裝配式輕型棚洞的應用

殷強　李樹鼎　雷洛

【摘 要】國道213線映秀至汶川公路沿線崩塌災害發育，文章以老虎嘴工點存在飛石、掉塊為例，介紹了一種利于快速修建、利于既有道路保通的輕型裝配式棚洞結構體系，根據綜合治理，多級設防，裝配化施工的原則，對結構設計特點，落石分析及棚洞結構計算進行了論述，可為同類型建設條件下地災防護設計提供參考。

【關鍵詞】裝配式; 棚洞; 飛石; 保通; 綜合防護

【中圖分類號】U453.1【文獻標志碼】B

1 棚洞防護

國道213線映秀至汶川段公路老虎嘴路段位于“5·12”汶川特大地震極重災區中心區域，歷時3個月方才艱難打通。原路線形指標差、沿線地質災害發育，汛期多次中斷交通?；謴椭亟〞r該段利用原路，局部對不滿足規范要求的平、縱面進行了優化調整，其中K3+571～K3+890豆芽坪坡面泥石流嚴重路段設置319 m拱形明洞通過（圖1）。

該段為國道213、國道317線以及映汶高速汶川北互通至映秀連接線的共用路段，日均交通量大，重車、客車多。原設計明洞范圍外K3+481～K3+571段路基施工過程中發現受強降雨影響，該段邊坡雖未發生大規模崩塌，但出現零星飛石掉塊的情況，威脅過往車輛、人員和施工安全，需增加落石防護，保證運營安全。

2 場地工程地質條件

該段老路下臨岷江老虎嘴堰塞湖，內側傍山，約60～70 m高，坡度40～70 °，局部段落近乎直立。路線利用搶險保通時原山體開挖形成。右側坡體總體呈折線形，下陡上緩，基巖出露。崩塌落石發育長度80～90 m，最大相對高差60～100 m。斜坡基巖為元古代澄江—晉寧期閃長巖，碎裂狀結構，強卸荷帶，表層巖體異常破碎，閃長巖中節理裂隙發育。巖體被切割呈碎塊狀及塊狀，且發育有傾向坡外的優勢結構面，崩塌以滑移式和墜落式為主。

據調查，崩落塊石塊徑以0.2～1.0 m居多，主要失穩區高度30～60 m，失穩軌跡主要為沿斜坡墜落、彈跳、滾動至路面上，威脅施工及后期運營安全。單個危巖塊體在崩塌墜落過程中，巖塊受斜坡影響，普遍存在跳躍、彈跳性墜落，而不同規模、位置的塊體軌跡是不一致的，具有隨機性，同時由于該段邊坡高陡，裂隙發育，不排除極端情況下高位崩塌、飛石的可能，因此需采取多種措施進行綜合防護處治。

3 棚洞設計

3.1 設計原則

考慮到老虎嘴路段交通量大，橫坡較陡，既有路基寬度受限，路側無法修建保通便道，且無法繞行，施工過程中不能斷道、保通難度極大。因此擬定了如下設計原則：

（1）便于實施、利于保通，施工期間不能斷道。

（2）綜合治理，多級設防，分級耗能，提高道路自身抗災能力，保障結構及運營安全。

3.2 方案比選

現有的棚洞通常為鋼筋混凝土結構以及型鋼棚洞。其中鋼筋混凝土多為拱式、框架式結構，或內外墻支撐、構筑頂棚架并回填而成的洞身構造（圖2～圖3）。

對于鋼筋混凝土棚洞，其優點是抗災能力強，但無論是框架棚洞或是拱式棚洞等，其施工工序復雜、施工周期長，常規棚洞均需斷道施工，對既有道路通行干擾較大，交通影響時間長。

型鋼棚洞主要為輕型鋼結構柔性棚洞，分別有型鋼棚架、型鋼拱架+柔性防護網等，適用于地形受限、棚洞頂無法回填土的路段，安裝便捷、防護能級相對較低，主要結構為型鋼構件，需定期維護和更換，崩塌飛石易損壞、更換困難，養護成本高（圖4、圖5）。

該段受地形條件限制，路基寬度不足，保通壓力和施工干擾大，無法設置抗災能力更強的拱形明洞或矩形框架棚洞，而型鋼棚洞方案存在抗災能力相對較低、后期養護成本高等原因，針對本工點地質災害特點及其對道路運營安全威脅的方式，設計在綜合防護基礎上提出了一種利于快速修建且便于保通的裝配式輕型棚洞方案。

3.3 裝配式輕型棚洞防護方案

3.3.1 綜合防護

為保證施工安全，首先對部分危巖體進行清除，于距路面60～70 m高度斜坡平臺主要危巖體范圍掛防護能級1 000 kJ的簾式導石網進行綜合防護。

考慮到簾式網開口處防護網攔截高度、位置設置有限，可能存在零星處于高位、直徑較小的飛石直接越過防護網從而威脅道路行車安全的情況，在清危、簾式網綜合防護的基礎上設置輕型棚洞進行防護（圖6）。

3.3.2 棚洞結構設計

棚洞采用梁柱式+頂板結構，縱向15 m設置一道矩形橫梁、樁柱式基礎，橫梁上縱向擱置鋼筋混凝土空心板。橫梁與頂板采用預制件，構造簡單。

棚洞上部采用15 m跨徑的預制空心板（利用本項目既有16 m空心板模板，常規采用預制矮T梁承載能力更好），板頂設置整體化鋼筋混凝土調平層，鋪設松散土回填+EPS泡沫板和廢舊輪胎緩沖層。下部橫梁采用預應力混凝土矩形截面，橫梁下部外側采用鋼筋混凝土圓形柱、樁基礎，內側采用鋼筋混凝土方柱、樁基礎。鋼筋混凝土方柱靠山側設置6根32 mm錨桿錨固于基巖限制橫向位移（圖7～圖9）。

3.3.3 預制拼裝矩形橫梁

預制橫梁吊裝重量86 t，墩柱和預制橫梁之間通過灌漿套筒進行連接，灌漿連接套筒（D=80 mm）采用高強球墨鑄鐵制作，采用成整體灌漿連接型，灌漿套筒設置在橫梁底面，灌漿式鋼筋連接構造由連接套筒、螺紋鋼筋、灌漿料及相關配件組成。灌漿連接套簡與高強無收縮水泥灌漿料組合體系性能符合現行JGJ107-2016《鋼筋機械連接技術規程》I級連接接頭要求，其工藝如下（圖10）。

（1）墩柱頂對應位置預留連接鋼筋，其長度滿足灌漿套筒連接鋼筋錨固構造長度10D要求。保證其垂直度及平面位置準確。

（2）預制橫梁時，橫梁底部埋設灌漿套筒，套筒安裝時，采用橡膠密封塞將其固定在底模上，套筒與底模垂直。連接鋼筋從套筒預埋端插入，采取措施固定并安裝密封環，防止漏漿。與套筒連接的灌漿管也需要定位準確，安裝穩固。

（3）橫梁運至現場，墩柱與橫梁拼裝前，在墩頂臺頂面鋪設高強砂漿，用吊車拼裝墩柱與橫梁。

（4）按照設定配比稱重灌漿料。灌漿時，由套筒下方注漿孔注入，待其它套筒的出漿孔出漿時，對出漿孔進行封閉。

3.3.4 施工及交通組織方案

下部樁基采用人工挖孔施工，現場立模澆筑墩柱，在下部施工同時，預制橫梁、空心板，現場吊車拼裝矩形橫梁、空心板后澆筑整體防水層、回填、鋪設緩沖層。

施工過程中僅預制橫梁、板梁吊裝時利用夜間或車流量較小時段臨時中斷交通安裝。整個施工期間基本能保證車輛通行需求。

4 輕型棚洞數值分析

4.1 落石計算

國內對落石災害的基礎研究較薄弱，目前公路行業僅有JTG/T D70-2010《公路隧道設計細則》有關落石計算的技術規范，但這些算法的適宜性、合理性一直未能得到充分討論和厘清。葉四橋等[3]等選擇國內外代表性的5種沖擊力算法系統對比分析，同等條件下的沖擊力計算結果差異達數倍甚至幾十倍、上百倍。按照國內隧道設計細則推薦的落石沖擊力算法實際計算的是落石沖擊過程平均沖擊力，而并非最大沖擊力，從而導致工程應用中計算結果嚴重偏小。

工程實踐表明，在防護結構上設置墊層材料能有效地減輕落石的沖擊力，何思明[4]以典型落石防護結構為原型，根據球形壓模壓入半空間基本理論，提出落石沖擊力會導致墊層材料產生塑性變形，從而推導了落石沖擊壓力計算公式。采用該模型和沖擊壓力計算公式，擬定坡面有一直徑為0.5 m的落石垂直沖擊防護結構，落石施加在防護結構上的沖擊壓力及其分布特性相關計算參數見表1。

根據該模型提供的沖擊壓力公式落石作用在墊層材料上的最大沖擊壓力、墊層材料最大壓縮量、最大接觸圓半徑等計算結果見表2。

4.2 棚洞計算

根據結構特點，采用midascivil軟件進行三維有限元分析。上部梁體采用梁格法建立梁板模型，各主梁間采取鉸接的連接方式（圖11）。

4.2.1 梁體強度計算

落石按極限沖擊壓力加載于空心板邊梁跨中時為最不利工況。采用基本組合與偶然組合時，跨中最大正彎矩設計值為1 558 kN·m，空心板所能提供的抗力為1 929 kN·m。最大剪力設計值為385 kN，截面所提供的抗力為633 kN。

4.2.2 橫梁強度計算

當落石沖擊力作用在支點附近且靠近蓋梁跨中位置時，蓋梁跨中受力最不利。采用基本組合與偶然組合時，跨中最大正彎矩設計值為5 545 kN·m，橫梁所能提供的抗力為45 180 kN·m。最大剪力設計值為2 652 kN，截面所提供的抗力為7 318 kN。

4.2.3 抗震驗算

樁基均采用空間梁單元，基礎邊界條件按地質建立有限元模型。為模擬樁-土共同作用，對于地面線以下的樁基礎，采用土彈簧模型模擬。根據JTGD63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》中的“m法”確定土的地基系數C，再由其計算出土彈簧的剛度。

本項目位于地震烈度Ⅷ度、地震動峰值加速度0.2g地區，特征周期0.35 s，場地類型為Ⅱ類場地。根據JTG/TB02-01-2008《公路橋梁抗震設計細則》進行了E1、E2地震兩水準設防、兩階段驗算（表3、表4）。

對于E2地震作用下方柱M≥Meq，M≤1.5Meq，墩柱屈服，需進一步驗算E2地震作用下墩頂的位移和塑性鉸位置的抗剪強度，驗算結果見表5。

5 結論

根據現場實際建設條件和既有道路保通要求，該裝配式輕型棚洞方案構造簡單、受力明確、施工快捷，施工過程中能夠保障運營道路的通行需求，建成通車后運營狀況良好?？捎糜诒Ｍㄒ筝^高的、常規棚洞無法設置的山區公路借鑒推廣（圖12）。

參考文獻

[1]四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司.《國道213線映秀至汶川段公路“7.9”山洪泥石流災害恢復重建工程兩階段施工圖設計文件》[R].2015.

[2]四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司.《映秀至汶川公路通道地質災害調查及風險評估》[R]，2013.

[3]葉四橋，陳洪凱，唐紅梅.落石沖擊力計算方法的比較研究[J].水文工程地質，2010（3）.

[4]何思明.滾石對防護結構的沖擊壓力計算[J].工程力學，2010（9）：175-180.

[5]JTG/T B02-01-2008 公路橋梁抗震設計細則[S].

[定稿日期]2021-04-22

[作者簡介]殷強（1977～），男，碩士，高級工程師，從事橋梁設計、咨詢工作。