CN106400708B - 棚洞及其设计方法 - Google Patents

Abstract

针对现有墙式、拱式、悬臂式、柱式等棚洞结构对大规模群发、高速高强冲击的滚石防治效果有限，且建造费用高、适用性低的缺陷，本发明提供了一种棚洞结构体。棚洞布置在山区路基与山体边坡之间，包括Y形架梁，Y形架梁的顶部联接下凹圆弧形盖板，盖板的固定侧边与山体边坡相切，盖板自由侧边顶端切线与水平面夹角β≤45°。棚洞的盖板采用上、下蒙皮板间填充耗能材料的夹心结构。本发明还提供棚洞的设计方法，用于盖板曲率半径值R、棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p、棚洞盖板侧边锚固深度值L_b的设计。本发明棚洞采用全新“滑跃自抛排导”技术构思，对于预防坡面高位滚石对道路的冲击破坏具有优势。棚洞结构简洁，环境适应性高。

Description

棚洞及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种棚洞与其设计方法，特别是一种防治山区道路内侧高速坡面滚石灾害的结构体及其设计方法，属于山区灾害防治、路桥工程领域。

背景技术

公路干线在通过高山峡谷时，其路基常由较稳定一侧坡体削坡开挖而成，多属坡面高位路基。这类桥路工程因位于特殊的地质地貌环境，特别是中/高位崩塌形成的高速坡面滚石灾害，常砸毁车辆、阻断交通，严重影响经济和社会的发展。尤其在西部山区的交通干线上，崩塌滚石灾害严重，危害尤为严重。

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道路边坡滚石防治中。现有棚洞主要形式包括墙式、拱式、悬臂式、柱式等等，材料有钢筋混凝土、轻钢、砂石等等。现有棚洞虽然种类繁多，但多是通过“拦挡滚石”来实现对路基的防护，属于“被动拦挡”。工程实践表明，这些“被动拦挡”棚洞对大规模群发、高频反复、高速高强冲击的滚石防治效果有限。其技术缺陷表现在：首先，由于阻断滚石下泄路径并淤停在洞顶，因而棚顶在“大规模群发”滚石作用下承担的荷载持续增加，直接降低了结构安全性。其次，这类结构主要基于“力的控制”理论设计，刚度较大，直接拦挡“高速高强”滚石冲击，虽然通过保守设计可保证单次冲击的安全性，但整体结构会因“高频反复”滚石作用而不断损伤，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。最后，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高山峡谷区的应用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种与现有棚洞的“拦挡”构思不同、便于在山区快速组装施工的棚洞结构体，以及该棚洞的设计方法

为实现上述目的，本发明首先提供一种棚洞，其技术方案如下：

一种棚洞，布置在山区路基与山体边坡之间，其特征在于：所述棚洞包括Y形架梁，Y形架梁的顶部联接下凹圆弧形盖板，所述盖板的固定侧边与山体边坡相切，所述盖板自由侧边顶端切线与水平面夹角β≤45°。

上述棚洞是一种以“滑跃自抛排导”为技术构思的滚石棚洞结构体。棚洞盖板采用下凹圆弧形，且固定侧边与山体边坡相切。当滚石沿山体坡面坠落时，直接沿相切面滚入棚洞盖板，再以盖板的下凹圆弧形轮廓线为运动轨迹，自盖板的另一侧边向外“滑跃抛出”到棚洞的安全空域外侧的峡谷中，避免了滚石的直接冲击。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。上述棚洞结构改拦挡滚石使其静止为引导滚石使其依轨迹运动，更符合自然规律。引导滚石滑跃抛出的方法也使本发明棚洞结构比传统棚洞结构更能防治高速滚石坠落的危害。

以上述棚洞为基础，在优选设计中，棚洞的盖板采用夹心结构，包括上、下蒙皮板。蒙皮板是刚性材料，上、下蒙皮板间填充耗能材料。该结构的盖板是一种耗能结构，能够针对超出设计的滚石冲击做出响应，并通过耗能材料的塑性变形来耗散极端冲击，控制作用在棚洞主体结构上的荷载，保证棚洞的安全。依照弧形结构面的常设施工设计，盖板由盖板单元沿盖板的圆弧轮廓拼接构成。

进一步地，上述棚洞的Y形架梁包括下部立柱与上部桁架结构，立柱固定在地基中，盖板覆盖在桁架结构上。立柱采用灌浆钢管桩结构，包括中心加强筋与中心加强筋外套装的至少一层钢性管。进一步地，钢性管是偏心套装，钢性管中心向坡体内侧偏移。在该偏心加筋优化设计中，刚性管的内径差异与相互间向坡体内侧偏移嵌套布置，能够在约束浆体材料、提升桩体抗压能力的同时，提升刚性管注浆桩的抗弯/抗剪能力。中心加强筋布置在内层钢性管的中心线上，用于增加抗拉强度，可采用碳纤维筋、石英纤维筋、螺纹钢筋、工字钢、三角钢等钢性材料，以增强桩体抗弯和抗剪性能。

上述棚洞，盖板固定侧边一般采用锚杆/锚索的锚固结构保证盖板与山体坡面相切的固定联接关系，并为棚洞提供抗侧向冲击能力。

在实际建设工程中，本发明棚洞可以先根据需保护路基的长度、山地坡面角度的特征分隔设计为多个棚洞单体。每个棚洞单体有一定长段，根据需要统一设计或分别设计。现场施工时，各棚洞单体按无缝顺序衔接的方式沿着滚石多发路段的内侧坡脚线性布置。

上述棚洞中，桁架结构顶棚包括固定盖板的刚性环梁、连接在刚性环梁下的竖向桁架三角面、与竖向桁架三角面垂直的横向主梁、必要的边架、副梁。

本发明棚洞在实际使用过程中为达到稳定地将坡面滚石向外“滑跃抛出”的目标，需解决盖板曲率半径值、立柱钢管桩埋深值、侧边锚固系统锚固深度值等关键性参数值的设计。该参数值的确定能够保证整个棚洞体承受坡面滚石坠冲击荷载，并使滚石沿盖板曲线继续运动，向外抛出，完成“滑跃”的运动过程。为实现上述目的，本发明还提供上述棚洞的设计方法，用于分别完成盖板曲率半径值R、棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p、棚洞盖板侧边锚固深度值L_b的设计。

在本发明棚洞结构中，盖板曲率半径值R决定了桁架结构顶棚与盖板的结构尺寸，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滑跃排导/遮挡的防护效果。R值还决定了滚石作用在结构上的荷载，直接影响了支撑桩体的直径、埋置深度，以及锚固结构锚固深度，决定了结构的整体安全性和可靠性。因此本发明首先提供棚洞的设计方法，用于下凹圆弧形盖板曲率半径值R的设计，其技术方案如下：

棚洞设计方法，其特征在于：用于盖板曲率半径值R的设计，依如下步骤实施：

步骤S1、获取基本数据

现场勘察确定道路内侧坡面倾角α，根据工程设计确定棚洞安全空域有效高度h₀；

步骤S2、确定盖板曲率半径值R

依式1计算确定下凹圆弧形盖板曲率半径值R

式中，β—盖板自由侧边顶端切线与水平面夹角，取值45°，

α—坡面倾角，单位°，步骤S1确定，

h₀—棚洞安全空域有效高度，单位m，步骤S1确定。

上述棚洞设计方法中，为确定盖板曲率半径值R，关键性的技术是确定滚石滑跃抛出的角度，即盖板自由侧边顶端切线与水平面夹角β的最优取值。本发明方法设定角度β的最优取值45°基于以下技术原理：

如图1所示，本发明棚洞结构防治滚石的核心思想是在不改变滚石动能的前提下，通过改变滚石运动方向将其再次抛起，形成高于路基待防护空域的抛物轨迹，向坡体外侧拓宽对滚石防治的安全空域。这个安全空域的长度即滚石从抛出点B抛出后又坠落至B点高度的时间段t内飞行的水平距离l(待保护空域的有效宽度l₀≤l)，可以表示为式1.1：

l＝v_B cosβ·t 式1.1

式中：β为滚石抛出速度与水平面的夹角，v_B为滚石从B点抛出时的速度，可由表示为式1.2：

式中，g为重力加速度；h为滚石坠落点到抛出点B的垂直高度，即坠落高度；k为滚石坡面滚动能量损失系数，由现场原位试验确定；t为滚石从抛出点B向上抛出做抛物运动后又坠落至B点高度所需时间，可以表示为式1.3：

将式1.3、式1.2带入式1.1可知，当滚石坠落高度h确定时，棚洞结构形成的安全空域长度是有上限的。即，当且仅当棚洞结构的滑跃抛出角β＝45°时滚石飞行的水平距离达到最大值l_max。如此，在倾角为α的道路内侧坡面上按最优抛出角度β＝45°设置棚洞结构体时，要求结构抛出点B位于道路内侧坡脚C点正上方安全高度h₀处。设计棚洞顶部下凹圆弧形盖板时，要求其圆心角为α+β，且其外侧翼面与抛出方向相切与抛出点B，内侧翼面则与坡面自然相切并锚固在A点。依此技术原理得到盖板曲率半径值R设计方法的技术方案。

确定盖板曲率半径值R后，可进一步完成桁架结构顶棚主要结构参数的设计。具体是：

对支撑盖板的桁架结构顶棚而言，其宏观尺寸可由其顶部盖板与两条等长的刚性边架圈定。桁架结构顶棚的竖向桁架三角面底部夹角为π－(α+β)，竖向桁架三角面两外侧边架长度w(即结构顶棚内外侧翼面长度)依式2计算确定：

以上述棚洞设计方法为基础，可进一步实现棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p设计，具体技术方案依如下步骤实施：

上述步骤S1中，获取的基本数据还包括：现场勘察确定坡面滚石最大质量m_max、最大坠落高度h_max最小坠落高度，现场试验确定滚石坡面滚动能量损失系数k、钢管桩抗压强度σ_c、钢管桩侧阻力q_sp；

上述步骤S2后继续实施步骤S3A：

步骤S3A、确定棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p

步骤S3A1、确定坡面滚石对棚洞的最大竖向压力

依式3计算确定坡面滚石对棚洞的最大竖向压力

式中，g—重力加速度，单位m/s²，

m_max—坡面滚石最大质量，单位kg，步骤S1确定，

k—滚石坡面滚动能量损失系数，步骤S1确定，

h_max—坡面滚石最大坠落高度，单位m，步骤S1确定，

R—盖板曲率半径值，单位m，步骤S2确定；

步骤S3A2、确定灌浆钢管桩桩径d_p

依式4计算确定灌浆钢管桩桩径d_p

式中，—坡面滚石对棚洞的最大竖向压力，单位kN，步骤S3确定，

σ_c—钢管桩抗压强度，单位kPa，步骤S1确定；

步骤S3A3、确定灌浆钢管桩结构立柱埋深值L_p

依式5计算确定灌浆钢管桩结构立柱埋深值L_p

式中，π—圆周率常数，

q_sp—钢管桩侧阻力，单位kPa，步骤S1确定，

d_p—灌浆钢管桩桩径，单位m，步骤S1确定。

上述棚洞设计方法，用于完成对棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p的设计，关键是确定坡面滚石对棚洞的最大竖向压力确定的技术原理在于：

如图2所示，滚石运动到盖板上后，在圆弧形盖板上变速圆周运动，对盖板的滚动冲击压力N可表示为式3.1：

式中，m为坠落滚石质量，可由现场调查给出；θ为圆弧法向与竖直方向的夹角，取值范围为-α≤θ≤β；v_θ为在不考虑滚动摩擦情况下滚石自A点沿滑跃板转α+θ角度后的滚动速度，可表示为式3.2：

式中，h_θ为滚石转动α+θ角度过程中坠落的高度，可表示为式3.3：

将滚石沿盖板滑动时的滚动冲击压力沿水平、竖直方向分解，可表示为式3.4：

将现场勘察取得的滚石最大坠落高度h_max、最大质量m_max带入式3.4，并按表1进行数值分析，即可确定结构承担的最大竖向压力

表1滚石对结构最大竖向滚动冲击压力和最大水平冲击滚动压力表

特别的，当θ＝0°时，滚石对棚洞结构的竖向滚动冲击压力最大，并可给出解析解式3。

本发明棚洞布置在山区路基与山体边坡之间，盖板的固定侧边与山体边坡相切。在实际工程中，盖板的固定侧边一般通过锚杆/锚索与山体锚固实现紧接(相切)。以上述棚洞设计方法为基础，本发明进一步提供棚洞设计方法，用于设计棚洞盖板侧边锚固体系中锚固深度值L_b，具体技术方案依如下步骤实施：

上述步骤S1中，获取的基本数据还包括：现场试验确定锚杆/锚索锚固段直径d_b、锚杆/锚索锚固段侧阻力q_sb；

上述步骤S2后继续实施步骤S3B：

步骤S3B、确定棚洞盖板侧边锚固深度值L_b

步骤S3B1、确定坡面滚石对棚洞的最大水平压力

依式6计算确定坡面滚石对棚洞的最大水平压力

式中各参数含义同式2；

步骤S3B2、确定锚固深度L_b

依式7计算确定锚固深度L_b

式中，—坡面滚石对棚洞的最大水平压力，单位kN，步骤S3B1确定，

d_b—杆/锚索锚固段直径，单位m，步骤S1确定，

q_sb—锚杆/锚索锚固段侧阻力，单位kPa，步骤S1确定，

δ—锚杆/锚索锚固倾角，单位°，按照《建筑边坡工程技术规范(GB50330-2013)》确定。

上述棚洞设计方法，用于完成对棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p的设计，关键是确定坡面滚石对棚洞的最大水平压力基于与上述式3.1～式3.4及表1相同的演算分析，可以得到的解析解式6。

本发明的棚洞主要用于预防坡面的高位滚石对道路的冲击破坏。采用本发明结构棚洞可安全防治的滚石坠落高度h存在下限值l₀/(2-2k)，其中l₀是待防治路基安全空域的有效宽度、由设计参数确定，k是滚石坡面滚动能量损失系数、由现场实验测试确定。因此，在棚洞设计方法中，当步骤S1通过现在勘察确定的最小坠落高度h_min≤l₀/(2-2k)时，本发明技术方案提供两种优化方案：

优化一：棚洞结构优化，具体是在棚洞固定侧边的山体边坡上增加柔性钢丝网、轻钢棚洞等辅助设施结构，共同构成棚洞组合防护系统。

优化二：设计方法优化，在保证内凹圆弧形盖板的圆心角、桁架结构顶棚内侧翼面位置、抛出点B的高度等关键参数不变的前提下，将外侧翼面随抛出点B水平外移来保证滚石的安全防护，其外移量Δl满足式8

△l＝l₀-2(1-k)h_min 式8

在上述优化方法中，外移后棚洞结构的规格增大，对应圆弧曲率半径由R增大至R′，并可由式9计算确定：

进一步地，结构顶棚竖向桁架三角面(122)两外侧边架长度w′依式10计算确定：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明提供了一种基于新的技术构思的棚洞结构。产品能够通过“滑跃排导”的方式实现对中/高位崩塌滚石单/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。(2)本发明顶棚的支撑桩采用多腔套管注浆而成，套管沿冲击方向定向偏心，使得桩体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。(3)本发明棚洞结构简洁，主要部件均可依实际工况先期进行工厂标准化定制生产，再在现场根据不同防护对象与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。(4)本发明棚洞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。(5)本发明提供的棚洞对于预防坡面高位滚石对道路的冲击破坏具有优势。(6)本发明提供了棚洞的设计方法及优化设计方法，解决棚洞依工况设计中需要完成设计的关键性设计参数。

附图说明

图1是棚洞安装位置侧面示意图。

图2是棚洞设计计算原理图。

图3a、图3b是棚洞安装位置立体示意图。

图4a、图4b是棚洞结构示意图。

图5是盖板多层夹心结构示意图。

图6是盖板单元拼接结构示意图

图7是立柱横剖面结构示意图。

图8是桁架结构顶棚示意图。

图9是单片桁架顶棚断面结构图。

图10是棚洞外移设计计算原理图。

附图中的数字标记分别是：

1Y形架梁 11立柱 111中心加强筋 112钢性管 113灌浆区12桁架结构顶棚 121刚性环梁 122桁架三角面 123主梁124外侧边架 2盖板 21固定侧边 22盖板单元 23上、下蒙皮板 24耗能材料 3锚固体系

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图所示，加工安装一种棚洞，布置在山区路基与山体边坡之间，防止坡面滚石危害路基。该公路位于四川甘孜藏族自治州的康定县，在横跨折多山时因坡降较大而被迫沿姑咱镇的一段高陡边坡展线。该段边坡海拔高、气温低，顶部山体冻融崩塌发育，滚石灾害具有“点多”、“面广”、“高位频发”的特征，对道路行车安全造成严重危害，亟待治理。

图1是棚洞安装位置侧面示意图，图3a、图3b是棚洞安装位置立体示意图。棚洞布置在山区路基与山体边坡之间。路基位于棚洞的安全空域l内。

图4a、图4b是棚洞结构示意图。棚洞包括Y形架梁1，Y形架梁1的顶部联接下凹圆弧形盖板2，盖板2的固定侧边21与山体边坡相切。本实施方式中，固定侧边21通过锚杆/锚索的锚固体系3与山体边坡锚固。Y形架梁1包括下部立柱11与上部桁架结构顶棚12，立柱11固定在地基中，盖板2覆盖在桁架结构顶棚12上。盖板2自由侧边顶端切线与水平面夹角β≤45°。

图5是盖板多层夹心结构示意图。盖板2是夹心结构，包括上、下蒙皮板23，蒙皮板23是刚性材料，上、下蒙皮板23间填充耗能材料24。本实施方式中，蒙皮板23的刚性材料采用钢板，耗能材料24采用开孔泡沫铝。

图6是盖板单元拼接结构示意图。盖板2由盖板单元22沿盖板2的圆弧轮廓拼接构成。

图7是立柱横剖面结构示意图。立柱11是灌浆钢管桩结构，包括中心加强筋111与中心加强筋111外套装的至少一层钢性管112，钢性管112与中心加强筋111之间、钢性管112之间是灌浆区113。本实施方式中，钢性管112是偏心套装，钢性管112中心向棚洞内侧偏移。刚性套管注浆桩下部桩身加工成花管以便注浆。

实施例二

采用本发明设计方法完成对实施例一中棚洞的设计，确定盖板曲率半径值R、灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p、锚固体系中锚固深度值L_b参数的设计。

经勘查，受崩塌滚石危害的路段长1.2km，待防治路基安全空域的有效宽度l₀＝10m，有效高度h₀＝6m。道路内侧坡面倾角α＝55°，崩塌主要发生在道路上方250m高程附近的季节性冰雪覆盖带，形成坠落高度从h_min＝150m到0_max＝300m均有分布的崩塌滚石群。滚石颗粒整体均匀偏小，粒径多0.1m左右，最大不过0.5m，对应最大质量m_max约164kg。经现场多组滚动试验回归得出的滚石坡面滚动能量损失系数k＝0.14。支柱钢管桩刚性管注浆桩采用钢管混凝土桩，从最不利角度出发，仅考虑混凝土作用时桩体的试验抗压强度σ_c＝20MPa，钢管桩侧阻力q_sp＝180kPa。锚固结构采用Φ25螺纹钢注M30砂浆的普通锚杆，根据《建筑边坡工程技术规范(GB50330-2013)》确定锚杆倾角δ＝20°，该型锚杆短小经济，安全可靠，通常可提供400kN～1000kN的锚固力，较为适合本例结构的锚固。同时，在本例的原位抗拉试验中，确定钢筋砂浆界面首先破坏，破坏前界面最大侧阻力q_sb＝600kPa。

步骤S1、获取基本数据

确定α＝55°、m_max＝164kg、h_max＝300m、h_min＝150m，k＝0.14、σ_c＝20MPa、q_sp＝180kPa，d_b＝25mm、q_sb＝600kPa、δ＝20°，h₀＝6m。

步骤S2、确定盖板曲率半径值R

将参数β＝45°、α＝55°、h₀＝6m代入式1，计算得到棚洞盖板曲率半径值R＝2.93m。

步骤S3A、确定棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p

将参数β＝45°、g＝9.8N/kg、m_max＝164kg、k＝0.14、h_max＝300m、R＝2.93m代入式3，计算得到坡面滚石对棚洞的最大竖向压力 再将值、将σ_c＝20MPa代入式4，计算得到灌浆钢管桩桩径d_p＝0.135m，即立柱灌浆钢管桩结构的最外层管径＝0.135m。工程实际中对桩径适当放大后取d_p＝0.168m。进一步将d_p＝0.168m、值、q_sp＝180kPa代入式5，计算得到灌浆钢管桩结构立柱埋深值L_p＝3.36m。

步骤S3B、确定棚洞盖板侧边锚固深度值L_b

将与步骤S3A中相同参数代入式6，计算得到坡面滚石对棚洞的最大水平压力再将值、d_b＝25mm、q_sb＝600kPa、δ＝20°代入式7，计算得到锚固深度L_b＝4.53m。

实施例三

在实施例二基础上完成桁架结构顶棚的主体结构设计。

图8是桁架结构顶棚示意图。桁架结构顶棚包括固定盖板的刚性环梁121、连接在刚性环梁121下的竖向桁架三角面122、与竖向桁架三角面122垂直的横向主梁123、必要的边架、副梁。

图9是单片桁架顶棚断面结构图。竖向桁架三角面122底部夹角＝π－(α+β)＝100°，竖向桁架三角面122两外侧边架124长度依式2确定为：

实施例四

在前述实施例中，采用本发明结构棚洞可安全防治的滚石坠落高度h存在下限值l₀/(2-2k)＝5.82m。显然，设计所得棚洞实际滚石坠落高度的最小值h_min＝150m远远大于该下限值，表明本棚洞结构可以很好对该区所有崩塌滚石进行有效防治。

本实施例以前述实施例为基础，针对一些坠落高度小于5.82m的崩塌滚石，对棚洞结果进行优化设计。具体，本实施例中采用本发明提供的优化方案二，在假定本处边坡突发坠落最低高度h_min＝5.5m的情况下，对棚洞结果进行优化设计。

此时，为保证结构能继续对滚石进行有效防治，则需将棚洞结构扩大(图10)，并计算圆弧曲率半径增大后的R′值。

首先依式7计算确定棚洞抛出点B及桁架结构顶棚的外侧翼面的外移量Δl(图10中线段B-B′)。将l₀＝10m、k＝0.14、h_min＝5.5m代入式8，有Δl＝0.54m。

其次依式9计算确定R′。将α＝55°、β＝45°、h₀＝6m、Δl＝0.54m代入式9，有R′＝4.7m。

再依式10计算确定竖向桁架三角面122两外侧边架124长度w′＝5.6m。

其余棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p、棚洞盖板侧边锚固体系中锚固深度值L_b设计方法同实施例二。

Claims (8)

1.棚洞，布置在山区路基与山体边坡之间，其特征在于：所述棚洞包括Y形架梁(1)，Y形架梁(1)的顶部联接下凹圆弧形盖板(2)，所述盖板(2)的固定侧边(21)与山体边坡相切，所述盖板(2)自由侧边顶端切线与水平面夹角β≤45°。

2.根据权利要求1所述的棚洞，其特征在于：所述盖板(2)是夹心结构，包括上、下蒙皮板(23)，所述蒙皮板(23)是刚性材料，所述上、下蒙皮板(23)间填充耗能材料(24)。

3.根据权利要求1所述的棚洞，其特征在于：所述Y形架梁(1)包括下部立柱(11)与上部桁架结构顶棚(12)，所述立柱(11)固定在地基中，所述盖板(2)覆盖在桁架结构顶棚(12)上；所述立柱(11)是灌浆钢管桩结构，包括中心加强筋(111)与中心加强筋(111)外套装的至少一层钢性管(112)。

4.根据权利要求3所述的棚洞，其特征在于：所述桁架结构顶棚(12)包括固定盖板的刚性环梁(121)、连接在刚性环梁(121)下的竖向桁架三角面(122)、与竖向桁架三角面垂直的横向主梁(123)、边架、副梁。

5.根据权利要求1所述的棚洞，其特征在于：所述盖板(2)的固定侧边(21)与山体边坡通过锚杆/锚索锚固系统锚固联接。

6.权利要求4所述的棚洞的设计方法，其特征在于：用于盖板曲率半径值R、竖向桁架三角面(122)两外侧边架(124)长度w的设计，依如下步骤实施：

步骤S1、获取基本数据

现场勘察确定道路内侧坡面倾角α、坡面滚石最小坠落高度h_min，根据工程设计确定棚洞安全空域有效高度h₀、待防治路基安全空域的有效宽度l₀，现场实验测试确定滚石坡面滚动能量损失系数k；

若h_min＞l₀/(2-2k)，实施步骤2中方案一；若h_min≤l₀/(2-2k)，实施步骤S2中方案二；

步骤S2、确定盖板曲率半径值R

方案一：依式1计算确定下凹圆弧形盖板曲率半径值R

式中，β—盖板(2)自由侧边顶端切线与水平面夹角，取值45°，

α—道路内侧坡面倾角，单位°，步骤S1确定，

h₀—棚洞安全空域有效高度，单位m，步骤S1确定；

方案二：

首先，依式8计算确定桁架结构顶棚的外侧翼面的外移量Δl：

△l＝l₀-2(1-k)h_min 式8

其次，依式9计算确定盖板曲率半径值R

步骤S3、确定竖向桁架三角面(122)两外侧边架(124)长度w

若步骤S2中实施方案一，依式2计算确定竖向桁架三角面(122)两外侧边架(124)长度w，若步骤S2中实施方案二，依式10计算确定竖向桁架三角面(122)两外侧边架(124)长度w：

7.权利要求6所述的棚洞的设计方法，特征在于：用于棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p的设计，依如下步骤实施：

步骤S1、获取基本数据

现场勘察确定道路内侧坡面倾角α、坡面滚石最大质量m_max、最大坠落高度h_max、坡面滚石最小坠落高度h_min，现场实验确定滚石坡面滚动能量损失系数k、钢管桩抗压强度σ_c、钢管桩侧阻力q_sp；

根据工程设计确定棚洞安全空域有效高度h₀、待防治路基安全空域的有效宽度l₀；

步骤S2、确定盖板曲率半径值R

依权利要求6所述方法确定下凹圆弧形盖板曲率半径值R

步骤S3A、确定棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值L_p

步骤S3A1、确定坡面滚石对棚洞的最大竖向压力

依式3计算确定坡面滚石对棚洞的最大竖向压力

式中，g—重力加速度，单位m/s²，

m_max—坡面滚石最大质量，单位kg，步骤S1确定，

k—滚石坡面滚动能量损失系数，步骤S1确定，

h_max—坡面滚石最大坠落高度，单位m，步骤S1确定，

R—盖板曲率半径值，单位m，步骤S2确定；

步骤S3A2、确定灌浆钢管桩桩径d_p

依式4计算确定灌浆钢管桩桩径d_p

式中，—坡面滚石对棚洞的最大竖向压力，单位kN，步骤S3确定，

σ_c—钢管桩抗压强度，单位kPa，步骤S1确定，；

步骤S3A3、确定灌浆钢管桩结构立柱埋深值L_p

依式5计算确定灌浆钢管桩结构立柱埋深值L_p

式中，π—圆周率常数，

q_sp—钢管桩侧阻力，单位kPa，步骤S1确定，

d_p—灌浆钢管桩桩径，单位m，步骤S1确定。

8.权利要求6所述的棚洞的设计方法，其特征在于：用于设计棚洞盖板侧边锚固体系中锚固深度值L_b，依如下步骤实施：

步骤S1、获取基本数据

现场勘察确定道路内侧坡面倾角α、坡面滚石最大质量m_max、最大坠落高度h_max、坡面滚石最小坠落高度h_min，现场实验确定滚石坡面滚动能量损失系数k、钢管桩抗压强度σ_c、锚杆/锚索锚固段直径d_b、锚杆/锚索锚固段侧阻力q_sb；

根据工程设计确定棚洞安全空域有效高度h₀、待防治路基安全空域的有效宽度l₀；

步骤S2、确定盖板曲率半径值R

依权利要求6所述方法确定下凹圆弧形盖板曲率半径值R

步骤S3B、确定棚洞盖板侧边锚固深度值L_b

步骤S3B1、确定坡面滚石对棚洞的最大水平压力

依式6计算确定坡面滚石对棚洞的最大水平压力

式中，g—重力加速度，单位m/s²，

m_max—坡面滚石最大质量，单位kg，步骤S1确定，

k—滚石坡面滚动能量损失系数，步骤S1确定，

h_max—坡面滚石最大坠落高度，单位m，步骤S1确定，

R—盖板曲率半径值，单位m，步骤S2确定；

步骤S3B2、确定锚固深度L_b

依式7计算确定锚固深度L_b

式中，—坡面滚石对棚洞的最大水平压力，单位kN，步骤S3B1确定，

d_b—杆/锚索锚固段直径，单位m，步骤S1确定，

q_sb—锚杆/锚索锚固段侧阻力，单位kPa，步骤S1确定，

δ—锚杆/锚索锚固倾角，单位°，按照《建筑边坡工程技术规范(GB50330-2013)》确定。