落石冲击大跨度拱形明洞结构作用机理研究

研究目的:为探明落石冲击作用于拱形明洞结构荷载分布规律,确保明洞结构安全,本文以铁路双线双耳墙式明洞为研究对象,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,通过改变落石质量、冲击速度和回填土厚度分析落石冲击力和落石冲击所在横、纵断面明洞结构受到的冲击压应力,提出计算落石冲击力、冲击压应力的方法。研究结论:(1)当回填土厚度从1 m增大至4 m时,落石冲击力没有明显变化,而落石冲击作用于明洞结构的最大压应力迅速减小,说明应以落石冲击压应力和回填土自重应力作为明洞结构设计依据;(2)落石冲击压应力随着距落石冲击点水平距离的增大而减小,近似成圆台形分布,其扩散角约为50°;(3)落石冲击力、冲击压应力随落石质量、冲击速度的增大而增大;(4)综合落石质量和冲击速度提出了以冲击能量计算落石冲击力和冲击压应力的方法;(5)本研究成果可为明洞设计提供参考。     

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     

铁路隧道进出口段落石冲击力计算分析

研究目的:崩塌落石是高陡的岩质边坡中,一种常见地质灾害,如不加以治理,可能造成交通中断以及巨大的人员伤亡和经济损失。在山区修建铁路工程时,尤其是隧道进出口段,为了防止崩塌落石对轨道结构的影响,常采用明洞、棚洞等处理措施,落石冲击力是进行明洞、棚洞及拦石墙等被动防治结构设计的主要荷载之一。目前,落石冲击力主要是通过一些半经验半理论的公式计算得到,这些方法的适用性、合理性有待通过充分研究讨论。研究结论:本文对几种已有的落石冲击力计算方法进行了探讨分析,结合襄渝铁路隧道口增设棚洞工程,采用路基工程手册法、隧道手册法、Labiouse法、Kawahara法、杨其新法等方法进行了落石冲击力计算,结果表明这5种计算方法的计算结果在量值上相差不大,路基工程手册法、隧道手册法计算结果稍大。考虑到两手册中的经验方法经过了大量的工程验证,因此推荐以两手册方法的计算结果作为增设棚洞工程设计时的设计荷载,并据此开展工程设计。     

落石冲击力计算方法

针对现有落石冲击力算法计算所得结果严重偏小的问题,提出应考虑落石冲击过程中落石重量和反弹效应对落石冲击力的影响,并基于冲量定理和在日本道路公团算法以及有关试验数据的基础上研究新的落石冲击力计算方法。通过法向恢复系数引入落石反弹效应计算项,通过定义落石冲击力放大系数建立落石最大冲击力和平均冲击力之间的联系,从而导出适用于不同冲击速度、不同缓冲土层厚度和不同冲击角度的落石最大冲击力算法,并给出对应于工程中常见落石尺寸和冲击速度的冲击力放大系数取值曲线。通过实例验证了利用该算法和冲击力放大系数取值曲线可解决工程中有关落石冲击力的计算问题。     

落石冲击拱形明洞结构作用力传递机理模型试验研究

通过改变落石质量、下落高度及明洞回填土厚度,利用缩尺模型试验分析了落石冲击点明洞横、纵断面结构不同部位的冲击压应力以及拱顶加速度。研究结果表明:作用于隧道明洞结构的冲击压应力及其分布范围随落石质量、下落高度的增大而增大;在靠近落石冲击点正下方一定区域内,压应力随回填土厚度的增大而减小,而在较远区域压应力则随回填土厚度先增大后减小;冲击压应力最大值位于拱顶冲击部位,并随着距拱顶冲击点距离的增大而减小;拱形明洞竖向加速度最大,其次是纵向,横向最小。     

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最优厚度,并对垫层设计提出优化建议。结果表明：随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计算结果与实验数据吻合良好。     

基于正交设计的不同垫层落石冲击力试验研究

基于正交设计,进行落石冲击高度、落石重力、垫层黏土含量、垫层倾角、垫层压缩模量和垫层含水量等6个因素在4个水平条件下的96次室内模型试验,运用极差分析和显著性分析试验数据,研究这6个因素对落石冲击力影响的规律。结果表明:这6个因素对落石冲击力的影响由大到小依次为落石重力、落石冲击高度、垫层黏土含量、垫层压缩模量、垫层含水量和垫层倾角;通过分别改变垫层黏土含量、垫层压缩模量和垫层含水量,可将落石冲击力分别降低23%,21%和19%;当垫层黏土含量为60%、垫层压缩模量为26MPa和垫层含水量为19.4%时,落石冲击力最小。     

Z形刚架半棚式明洞方案比选和设计分析

为了选择落石威胁下的严重偏压地形地段的合理工程方案,满足工程美学和环保要求,通过各种方案比选,提出一种新型结构形式—Z形刚架半棚式明洞。针对落石冲击荷载进行计算分析,分析结果表明:在各种冲击角度下,冲击荷载小于1800 k N时,各部位第一主应力均小于混凝土抗拉极限强度;Z形刚架半棚式明洞具有较强的抗落石冲击能力,具有较好的安全性。Z形刚架半棚式明洞具有开挖小,能承受落石荷载较大,受力特性较好,结构美观,对沿途景观和植被破坏小,施工较为方便等优点,具有较好的应用前景,可给隧道设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

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。     

基于落石计算的半刚性拦石墙设计

为克服传统刚性拦石墙截面大、场地适宜性差、抗冲击能力有限的不足，提出一种半刚性拦石墙结构。该结构以桩板体系为主要受力构件，背后填筑缓冲土堤，在有效增强结构抗冲击力能力的同时，保证结构体系布设的灵活性和场地的适宜性。半刚性拦石墙的布设应在对陡崖沿线所有代表性剖面落石运动路径预测和弹跳高度计算的基础上，结合现场地形情况，优选坡度缓、落石弹跳高度小、运动速度小、远离被保护对象的位置，其走向延伸长度选取保护区段长度加5～10m长的安全储备，有效拦截高度选取走向沿线各计算剖面落石最大弹跳高度加1m高的安全储备。改进了落石冲击力计算方法，并以落石对缓冲土堤的冲击力和土压力为荷载依据进行半刚桂拦石墙的结构设计。     

铁路隧道明洞高陡边坡加固防护与监测方案研究

根据分析与计算，隧道明洞高陡岩质边坡通常受构造影响，岩体不利结构面发育，坡面小型楔体分布，在外力作用下长期稳定性较差，可能沿临空面形成危岩落石甚至崩塌等灾害。工程设计中宜采取延长明洞，增加明洞回填厚度，设置预应力锚索、防护网及自动化监测系统等综合措施进行加固防护与变形监测，以确保施工及运营的长期安全。     

映秀特长隧道单压明洞施工技术

映秀隧洞进口段地处2008年"5.12"大地震的震源中心地带,"5.12"大地震产生的剧烈地层挤压、振动、剪切运动等,使岩层断裂带松散破碎加剧,节理裂隙进一步发育,裂隙变成断裂带,节理变成裂隙,闭合裂隙变成张性裂隙,嚼合裂隙变成错位裂隙等。由于洞口岩体极为破碎,构造节理极为发育,且边坡高陡,极易产生崩塌落石,容易造成明洞偏压,存在较大的安全隐患。针对这一技术难题,介绍明洞基础处理、明洞浇筑、洞门墙施工、抗滑桩桩基加固和明洞回填等关键技术,为类似工程施工提供借鉴。     

基于离散元方法的落石冲击力变化规律研究

采用PFC 2D离散元软件模拟落石冲击铁路棚洞现场试验,从落石冲击力大小、冲击作用时间2方面将数值计算结果与试验结果进行对比分析,验证了数值模拟计算结果与试验结果基本一致。对不同半径、不同密度的落石冲击作用进行了数值模拟,发现在冲击能量相同的情况下,同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石冲击力更大;落石回弹加速度在相同高度的条件下也遵循同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石回弹加速度更大的规律。     

铁路隧道明洞高陡边坡加固防护与监测方案研究

通过对隧道明洞高陡岩质边坡受构造影响,如岩体不利结构面、坡面小型楔体在外力长期作用下,沿临空面可能形成危岩、落石甚至崩塌等灾害的分析与计算,介绍延长明洞、增加明洞回填厚度、设置预应力锚索、防护网及自动化监测系统等综合工程措施设计和实例工程加固防护与变形监测效果,供类似工程借鉴。     

消能棚洞的落石冲击计算及消能效果研究

基于结构动力学基本原理,根据落石冲击棚洞时的动力特性,并考虑棚洞和消能支座的弹性和黏滞性,推导落石冲击力随时间变化的计算公式。根据消能棚洞的结构特性和受力条件,建立消能棚洞的振动模型,推导消能棚洞刚度系数的计算公式,进而得到消能棚洞的落石冲击力计算公式。以国道G319武隆境内的某棚洞和铁路丰沙线的某棚洞为例,对消能棚洞的消能效果进行分析。结果表明,采用消能棚洞形式后,落石冲击力可消减50%左右,横梁最大弯矩以及纵梁上、下侧最大弯矩可分别降低15%以上,17.3%和6.9%,说明消能棚洞对落石冲击力和棚洞内力的消减效果明显,较大地提高了棚洞的承载能力。     

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。     

“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。     

路堑桩板墙式拦石结构设计

以张呼客运专线某段深路堑设计为例,提出路堑桩板墙、被动拦石网、缓冲土堤、落石槽相结合的综合防护措施。根据地形、地质情况,结合落石运动、边坡土压力、落石冲击力,计算防护结构尺寸。     

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。     

隧道明洞接长技术及经济效益分析

隧道是线路经过山区或地形复杂区域所采取的必然措施,也是铁路运输的必然通道。在建国初期,由于隧道施工工艺不成熟,施工机具落后,施工原材料紧缺,当线路途经山区时大多以浅埋的单压或偏压形式出现。随着时间的推移及社会生产力的不断进步,浅埋单压或偏压式隧道由于自然灾害(如滑坡、落石等),会对线路形成安全隐患。为杜绝以上情况,通过设计部门研究论证及有关试点取得的实际效果证明,对隧道群之间的线路采用明洞接长的方式进行防护较为合理。该防护形式虽然在当时具有防护主体的优越性,但也存在其施工方面的经济特殊性。以陇海铁路上行线峡口1~#、2~#、3~#、4~#隧道接长明洞为背景,论述隧道接长的施工方法、技术及所产生的经济效益。