﻿ 柔性钢棚洞在落石冲击中的防护应用研究

# 柔性钢棚洞在落石冲击中的防护应用研究Application of Flexible Steel Shed Hole in Falling Rock Prevention

Abstract: This article takes the prevention and control of rock fall at the exit of a highway tunnel at Jiuluzhai as an example to design a flexible steel shed-tunnel. In this paper, the basic dimensions of the shed are designed to limit the fall trajectory of the falling rock and the maximum impact energy by limiting the on-site topographic and geological conditions such as roads and tunnel heights at the exit, and then the size of the flexible steel is corrected by numerical simulation. The measures were followed by verification of the existing sheds using the newly proposed energy method, and finally the plan was established. The results show that in the impact of falling stone on the flexible steel shed-tunnel, the support rope in the flexible net absorbs most of the energy, and the maximum pressure on the steel arch is about twice of the tension.

1. 引言

2. 工程概况

2.1. 地形地貌和地质情况简介

Figure 1. The situation of road tunnel exit

Figure 2. The profile of road tunnel

2.2. 柔性钢棚洞简介

Figure 3. The plane diagram of roof protection net

Figure 4. The overall schematic diagram of flexible steel shed-tunnel model

3. 边坡落石运动分析

3.1. 落石产生原因

3.2. 落石下落的运动状态分析

3.3. 落石运动模型计算

3.3.1. 模型参数

Table 1. The setting parameters of slope formation

3.3.2. 计算结果及落石冲击力分析

Figure 5. The simulation of rock fall trajectory

Figure 6. The kinetic energy variation of falling rock at horizontal position

4. 落石对柔性钢棚洞冲击数值模拟

4.1. 落石对柔性钢棚洞冲击受力分析

4.2. 模型建立

Link160作柔性网中环形网、支撑绳的模拟单元 [17]。采用Beam161梁单元模拟柔性棚洞的拱形钢、挂网支架及横撑。Sold164单元可模拟落石。根据已有的构件的各项基本参数(表2)，设置相应的单元参数(表3)。在柔性钢棚洞的模型中，采用非弹性非线性的Plastic Kinematic (塑形随动)材料模型 [18]。落石一般模拟成球形，同体积球型落石与片状、立方体状等落石相比，在位移、冲击力、能量方面破碎性最大 [19]。为简化模型将环形柔性网概化为同面积的正方形进行模拟(图7)。

Figure 7. The schematic diagram of simulation mode

Table 2. The model parameter table

Table 3. The model element set table

4.3. 数值模拟结果分析

4.3.1. 能量分析

Figure 8. The time-history curve of component total energy

Figure 9. The time-history curve of each component energy

4.3.2. 构件变形分析

4.3.3. 构件轴力分析

Figure 10. The diagram of maximum displacement of ring network

Figure 11. The diagram of maximum displacement of support rope

Figure 12. The diagram of maximum displacement of steel arch

Figure 13. The time-history curve of axial force of ring network element

Figure 14. The time-history curve of axial force of support rope

Figure 15. The time-history curve of axial force of steel arch shelf

4.4. 数值模拟对结构尺寸修正

Table 4. The minimum section area of each member

5. 基于能量法对柔性钢棚洞的验证

5.1. 理论假设

5.2. 理论验算

6. 结语

[1] 姚万森, 尤梦洁, 曹志平, 刘博韬, 刘飞, 刘春雨. 柔性防护网在山体崩塌治理工程中的选型及应用[J]. 市政技术, 2015, 33(1): 162-166+176.

[2] 刘成清, 陈林雅, 陈驰, 李俊君, 赵世春. 柔性钢棚洞结构在落石灾害防治中的应用研究[J]. 西南交通大学学报, 2015, 50(1): 110-117.

[3] 阳友奎. 用于隔离防护飞石或落石的柔性棚洞[P]. CN201538945U, 2010-08-04.

[4] 汪敏, 石少卿, 阳友奎. 新型柔性棚洞在落石冲击作用下的试验研究[J]. 土木工程学报, 2013, 46(9): 131-138.

[5] 罗章波. 小平地隧道进口危岩落石分析及整治设计[J]. 隧道建设, 2013, 33(9): 768-773.

[6] 刘成清, 倪向勇, 杨万理, 李福海, 赵世春. 基于能量法的被动柔性棚洞防护结构设计理论[J]. 工程学, 2016, 33(11): 95-104.

[7] 漆小军. 公路防落石钢架棚洞结构设计和静动力分析研究[D]: [硕士学位论文]. 成都: 西南交通大学, 2012.

[8] 崔廉明, 石少卿, 汪敏, 罗伟铭. 落石冲击作用下环形网耗能性能数值分析[J]. 后勤工程学院学报, 2014, 30(3): 13-17 + 40.

[9] 刘成清, 陈林雅, 陈驰, 韦韬. 落石冲击作用下被动柔性防护网整体结构试验[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2014, 25(4): 37-44.

[10] 章照宏. 斜坡落石灾害及其SNS柔性防护[J]. 湖南交通科技, 2006(1): 65-69.

[11] 王坛华, 陈剑平, 安鹏程. 边坡滚石灾害的作用机理与防治对策[J]. 世界地质, 2008(1): 68-72 + 88.

[12] 叶四桥. 隧道洞口段落石灾害研究与防治[D]: [博士学位论文]. 成都: 西南交通大学, 2008.

[13] 宁超. 高陡边坡山岭隧道洞口危岩落石灾害风险评估研究[D]: [硕士学位论文]. 成都: 西南交通大学, 2016.

[14] 曾舜. RocFall软件在危岩崩塌处治设计中的应用[J]. 中国水运(下半月刊), 2011, 11(1): 211-212.

[15] 陈世刚. 铁路隧道进出口段落石冲击力计算分析[J]. 铁道工程学报, 2012, 29(5): 35-39.

[16] 叶四桥, 陈洪凯, 唐红梅. 落石冲击力计算方法的比较研究[J]. 水文地质工程地质, 2010, 37(2): 59-64.

[17] 边小华, 孙建虎, 汪敏, 成培江, 黄俊伟. 环形网受落石冲击作用的数值分析[J]. 后勤工程学院学报, 2012, 28(5): 5-9.

[18] 刘成清. ANSYS/LS-DYNA工程结构抗震、抗撞击与抗连续倒塌分析[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.

[19] 宋男男, 王林峰, 宋小波, 闻锋. 落石冲击作用下柔性被动防护系统结构的动力响应分析[J]. 安阳工学院学报, 2017, 16(6): 92-95+102.

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