CN105603893B - 隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利工程领域与滚石防治工程领域，涉及隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体及其设计方法，包括多个人字形的防治结构单体，防治结构单体沿坡面布置，相邻的防治结构单体之间通过叠瓦式套接或者无缝顺序衔接；所述的防治结构单体包括两片桁架结构顶棚，桁架结构顶棚通过支撑结构安装在坡面耗能减震锚固底座上，桁架结构顶棚上覆盖有复合耗能盖板。设计方法目的为确定排导棚洞整体结构尺寸和空间位置以及承台耗能减震材料厚度Z。该隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体结构简单，组件单一，尺寸标准，利于工厂规模生产和质量控制，也利于高山峡谷区的运输和安装，同时模块化的结构也利于后期的维护保养。

Description

隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体及其设计方法

技术领域

本发明属于水利工程领域与滚石防治工程领域，涉及隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体及其设计方法。

背景技术

随着我国西部大开发战略的推进，西部山区的交通运输业蓬勃发展，对应桥隧工程比比皆是。然而，因特殊的地质地貌环境，西部山区崩塌滚石灾害严重，道路特别是隧道口路面常受到滚石冲击破坏，导致交通阻断，严重影响经济和社会的发展。

棚洞作为滚石防治最有效最普遍的工程技术之一，已被大规模广泛应用于西部山区桥隧工程连接处的边坡滚石防治中。目前可用于隧道口滚石防护的棚洞主要包括墙式棚洞、拱式棚洞、悬臂式棚洞、钢结构棚洞和柱式棚洞等，虽然不同棚洞在结构形式有变化，但终究都是通过“拦挡”来实现对路基的防护。然而，工程实践表明，这类“被动拦挡”棚洞虽然对小规模群发或低能量零散偶发块石防治效果明显，但对大规模群发、高频反复、动能高冲击力大的滚石防治效果有限。首先，面临高频群发滚石的持续冲击时，这类棚洞虽然一次性损毁少见，但整体结构会因滚石反复作用而不断损伤，其抗滚石冲击能力及结构的耐久性不断下降，最终当损伤累积到一定程度后就会出现系统性无征兆的突发破坏，危害极大。其次，针对偶发、高强能量的大型滚石冲击时，这类传统“被动拦挡型”因“系统柔度小”而效果更不尽人意，甚至会出现“洞毁路坏”的悲剧，如汶川地震时宝成铁路109隧道洞口棚洞被崩石砸坏并引发火车起火。

另外，由于阻断了滚石下泄路径，这类棚洞顶部会不断拦截并淤停碎屑体，导致上覆荷载持续不断增大，降低了结构的安全性。实际上，为保证防止系统的可靠性，“被动拦挡型”棚洞往往设计保守，工程投入巨大，经济性差，且防治效果有限。

本质上，作为崩塌滚石是地球外营力作用下地貌削高填低的过程。从地学角度看，它是地球物质大循环中客观存在、不可逆也不能消亡的一环。为此，对其“防治”应摒弃传统“拦挡”思路，而应从“疏导”角度出发，在不阻断崩塌滚石路径，不人为改变地表过程的前提下，研发隧道进出滚石防治技术。

当然，传统拦挡型棚洞多为钢筋混凝土结构，其“建造费用高”、“施工周期长”、“在高山峡谷区修建难度大”、“损毁后不易修复”、“大自重增加桥隧荷载”等不利因素也限制了其在隧道口的应用，也亟需一种新型轻质耗能、便捷高效的新型棚洞出现。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，颠覆传统棚洞“拦挡”设计观念，提供一种“轻质柔性排导”滚石棚洞结构体。新棚洞采用新的材料和结构形式，通过“排导”而非“拦挡”实现对滚石灾害的防治，整体具有柔性耗能、质轻高强、快速高效、经济环保，广泛可靠的特点，可对隧道口各种类型的滚石灾害进行有效防治。

为实现上述目的，本发明首先提供隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其技术方案如下：

隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，包括多个人字形的防治结构单体，防治结构单体沿坡面布置，相邻的防治结构单体之间通过叠瓦式套接或者无缝顺序衔接；所述的防治结构单体包括两片桁架结构顶棚，桁架结构顶棚通过支撑结构安装在坡面耗能减震锚固底座上，桁架结构顶棚上覆盖有复合耗能盖板。

桁架结构顶棚为钢管按侧面为等边三角形的正四棱锥结构在空间内沿同一平面方向内相互铰接构成的框体。

复合耗能盖板由多个正方体耗能单元组成，所述的正方体耗能单元包括高密度耗能材料外层和低密度耗能材料内层，高密度耗能材料外层的上表面、低密度耗能材料内层下表面、高密度耗能材料外层和低密度耗能材料内层之间分别有Q235钢板，正方体耗能单元四个侧边为Q235薄层围板。

支撑结构包括加筋抗弯钢套管混凝土桩和防护钢索，加筋抗弯钢套管混凝土桩包括外侧钢管和内侧钢管，内侧钢管嵌套在外侧钢管内，外侧钢管和内侧钢管之间还分布有螺纹钢筋，内侧钢管中心还有工字钢；外侧钢管和内侧钢管内填充混凝土。

所述耗能减震锚固底座包括预应力锚杆，预应力锚杆上端为钢筋混凝土承台，钢筋混凝土承台中心有凹槽，凹槽内底部有耗能减震材料，钢结构支撑桩连接装置通过螺栓安装在凹槽内。

防治结构单体由一个或数个防治结构单体组成。

耗能减震锚固底座形成锚固底座群，防治结构单体利用锚固底座群固定在隧道口上方坡体上，作为防治结构单体的“根基”，锚固底座群不仅通过锚固力为防治结构单体结构提供充足的抗压、抗弯和抗滑移力，也对原有边坡起到“加筋”加固作用，增强了边坡的整体稳定性。其中，钢筋混凝土承台预制或现浇成带凹槽形正方体构件，并在四角由预应力锚杆固定，形成结构体的基础。在承台的凹槽中充填耗能减震材料，其上布置钢结构支撑桩连接装置。钢结构支撑桩连接装置为预制件，用于实现与上方棚洞支撑桩的固接。其下方通过螺栓紧固作用紧紧压实在耗能减震材料，实现与承台的连接。该耗能减震锚固底座具有如下技术特点：一、所有构件，包括混凝土承台均可在工厂内标准化生产，既提高了施工效率，保障了施工质量，也可有效降低施工难度，控制工程投入。二、被锚固的槽型承台内充填耗能减震材料来支撑整个棚洞体系，可以在为系统提供有效支撑的前提下，控制作用在结构上的最大荷载，保护结构的安全。特别说明，在具有特殊施工条件或荷载要求的地方，亦可由预制钢框充填石笼替代。

防治结构单体的支撑结构中的抗弯钢管混凝土桩通过连接件竖直安装在耗能减震锚固底座上，并与抗倾/弯的防护钢索配合，完成对防治结构单体上部桁架结构顶棚的支撑。抗弯钢管混凝土桩为内外双层钢套筒模式，可极大的增强桩体的抗压、抗剪和抗弯性能。进一步地，加筋的优化处理，即在外层钢管和内层钢管间增设了螺纹钢筋，具体是：所述内侧钢管外壁有沿轴向布置三根与钢管等长的钢筋，所述钢筋与钢管点焊连接，平面上沿钢管桩中心轴呈等边三角形布置，且三角形顶点位于桩体受弯方向的顺向上，焊接钢筋与外层钢管间灌注有水泥砂浆。另外，根据需要，内侧钢管桩中心可选用布置一根与地质管等长的工字钢，并在地质管内壁与钢筋间注有水泥砂浆，以增强桩体抗压、抗弯和抗剪性能；整体上，钢管桩下部桩身加工成花管，采用花管注浆。优化设计的钢管桩具有两点技术效果，一、钢管桩采用内外双层钢管嵌套结构，对桩体混凝土实现有效侧向约束，极大的增强了桩体的抗压性能。同时，内侧钢管在桩体受水平荷载作用时，可以有效增强桩体的抗弯和抗剪性能，且因“各向同性”而具有比普通加筋更优化的增强效果；二、相对与未加筋或内部轴部插筋的钢管桩技术，内外侧钢管间布置螺纹钢筋可有效发挥钢筋的抗拉能力，优化了钢管桩受力体系，增强桩体抗弯和抗剪性能。同时，内外侧钢管间加筋，也优化了钢管桩受力体系，增强系统的整体性，与内外侧钢管及外圈混凝土层形成了统一的壁结构，保证了桩体在具有很好的抗压性能同时具有较好的抗弯性能。

防治结构单体上部桁架结构顶棚沿坡面以铰接的方式架空铺设在支撑结构上，并由相互铰接的钢管标准件按正四棱锥结构空间布置而成，以便安装复合耗能盖板，并将荷载扩散到下部支撑结构的纵横梁上。

防治结构单体最顶部铺设的复合耗能盖板，复合耗能盖板为三层钢板夹芯结构，外层夹芯材料为w1的高密度耗能材料，具体为强度稍高的泡沫铝，内侧夹芯为厚w2的低密度耗能材料，具体为强度稍低的EPS。设计成特定尺寸的正方体抗冲击板状结构，既便于工厂标准化批量生产和质量控制，也利于高山峡谷区的运输和安装。另外，模块化的结构也使得顶棚复合耗能盖板便于维修维护。耗能材料“外强内弱”的充填模式，既可保证滚石冲击下接触应力的迅速扩散，也降低并限定了作用在结构上荷载的大小，保证了顶棚桁架结构的安全。

该隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，自隧洞上方滚石爆发区按无缝顺序衔接或叠瓦式套接的方式顺序布置到隧洞上方，形成人工鼻形滚石排导结构。滚石爆发区特指对隧洞口有危害的滚石起动、跳跃或加速的位置，通常为隧洞上方坡面凸出点，即向上坡面变缓处。整体上，结构体顶端要求与原始坡面相切融合，中上部沿坡面布置的棚顶坡度要略大于自然坡面坡度，一般以10°～30°为宜，而下端则要求能对隧洞口需防护范围内路基进行有效遮盖。

该隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体的技术原理在于：一方面，当隧洞口上部坡体发生崩塌滚石灾害时，鼻形棚洞特有的结构特征可将滚石“分流引导”到受保护隧洞口两侧的峡谷中，改变传统棚洞“直接拦挡”的防治滚石模式，有效的解决了传统棚洞“面临大块石冲击易直接损毁”、“面临群发滚石易损伤累积破坏”、“荷载因棚洞顶部物质淤塞的增多而持续增大”等问题，同时也因未阻碍滚石的下泄路径而实现了与自然地理环境的友好统一。另一方面，加入复合耗能盖板和耗能减震器的柔性鼻形滚石排导棚洞结构体自身具有较好的抗滚石冲击能力，能为隧道口提供可靠的“遮盖”防护，进一步保证了隧道口路基安全。同时，锚固底座中的预应力锚杆也有效地加固了破碎坡体，阻碍了崩塌滚石的进一步发育。

该隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体中，单片桁架结构顶棚在平面上为正方形钢管结构框体。钢管或石英纤维柱、玄武岩纤维柱加工成长l的标准件，质轻且抗拉压性能好。钢管相互间按侧面为等边三角形的正四棱锥结构铰接，并在空间上沿着正四棱锥四个侧面方向延伸，构造出上下底面为正方形钢管网、内部为三角形钢管支撑的铰接桁架结构顶棚。

现场施工的基本过程是：现场勘查滚石爆发区位置、隧道口受滚石灾害危害区域以及滚石最大尺寸和速度等设计参数，确定防治结构体顶棚中轴线倾角，计算各防治结构单体中加筋抗弯钢套管混凝土桩的高度、位置等关键参数。继而在坡面打入用于锚固耗能减震底座的预应力锚杆、以及用于固定防护钢索的钢钎。浇筑钢筋混凝土承台，铺设耗能减震材料，安装钢结构支撑桩连接装置，焊接预制的加筋抗弯钢套管混凝土桩并连接防护钢索，完成结构体耗能减震底座及支撑结构的施工。最后，在支撑结构是上将预制钢管铰接组装成桁架结构顶棚，铺设复合盖板后完成防治结构的安装。

在工厂标准化生产正方体耗能单元、桁架顶棚钢管、加筋抗弯钢套管混凝土桩钢管以及耗能减震底座的前提下，对于既定的受滚石灾害危害的隧洞洞口而言，针对隧洞口山坡体地形特征及滚石运动轨迹，设计适用的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体的主要参数包括棚洞顶棚中轴线倾角θ、加筋抗弯钢套管混凝土桩即支撑桩高度h、结构单体中两片桁架结构顶棚的夹角2δ、选择承台耗能减震材料并确定布设厚度Z等，其中关键性技术参数是棚洞支撑桩的高度h和耗能减震材料屈服平台强度σ_y，因为(a)支撑桩的高度直接决定了棚洞顶棚中轴线倾角θ，间接决定了防治结构的空间形态、布局、工程量，并最终影响了其对滚石排导/遮挡的防护效果。(b)耗能减震材料屈服平台强度σ_y直接决定了耗能材料的填充厚度Z、材料用量以及耗能效果。

因此，本发明进一步提供上述柔性鼻形滚石排导棚洞结构体的设计方法，具体技术方案如下：

步骤S1、调查隧洞口所在的山坡体，确定山坡体地形参数及滚石灾害发育特征参数，包括现场勘查确定滚石爆发点A距离隧洞口B的直线距离a、隧洞上方坡体坡度β、依历史监测统计确定隧洞口受滚石危害区域长度CB的最大值b和宽度DD’的最大值为2w；另外，还要确定待求支撑桩的空间位置，支撑桩即为加筋抗弯钢套管混凝土桩，包括支撑桩与中轴面ABC的距离x、支撑桩在中轴线上投影E’与滚石爆发点A的直线距离c；

步骤S2、依1计算确定支撑桩高度h：

式中，δ——结构单体两片桁架顶棚夹角的一半，°，可由下式确定：

h_B——棚洞口B点上方棚洞中轴线的高度，即BB’的长度，m，可将式3中c替换为a的情况下由求出；

h₀——待求支撑桩所在棚洞横截面上中轴线的高度,即EE’的长度，m，表示为：

式中，m——为桁架结构顶棚及复合耗能盖板的总厚度，m；

θ——棚洞顶棚中轴线倾角，°，由式4确定；

步骤S3，确定耗能减震锚固底座的耗能减震材料厚度Z：

式中，ε_Δ——耗能减震材料用于耗能的屈服平台应变量，具体可表示为材料刚进入屈服时的应变与压密增强应变之差，材料的应力应变曲线可由压缩试验给出；

n——防治结构单体下耗能减震锚固底座的个数，取8；

A——耗能减震锚固底座的凹槽底面积，m²；

σ_y——耗能减震材料屈服平台强度，Pa，由试验确定，但必须满足：

其中，σ_c——结构单体复合耗能盖板进入屈服状态耗能时的平均压垮荷载；

S——为防治结构单体上顶棚面积，m²，其值在工程设计中结合实际坡面地形数据及棚洞空间几何特征确定；

[N]——为防治结构单体中各部件承载力最小值，N，其值由结构分析和产品参数给出；

E_a——在极端不利条件下，结构单体复合耗能盖板的所有正方体耗能单元都同时被滚石冲击屈服且完全耗能破坏后，群发滚石剩余未被耗散的冲击动能，可表示为：

其中，E——为最不利情况下冲击在棚洞上群发滚石的冲击动能，由历史监测数据统计分析确定；

E_b——为单块正方体耗能单元的最大耗能；由产品耗能参数给出。

加筋抗弯钢套管混凝土桩即支撑桩高度h设计方法的技术原理在于：支撑桩不仅要撑起桁架结构顶棚并承担滚石冲击，更重要的是通过自身高度计来塑造出棚洞外形的“鼻形”结构，以便将滚石成功引导隧洞口受保护区外侧。为此，设计中首先通过调查确定滚石爆发区位置、隧洞口位置、防护的最大范围、坡体坡度等参数，继而借助式2确定棚洞轴线倾角，最后通过几何分析完成式1所示的不同位置处支撑桩的高度。

承台耗能减震材料厚度Z设计方法的技术原理在于：桁架结构顶棚上的复合耗能盖板由标准化的正方体耗能单元构成，其对滚石冲击能量的耗散能力是确定的。故为保证结构的安全，对超出棚洞顶棚耗散能力之外的滚石冲击能量需要通过在锚固底座凹槽中增设耗能减震材料来耗散。根据能量守恒原理，即可确定式3所示的耗能材料的厚度Z。

本发明提供的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体及其设计方法，基于“鼻形”结构形式构建全新的滚石防护棚洞，颠覆传统棚洞“拦挡”设计理念，通过“排导”的方式实现了对不同能级、不同频次的滚石单/群体的有效防治，解决了传统棚洞面临“高能级冲击损毁”、“高频损伤累积破坏”、“拦挡淤塞压垮”等问题，降低了传统保守设计施工的成本。顶棚复合耗能盖板和耗能减震锚固底座中均设置了耗能减震材料，这使得防治结构的系统柔度增加，抗冲击能力、结构耐久性和防护可靠性都有极大提升。加筋抗弯钢套管混凝土桩采用了双层钢套管充填混凝土而成，其两层钢管间增设三角形布置钢筋，内层钢管内选用布置工字钢，该新型钢管混凝土桩不仅有较好的抗压性能，其抗弯和抗剪性能也得到极大提升。主要部件均为工厂标准化定制生产，并可根据不同防护对象和地形条件进行现场搭建组装，具有广泛适应性。同时，施工速度快，工程质量容易控制，劳动强度低，能在传统结构不易施工的在高山峡谷区应用，且便于抢险救灾。该结构为模块化生产安装，可实现对受损构件有针对性替换，极大的降低工程运行期的维护成本，解决了传统棚洞不易修复和维护问题。该结构通过“分流引导”实现对滚石灾害的防治，并未人为阻碍滚石的下泄路径，实现工程防护与自然环境的友好统一。

附图说明

图1是本发明的柔性鼻形滚石排导棚洞结构体布置示意图；

图2是本发明的柔性鼻形滚石排导棚洞结构体剖面结构示意图；

图3是本发明的防治结构单体剖面结构示意图；

图4是本发明的复合耗能盖板的正方体耗能单元横截面结构图；

图5是本发明的加筋抗弯钢套管混凝土桩横截面结构图；

图6是本发明的耗能减震锚固底座剖面结构图；

图7是本发明的设计参数计算纵剖面简图；

图8本发明的设计参数计算立体简图；

图9本发明的设计参数计算立体局部放大简图；

图10是本发明的耗能减震材料应力应变曲线。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

依照本发明技术方案在某铁路隧道口设计一座滚石防护棚洞结构体。该公路隧道口位于四川甘孜藏族自治州康定县姑咱镇日地村的日地沟沟口附近的山崖上。由于海拔高，地形起伏陡峻，山间沟谷下切强烈，隧道口处山坡体平均坡度达40°以上，加之区域构造活跃，断裂发育，导致崩塌滚石灾害频发，严重危害隧道出口处行车及桥梁安全，亟待治理。

该防护棚洞结构体如图1、图2所示，隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，包括多个人字形的防治结构单体100，防治结构单体100沿坡面布置，相邻的防治结构单体100之间通过叠瓦式套接或者无缝顺序衔接；

如图3所示，所述的防治结构单体100包括两片桁架结构顶棚1，桁架结构顶棚1通过支撑结构安装在坡面耗能减震锚固底座上，桁架结构顶棚1上覆盖有复合耗能盖板2；

桁架结构顶棚1为钢管按侧面为等边三角形的正四棱锥结构在空间内沿同一平面方向内相互铰接构成的框体；

如图4所示，复合耗能盖板2由多个正方体耗能单元组成，所述的正方体耗能单元包括高密度耗能材料外层213和低密度耗能材料内层214，高密度耗能材料外层213的上表面、低密度耗能材料内层214下表面、高密度耗能材料外层213和低密度耗能材料内层214之间分别有Q235钢板211，正方体耗能单元四个侧边为Q235薄层围板212。

如图3和图5所示，支撑结构包括加筋抗弯钢套管混凝土桩31和防护钢索32，加筋抗弯钢套管混凝土桩31包括外侧钢管311和内侧钢管312，内侧钢管312嵌套在外侧钢管311内，外侧钢管311和内侧钢管312之间还分布有螺纹钢筋313，内侧钢管312中心还有工字钢314；外侧钢管311和内侧钢管312内填充混凝土315；

如图6所示，所述耗能减震锚固底座包括预应力锚杆41，预应力锚杆41上端为钢筋混凝土承台42，钢筋混凝土承台42中心有凹槽，凹槽内底部有耗能减震材料45，钢结构支撑桩连接装置43通过螺栓44安装在凹槽内。

1、基础参数获取：

根据图7、图8和图9示意，经勘查，自隧洞口沿坡面向上直线距离a＝30m处发育的一处大型破碎崩塌体，为坡体滚石灾害的策源地。该处坡体的平均坡度β＝42°。历史监测统计数据及调查分析表明，在体积最大、数量最多、坠落过程无能量损耗等最不利情况下，隧洞口受滚石危害区域长度最大值b＝12m，宽度DD’的最大值为2w＝12m，群发滚石灾害危害对棚洞法向冲击能量E＝2×10⁵kJ，隧洞口外最大危害距离b＝12m。同时，作为工厂预制的标准耗能件，单块正方体耗能单元底边长l＝1m，厚m＝0.2m，最大耗能E_b＝3400kJ。单个耗能减震锚固底座的凹槽底面积A＝2.25m²，耗能材料的屈服强度σ_y为9000kPa，耗能减震材料用于耗能的屈服平台应变量ε_Δ＝0.6。

2、防治结构单体的设计：

为构建柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，自滚石爆发点A沿坡面向下选用至少5个顶棚中轴线12长6m的结构单体进行组合防治。对于自A点起向下无缝顺序链接的任意结构单体而言，中轴线12倾角由式4计算后有θ＝30.34°，隧洞口C处中轴线12高度h_B由式3计算给出为6.82m，结构单体两片桁架顶棚夹角通过式2计算后有2δ＝82.64°。特别强调，由式2计算出的结构单体两片桁架顶棚夹角2δ是施工设计的最小值，实际中考虑安全及部分套接施工的可操作性，往往略微放大。

在计算出上述关键参数后，即可根据待求桩体的位置参数c和x来求出任意一根支撑桩的高度，从而完成鼻型棚洞塑形参数的计算。在本算例中，特以c＝18m，x＝2m为例带入式3和式1进行计算，可有待求位置处支撑桩高度h＝1.74m。

3、耗能减震锚固底座中耗能材料铺设厚度Z的计算

考虑最不利情况下，群发滚石灾害对棚洞结构单体的最大冲击能量E＝2×10⁵kJ，作为工厂预制的标准耗能件的单块正方体耗能单元最大耗能E_b＝3400kJ。由于防治结构中防治结构单体顶棚面积会随其空间位置及具体坡面地形的不同而变化，为此特以上述位置处防治顶棚面积S＝44m²的防治结构单体为例进行计算，带入式7有耗能减震锚固底座中耗能材料需要耗散的冲击能量E_a＝0.504×10⁵kJ。继而考虑到防治结构单体下耗能减震锚固底座的个数、底座凹槽的面积，充填材料的屈服强度后，结合式5即可求出充填屈服材料的厚度Z＝0.519m。材料的应力应变曲线由压缩试验给出，如图10所示。

Claims (7)

1.隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：包括多个人字形的防治结构单体(100)，防治结构单体(100)沿坡面布置，相邻的防治结构单体(100)之间通过叠瓦式套接或者无缝顺序衔接；

所述的防治结构单体(100)包括两片桁架结构顶棚(1)，桁架结构顶棚(1)通过支撑结构安装在坡面耗能减震锚固底座上，桁架结构顶棚(1)上覆盖有复合耗能盖板(2)。

2.根据权利要求1所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：所述的桁架结构顶棚(1)为钢管按侧面为等边三角形的正四棱锥结构在空间内沿同一平面方向内相互铰接构成的框体。

3.根据权利要求1所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：所述的复合耗能盖板(2)由多个正方体耗能单元组成，所述的正方体耗能单元包括高密度耗能材料外层(213)和低密度耗能材料内层(214)，高密度耗能材料外层(213)的上表面、低密度耗能材料内层(214)下表面、高密度耗能材料外层(213)和低密度耗能材料内层(214)之间分别有钢板(211)，正方体耗能单元四个侧边为薄层围板(212)。

4.根据权利要求1所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：所述的支撑结构包括加筋抗弯钢套管混凝土桩(31)和防护钢索(32)，加筋抗弯钢套管混凝土桩(31)包括外侧钢管(311)和内侧钢管(312)，内侧钢管(312)嵌套在外侧钢管(311)内，外侧钢管(311)和内侧钢管(312)之间还分布有螺纹钢筋(313)，内侧钢管(312)中心还有工字钢(314)；外侧钢管(311)和内侧钢管(312)内填充混凝土(315)。

5.根据权利要求1所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：所述的耗能减震锚固底座包括预应力锚杆(41)，预应力锚杆(41)上端为钢筋混凝土承台(42)，钢筋混凝土承台(42)中心有凹槽，凹槽内底部有耗能减震材料(45)，钢结构支撑桩连接装置(43)通过螺栓(44)安装在凹槽内。

6.根据权利要求1到5任一项所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体的设计方法，其特征在于，包括以下过程：

调查隧洞口所在的山坡体，确定山坡体地形参数及滚石灾害发育特征参数，包括现场勘查确定滚石爆发点A距离隧洞口B的直线距离a、隧洞上方坡体坡度β、依历史监测统计确定隧洞口受滚石危害区域长度CB的最大值b和宽度DD’的最大值为2w；另外，还要确定待求支撑桩的空间位置，支撑桩即为加筋抗弯钢套管混凝土桩(31)，包括支撑桩与中轴面ABC的距离x、支撑桩在中轴线(12)上投影E’与滚石爆发点A的直线距离c；

步骤S2、依1计算确定支撑桩高度h：

式中，δ——结构单体两片桁架顶棚夹角的一半，°，可由下式确定：

h_B——棚洞口B点上方棚洞中轴线(12)的高度，即BB’的长度，m，可将式3中c替换为a的情况下由求出；

h₀——待求支撑桩所在棚洞横截面上中轴线(12)的高度,即EE’的长度，m，表示为：

式中，m——为桁架结构顶棚(1)及复合耗能盖板(2)的总厚度，m；

θ——棚洞顶棚中轴线(12)倾角，°，由式4确定；

7.根据权利要求6所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体的设计方法，其特征在于，确定耗能减震锚固底座的耗能减震材料(45)厚度Z：

式中，ε_Δ——耗能减震材料用于耗能的屈服平台应变量，具体可表示为材料刚进入屈服时的应变与压密增强应变之差，材料的应力应变曲线可由压缩试验给出；

n——防治结构单体下耗能减震锚固底座的个数，取8；

A——耗能减震锚固底座的凹槽底面积，m²；

σ_y——耗能减震材料屈服平台强度，Pa，由试验确定，但必须满足：

σ_yA≤Sσ_c≤[N] 式6

其中，σ_c——结构单体复合耗能盖板进入屈服状态耗能时的平均压垮荷载；

S——为防治结构单体上顶棚面积，m²，其值在工程设计中结合实际坡面地形数据及棚洞空间几何特征确定；

[N]——为防治结构单体中各部件承载力最小值，N，其值由结构分析和产品参数给出；

E_a——在极端不利条件下，结构单体复合耗能盖板的所有正方体耗能单元都同时被滚石冲击屈服且完全耗能破坏后，群发滚石剩余未被耗散的冲击动能，可表示为：

其中，E——为最不利情况下冲击在棚洞上群发滚石的冲击动能，由历史监测数据统计分析确定；

E_b——为单块正方体耗能单元的最大耗能；由产品耗能参数给出。