[发明专利]隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于水利工程领域与滚石防治工程领域，涉及隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体及其设计方法。

背景技术

随着我国西部大开发战略的推进，西部山区的交通运输业蓬勃发展，对应桥隧工程比比皆是。然而，因特殊的地质地貌环境，西部山区崩塌滚石灾害严重，道路特别是隧道口路面常受到滚石冲击破坏，导致交通阻断，严重影响经济和社会的发展。

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西部山区桥隧工程连接处的边坡滚石防治中。目前可用于隧道口滚石防护的棚洞主要包括墙式棚洞、拱式棚洞、悬臂式棚洞、钢结构棚洞和柱式棚洞等，虽然不同棚洞在结构形式有变化，但终究都是通过“拦挡”来实现对路基的防护。然而，工程实践表明，这类“被动拦挡”棚洞虽然对小规模群发或低能量零散偶发块石防治效果明显，但对大规模群发、高频反复、动能高冲击力大的滚石防治效果有限。首先，面临高频群发滚石的持续冲击时，这类棚洞虽然一次性损毁少见，但整体结构会因滚石反复作用而不断损伤，其抗滚石冲击能力及结构的耐久性不断下降，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。其次，针对偶发、高强能量的大型滚石冲击时，这类传统“被动拦挡型”因“系统柔度小”而效果更不尽人意，甚至会出现“洞毁路坏”的悲剧，如汶川地震时宝成铁路109隧道洞口棚洞被崩石砸坏并引发火车起火。

另外，由于阻断了滚石下泄路径，这类棚洞顶部会不断拦截并淤停碎屑体，导致上覆荷载持续不断增大，降低了结构的安全性。实际上，为保证防止系统的可靠性，“被动拦挡型”棚洞往往设计保守，工程投入巨大，经济性差，且防治效果有限。

本质上，作为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。为此，对其“防治”应摒弃传统“拦挡”思路，而应从“疏导”角度出发，在不阻断崩塌滚石路径，不人为改变地表过程的前提下，研发隧道进出滚石防治技术。

当然，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隧道口的应用，也亟需一种新型轻质耗能、便捷高效的新型棚洞出现。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，颠覆传统棚洞“拦挡”设计观念，提供一种“轻质柔性排导”滚石棚洞结构体。新棚洞采用新的材料和结构形式，通过“排导”而非“拦挡”实现对滚石灾害的防治，整体具有柔性耗能、质轻高强、快速高效、经济环保，广泛可靠的特点，可对隧道口各种类型的滚石灾害进行有效防治。

为实现上述目的，本发明首先提供隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其技术方案如下：

隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，包括多个人字形的防治结构单体，防治结构单体沿坡面布置，相邻的防治结构单体之间通过叠瓦式套接或者无缝顺序衔接；所述的防治结构单体包括两片桁架结构顶棚，桁架结构顶棚通过支撑结构安装在坡面耗能减震锚固底座上，桁架结构顶棚上覆盖有复合耗能盖板。

桁架结构顶棚为钢管按侧面为等边三角形的正四棱锥结构在空间内沿同一平面方向内相互铰接构成的框体。

复合耗能盖板由多个正方体耗能单元组成，所述的正方体耗能单元包括高密度耗能材料外层和低密度耗能材料内层，高密度耗能材料外层的上表面、低密度耗能材料内层下表面、高密度耗能材料外层和低密度耗能材料内层之间分别有Q235钢板，正方体耗能单元四个侧边为Q235薄层围板。

支撑结构包括加筋抗弯钢套管混凝土桩和防护钢索，加筋抗弯钢套管混凝土桩包括外侧钢管和内侧钢管，内侧钢管嵌套在外侧钢管内，外侧钢管和内侧钢管之间还分布有螺纹钢筋，内侧钢管中心还有工字钢；外侧钢管和内侧钢管内填充混凝土。

所述耗能减震锚固底座包括预应力锚杆，预应力锚杆上端为钢筋混凝土承台，钢筋混凝土承台中心有凹槽，凹槽内底部有耗能减震材料，钢结构支撑桩连接装置通过螺栓安装在凹槽内。

防治结构单体由一个或数个防治结构单体组成。