土組合結構的整體性，在波紋板上設置剪力釘和U形鎖扣，見圖3。鋼波紋板外圍設置勁性鋼筋骨架，剪力釘將波紋板與混凝土連接，U形鎖扣將鋼波紋板與勁性鋼筋骨架連接，混凝土與勁性鋼筋骨架握裹。

圖3 波紋鋼-混凝土連接方式（單位：mm）

3 明洞結構數值分析

3.1 計算模型

選取代表性里程K61+050—K61+083段明洞為典型斷面，進行施工過程和運營期抗沖擊荷載數值分析。根據設計資料，采用ANSYS建立有限元模型，見圖4。

圖4 整體有限元模型（單位：m）

模型寬75.6 m，左邊界高30 m，右邊界高50 m，邊坡高20 m，坡頂平臺和坡腳平臺長20 m。模型底邊界約束水平（x軸）和豎向（y軸）位移，兩個側邊界約束法向（z軸）位移。回填土石、明洞混凝土襯砌、邊墻、承臺梁和地層均采用四節點平面單元plane42模擬，波紋鋼板采用beam3梁單元模擬。設計中波紋鋼板與混凝土襯砌采用剪力釘連接，因此假設二者共同受力，協調變形，采用共節點方式連接。

計算模型中回填土石、人工填土、強風化泥巖采用DP模型。明洞混凝土襯砌、承臺基礎梁、邊墻、波紋鋼板（Q345）、基巖（弱風化泥巖）采用彈性模型。波紋鋼板根據剛度等效原理，將其等效為矩形截面梁。計算公式為

式中：I為波紋鋼板慣性矩；A為波紋鋼板截面面積；b為等效矩形截面寬度，平面模型取1 m；h為等效矩形截面高度。

計算模型中采用的波紋鋼型號為波距300 mm-波高110 mm-厚度7 mm，在CAD中建立幾何模型，可換算得到單位波距上的慣性矩I=7.91×0-6m4，截面面積A=0.010 16 m2，代入式（1）可得等效矩形截面高度h。計算材料參數根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［11］選取，具體參數見表1。

表1 計算參數

計算中考慮兩種階段，即明洞施工階段和運營階段。施工階段采用ANSYS中生死單元法進行模擬，運營階段在施工階段的計算分析基礎上，施加落石沖擊荷載。

3.2 落石沖擊荷載

明洞建成運營期間，要承受偶然發生的落石沖擊荷載，沖擊力的確定是明洞結構設計的關鍵因素。由于落石沖擊過程是一個復雜的高度非線性問題，沖擊力與落石形態、沖擊能量（速度）、沖擊接觸時間、回彈效應、運動形態（如平動、滾動、滑動、彈跳）、墊層力學參數等密切相關，國內外學者針對沖擊荷載的確定進行了深入研究，提出了不同的計算方法，如我國鐵路隧道設計手冊法［12］、日本算法［13］、瑞士算法［14］、澳大利亞算法［15］、楊其新法［16］等。但由于問題的復雜性，即使對于同一工程不同方法得到的計算結果差異性也很大［17］。

為簡化計算分析，假設落石為自由落體運動，勢能全部轉換為沖擊動能，并且落石沖擊后不發生回彈，與墊層密切接觸。根據能量原理和沖量定理有

式中：Q為落石沖擊能量；m為落石質量；g為重力加速度；v為落石沖擊速度；F為落石沖擊力；Δt為落石沖擊時間。

落石沖擊時間Δt可采用文獻［11］建議的彈性壓縮波理論求解，即

式中：H為墊層厚度；C為壓縮波波速；E為墊層的彈性模量；ρ為墊層密度；μ為墊層泊松比。

假定落石形狀為直徑1.0 m的球體，密度為2 500 kg/m3，質量為1 309 kg。根據實際工程，確定合理的沖擊能量，將表1中回填土層參數代入式（2）和式（3），可確定沖擊力。計算中假設落石沖擊力以集中力形式施加于明洞拱頂正上方回填土層（厚度2 m）節點上。

根據Muraishi等［18］對日本某鐵路沿線發生的落石沖擊能量的統計分析，落石能量大致呈正態分布，大部分統計樣本分布在1～100 kJ區間內，小于1 000 kJ的樣本大致占90%。實際工程中，較大體積的落石（即沖擊能量大）可采用工程手段進行清除，因此本文計算時落石沖擊能量最大值取100 kJ，沖擊力計算工況見表2。

表2 計算工況

3.3 計算結果分析

圖5為不同階段下明洞結構第一主應力（主拉應力）云圖。可以看出兩種階段第一主應力分布規律大致相同，在明洞拱圈與邊墻連接處和明洞靠山側外緣應力較為集中。明洞建成后，第一主應力最大值約為358 kPa，施加落石沖擊荷載后最大值約為690 kPa，比施工階段增加了92.7%。這說明落石沖擊荷載對明洞結構主拉應力產生了顯著影響。

圖5 不同階段下明洞結構第一主應力云圖（單位：Pa）

圖6為不同階段下明洞結構位移云圖。可以看出兩種階段位移云圖分布規律相似。明洞建成后，位移最大值為2.444 mm，施加落石沖擊荷載后，位移最大值為2.672 mm，與施工階段相比增加了9.3%，與圖5主拉應力相比，位移增加量較小，說明落石沖擊對結構應力影響更為顯著。

圖6 不同階段下明洞結構位移云圖（單位：m）

圖7為明洞混凝土襯砌主應力最大值與沖擊能量關系曲線，圖中沖擊能量為0代表施工工況（即只有自重作用）。可以看出隨著沖擊能量的增加，主拉應力和主壓應力在0～20 kJ內呈非線性增加，超過20 kJ時大致呈線性增加。并且沖擊荷載產生的主應力增量相比自重作用增長巨大，因此沖擊荷載是明洞結構設計的關鍵指標。若以C35混凝土單軸抗拉強度設計值為控制標準，則本明洞結構的抗沖擊性能大致為70 kJ。

圖7 明洞結構混凝土主應力最大值與沖擊能量關系曲線

圖8為波形鋼板主應力最大值與沖擊能量關系曲線。可以看出，沖擊能量超過10 kJ時，隨著沖擊能量的增加，主應力最大值呈現線性增加趨勢，且主壓應力普遍高于主拉應力，但波形鋼板應力數值均較小，遠小于屈服強度345 MPa。

圖8 波形鋼板主應力最大值與沖擊能量關系曲線

4 現場實施要點

1）按照鐵路部門評審過的施工方案組織進場實施。利用天窗點拆除既有洞門帽檐、擋墻。天窗點結束后，清理現場廢棄材料，確保未拆除混凝土塊不會掉落。

2）波紋鋼板6 m為一環，分段吊裝施工。吊裝前用螺栓緊固拼裝成型后，測定一次截面形狀，達到標準再繼續拼裝，達不到標準及時調整。拼裝合格后，應在空曠場地試吊，確保拼裝形狀、螺栓緊固，預緊力扭矩控制值270～410 N·m。

3）波紋鋼板每環質量11.3 t，采用50 t吊車進行試吊合格后，選擇天窗時間，接觸網停電進行吊裝作業。吊裝時應保證起吊高度（距接觸網高度不小于50 cm），嚴禁與接觸網發生碰觸。

4）波紋鋼板環向搭接長度不小于15 cm，縱向搭接長度不小于5 cm，且為防止襯砌混凝土澆筑及后期運營時水泥漿及雨水滲漏，在每環波紋板的縱向接縫、環向接縫以及變形縫處鋪設橡膠止水帶，并且現場進行閉水試驗驗證。

5）襯砌鋼筋綁扎時，每隔1.5 m綁扎勁性格柵鋼架，采用鎖扣鋼筋與鋼波紋板焊接牢靠，進一步增強鋼波紋板的剛度和穩定性。在鋼波紋板的保護下，外部腳手架綁扎或拆除、混凝土澆筑、外模架立等施工均不會因傾倒、墜落、懸空等意外對既有鐵路運營造成干擾，如圖9所示。

圖9 鋼波紋板與格柵鋼架連接

6）明洞襯砌在襯砌斷面變化、地層軟硬分界處設置變形縫，變形縫結合施工縫設置。施工時為防止雜散電流引起事故，在每一處變形縫的鋼波紋板腳部焊接有接地鋼筋，接地鋼筋插入基礎承臺梁中進行接地。

7）綁扎襯砌鋼筋，對稱澆筑襯砌混凝土，施作明洞外防水卷材及土工布。

8）明洞回填。明洞外防水層施作完成且襯砌混凝土達到100%設計強度后，應從結構兩側分層、對稱回填，回填土石時應盡量采用人工回填。為避免對防水卷材及土工布破壞，應分層夯實，每層厚度不大于0.3 m。兩側回填土石的高度不得大于0.5 m，回填至與拱頂齊平后，再分層滿鋪填筑至設計高度。采用機械回填時，應在人工夯填超過拱頂1.0 m以后進行，機械壓實采用靜壓方式施工，嚴禁采用振動式壓路機施工，壓實系數不小于0.9。

對于既有明洞仰坡段，為減小對既有高邊坡山體擾動，維護既有明洞穩定，不再開挖既有明洞已存在的回填土體，僅對既有明洞暴露部分表面刮涂3 cm厚水泥砂漿保護層后，進行土石回填。回填面應與既有明洞邊仰坡及新增設明洞回填面順接，并做好復合防水層的施作，嚴防外部水體滲入。

5 結論

1）自重作用下，波紋鋼-混凝土組合式明洞結構應力及變形均很小，結構處于安全狀態。落石沖擊作用下，明洞結構的變形及應力響應均大于自重作用工況，落石沖擊力是組合式明洞結構設計的關鍵荷載。

2）隨著沖擊能量的增加，組合式明洞結構位移、應力的最大值均呈線性增大趨勢，混凝土材料主拉應力趨近于材料強度設計值，而波紋鋼板應力遠小于屈服強度。對于依托工程，波紋鋼-混凝土組合式明洞結構的抗沖擊性能為70 kJ。

3）波紋鋼-混凝土組合式明洞與既有隧道洞口連接方便，各構件均可現場預制加工，安裝拼接時間短，安全度高、應急能力強，維修養護方便；用波紋鋼代替內部模板，省掉拆模工作，提高了施工工效。其在場地條件受限、繁忙運輸干線的隧道洞口以及既有工程改造項目中有較大優勢。