CN107558387B - 防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，它由两部分组成，其中柔性消能式棚洞结构由蜂窝格状缓冲结构、坡面支撑结构、筒式弹性胶泥缓冲结构、靠山侧锚固结构、靠山侧坡脚连接结构、棚洞主体结构构成；柔性消能式排导结构由蜂窝格状缓冲结构、坡面支撑结构、矩形钢管悬臂梁、靠山侧坡脚连接结构、钢筋混凝土基础、镀锌钢绞线、螺旋绳锚、锁脚锚杆、地脚螺栓构成。本发明能够对大规模、高动能、高冲击力的滚落石和小规模、低动能、低冲击力的崩积碎石实现综合防护治理，有效增强了危岩落石、崩积碎石的防护效果，并具有结构可靠、施工便利、工期短、易于后期维护、整体造价低的特点。

Description

防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构

技术领域

本发明涉及落石防护技术领域，尤其涉及一种防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构。

背景技术

我国幅员辽阔，山地分布广泛，地形地貌极为复杂。随着我国公路建设进入快速发展阶段，为避免众多位于高陡地形下的公路铁路遭受危岩落石及崩积碎石的地质灾害的影响，工程建设中一般修建棚洞来实现边坡落石防护。

棚洞目前主要有钢筋混凝土棚洞和柔性棚洞两种，其中钢筋混凝土棚洞主要包括墙式、拱式、悬臂式、柱式等。但传统的钢筋混凝土棚洞结构有较大的缺陷：一是施工工期长、造价高，施工对交通运输干扰较大；二是一般采用沙土作为缓冲材料，众多工程实例证明，沙土垫层不仅消能作用差，并且由于自重较大，严重影响了棚洞结构的稳定性；三是由于阻断滚石下泄路径，众多碎石淤停在洞顶，需要定期清理，后期维护的成本高。而柔性棚洞施工便利，但存在造价高、防护能级低等缺点。

另外由于我国地震频发和山区地质条件复杂，同一个路段内可能赋存多种不同的落石形式。如果对于小规模群发或低能量零散偶发的崩积碎石和大规模群发、高频反复、动能高冲击力大的滚石，采用相同的棚洞防护形式，则施工周期长，经济性较差，造成资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，它由柔性消能式棚洞结构和柔性消能式排导结构两部分组成，所述柔性消能式棚洞结构布设在以大规模、动能高、冲击力大的滚落石地质灾害为主的路段，所述柔性消能式排导结构布设在以小规模、动能低、冲击力小的崩积碎石地质灾害为主的路段；当发生冲击力小的落石碎屑崩塌灾害时，柔性消能式排导结构通过消能缓冲层可将崩积碎石拦挡下来，并排导至相应的柔性消能式棚洞结构，再由棚洞结构将崩积碎屑物排导至公路外侧；当发生冲击力大的滚落石灾害时，柔性消能式棚洞结构通过消能缓冲层将滚落石直接拦排至公路外侧；

所述柔性消能式棚洞结构布设在以大规模、动能高、冲击力大的滚落石地质灾害为主的路段，由充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构、坡面支撑结构、筒式弹性胶泥缓冲结构、靠山侧锚固结构、靠山侧坡脚连接结构、棚洞主体结构构成，所述蜂窝格状缓冲结构的下方设有坡面支撑结构，所述坡面支撑结构设置在棚洞主体结构的上方，并由筒式弹性胶泥缓冲结构、靠山侧锚固结构、靠山侧坡脚连接结构提供支撑；

所述柔性消能式排导结构布设在以小规模、动能低、冲击力小的崩积碎石地质灾害为主的路段，由充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构、坡面支撑结构、矩形钢管悬臂梁、靠山侧坡脚连接结构、钢筋混凝土基础、镀锌钢绞线、螺旋绳锚、锁脚锚杆、地脚螺栓构成，所述矩形钢管悬臂梁以向上倾斜的角度固定在边坡岩体中，矩形钢管悬臂梁的固定端设置在钢筋混凝土基础内，自由端处设置有镀锌钢绞线并通过螺旋绳锚固定在悬臂梁上方的岩体内，钢筋混凝土基础内设置有固定基础的地脚螺栓和锚杆，充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构通过坡面支撑结构固定在矩形钢管悬臂梁上；在靠近边坡面一侧，在蜂窝状缓冲结构表面设置有靠山侧坡脚连接结构，该靠山侧坡脚连接结构与柔性消能式棚洞结构中的靠山侧坡脚连接结构构造一致。

优选地，上述防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构中，所述蜂窝格状缓冲结构包括上层波纹钢板、下层平板钢板、铝片式蜂窝结构、膨胀性聚乙烯充填物及高强度螺栓，蜂窝格状缓冲结构采用夹心式结构，上层钢板采用波纹钢板，下层采用平板钢板，钢板之间是由铝片焊接而成的正六边形柱体结构，柱体内填充膨胀性聚乙烯材料，利用高强度螺栓将上下两层钢板及蜂窝状填充体连接。

优选地，上述防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构中，所述坡面支撑结构设置在膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构之下，为轻质钢网架，用于支撑其上膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构，并将上覆自重和冲击荷载向下传递给其下筒式弹性胶泥缓冲结构和立柱。

优选地，上述防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构中，所述筒式弹性胶泥缓冲结构包括上连接板、下连接板、活塞及活塞杆、缸体、冲料阀及高粘度有机硅弹性胶泥，上连接板与活塞及活塞杆的上端连接，下连接板与缸体的下端连接，连接方式采用焊接形成整体结构，高粘度有机硅弹性胶泥通过冲料阀冲入缸体内部。

优选地，上述防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构中，所述靠山侧锚固结构设有角度与岩体节理结构面垂直的锁脚锚杆，锁脚锚杆与顶面充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构相连接。

优选地，上述防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构中，所述靠山侧坡脚连接结构包括NR天然橡胶缓冲层和水泥钢钉，在边坡表面与顶面缓冲结构的连接处采用NR天然橡胶充填成具有一定弧度的结构体，并利用水泥钢钉打入岩体将橡胶固定。

优选地，上述防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构中，所述棚洞主体结构包括二重钢管混凝土立柱、工字钢横梁、工字钢纵梁及锥形独立式基础，道路两侧和中央分别设有一定高度差的二重钢管混凝土立柱，并沿着棚洞纵向等间距设置二重钢管混凝土立柱，在相邻的立柱顶部之间设有工字钢纵梁和横梁，钢管混凝土立柱下部设有锥形独立式基础。

优选地，上述防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构中，所述二重钢管混凝土立柱由外层钢管和内层钢管组成，外层钢管采用Q345钢材φ500mm，径厚比25，内层钢管采用Q345钢材φ375mm，径厚比20，两层钢管间及内层钢管内填充C60混凝土。

优选地，上述防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构中，所述二重钢管混凝土立柱在道路两侧和中央沿着棚洞纵向等间距设置，间距为5m。

优选地，上述防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构中，所述矩形钢管悬臂梁自由端处的镀锌钢绞线与水平线夹角大于15°。

本发明的有益效果是：

针对高陡边坡发生的区域性滚石灾害和区域性崩积碎石灾害，本发明通过设置一种由柔性消能式棚洞结构和柔性消能式排导结构两部分组成的新型组合式棚洞结构来对大规模、高动能、高冲击力的滚落石和小规模、低动能、低冲击力的崩积碎石实现综合防护治理，有效增强了危岩落石、崩积碎石的防护效果，并具有结构可靠、施工便利、工期短、易于后期维护、整体造价低的特点。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的主透视图；

图2为本发明的柔性消能式棚洞结构构造图；

图3为本发明的柔性消能式排导结构构造图；

图4为本发明中充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构层构造图；

图5为本发明中充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构层平面布置图；

图6为本发明中坡面支撑结构平面布置图；

图7为本发明中筒式弹性胶泥缓冲结构构造图；

图8为本发明中二重钢管混凝土立柱横截面图；

图9为本发明中靠山侧坡脚连接结构构造图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图所示，本实施例为一种防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，它由柔性消能式棚洞结构A和柔性消能式排导结构B两部分组成。

一、柔性消能式棚洞结构A

柔性消能式棚洞结构A主要包括充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构层1、坡面支撑结构2、筒式弹性胶泥缓冲结构3、二重钢管混凝土立柱4、锥形独立式基础5、工字钢纵梁6、工字钢横梁9、锁脚锚杆10、靠山侧坡脚连接结构11。

如图2所示，本发明所述的新型消能式柔性棚洞采用充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构层1，其缓冲层下部通过焊接连接有坡面支撑结构2，坡面支撑结构2通过上部坡面支撑柱3a将上覆荷载向下传递给筒式弹性胶泥缓冲结构3，筒式弹性胶泥缓冲结构3可以吸收部分冲击荷载并将荷载向下传递给二重钢管混凝土立柱4、二重钢管混凝土立柱4进一步将荷载传递给立柱下锥形独立式基础5。二重钢管混凝土立柱4之间通过工字钢纵梁6和工字钢横梁9连接。

靠山侧锚固结构通过设置锁脚锚杆10，角度与岩体节理结构面垂直，锁脚锚杆10与顶面充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构层1相连接；一方面能够防止靠山侧岩土体的滑移、塌落；另一方面增强顶面缓冲结构与棚洞主体结构的整体性，提高棚洞的稳定性。

如图4所示，充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构层1采用夹心式结构，上层采用上层波纹钢板1a，下层采用下层平板钢板1d，钢板之间是由铝片焊接而成的正六边形柱体(蜂窝状)结构，柱体内填充膨胀性聚乙烯材料1c，并利用高强度螺栓1a将上下两层钢板及蜂窝状填充体连接为一整体结构，其间距为2m，如图5所示。

如图2所示，坡面支撑结构2设置在膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构层1之下，采用轻质钢网架结构，用于支撑其上缓冲层，并将上覆自重和冲击荷载通过上部坡面支撑柱3a向下传递给其下筒式弹性胶泥缓冲结构3和二重钢管混凝土立柱4。

钢结构网架具有空间刚度大，整体稳定性好，抗震性能好、网架结构平面布置结构灵活等特点，特别适用于各种柱网结构建筑。其网架杆件和节点便于定型化和商品化，可在工厂中成批生产，有利于提高劳动效率，节省工期。

如图6所示，钢网架采用下弦支撑方式，节点形式采用焊接球节点，正放四角锥网架，钢管材料选取Q235B，可采用焊接钢管或无缝钢管。

如图7所示，筒式弹性胶泥缓冲结构3位于上部坡面支撑柱3a之下，通过上连接板3b与上部坡面支撑柱3a相连接，连接方式采用高强度螺栓1a，上连接板3b与活塞及活塞杆3c的上端连接，下连接板3g与缸体3f的下端连接，连接方式均采用焊接形成整体结构，高粘度有机硅弹性胶泥3e通过冲料阀3f冲入缸体内部。在冲料结束后，需要在筒式弹性胶泥缓冲结构3上施加一定的预压力，预压力大小由现场实际上部结构承重决定。筒式弹性胶泥缓冲结构3的工作原理是：当缓冲器活塞杆受到一定的压力时，高粘度有机硅弹性胶泥3e受压缩产生阻抗力，并利用活塞的环形间隙3h的节流作用和高粘度有机硅弹性胶泥3e的压缩变形吸收冲击能量。

如图1、图8所示，二重钢管混凝土立柱4设置于筒式弹性胶泥缓冲结构3之下，通过高强度螺栓1a连接。立柱由外层钢管4b和内层钢管4c组成，外层钢管4b采用Q345钢材φ500mm，径厚比25，内层钢管4c采用Q345钢材φ375mm，径厚比20，两层钢管间及内层钢管内填充C60混凝土4a。二重钢管混凝土立柱4为主要承重结构，承担上覆自重荷载及冲击荷载，并将荷载向下传递给立柱下锥形独立式基础5。二重钢管混凝土立柱4在道路两侧和中央沿着棚洞纵向等间距设置，间距为5m，横向立柱间设置一定高度差，在相邻的立柱顶部之间设有工字钢纵梁6和工字钢横梁9，立柱下部设有锥形独立式基础5。

钢管混凝土立柱具有承载能力高，良好的塑性和抗震性能等优点，经济效果显著，施工简单，可大大缩短工期。

如图9所示，靠山侧坡脚连接结构设置在边坡表面与充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构层1的连接处，采用NR天然橡胶充填成具有一定弧度的NR天然橡胶缓冲层11b，并利用水泥钢钉11b打入岩体将橡胶固定。

二、柔性消能式排导结构B

柔性消能式排导结构B包括充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构1、坡面支撑结构2、矩形钢管悬臂梁7、镀锌钢绞线8、锁脚锚杆10、靠山侧坡脚连接结构11、钢筋混凝土基础12、地脚螺栓13、螺旋绳锚14。

如图2所示，充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构1通过焊接架设在坡面支撑结构2之上，坡面支撑结构2通过焊接固定在矩形钢管悬臂梁上。矩形钢管悬臂梁7以向上倾斜的角度α固定在边坡岩体中，矩形钢管悬臂梁7的固定端设置在钢筋混凝土基础12内，自由端处设置有两根镀锌钢绞线8并通过螺旋绳锚固定在悬臂梁上方的岩体内，矩形钢管悬臂梁自由端处的镀锌钢绞线8与水平线夹角β不小于15°。钢筋混凝土基础12内设置有固定基础的地脚螺栓13和锁脚锚杆10。在靠近边坡面一侧，在蜂窝状缓冲结构表面设置有靠山侧坡脚连接结构11。

如图1所示，柔性消能式排导结构B按与水平线夹角θ布置，其下部靠近柔性消能式棚洞结构A，棚洞边缘与柔性消能式排导结构B下边缘的水平间距D根据现场实际调查确定。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，其特征在于，它由柔性消能式棚洞结构和柔性消能式排导结构两部分组成，所述柔性消能式棚洞结构布设在以大规模、动能高、冲击力大的滚落石地质灾害为主的路段，所述柔性消能式排导结构布设在以小规模、动能低、冲击力小的崩积碎石地质灾害为主的路段；当发生冲击力小的落石碎屑崩塌灾害时，柔性消能式排导结构通过消能缓冲层可将崩积碎石拦挡下来，并排导至相应的柔性消能式棚洞结构，再由棚洞结构将崩积碎屑物排导至公路外侧；当发生冲击力大的滚落石灾害时，柔性消能式棚洞结构通过消能缓冲层将滚落石直接拦排至公路外侧；

所述柔性消能式棚洞结构布设在以大规模、动能高、冲击力大的滚落石地质灾害为主的路段，由充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构、坡面支撑结构、筒式弹性胶泥缓冲结构、靠山侧锚固结构、靠山侧坡脚连接结构、棚洞主体结构构成，所述蜂窝格状缓冲结构的下方设有坡面支撑结构，所述坡面支撑结构设置在棚洞主体结构的上方，并由筒式弹性胶泥缓冲结构、靠山侧锚固结构、靠山侧坡脚连接结构提供支撑；

所述柔性消能式排导结构布设在以小规模、动能低、冲击力小的崩积碎石地质灾害为主的路段，由充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构、坡面支撑结构、矩形钢管悬臂梁、靠山侧坡脚连接结构、钢筋混凝土基础、镀锌钢绞线、螺旋绳锚、锁脚锚杆、地脚螺栓构成，所述矩形钢管悬臂梁以向上倾斜的角度固定在边坡岩体中，矩形钢管悬臂梁的固定端设置在钢筋混凝土基础内，自由端处设置有镀锌钢绞线并通过螺旋绳锚固定在悬臂梁上方的岩体内，钢筋混凝土基础内设置有固定基础的地脚螺栓和锚杆，充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构通过坡面支撑结构固定在矩形钢管悬臂梁上；在靠近边坡面一侧，在蜂窝状缓冲结构表面设置有靠山侧坡脚连接结构，该靠山侧坡脚连接结构与柔性消能式棚洞结构中的靠山侧坡脚连接结构构造一致；

所述蜂窝格状缓冲结构包括上层波纹钢板、下层平板钢板、铝片式蜂窝结构、膨胀性聚乙烯充填物及高强度螺栓，蜂窝格状缓冲结构采用夹心式结构，上层钢板采用波纹钢板，下层采用平板钢板，钢板之间是由铝片焊接而成的正六边形柱体结构，柱体内填充膨胀性聚乙烯材料，利用高强度螺栓将上下两层钢板及蜂窝状填充体连接；

所述坡面支撑结构设置在膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构之下，为轻质钢网架，用于支撑其上膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构，并将上覆自重和冲击荷载向下传递给其下筒式弹性胶泥缓冲结构和立柱。

2.根据权利要求1所述的防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，其特征在于，所述筒式弹性胶泥缓冲结构包括上连接板、下连接板、活塞及活塞杆、缸体、冲料阀及高粘度有机硅弹性胶泥，上连接板与活塞及活塞杆的上端连接，下连接板与缸体的下端连接，连接方式采用焊接形成整体结构，高粘度有机硅弹性胶泥通过冲料阀冲入缸体内部。

3.根据权利要求1所述的防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，其特征在于，所述靠山侧锚固结构设有角度与岩体节理结构面垂直的锁脚锚杆，锁脚锚杆与顶面充填膨胀性聚乙烯的蜂窝格状缓冲结构相连接。

4.根据权利要求1所述的防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，其特征在于，所述靠山侧坡脚连接结构包括NR天然橡胶缓冲层和水泥钢钉，在边坡表面与顶面缓冲结构的连接处采用NR天然橡胶充填成具有一定弧度的结构体，并利用水泥钢钉打入岩体将橡胶固定。

5.根据权利要求1所述的防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，其特征在于，所述棚洞主体结构包括二重钢管混凝土立柱、工字钢横梁、工字钢纵梁及锥形独立式基础，道路两侧和中央分别设有一定高度差的二重钢管混凝土立柱，并沿着棚洞纵向等间距设置二重钢管混凝土立柱，在相邻的立柱顶部之间设有工字钢纵梁和横梁，钢管混凝土立柱下部设有锥形独立式基础。

6.根据权利要求5所述的防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，其特征在于，所述二重钢管混凝土立柱由外层钢管和内层钢管组成，外层钢管采用Q345钢材φ500mm，径厚比25，内层钢管采用Q345钢材φ375mm，径厚比20，两层钢管间及内层钢管内填充C60混凝土。

7.根据权利要求5所述的防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，其特征在于，所述二重钢管混凝土立柱在道路两侧和中央沿着棚洞纵向等间距设置，间距为5m。

8.根据权利要求1所述的防护高空落石及崩积碎石的新型组合式柔性棚洞结构，其特征在于，所述矩形钢管悬臂梁自由端处的镀锌钢绞线与水平线夹角大于15°。