ｌ工程建设与设计 ｌ Ｃｏｎ￣Ｗｕｃｔｉｏｎ＆ＤｅｓｉｇｎＦｏｒＰｒｏｊｅｃｔ 铁路棚洞落石冲击力分析 Ｒｏｃｋｆａｌｌ Ｉｍｐａｃｔ Ｆｏｒｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｈｅｄ Ｈｏｌｅ 杨功勤 （南昌铁路勘测设计院有限责任公司，南昌３３０００２） ＹＡＮＧ Ｇｏｎｇ－ｑｉｎ （ＮａｎｃｈａｎｇＲａｉｌｗａｙＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３２０００２，Ｃｈｉｎａ） 【摘 要】铁路隧道规范未对棚洞顶落石冲击力的计算提供方法，为完善设计，确保结构安全，借鉴了相关计算手册及 论文的结论，并运用数值分析的办法，对落石冲击力进行研究。 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｎｏｔｔｏｓｈｅｄｔｈｅｒｏｃｋｆａｌｌｉｍｐａｃｔｆｏｒｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｆｏｒｔｈｅｐｅｒｆｅｃｔｄｅｓｉｇｎ．ｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｙｔｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍａｎｕａｌ ｎａｄ ｈｔｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｔｈｅｗｓ，ａｎｄ ｈｔｅ ｕｓｅ ｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｒｏｅｋｆａｌｌ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ． 【关键词】棚洞；落石；冲击力 【Ｋｅｙｗｏｒｄ】Ｓｈｅｄｔｕｎｎｅｌ；ｒｏｃｋ；ｉｍｐａｃｔｆｏｒｃｅ 【中图分类号】４５８－３ 【文献标志码ＩＡ 【文章编号】１００７．９４６７（２０１３）０５．０１３０．０４ １概述 ２设计实例 山区铁路，山高谷深，川大流急，傍山靠崖，地 某线，一边靠河、一边傍山，山上时有落石和溜坍，因此采 质复杂。线路侧上方斜坡上，巨大的岩体因长期受 用悬臂式棚洞对铁路线进行防护。防护断面见图１。 风化或地震的影响突然脱离母体，在极短时间内 ／ 发生急剧向下倾倒，对既有铁路运营带来极大的 ／ ／， ／ 危害。 钢筋混凝土结构棚洞、明洞是进行防护的 较有效办法，结构具有一定的延性，能给抢修和 加固争取时间。 在铁路隧道设计规范中，规定了明、棚洞顶 覆土厚度和坡度，也设定了控制结构设计的最终 的覆土厚度，但是，对于落石的冲击作用未做说 明。铁二院主编的隧道设计手册，对落石的计算 提供了一种方法，但似乎与实际情况有较大差 别，某些论文对此进行了阐述。为使结构检算全 面完整，需要能找到一种较实用、可靠的计算办 法。 图１棚洞防护设计断面 【作者简介】杨功勤（１９７２～），男，湖北武汉入，高级工程师，从事桥 ２．１设计参数 梁隧道道路研究，（电子信箱）ｙｇｑｃｌ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。 假设有ｌｍ见方的石头从约２０ｍ的高度滚落，石头密度 １３０ 市政・交通・水利工程设计ｌ Ｍ￣ｄｃｉｐｄ・ 礤ｃ・Ｗｍｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ８・ ｅ 脑 ｎ Ｉ 表３冲击作用时间和冲击初速度关系 能量守恒定理，反算出冲击时间，及冲击力。表４可以看到，这 时的冲击时间 明显小于 ，也小于结构应力最大时的时 间，从概念上应该是偏于安全的。 修正公式计算出的冲击时间是和 比较匹配的，基本都 ０。 ５ ¨ 州 初始速度ｍ／ｓ ２０ １５ １０ ２ 最深时时间／ｓ ０．０８１５６ ０．０８２３７ ０．０８０９２ ０．０７６９１ ０．０７８８３ 结果显示，冲击到最深时的时间和初始冲击速度几乎没 有关联，这点和隧道手册计算时间的公式是一致的。 情况Ｃ，冲击 探瑶乏（ｍ）和填土厚度（ｍ）的关系，见图６。 更偏安全些，得到的冲击力也适度偏大，对结构检算是偏安全 的。 本修正公式的结果参考了文献［１］的一些观点，从表４可 以看出，冲击力是原隧道手册计算值的１０￣２０倍。 ＼ ４结论和建议 １）按照隧道手册的公式计算，其结果的确偏于不安全。冲 一０＿３５ 击初始速度相同的情况下，冲击作用时间和填土的体积模量 及填土的厚度有关；同样土质的情况下，冲击作用时间和冲击 初始速度关系不大。 ２）表四的结果也指出，黏土作为填土缓冲的效果要明显 好于其他材料，结构顶填土应尽量采用黏性土，这个特点和铁 路隧道设计规范要求的完全吻合。个人建议，如果不能全部填 充黏土，顶部黏土厚度至少不少于０．５ｍ。 ３）随着科学手段的发展，应该尽可能采用数值分析软件 来直接计算结构的抗冲击能力。在大量分析计算的基础上，也 图６冲击深度和填土厚度关系 结果显示，冲击深度与填土厚度为二次曲线关系，和填土 厚度的平方根有一定的线 关系。 ３．３．３修改公式 ｒ＝－２ｇｘ／￣－｜ Ｋ 式中， 为填土的体积模量，Ｐａ；其他参数与上面公式相同。 冲击力的公式不变。 分别按修改后的公式、隧道手册公式、使用ＦＬＡＣ３Ｄ软 件计算后修正计算后的结果见表４。 表４三种计算对照表 修改公式后隧道手册公式 Ｓ ｋＮ可以改进已有的简化计算公式，做到既安全也不浪费材料。 ４）由落石冲击对棚洞会产生很大的影响，联想 ＦＬＡＣ３Ｄ计算 到列车脱轨时，如果撞击到棚洞立柱，则也将产生 时 ｓ 砂土冲击力／ｋＮ 力／ 间篇 ，ｓ 劬 汤渡ｌ／ｍ时间 一……………ＴｙＳ极大的危害。参教献［一～… ～…………２】的 建议在设置棚洞 … ｎ０３７２ ０．０§２８ １ ０．００３３ １４９５０．７ ０．０５５３ ９０４．８ ０．０１９１ ｌ３４４８．７９６１．８ ２Ｏ４６．７ ｌ６２２．８ １８１０．９ ０．００３７ 的铁路线上增设护轮轨，尤其在曲线上，这样对铁 ０．００６３ 橡皮０．００４２ １１７８５．１ ０．２８８０ １７３３．４ ０．０１６６ 高塑性黏土０．０１３０ ３８５７．６ ０．１３３２ ３７５．５ ０．０５７３ 中等 Ｉ黏土０．０２００ ２５００．０ ０．２５７３ １９４．３ ０．０８１６ 低塑性黏土０．０１９０ ２６３５．２ ０．２９３７ １７０．３ ０．０８４３ ２４４３ Ｏ．３ｏ８１ ０． ６１ ０．０２４４ 路能起到更充分的保护作用。 ０・∞ｏ８ ０．０２７６ 【参考文献】 ‘ 。 ＇＾啊 【ｌ】叶四桥，陈洪凯，唐红梅．落石冲击力计算方法的比较研 实际上数值软件可以直接算出棚洞结构最大应力，无需 究【Ｊ］．水文地质工程地质，２０１０（３）：５９—６４． 计算石块的冲击力。但是，为了对手册公式进行修正，提取了当 石头冲击到最深时的深度和对应的时间。 前面也阐述过，因为这个时间不是一次冲击的结果，实际 【２】蒋树屏．山区公路大跨度异型棚洞结构【Ｍ］．北京：利学出版社，２０１０． 【３】铁道部第二设计院．铁路工程技术设计手册《隧道》［Ｋ】．北京：人民 铁道出版社，１９７８． 包括了减速再加速又减速到零这么一个过程；同时包括了能 【４］ＴＢ１０００３－－２００５铁路隧道谢寸期晚【ｓ】． 【５】何思明，沈均，吴永．岩土力学，滚石冲击荷载下棚洞结构动力响应 【Ｊ］．２０１１（３）：７８１—７８８． 量的部分损失，按这个冲击时间计算冲击力可能还不够安全。 也不应采用结构应力最大时的时间作为冲击时间，因为 有个延时传递过程，这个时间应该比实际冲击力作用时间长， 对冲击力的计算也不够安全。 为此，按照最深的深度值，不考虑能量损失，按照动量及 【５】马永朝．电气化铁路既有线明棚洞设计与施工［Ｍ】．北京：中国铁道 出版社，１９９３． 【收稿日期］２０１２．１２．２６ １３３
