隧道洞口柔性棚洞防护结构可靠性分析及应用

为了解决山区高速铁路隧道洞口的落石问题,结合工程实例建立柔性棚洞数值模型,模拟了落石冲击过程,从能量、变形、应力3方面对柔性棚洞防护结构可靠性进行了分析。结果表明:柔性棚洞能够对初始动能为100 kJ的落石进行有效拦截,受落石冲击柔性棚洞防护结构没有出现支撑绳和环形网破断。与传统的钢筋混凝土棚洞相比,柔性棚洞在结构受力、施工速度、环保、经济性等方面均有显著优势,适用于隧道洞口落石防护,尤其是快速抢修抢建工程。     

3种隧道洞口落石防护方案对比分析

为解决既有隧道洞口落石防护问题,比较了钢桁架棚洞、柔性棚洞以及波纹钢板棚洞3种落石防护结构的优缺点,并采用有限元软件对其可靠性进行数值模拟。研究结果表明:3种防护结构均能对能级为100 kJ的落石进行有效拦截;钢桁架棚洞为刚性结构,不利于落石的缓冲及能量吸收,会发生局部变形损伤,适用于洞口坡面陡峭、桥面与地面高差不大、围岩条件较好地段;柔性棚洞以柔克刚能充分吸收落石的冲击能量,适用于洞口场地施工条件差的隧道以及既有工程改造项目;波纹钢板棚洞施工速度快、强度高,更适用于洞口抢修工程。     

铁路防治危岩落石桥梁-棚洞一体化结构设计研究

危岩落石灾害是世界范围内高山峡谷地区一种常见的地质灾害类型，具有分布范围广、破坏力强、发生突然等特点，对其危害范围内的构筑物和人类活动构成了严重威胁。当受种种条件限制，考虑空间、地形和投资等因素，桥梁-棚洞一体化结构在提高山区铁路危岩落石防治技术综合水平、保障铁路运营安全方面优势明显。基于RocFall等软件，探讨了危岩落石的冲击计算参数、冲击能量、影响范围、桥梁-棚洞一体化结构的防护能级与防护范围等，提出适用于高速铁路常用跨度32 m简支箱梁的钢筋混凝土刚架式桥梁-棚洞一体化结构设计方案。结果表明：钢筋混凝土刚架式桥梁-棚洞一体化结构在500 kJ的防护能级及以下是可行的；主力(单线活载)+落石冲击荷载为最不利荷载组合，也是结构设计的荷载控制组合，此时结构响应和各项指标满足规范要求。     

落石冲击作用下柔性棚洞结构灵敏度分析

研究目的:柔性棚洞是一种拦截边坡落石的被动防护结构,凭借施工方便、经济环保等特点广泛运用于落石灾害防护领域,但是目前没有规范指导柔性棚洞结构进行设计.本文基于能量法建立落石冲击柔性棚洞结构失效模型等三个模型,采用Sobol'全局灵敏度分析法得到柔性棚洞结构参数一阶、全局灵敏度,提出柔性棚洞结构优化设计思路.研究结论:(...     

减压环在被动柔性防护网中的耗能作用研究

基于落石防护措施受力系统的复杂性及不同系统参数研究的有效性角度考虑,数值方法正成为研究被动柔性防护网动态受力行为的重要手段。为研究被动柔性防护网中的减压环在落石冲击作用下的耗能及缓冲作用,以实际被动柔性防护网为原型,建立含减压环及不含减压环的两种被动柔性防护网有限元模型,基于ANSYS/LSDYNA分析两种防护网在不同冲击能量及冲击位置下的动力响应。研究结果表明:减压环可增强被动柔性防护网的柔性、改善作用部位的性能,同时能显著地提高被动柔性防护网的耗能能力。同时,数值结果的对比分析为下一步试验设计以校正有限元模型和研究实体构件受力特征提供了参考依据。     

橡胶缓冲垫层保护下棚洞结构落石冲击力学响应研究

采用以橡胶为原料的废弃轮胎作为垫层材料,利用有限元软件建立落石冲击棚洞结构模型,研究落石冲击速度、橡胶缓冲垫层厚度对棚洞结构最大等效应力、结构动能、节点位移等的影响。结果表明:在竖向落石冲击作用下,棚洞结构中间跨的横梁端部为受力不利位置;落石的冲击速度越高、橡胶缓冲垫层越厚,橡胶垫层的缓冲作用越显著;在冲击荷载作用下,棚洞结构横梁下部会承受较大的拉应力,应加强横梁底部的钢筋布置。     

复杂地形下的危岩落石被动防护网三维防护效果评估研究

为评估复杂地形下被动防护网的落石防护效果，利用无人机摄影测量方法，获取复杂地形的坡表形态并生成数字模型。基于RocPro3D模拟不同条件下的落石运动轨迹并评估防护网性能，对比二维与三维落石模拟结果中防护网性能的差异。计算结果表明：被动防护网缺陷的主要表现形式为防护高度不足、防护范围不足以及其他防护网缺陷引起的自身防护能力未完全发挥；被动防护系统最优防护效果表现为按照防护网布设位置，自上而下，防护网拦截率及作用在防护网上的冲击能量逐级降低；针对复杂地形下的被动防护体系评估，三维分析比二维分析的结果更加全面，更具参考价值。研究成果为被动防护网评估提供更多思路。     

被动柔性防护网结构足尺冲击试验研究

为研究被动柔性防护网结构的落石防护性能,设计2组防护能级为750 k J的柔性被动防护网结构,进行足尺冲击试验研究。模型1为按照现有标准所选型得到的系统配置;模型2为改进后的柔性被动防护网结构。试验结果表明:模型1无法拦截750 k J落石的冲击,系统崩溃;模型2成功地拦截了落石,且冲击后模型2的各主要组成构件等均未发生破坏,仅需要对耗能元件进行更换,即可继续投入使用。通过对高速视频的解构,对各部分组成构件的运动和受力特征进行详细分析,明确系统的三阶段工作历程,并分析系统失效的关键因素,同时,对实测的钢丝绳拉力时程进行对比分析。研究结果为今后柔性被动防护网结构的设计提供了理论基础。     

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。     

“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。     

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。     

落石冲击作用下棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应

以黔张常铁路（黔江—张家界—常德）为例，采用离散元软件PFC3D与有限差分软件FLAC 3D进行耦合计算，研究落石冲击棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应，优化棚洞-拦石墙顶板及缓冲层设计，并对掺有轮胎颗粒的缓冲层进行研究。结果表明：可适当减小棚顶厚度，达到减轻结构自重与节省原料的目的，但棚顶厚度不宜小于0.4 m；适当增加缓冲层厚度可以减小落石冲击力，从而减小顶板挠度与应力，且缓冲层厚度不宜低于0.50 m；缓冲层添加20%～30%轮胎颗粒能有效提升缓冲层防护效果。     

石太线路基边坡危岩落石整治方案研究

石太线危岩落石病害地段经常有危石坠落至线路,严重威胁行车安全。通过综合比较各种整治危岩落石的工程措施,最终确定因地制宜的安设高强度金属柔性防护网进行病害整治。并通过对一处典型病害工点进行三维激光扫描、落石轨迹模拟分析、落石最大速度和动能计算等研究,详细阐述金属柔性防护网的合理选型以及防护方案确定的方法。     

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。     

艰险山区高速铁路隧道洞口新型棚洞结构研究

研究目的:艰险山区高速铁路隧道洞口坡面落石防护问题是制约安全运营的重要因素,本文以西安至成都高速铁路项目为依托,结合地形特点,提出两种新型棚洞结构:桥隧一体化柔性钢网棚洞及柱、梁支撑式钢筋混凝土棚洞,分析各自特点,并提出适用条件。研究结论:(1)柱、梁支撑式钢筋混凝土棚洞的上部结构自重大,需单独设置基础,工序复杂,施工难度大,投资大,但耐久性好,后期维护成本低,在轨面标高与地面高差较大、高地震区采用时,务必进行详细检算分析;(2)桥隧一体化柔性钢网棚洞可以与桥设为一体,不需单独设置基础,具有制作安装方便、经济美观等优点,但钢材耐久性差,需定期防锈处理,后期维护成本高;(3)轨面距沟心地面高差是影响两种新型棚洞型式选取的重要因素,一般高差小于15 m时优先选用柱、梁支撑式钢筋混凝土棚洞;(4)该研究成果可在铁路隧道洞口落石防护中推广使用。     

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。     

铁路客运专线与公路并行区段柔性防护预留变形空间的研究

为保证高速列车的行车安全,必须建立防止异物入侵的安全防范体系。在铁路客运专线与公路并行区段采用柔性防护时,必须预留一定的变形空间,以保证受到异物冲击后的柔性防护网不侵入铁路建筑限界。通过有限元仿真计算和现场性能试验,准确把握柔性防护网在规定的冲击能量作用下的最大变形数据。仿真和试验结果表明:柔性防护网的最大变形量随着冲击能量的增大而增大,最大变形距离达1.8 m以上。建议设置在铁路客运专线与公路并行区段之间的柔性防护网,其垂直冲击能量设计标准取为:一般区段9.3×104J,加强区段1.7×105J;且柔性防护网预留变形空间的宽度以不小于2.0 m为宜。     

隧道洞口波纹板防护结构的动态性能

考虑现有隧道洞口防护结构的优缺点,本文提出了一种隧道洞口波纹板防护结构。利用足尺试验分析不同冲击能量下隧道洞口波纹板防护结构内力、变形及基础受力特性。应用LS-DYNA动力学软件建立落石冲击波纹板防护结构动力学分析模型,对落石冲击作用下波纹板防护结构的内力、变形及基础压力进行了分析。结果表明:采用300 mm×110 mm及以上波形,在500 kJ冲击能量作用下,即使板材个别位置出现屈服,拱顶整体变形仍然较小。因此采用大波形作为隧道洞口防护结构是可行的。     

EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用北大核心

为了保证线路安全,许多邻近陡峭山坡的铁路采用了棚洞来防护山坡落石。国内外研究发现,可以采用"EPS板+钢筋混凝土板+表层砂土"的复合结构代替传统的洞顶填土,不仅可以减少结构设计荷载,而且施工便捷,解决了山区土方少且运输不便的问题。抗冲击试验表明,该复合结构可有效分散冲击力,将洞顶单位面积承受的荷载减少至传统填土结构的10%,有效保护棚洞结构安全。本文结合西(安)(安)康铁路白沙滩隧道进口落石防护工程,详细介绍了EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用。     

山区高速铁路隧道间桥隧连接结构探讨

研究目的:根据调整后的中长期铁路网规划,我国将建设1.6万千米以上的客运专线,而位于中西部山区的高速铁路需修建大量的桥隧工程,且大多桥隧相连、成群分布,高速列车运行对安全度要求极高,乘客舒适度也是必须考虑的问题,当两隧道间因地形条件及线路走向限制,明线间隔距离很短时,有必要对是否在桥上部设置连接防护结构及其结构型式进行深入研究,确保运营安全和提高乘客舒适度。研究结论:(1)两隧道洞口间距大于250 m时可将隧道看成独立隧道。小于250 m时,单列车通过隧道群中的每一座隧道时引起的车内压力波动相互间有影响,之间加设连接结构可降低车内3 s内最大压力变化值,有利于改善车内舒适度环境,可缓解列车频繁进出隧道,"黑洞"和"白洞"效应引起的乘客视觉疲劳问题。(2)隧道洞口坡面陡峻,存在危岩落石危害时,在采取坡面防护措施的基础上,设置连接防护结构可以有效防止小粒径落石对运营安全的威胁。(3)连接防护结构采用柔性防护网钢结构,具有安全可靠、经济适用的优点,在进行落石冲击试验后可以用于实际工程。