CN204530520U - Z形刚架半棚式明洞构造 - Google Patents

Abstract

Z形刚架半棚式明洞构造，以适应严重偏压地形隧路结合带防护危岩落石的需要，有效减少对线路沿途景观和植被破坏。包括设置于靠山侧由仰拱段、边墙段和半幅拱顶段构成的半棚式明洞衬砌结构，设置于靠谷侧由底纵梁、人字形异型曲柱和顶纵梁、顶板构成的Z形刚架，以及设置于底纵梁下方的外侧桩。所述底纵梁、顶纵梁沿线路方向延伸，其上端与底纵梁固结的外侧桩沿线路方向间隔设置。所述人字形异型曲柱沿线路方向间隔设置，其上端、下端分别与顶纵梁、底纵梁固结；所述顶板与顶纵梁固结，其内端与半幅拱顶段的拱顶固结。

Description

Z形刚架半棚式明洞构造

技术领域

本实用新型涉及土木工程，特别涉及一种能适应严重偏压地形隧路结合带防护危岩落石的需要，并有效减少对线路沿途景观和植被破坏的Z形刚架半棚式明洞构造。

背景技术

由于历史经济发展水平和技术条件限制，许多既有铁路傍山修建，存在大量高边坡，加之长时间风化剥蚀和结构劣化，造成大量危岩、落石、边坡塌方、甚至泥石流等灾害，严重影响既有线运营安全和损害经济发展，同时也带来大量的既有线改造工程，大幅增加铁路养护成本。随着高速铁路的高速发展和沿江铁路的大量规划，傍山铁路的数量将会大量增加，路基高边坡的也会大量出现，危岩落石严重危及高速运行列车的安全，产生更具破坏性的后果。加之目前工程环保要求逐渐提高，且工程美学和大自然和谐发展也成为了时代新的发展要求，因此严重偏压地形隧路结合带的工程方案研究成为了一个新的热点。

目前，在严重偏压地形地段为防止落石威胁，常采用的工程措施包括路基工程、明洞、棚洞或者异型环保式棚洞。

以某山区高速铁路为例，由于地形、地质、线路条件限制和设站支持地方经济发展的需要，长距离傍山修建，该段横坡陡峭，地形严重偏压，基岩为泥岩夹砂岩，线路上方有危岩落石，临谷侧有3～5m土层覆盖。

若采用路基工程方案，靠山侧刷坡高达59m，刷坡远达73m，靠谷侧需设置重力式挡墙或桩板墙支护，严重破坏沿线植被和景观，路基开挖土石方量很大，且路基支挡工程量大，且上方落石存在严重安全隐患，威胁列车运营安全，且养护费用高。

若采用明洞方案，则可大幅减小开挖土石方量，结合坡面危岩清除、加固和挂网拦截等措施，相比路基工程方案，可大幅提高列车运营安全，但单压式明洞临谷侧基础宽度大，厚边墙下需设置强的基础以保证体系稳定，且结构自重大，投资高，与沿途自然景观结合较差。

棚洞方案可与路基方案相结合，靠山侧采用桩墙永久防护，靠谷侧可采用刚架式或墙式，并结合桩基托梁方式将外墙荷载传递到基岩，刚架式棚洞结构自重较小，由于施工方便、对既有线干扰小，在既有线改造中大量采用，但结构刚度小，受力特性差，能承受落石荷载小；墙式棚洞外墙自重大，会大幅增加外墙下部基础的投资，且能承受落石荷载也小。

异型环保式棚洞是近年来公路隧道采用较多的一种结构型式，其具有大幅减少开挖土石方，并可与沿线景观相结合，但是其结构异型，结构受力特性差，不美观，可填土厚度小，能承受落石荷载小，结构安全性差，且施工不方便，在铁路隧道鲜有采用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种Z形刚架半棚式明洞构造，以适应严重偏压地形隧路结合带防护危岩落石的需要，有效减少对线路沿途景观和植被破坏。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型的Z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：包括设置于靠山侧由仰拱段、边墙段和半幅拱顶段构成的半棚式明洞衬砌结构，设置于靠谷侧由底纵梁、人字形异型曲柱和顶纵梁、顶板构成的Z形刚架，以及设置于底纵梁下方的外侧桩；所述底纵梁、顶纵梁沿线路方向延伸，其上端与底纵梁固结的外侧桩沿线路方向间隔设置；所述人字形异型曲柱沿线路方向间隔设置，其上端、下端分别与顶纵梁、底纵梁固结；所述顶板与顶纵梁固结，其内端与半幅拱顶段的拱顶固结。

本实用新型的有益效果是，Z形刚架半棚式明洞具有开挖小，能承受落石荷载较大，受力特性较好；结构美观，对沿途景观和植被破坏小，可与自然相协调；可利用模板台车配合普通模板施工等优点，

附图说明

本说明书包括如下一幅附图：

图1是本实用新型Z形刚架半棚式明洞构造的断面图。

图中示出构件和对应的标记：内侧桩10、仰拱段11、边墙段12、拱顶段13；底纵梁20、人字形异型曲柱21、下部外侧柱21a、下部内侧曲柱21b、上部曲柱21c、顶纵梁22、顶板22a、挑檐23、外侧桩24；防水层30、砂砾石过滤层31、夯填土石层32、粘土隔水层33、回填种植土层34、挡块35、浆砌片石层36。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

参照图1，本实用新型的Z形刚架半棚式明洞构造包括设置于靠山侧由仰拱段11、边墙段12和半幅拱顶段13构成的半棚式明洞衬砌结构，设置于靠谷侧由底纵梁20、人字形异型曲柱21和顶纵梁22、顶板22a构成的Z形刚架，以及设置于底纵梁20下方的外侧桩24。所述底纵梁20、顶纵梁22沿线路方向延伸，其上端与底纵梁20固结的外侧桩24沿线路方向间隔设置。所述人字形异型曲柱21沿线路方向间隔设置，其上端、下端分别与顶纵梁22、底纵梁20固结。所述顶板22a与顶纵梁22固结，其内端与半幅拱顶段13的拱顶固结。

本实用新型确定了一种介于单压式明洞和全拱式棚洞之间的结构型式，靠谷侧Z形刚架的内轮廓与靠山侧半棚式明洞衬砌结构一致，将单压式明洞外墙适当内收，以便减少圬工和有稍好的基础条件，同时作为外墙的Z形刚架柱顶有较大的尺寸，以适应纵向尺寸减小带来的结构不利。外墙Z形刚架柱底采用扩大基础方式，且在Z形刚架柱底开洞成人字形，既增大了柱底惯性矩，又减小了圬工和自重。

参照图1，所述人字形异型曲柱21由下部外侧柱21a、下部内侧曲柱21b和上部曲柱21c构成，下部外侧柱21a和下部内侧曲柱21b形成柱间开孔。上部曲柱21c的上端与顶纵梁22、顶板22a固结，下部外侧柱21a、下部内侧曲柱21b的下端分别固结于底纵梁20的外侧、内侧，人字形异型曲柱21的内轮廓与半棚式明洞衬砌结构的内轮廓形成圆顺衔接。人字形异型曲柱21的宽度可结合基础条件和底纵梁20设置情况确定，纵向厚度和间距可结合高铁车辆空气动力效应和可能落石荷载大小经过综合比较确定，柱间开孔还可作为检修通道和结构补强预留空间。

参照图1，所述顶纵梁22的外侧壁横向向外延伸形成挑檐23，挑檐23对下部结构进行保护。顶纵梁22的上壁竖向向上延伸形成挡块35，挡块35对夯填土石层32、粘土隔水层33和回填种植土层34外侧形成约束。在挡块35外侧设置水沟纵向排水。

参照图1，所述靠山侧沿线路方向间隔设置内侧桩10，内侧桩10与边墙段12固结为一体。

以某山区高速铁路为例，对基于本申请技术方案所设计的Z形刚架半棚式明洞的安全性分析如下：

拱部、顶板和仰拱厚0.8m，靠山侧边墙厚1.2m，人字形异型曲柱厚2m，纵向间距5m，底纵梁尺寸为3.6m宽×1.2m高，顶纵梁尺寸为1.5m宽×1.5m高，挡块尺寸为0.4m宽×1.0m高，挑檐高0.5m，人字形异型曲柱位置对应位置设外侧桩，桩截面尺寸为2.0m×2.0m，桩间距5m，桩长6m，按拱顶填土1.5m厚设计，计算纵向长度32m。主体结构均采用C35钢筋砼，仰拱填充和沟槽采用C20砼。对该工程采用MIDAS/GTS进行三维数值模拟分析，结构和岩土物理力学参数见表1。

表1结构和岩土的物理力学参数

根据隧道设计资料，隧道洞身所处地层均为Ⅴ级围岩，计算模拟范围为水平方向隧道外边缘到模型边界大于3倍开挖跨度，隧道底部距模型下边界距离大于3倍开挖高度。计算时围岩岩体按弹塑性材料考虑，并服从Mohr-Coulomb屈服准则，隧道支护结构按弹性材料考虑，隧道围岩、结构均采用三维四面体四节点实体单元，模型的边界条件通过限制模型四个侧面和底面法向的位移来实现，计算荷载包括地层、隧道结构自重和落石冲击荷载。落石冲击荷载通过在隧顶施加集中荷载来实现。模拟了冲击荷载为0KN和冲击荷载为1000KN、1500KN、1800KN、2500KN、5000KN时冲击角度分别为30°、45°、60°、75°时共21个工况，模拟结果发现，冲击荷载对应断面的拱顶A点、人字形异型曲柱底部B点、挡块底C点为结构内力关键控制部位，具体位置见附图1，A点、B点、C点第一主应力模拟结果见表2～4。

表2A点内力模拟结果MPa

表3B点内力模拟结果MPa

表4C点内力模拟结果MPa

从表2～4可知：

1、在冲击荷载小于1800KN时，各部位第一主应力均小于C35砼抗拉极限强度2.45MPa，Z形刚架半棚式明洞具有较强的抗落石冲击能力。

2、随着冲击荷载增加，曲柱与底纵梁连接处第一主应力增加明显小于拱顶，人字形曲柱晚于挡土块和拱顶破坏，人字形曲柱具有较强刚度和强度，配合稳定性较好的桩基托梁基础，Z形刚架半棚式明洞具有较好的安全性。

3、Z形刚架半棚式明洞在落石荷载冲击角较大时比冲击角小的抗冲击能力更强。

4、随着冲击荷载增加，挡块先于拱顶和曲柱达到抗拉极限强度，有利于养护时发现问题和及时处理。

严重偏压地形条件下，本申请技术方案与现有技术的优缺点比较见表5。

表5严重偏压地形工程方案优缺点比较

显而易见，实用新型Z形刚架半棚式明洞构造和现有技术相比较，主要具有如下几方面的优点：

1、半棚式明洞大幅减小开挖，外墙Z形刚架外观优美，配合适当造型，能与自然和谐融合，在环境保护要求较高和对景观要求较高的铁路、公路、轨道交通隧道具有较好的应用前景。

2、Z形刚架半棚式明洞既有明洞整体性好、抗落石冲击能力强和施工较方便的特点，又有棚洞结构自重较小的优点，可运用于地形一般或严重偏压地形，或配合一定防护措施运用于有落石隐患的地段。

3、随着冲击荷载增加，人字形曲柱晚于挡土块和拱顶破坏，人字形曲柱具有较强刚度和强度。配合稳定性好的基础，Z形刚架半棚式明洞是一种能较好适应严重偏压地形隧路结合带的结构型式。

以上所述只是用图解说明本实用新型Z形刚架半棚式明洞构造的一些原理，并非是要将本实用新型局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本实用新型所申请的专利范围。

Claims (4)

1.Z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：包括设置于靠山侧由仰拱段(11)、边墙段(12)和半幅拱顶段(13)构成的半棚式明洞衬砌结构，设置于靠谷侧由底纵梁(20)、人字形异型曲柱(21)和顶纵梁(22)、顶板(22a)构成的Z形刚架，以及设置于底纵梁(20)下方的外侧桩(24)；所述底纵梁(20)、顶纵梁(22)沿线路方向延伸，其上端与底纵梁(20)固结的外侧桩(24)沿线路方向间隔设置；所述人字形异型曲柱(21)沿线路方向间隔设置，其上端、下端分别与顶纵梁(22)、底纵梁(20)固结；所述顶板(22a)与顶纵梁(22)固结，其内端与半幅拱顶段(13)的拱顶固结。

2.如权利要求1所述的Z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：所述人字形异型曲柱(21)由下部外侧柱(21a)、下部内侧曲柱(21b)和上部曲柱(21c)构成，上部曲柱(21c)的上端与顶纵梁(22)、顶板(22a)固结，下部外侧柱(21a)、下部内侧曲柱(21b)的下端分别固结于底纵梁(20)的外侧、内侧，人字形异型曲柱(21)的内轮廓与半棚式明洞衬砌结构的内轮廓形成圆顺衔接。

3.如权利要求2所述的Z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：所述顶纵梁(22)的外侧壁横向向外延伸形成挑檐(23)，顶纵梁(22)的上壁竖向向上延伸形成挡块(35)。

4.如权利要求1所述的Z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：所述靠山侧沿线路方向间隔设置内侧桩(10)，内侧桩(10)与边墙段(12)固结为一体。