CN111305097A - 危岩落石地区棚洞结构的钢-uhpc方舱缓冲层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种危岩落石地区棚洞结构的钢‑UHPC方舱缓冲层，所述缓冲层覆盖于棚洞顶板上方，由多块方舱拼接组成，方舱连接杆自上而下垂直插入贯穿方舱整体，底端插入棚洞顶板的预留孔中实现固定。本发明通过UHPC薄板的高力学性能优势防止落石与缓冲层接触瞬间的冲击荷载击穿破坏；通过方舱对轻型高分子聚合物变形约束后防止聚合物缓冲材料劈裂破坏；通过舱内高分子聚合物和缓冲弹簧有效组合后延长冲击时间以降低冲击荷载；通过将缓冲层分割为独立的方舱结构后提高缓冲层与棚洞结构连接施工的便捷性，缓冲性能强、结构重量轻、施工及维修易、适用范围广、经济效益好。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程建设技术领域，具体涉及一种危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层。
背景技术
中西部艰险山区的新建铁路多穿越V型沟谷，山坡陡峭，多有危岩落石分布。根据落石运动轨迹分布规律，隧道洞口是落石风险最高的地方，一旦遭受落石冲击，将造成重大的经济损失，甚至引发灾难性后果。
现有的隧道明洞顶部缓冲层普遍采用砂土，砂土的自重一般为混凝土自重的0.8倍。当砂土缓冲层具有良好的缓冲效能时往往厚度较大、重量较重，砂土的自重往往成为明洞结构设计控制的决定性因素，对技术合理性及工程经济性影响较大。现有的桥梁棚洞多采用轻型钢架加格栅网的防护形式，该结构非全封闭状态，对小型落石无法有效拦截，而采用全封闭的棚洞时，棚洞与缓冲层的重量施加在桥梁上，使桥梁结构无法合理设计、更无法实现工程经济性。尽管可以利用弹簧、阻尼支座等成熟工业产品进行卸载后达到缓冲并轻型化的目标，但是钢构件产品在使用过程中易锈蚀失效，其使用寿命一般不超过20年，和工程主体结构100年寿命不匹配，通常仅用于临时抢险、临时过渡等工程实践中，且型钢工业产品的造价往往较高，不利于缓冲材料的推广。
构承受冲击荷载的大小取决于落石重量、落石冲击时的速度和冲击作用的时间。落石质量和和冲击速度在撞击结构物的一刻为常量，即落石撞击结构物时冲量为一个定值。根据冲量定理，当结构物承受冲击荷载作用时间较长时，冲击荷载可显著下降。因此，降低落石冲击荷载的关键在于通过铺设缓冲层延长荷载作用的时间。
综上所述，棚洞结构对于危岩落石灾害有效防护的关键技术在于合理的缓冲层结构，其设计目标应重点考察缓冲性能、结构重量、耐用性、经济性。
轻型高分子聚合物的容重约为砂土重量的0.01倍，将其合理应用于棚洞结构缓冲层时，由于自身抗拉强较低，在冲击荷载作用接触的瞬间往往直接击穿或劈裂破坏，落石仍能直接撞击在棚洞结构主体之上造成破坏。利用轻型高分子聚合物开发一种新型缓冲层，在具有良好的缓冲效能的同时，还应具备自重轻、造价低、易施工、易修复的功能，可以显著提高危岩落石地区棚洞结构工程的技术先进性和经济合理性。
发明内容
本发明的目的是提供一种危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，减轻结构自重并提高结构防护性能。
本发明所采用的技术方案为：
危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
所述缓冲层覆盖于棚洞顶板上方，由多块方舱拼接组成，方舱连接杆自上而下垂直插入贯穿方舱整体，底端插入棚洞顶板的预留孔中实现固定。
所述方舱包括方舱底板、方舱侧板和方舱顶板，方舱底板和方舱顶板均为弧面板，与棚洞顶板曲面相适应。
方舱连接杆自方舱顶板至方舱底板垂直插入贯穿方舱整体；
方舱连接杆顶端外露并设置有外螺纹，通过封闭螺母固定；方舱连接杆底端伸出并插入棚洞顶板的预留孔中。
方舱顶板为UHPC材料预制板。
方舱底板和方舱侧板均为钢板，方舱侧板焊接到方舱底板上形成开口型方舱。
方舱底板上设置有连接杆贯穿孔，方舱顶板上设置有连接杆安装孔，连接杆贯穿孔和连接杆安装孔上下对应，方舱连接杆上部插入连接杆安装孔，下部插入连接杆贯穿孔并进而插入棚洞顶板对应设置的预留孔。
方舱底板表面设置有与其垂直的缓冲弹簧，缓冲弹簧底端焊接固定到方舱底板上，顶部与方舱顶板底面接触。
方舱内灌注有高分子聚合物作为缓冲材料。
方舱顶板上设置有方舱缓冲材料注料口和方舱缓冲材料出料口，缓冲材料自方舱缓冲材料注料口注入方舱，通过方舱缓冲材料出料口溢出。
方舱缓冲材料注料口和方舱缓冲材料出料口通过封闭螺母和封闭垫圈进行封闭。
本发明具有以下优点：
（1）缓冲性能强
本发明主要通过舱内的缓冲弹簧与轻型高分子聚合物共同实现缓冲功能。缓冲弹簧在平面的布置较为自由，如冲击能量较大时可在方舱内设置多组缓冲弹簧，并且缓冲弹簧在材料性能上可自由调整，可采用高强钢定制加工高性能弹簧。轻型高分子聚合物的缓冲性能随其厚度增加而增加，而随着厚度增加其重量增加缓慢，对棚洞结构影响较小。
（2）结构重量轻
本发明主要构件为钢箱、UHPC方舱顶板、弹簧和轻型高分子聚合物。钢箱主要是成型和位移约束作用，一般厚度不大；UHPC方舱顶板为超高性能混凝土薄板，厚度与重量可大幅降低；弹簧分布而设，满足临时支撑方舱顶板即可，仅为高分子聚合物在缓冲工作中辅助使用，体积与重量较小；轻型高分子聚合物是缓冲作用的决定性因素，在整个缓冲层结构中体积占比高达90%以上，但其自重仅为普通砂土的1%，可忽略自重。综上，钢-UHPC方舱缓冲层结构重量轻。
（3）施工及维修易
本发明结构中方舱钢箱、连接件、缓冲弹簧、UHPC方舱顶板均可在工厂定制加工，方舱钢箱的主要施工工艺为切割、开孔、焊接等成熟工艺，UHPC方舱顶板为超高性能混凝土薄板的一般性浇筑施工，轻型高分子聚合物是通过树脂材料加入发泡剂并加热软化后产生的气体形成，工艺简单成熟。
由于该缓冲层的主要部件均为工厂预制生产，更换时将部件同尺寸在工厂制造后在现场拆装即可。更换时的主要施工工艺仅为钢板焊接、UHPC板扣装、轻型高分子聚合物的现场发泡。上述均为成熟工艺，简单易操作。
（4）适用范围广
桥梁棚架结构在危岩落石防护设计时多采用轻型钢架上铺设格栅网，未能采用全封闭型棚洞最主要原因就是缺乏轻型高能缓冲层，本发明能够彻底解决轻型高效的要求，为桥梁棚洞一体化设计解决了关键技术难题，可在桥梁棚架上广泛推广。本发明较常规隧道明洞采用的砂土缓冲层大幅降低了缓冲层的自重，通过该发明的设置，在保证同等冲击荷载安全的前提下可减小明洞顶板厚度及顶板钢筋含量，其技术先进，在隧道明洞结构中具有推广前景。
（5）经济效益好
本发明结构中材料主要为：钢板、连接件、弹簧、UHPC预制板、轻型高分子聚合物。其中钢与UHPC约占缓冲层的体积比为10%，为工程结构中的常见材料，取材容易加工简单，经济指标一般。而轻型高分子聚合物的体积占比高达90%，且发泡材料低廉、生产工艺简单。因此，本发明经济效益优势明显。
附图说明
图1为隧道明洞及桥梁棚架危岩落石防护总图对比。
图2为方舱底板图。
图3为开口型方舱及未安装的方舱顶板图。
图4为注料前方舱结构图。
图5为钢-UHPC方舱缓冲层总图。
图中标识为：
1-棚洞顶板；
2-方舱底板；
3-方舱侧板；
4-方舱顶板；
5-方舱连接杆；
6-连接杆贯穿孔；
7-缓冲弹簧；
8-开口型方舱；
9-连接杆安装孔；
10-方舱缓冲材料注料口；
11-方舱缓冲材料出料口；
12-封闭螺母；
13-封闭垫圈。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
艰险山区存在危岩落石灾害风险的棚洞主要有两种，一种是路基段落与隧道相连时隧道出口采用隧道明洞结构进行防护，另外一种为桥梁段落与隧道相连时桥梁顶面采用桥梁棚架结构进行防护。棚洞顶板1为落石冲击破坏的薄弱区域，本发明涉及的一种危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，覆盖于棚洞顶板1上方，以缓冲落石速度后降低冲击荷载。
本发明由多块方舱拼接组成，根据防护范围确定方舱缓冲层的数量及布置形式。方舱连接杆5自上而下垂直插入贯穿方舱整体，底端插入棚洞顶板1的预留孔中实现固定。
所述方舱包括方舱底板2、方舱侧板3和方舱顶板4，方舱底板2和方舱顶板4均为弧面板，与棚洞顶板1曲面相适应。方舱连接杆5自方舱顶板4至方舱底板2垂直插入贯穿方舱整体；方舱连接杆5顶端外露并设置有外螺纹，通过封闭螺母12固定；方舱连接杆5底端伸出并插入棚洞顶板4的预留孔中。
方舱顶板4为UHPC（超高性能混凝土）材料预制板。方舱底板2和方舱侧板3均为钢板，方舱侧板3焊接到方舱底板2上形成开口型方舱8。
方舱底板2上设置有连接杆贯穿孔6，方舱顶板4上设置有连接杆安装孔9，连接杆贯穿孔6和连接杆安装孔9上下对应，方舱连接杆5上部插入连接杆安装孔9，下部插入连接杆贯穿孔6并进而插入棚洞顶板1对应设置的预留孔。
方舱底板2表面设置有与其垂直的缓冲弹簧7，进行临时支撑，缓冲弹簧7底端焊接固定到方舱底板2上，顶部与方舱顶板4底面接触。
方舱内灌注有高分子聚合物作为缓冲材料，常见的高分子聚合物为聚苯乙烯泡沫（简称EPS，俗称泡沫板）或聚乙烯发泡棉（简称EPE）等化学现场发泡材料。方舱顶板4上设置有方舱缓冲材料注料口10和方舱缓冲材料出料口11，缓冲材料自方舱缓冲材料注料口10注入方舱，通过方舱缓冲材料出料口11溢出。灌注成型后，方舱缓冲材料注料口10和方舱缓冲材料出料口11通过封闭螺母12和封闭垫圈13进行封闭。
本发明通过UHPC薄板的高力学性能优势防止落石与缓冲层接触瞬间的冲击荷载击穿破坏；通过方舱对轻型高分子聚合物变形约束后防止聚合物缓冲材料劈裂破坏；通过舱内高分子聚合物和缓冲弹簧有效组合后延长冲击时间以降低冲击荷载；通过将缓冲层分割为独立的方舱结构后提高缓冲层与棚洞结构连接施工的便捷性。本发明中的方舱顶板、方舱围板、方舱填充物等均为可更换部件，一旦发生较大破坏后可通过维修复原。钢——UHPC方舱缓冲层通过结构设计充分发挥了各种材料的工程特性，最终实现了缓冲性能强、结构重量轻、施工及维修易、适用范围广、经济效益好。
本发明的施工步骤包括：
步骤1：危岩落石山体坡面形态调查和专项勘察，对落石风险进行识别和评价，山体坡面主动及被动防护设计的工程实施，通过仿真分析确定棚洞顶板上部采用本发明的方舱缓冲层所需要承受的最大冲击能量。
步骤2：根据步骤1的最大冲击能量计算方舱UHPC顶板击穿荷载下的最小厚度、计算高分子聚合物充填的最小厚度、计算弹簧布置最少数量、检算方舱侧板和方舱连接件。按照计算成果对方舱进行构造及细节设计，完成设计图纸。
步骤3：根据步骤2的设计图纸开展钢-UHPC方舱缓冲层的加工制造。由钢构件工厂通过切割、制孔工艺加工方舱底板2、方舱侧板3；选料、卷制、去应力退火等工艺完成缓冲弹簧7制作，一般也可直接采购成品；冷拨、退火、冷锻、热处理等工艺完成方舱连接杆5和封闭螺母12的制作，一般也可直接采购成品。由混凝土构件厂根据步骤2设计图纸加工方舱顶板4，方舱顶板为UHPC（超高性能混凝土）材料制作而成，方舱顶板的加工应准确定位并预留方舱连接杆5、方舱缓冲材料注料口10、方舱缓冲材料出料口11。
步骤4：将步骤3制作完成的方舱缓冲层各部件运输至需要安装的棚洞施工场地。立模浇筑用于危岩落石防护的隧道明洞结构或桥梁棚架结构，棚洞顶板1在钢筋绑扎时应注意放样、定位并预埋方舱连接杆，对浇筑完成的棚洞养护至达到设计强度。
布置5：在步骤4浇筑完成的棚洞顶板1上依次扣装方舱底板6，在方舱底板之上焊接方舱侧板3和缓冲弹簧8，缓冲弹簧在承受方舱顶板4自重荷载后的初始位置应定位准确。在连接杆安装孔顶部通过封闭螺母12对方舱进行封闭，仅保留方舱缓冲材料注料口10和方舱缓冲材料出料口11。
步骤6：在步骤5已成型的方舱缓冲层中注入高分子聚合物，通过方舱缓冲材料出料口11是否溢出高分子聚合物来判断方舱内填充是否充盈，充盈之后对缓冲材料注料口10和方舱缓冲材料出料口11采用封闭螺母12和封闭垫圈13进行封闭。
步骤7：重复步骤5~步骤6，直到棚洞顶部所有钢——UHPC方舱缓冲层施工完毕，经验收合格后本发明与棚洞结构可交付运营。
步骤8：对于小型冲击能量的落石撞击，方舱顶板的UHPC板可进行有效抵抗。极端自然条件下大型冲击能量的落石冲击棚洞时，方舱缓冲层的侧板、缓冲弹簧、高分子聚合物会发生较大的塑性变形，将变形较大的部件进行拆卸，重复步骤5~步骤7。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
所述缓冲层覆盖于棚洞顶板（1）上方，由多块方舱拼接组成，方舱连接杆（5）自上而下垂直插入贯穿方舱整体，底端插入棚洞顶板（1）的预留孔中实现固定。
2.根据权利要求1所述的危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
所述方舱包括方舱底板（2）、方舱侧板（3）和方舱顶板（4），方舱底板（2）和方舱顶板（4）均为弧面板，与棚洞顶板（1）曲面相适应。
3.根据权利要求2所述的危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
方舱连接杆（5）自方舱顶板（4）至方舱底板（2）垂直插入贯穿方舱整体；
方舱连接杆（5）顶端外露并设置有外螺纹，通过封闭螺母（12）固定；方舱连接杆（5）底端伸出并插入棚洞顶板（1）的预留孔中。
4.根据权利要求3所述的危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
方舱顶板（4）为UHPC材料预制板。
5.根据权利要求4所述的危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
方舱底板（2）和方舱侧板（3）均为钢板，方舱侧板（3）焊接到方舱底板（2）上形成开口型方舱（8）。
6.根据权利要求5所述的危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
方舱底板（2）上设置有连接杆贯穿孔（6），方舱顶板（4）上设置有连接杆安装孔（9），连接杆贯穿孔（6）和连接杆安装孔（9）上下对应，方舱连接杆（5）上部插入连接杆安装孔（9），下部插入连接杆贯穿孔（6）并进而插入棚洞顶板（1）对应设置的预留孔。
7.根据权利要求6所述的危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
方舱底板（2）表面设置有与其垂直的缓冲弹簧（7），缓冲弹簧（7）底端焊接固定到方舱底板（2）上，顶部与方舱顶板（4）底面接触。
8.根据权利要求7所述的危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
方舱内灌注有高分子聚合物作为缓冲材料。
9.根据权利要求8所述的危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
方舱顶板（4）上设置有方舱缓冲材料注料口（10）和方舱缓冲材料出料口（11），缓冲材料自方舱缓冲材料注料口（10）注入方舱，通过方舱缓冲材料出料口（11）溢出。
10.根据权利要求9所述的危岩落石地区棚洞结构的钢-UHPC方舱缓冲层，其特征在于：
方舱缓冲材料注料口（10）和方舱缓冲材料出料口（11）通过封闭螺母（12）和封闭垫圈（13）进行封闭。
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