CN109681228A - 一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，包括步骤(1)明确隧道洞口上方帘式防护网、分导网和隧道洞口两侧帘式防护网各结构能量耗散比例原则；步骤(2)确定隧道洞口上方帘式防护网宽度、跨距、纵向初始位置；步骤(3)确定分导网宽度、长度、与洞口关系、横坡、纵坡位置、角度；步骤(4)确定隧道洞口两侧帘式防护网宽度、跨距；步骤(5)确定隧道洞口上方帘式防护网、分导网和隧道洞口两侧帘式防护网的各部件初步选型；步骤(6)确定隧道洞口的柔性棚洞的长度、高度。该技术采用能量匹配的设计原则，使得各个结构的设计更加科学合理，兼顾每一个结构的详细设计，实现对隧道洞口落石的立体防护。
Description
技术领域
本发明涉及铁路、公路隧道进出口，适用于隧道洞口危岩落石发育，而影响隧道洞口结构及运营安全的铁路、公路隧道洞口危岩落石处理。
背景技术
我国铁路、公路受到地形限制，常在崇山峻岭中穿行，不可避免的会以桥梁工程形式跨越山谷或者河流，还有可能会以隧道工程形式穿越崇山峻岭，特别的是在隧道洞口地形陡峻、峡谷深切地段，还常以桥隧相连的形式出现。
由于桥隧相连地段受到地形及施工场地的限制，隧道进出口的边坡高陡，地质条件恶劣，在雨水及地震等自然灾害的作用下，形成危岩、落石、崩塌、泥石流等，极易对隧道洞口和相邻的桥梁工程造成很大危害，严重威胁铁路、公路运营安全。为避免或降低隧道洞口危岩、落石等一系列不良地质作用，保证隧道洞口结构的安全、稳定及行车安全，有必要对隧道洞口相邻区段采取防护措施，以确保铁路、公路的运营正常。
针对洞口的危岩落石，常用的处理方法为采用浆砌片石进行补嵌，或者喷射混凝土覆面。施工复杂，造价较高，并且会破坏洞口的生态环境。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，以全面立体的对隧道洞口的落石进行防护。包括如下步骤：
步骤(1)：明确能量耗散比例关系
根据能量匹配原理，明确隧道洞口落石灾害立体防护设计方法各个结构的能量耗散比例关系，即：
Ek＝E1+E2+E3+E4
E1＝γ1Ek、E2＝γ2Ek、E3＝γ3Ek、E4＝γ4Ek
γ1+γ2+γ3+γ4＝1
上式中，Ek是设计防护对应的总能量，根据立体防护工程前期的勘察评估结果确定；E1是隧道洞口上方帘式防护网总耗能能力；E2是分导网总耗能能力；E3是隧道洞口两侧帘式防护网总耗能能力；E4是隧道洞口直接相连柔性棚洞总耗能能力，γ1、γ2、γ3、γ4是各结构的耗散比例系数；
步骤(2)：确定隧道洞口上方第一帘式防护网宽度、跨距、纵向初始位置
根据步骤(1)中第一帘式防护网总耗能能力E1、隧道洞口上方的山体坡度、隧道洞口大小和线路运行状况，确定隧道洞口上方第一帘式防护网的宽度和跨距；根据山体的岩石特征和风化程度确定隧道洞口上方第一帘式防护网纵向初始位置；
步骤(3)：确定分导网宽度、长度、与洞口相对位置关系、横坡、纵坡位置、角度
根据步骤(1)中分导网总耗能能力E2、隧道洞口大小确定分导网的宽度和长度，根据隧道洞口上方的山体坡度、隧道洞口防护对象、步骤(2)中隧道洞口上方第一帘式防护网特征确定分导网的与洞口相对位置关系、横坡、纵坡位置、角度；
步骤(4)：确定隧道洞口两侧第二帘式防护网宽度、跨距
根据步骤(1)中第二帘式防护网总耗能能力E3、步骤(3)中确定的分导网特征、线路状况、隧道洞口两侧的防护对象确定防护网宽度、跨距；
步骤(5)：确定隧道洞口柔性棚洞的长度、高度
根据步骤(1)中棚洞总耗能能力E4，确定柔性棚洞的构件规格，根据步骤(3)设计的分导网特征、隧道洞口山体坡度、隧道洞口两侧防护对象确定柔性棚洞长度，根据隧道洞口高度和车辆通行要求确定柔性棚洞的高度；
其中：第一帘式防护网设置在隧道洞口上方坡面有危岩落石特征和风化严重区域，用于收集、限制落石的轨迹和减速；
分导网设置在帘式防护网与隧道洞口之间；
柔性棚洞设置在隧道洞口顶部，用于保护既有结构和线路运营安全；
第二帘式防护网设置在隧道洞口两侧，用于限制落石轨迹和收集落石。
进一步地，所述步骤(1)中能量匹配原理是指，根据数值仿真和理论分析结果得到的立体防护设计方法中各结构的合理耗能分配比例，并根据该比例进行各结构初步选配设计原理。
进一步地，分导网布置在隧道洞口正上方，分导网的角度设计保证大部分落石不会沿分导网直接落在线路运行范围内；分导网纵坡位置沿隧道洞口中线布置，横坡位置依据分导网宽度和山体特征确定。
进一步地，分导网的初始位置应紧邻或者包含在隧道洞口上方第一帘式防护网的尾部；隧道洞口两侧的第二帘式防护网的纵向初始位置应紧连分导网贴地尾部。
进一步地，隧道洞口上方第一帘式防护网尾部与地面留有间隙，使得落石能够通过；分导网呈燕尾状，分导网的前部和尾部贴地锚固并且分导网的前部紧邻或延伸至隧道洞口上方第一帘式防护网尾部内；隧道洞口两侧的第二帘式防护网张口段紧邻分导网的贴地尾部，所述张口段拉锚绳锚固点可通过分导网的网孔锚固在分导网覆盖的范围内。
进一步地，所述步骤中柔性棚洞的长度和高度设计，长度应考虑分导网尾部遗漏的落石、隧道洞口山体坡度和线路的运行安全因素，并在隧道内部延伸一段；高度应考虑隧道洞口高度和线路通行的要求以及柔性棚洞的比例关系。
进一步地，在所述步骤(2)中，还包括：对山体进行三维扫描，确定危岩位置及初步的运动轨迹，根据落石的运动轨迹，确定隧道洞口上方第一帘式防护网宽度、跨距、纵向初始位置。
进一步地，所述数值仿真包括：根据冲击落石群的冲击速度建立冲击的数值模型进行冲击加载，冲击加载位置为帘式网模型的中心位置，落石方向为沿坡向
本发明的有益效果是：
(1)本发明首次提出了隧道洞口落石立体防护设计方法，避免传统方法对既有山坡的大范围改造，降低工程造价，并且对生态环境不会造成较大破坏，可以全面立体的防护落石，属于绿色生态、维护方便、实用性强的隧道洞口落石灾害防护设计方法。
(2)采用能量匹配的设计原则，确定防护设计方法中个结构的构件设计，使得整个体系更加科学合理。
(3)基于有限元计算方法，实现了区域内整体计算，使其更具备可操作性。
(4)以整体区域为计算对象，兼顾了各部分的单体设计和整体的计算，提高了隧道洞口防护工程的适用性。
本发明对隧道洞口的防护设计方法从设计原理上实现提升，使得结构更加的有理可循，工程适用性得到提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例的隧道洞口落石灾害立体防护设计方法的防护结构示意图。
图2为本发明实施例的隧道洞口落石灾害立体防护设计方的防护结构法正视图。
图3为本发明实施例的隧道洞口落石灾害立体防护设计方法的防护结构侧视图。
图4为本发明实施例的隧道洞口落石灾害立体防护设计方法的落石冲击耗能曲线。
图5为本发明实施例的隧道洞口落石灾害立体防护设计方法的调整后的落石冲击耗能曲线。
图中：1-隧道洞口，2-落石，3-隧道洞口上方帘式防护网，4-分导网，5-柔性棚洞，6-隧道洞口两侧帘式防护网。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合附图1-3，本申请的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法设计方法，包括以下步骤：
步骤1：明确能量耗散比例关系
根据能量匹配原理，明确隧道洞口落石灾害立体防护设计方法各个结构的能量耗散比例关系，即：
Ek＝E1+E2+E3+E4
E1＝γ1Ek、E2＝γ2Ek、E3＝γ3Ek、E4＝γ4Ek
γ1+γ2+γ3+γ4＝1
上式中，Ek是设计防护对应的总能量，根据立体防护工程前期的勘察评估结果确定；E1是隧道洞口上方帘式防护网3总耗能能力；E2是分导网4总耗能能力；E3是隧道洞口两侧帘式防护网6总耗能能力；E4是隧道洞口直接相连柔性棚洞5总耗能能力，γ1、γ2、γ3、γ4是各结构的耗散比例系数；
步骤2：确定隧道洞口上方第一帘式防护网3宽度、跨距、纵向初始位置
根据步骤1中第一帘式防护网3总耗能能力E1、隧道洞口上方的山体坡度、隧道洞口大小和线路运行状况，确定隧道洞口上方第一帘式防护网3的宽度和跨距；根据山体的岩石特征和风化程度确定隧道洞口上方第一帘式防护网3纵向初始位置；
步骤3：确定分导网4宽度、长度、与洞口相对位置关系、横坡、纵坡位置、角度
根据步骤1中分导网4总耗能能力E2、隧道洞口大小确定分导网4的宽度和长度，根据隧道洞口上方的山体坡度、隧道洞口防护对象、步骤2中隧道洞口上方第一帘式防护网3特征确定分导网4的与洞口相对位置关系、横坡、纵坡位置、角度；
步骤4：确定隧道洞口两侧第二帘式防护网6宽度、跨距
根据步骤1中第二帘式防护网6总耗能能力E3、步骤3中确定的分导网4特征、线路状况、隧道洞口两侧的防护对象确定防护网宽度、跨距；
步骤5：确定隧道洞口柔性棚洞5的长度、高度
根据步骤1中棚洞5总耗能能力E4，确定柔性棚洞的构件规格，根据步骤3设计的分导网4特征、隧道洞口山体坡度、隧道洞口两侧防护对象确定柔性棚洞5长度，根据隧道洞口高度和车辆通行要求确定柔性棚洞5的高度；
其中：第一帘式防护网3设置在隧道洞口1上方坡面有危岩落石特征和风化严重区域，用于收集、限制落石2的轨迹和减速；
分导网4设置在帘式防护网3与隧道洞口1之间；
柔性棚洞5设置在隧道洞口1顶部，用于保护既有结构和线路运营安全；
第二帘式防护网6设置在隧道洞口1两侧，用于限制落石2轨迹和收集落石2。
所述步骤1中能量匹配原理是指，根据数值仿真和理论分析结果得到的立体防护设计方法中各结构的合理耗能分配比例，并根据该比例进行各结构初步选配设计原理。
分导网4布置在隧道洞口正上方，分导网4的角度设计保证大部分落石不会沿分导网4直接落在线路运行范围内；分导网4纵坡位置沿隧道洞口中线布置，横坡位置依据分导网4宽度和山体特征确定。
分导网4的初始位置应紧邻或者包含在隧道洞口上方第一帘式防护网3的尾部；隧道洞口两侧的第二帘式防护网6的纵向初始位置应紧连分导网4贴地尾部。
隧道洞口上方第一帘式防护网3尾部与地面留有间隙，使得落石能够通过；分导网4呈燕尾状，分导网4的前部和尾部贴地锚固并且分导网4的前部紧邻或延伸至隧道洞口上方第一帘式防护网3尾部内；隧道洞口两侧的第二帘式防护网6张口段紧邻分导网4的贴地尾部，所述张口段拉锚绳锚固点可通过分导网4的网孔锚固在分导网4覆盖的范围内。
所述步骤5中柔性棚洞5的长度和高度设计，长度应考虑分导网4尾部遗漏的落石、隧道洞口山体坡度和线路的运行安全因素，并在隧道内部延伸一段；高度应考虑隧道洞口高度和线路通行的要求以及柔性棚洞5的比例关系。
在所述步骤2中，还包括：对山体进行三维扫描，确定危岩位置及初步的运动轨迹，根据落石2的运动轨迹，确定隧道洞口1上方第一帘式防护网3宽度、跨距、纵向初始位置。
所述数值仿真包括：根据冲击落石群的冲击速度建立冲击的数值模型进行冲击加载，冲击加载位置为帘式网模型的中心位置，落石方向为沿坡向。
具体实施例一
采用本发明隧道洞口落石灾害立体防护设计方法的防护能级为5000kJ，具体过程如下：
1.明确能量耗散比例
根据隧道洞口1落石灾害防护能级为5000kJ，结合能量匹配原则确定各结构的耗能比例，对隧道洞口上方帘式防护网3γ1取0.65，对分导网4γ2取0.2，对隧道洞口两侧帘式防护网6γ3取0.05，柔性棚洞5γ4取0.10。
表1各结构耗能比例系数的取值
2.结构选型及布置
对山体进行三维扫描，确定危岩位置及初步的运动轨迹。根据落石2的运动轨迹，确定隧道洞口1上方帘式防护网3宽度、跨距、纵向初始位置；根据隧道洞口位置及宽度，确定分导网4宽度、长度、与洞口关系、横坡、纵坡位置、角度；确定隧道洞口两侧帘式防护网6宽度、跨距；根据隧道洞口的宽度，沿线山坡分布，确定柔性棚洞5的长度、高度。
3.建立有限元模型
按照上述的能量分配，对构件进行选型。在实施时，帘式网、分导网、柔性棚洞各子结构均满足各结构的设计要求。帘式网按照防护能级为3500kJ的模型进行选型。柔性棚洞按照防护能级为500kJ的模型进行选型。根据结构布置，建立山体—落石群——多子结构的区域整合模型。
4.冲击加载及内力分析
根据落石2，设计防护能级对应的冲击能量Ek＝5000kJ，冲击落石群的冲击速度采用25m/s，从而建立冲击的数值模型进行冲击加载，冲击加载位置为帘式网模型的中心位置，落石方向为沿坡向。
在整个的冲击、引导过程中，各分结构的耗能曲线如图4所示。
5.调整结构模型并重新进行设计验算
参见图5，在能量分配比例中，帘式网耗能比例较少，分导网相应的耗能比例稍高，因此需要对结构的布置进行调整，将帘式网中的支撑绳的耗能器启动力提高。对调整后的模型重新进行计算分析，重新计算后各子结构的耗能比例分配如图所示，满足了验算要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：明确能量耗散比例关系
根据能量匹配原理，明确隧道洞口落石灾害立体防护设计方法各个结构的能量耗散比例关系，即：
Ek＝E1+E2+E3+E4
E1＝γ1Ek、E2＝γ2Ek、E3＝γ3Ek、E4＝γ4Ek
γ1+γ2+γ3+γ4＝1
上式中，Ek是设计防护对应的总能量，根据立体防护工程前期的勘察评估结果确定；E1是隧道洞口上方帘式防护网(3)总耗能能力；E2是分导网(4)总耗能能力；E3是隧道洞口两侧帘式防护网(6)总耗能能力；E4是隧道洞口直接相连柔性棚洞(5)总耗能能力，γ1、γ2、γ3、γ4是各结构的耗散比例系数；
步骤(2)：确定隧道洞口上方第一帘式防护网(3)宽度、跨距、纵向初始位置
根据步骤(1)中第一帘式防护网(3)总耗能能力E1、隧道洞口上方的山体坡度、隧道洞口大小和线路运行状况，确定隧道洞口上方第一帘式防护网(3)的宽度和跨距；根据山体的岩石特征和风化程度确定隧道洞口上方第一帘式防护网(3)纵向初始位置；
步骤(3)：确定分导网(4)宽度、长度、与洞口相对位置关系、横坡、纵坡位置、角度
根据步骤(1)中分导网(4)总耗能能力E2、隧道洞口大小确定分导网(4)的宽度和长度，根据隧道洞口上方的山体坡度、隧道洞口防护对象、步骤(2)中隧道洞口上方第一帘式防护网(3)特征确定分导网(4)的与洞口相对位置关系、横坡、纵坡位置、角度；
步骤(4)：确定隧道洞口两侧第二帘式防护网(6)宽度、跨距
根据步骤(1)中第二帘式防护网(6)总耗能能力E3、步骤(3)中确定的分导网(4)特征、线路状况、隧道洞口两侧的防护对象确定防护网宽度、跨距；
步骤(5)：确定隧道洞口柔性棚洞(5)的长度、高度
根据步骤(1)中棚洞(5)总耗能能力E4，确定柔性棚洞的构件规格，根据步骤(3)设计的分导网(4)特征、隧道洞口山体坡度、隧道洞口两侧防护对象确定柔性棚洞(5)长度，根据隧道洞口高度和车辆通行要求确定柔性棚洞(5)的高度；
其中：第一帘式防护网(3)设置在隧道洞口(1)上方坡面有危岩落石特征和风化严重区域，用于收集、限制落石(2)的轨迹和减速；
分导网(4)设置在帘式防护网(3)与隧道洞口(1)之间；
柔性棚洞(5)设置在隧道洞口(1)顶部，用于保护既有结构和线路运营安全；
第二帘式防护网(6)设置在隧道洞口(1)两侧，用于限制落石(2)轨迹和收集落石(2)。
2.根据权利要求1所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中能量匹配原理是指，根据数值仿真和理论分析结果得到的立体防护设计方法中各结构的合理耗能分配比例，并根据该比例进行各结构初步选配设计原理。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，其特征在于：分导网(4)布置在隧道洞口正上方，分导网(4)的角度设计保证大部分落石不会沿分导网(4)直接落在线路运行范围内；分导网(4)纵坡位置沿隧道洞口中线布置，横坡位置依据分导网(4)宽度和山体特征确定。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，其特征在于：分导网(4)的初始位置应紧邻或者包含在隧道洞口上方第一帘式防护网(3)的尾部；隧道洞口两侧的第二帘式防护网(6)的纵向初始位置应紧连分导网(4)贴地尾部。
5.根据权利要求4所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，其特征在于：隧道洞口上方第一帘式防护网(3)尾部与地面留有间隙，使得落石能够通过；分导网(4)呈燕尾状，分导网(4)的前部和尾部贴地锚固并且分导网(4)的前部紧邻或延伸至隧道洞口上方第一帘式防护网(3)尾部内；隧道洞口两侧的第二帘式防护网(6)张口段紧邻分导网(4)的贴地尾部，所述张口段拉锚绳锚固点可通过分导网(4)的网孔锚固在分导网(4)覆盖的范围内。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中柔性棚洞(5)的长度和高度设计，长度应考虑分导网(4)尾部遗漏的落石、隧道洞口山体坡度和线路的运行安全因素，并在隧道内部延伸一段；高度应考虑隧道洞口高度和线路通行的要求以及柔性棚洞(5)的比例关系。
7.根据权利要求1-6之一所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，还包括：对山体进行三维扫描，确定危岩位置及初步的运动轨迹，根据落石(2)的运动轨迹，确定隧道洞口(1)上方第一帘式防护网(3)宽度、跨距、纵向初始位置。
8.根据权利要求2所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法，其特征在于，所述数值仿真包括：根据冲击落石群的冲击速度建立冲击的数值模型进行冲击加载，冲击加载位置为帘式网模型的中心位置，落石方向为沿坡向。
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