[發明專利]隧道口柔性鼻形滾石排導棚洞結構體及其設計方法

有效

• 申請號: 201610128867.4
• 申請日: 2016-03-07
• 公開（公告）號: CN105603893B
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發明（設計）人: 吳永;何思明;李新坡;歐陽朝軍;祝其麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院;水利部成都山地災害與環境研究所
• 主分類號: E01F7/04
• 分類號: E01F7/04;E21D9/14
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司11385
• 代理人: 董芙蓉

技術領域

本發明屬于水利工程領域與滾石防治工程領域，涉及隧道口柔性鼻形滾石排導棚洞結構體及其設計方法。

背景技術

隨著我國西部大開發戰略的推進，西部山區的交通運輸業蓬勃發展，對應橋隧工程比比皆是。然而，因特殊的地質地貌環境，西部山區崩塌滾石災害嚴重，道路特別是隧道口路面常受到滾石沖擊破壞，導致交通阻斷，嚴重影響經濟和社會的發展。

棚洞作為滾石防治最有效最普遍的工程技術之一，已被大規模廣泛應用于西部山區橋隧工程連接處的邊坡滾石防治中。目前可用于隧道口滾石防護的棚洞主要包括墻式棚洞、拱式棚洞、懸臂式棚洞、鋼結構棚洞和柱式棚洞等，雖然不同棚洞在結構形式有變化，但終究都是通過“攔擋”來實現對路基的防護。然而，工程實踐表明，這類“被動攔擋”棚洞雖然對小規模群發或低能量零散偶發塊石防治效果明顯，但對大規模群發、高頻反復、動能高沖擊力大的滾石防治效果有限。首先，面臨高頻群發滾石的持續沖擊時，這類棚洞雖然一次性損毀少見，但整體結構會因滾石反復作用而不斷損傷，其抗滾石沖擊能力及結構的耐久性不斷下降，最終當損傷累積到一定程度后就會出現系統性無征兆的突發破壞，危害極大。其次，針對偶發、高強能量的大型滾石沖擊時，這類傳統“被動攔擋型”因“系統柔度小”而效果更不盡人意，甚至會出現“洞毀路壞”的悲劇，如汶川地震時寶成鐵路109隧道洞口棚洞被崩石砸壞并引發火車起火。

另外，由于阻斷了滾石下泄路徑，這類棚洞頂部會不斷攔截并淤停碎屑體，導致上覆荷載持續不斷增大，降低了結構的安全性。實際上，為保證防止系統的可靠性，“被動攔擋型”棚洞往往設計保守，工程投入巨大，經濟性差，且防治效果有限。

本質上，作為崩塌滾石是地球外營力作用下地貌削高填低的過程。從地學角度看，它是地球物質大循環中客觀存在、不可逆也不能消亡的一環。為此，對其“防治”應摒棄傳統“攔擋”思路，而應從“疏導”角度出發，在不阻斷崩塌滾石路徑，不人為改變地表過程的前提下，研發隧道進出滾石防治技術。

當然，傳統攔擋型棚洞多為鋼筋混凝土結構，其“建造費用高”、“施工周期長”、“在高山峽谷區修建難度大”、“損毀后不易修復”、“大自重增加橋隧荷載”等不利因素也限制了其在隧道口的應用，也亟需一種新型輕質耗能、便捷高效的新型棚洞出現。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，顛覆傳統棚洞“攔擋”設計觀念，提供一種“輕質柔性排導”滾石棚洞結構體。新棚洞采用新的材料和結構形式，通過“排導”而非“攔擋”實現對滾石災害的防治，整體具有柔性耗能、質輕高強、快速高效、經濟環保，廣泛可靠的特點，可對隧道口各種類型的滾石災害進行有效防治。

為實現上述目的，本發明首先提供隧道口柔性鼻形滾石排導棚洞結構體，其技術方案如下：

隧道口柔性鼻形滾石排導棚洞結構體，包括多個人字形的防治結構單體，防治結構單體沿坡面布置，相鄰的防治結構單體之間通過疊瓦式套接或者無縫順序銜接；所述的防治結構單體包括兩片桁架結構頂棚，桁架結構頂棚通過支撐結構安裝在坡面耗能減震錨固底座上，桁架結構頂棚上覆蓋有復合耗能蓋板。

桁架結構頂棚為鋼管按側面為等邊三角形的正四棱錐結構在空間內沿同一平面方向內相互鉸接構成的框體。

復合耗能蓋板由多個正方體耗能單元組成，所述的正方體耗能單元包括高密度耗能材料外層和低密度耗能材料內層，高密度耗能材料外層的上表面、低密度耗能材料內層下表面、高密度耗能材料外層和低密度耗能材料內層之間分別有Q235鋼板，正方體耗能單元四個側邊為Q235薄層圍板。

支撐結構包括加筋抗彎鋼套管混凝土樁和防護鋼索，加筋抗彎鋼套管混凝土樁包括外側鋼管和內側鋼管，內側鋼管嵌套在外側鋼管內，外側鋼管和內側鋼管之間還分布有螺紋鋼筋，內側鋼管中心還有工字鋼；外側鋼管和內側鋼管內填充混凝土。

所述耗能減震錨固底座包括預應力錨桿，預應力錨桿上端為鋼筋混凝土承臺，鋼筋混凝土承臺中心有凹槽，凹槽內底部有耗能減震材料，鋼結構支撐樁連接裝置通過螺栓安裝在凹槽內。

防治結構單體由一個或數個防治結構單體組成。