棚洞设计

棚洞设计（精选6篇）

棚洞设计 篇1

1 概述

随着国民经济的发展和社会的进步, 在山区公路规划和建设中, 环境保护日益受到重视, 在减少深挖高填、注重公路景观和环境保护方面提出了更高的要求。棚洞作为一种新型的环保型结构, 在沿河傍山公路中的应用逐渐兴起。它以其有效的防护结构, 能够更大限度保护环境, 减少对周围原生植被的破坏。然而, 棚洞不同于公路建设中的一般构造物, 它与公路隧道较为类似, 又有公路边坡防护的功能, 是通行车辆的构造物。我国棚洞在公路中的应用尚处于初期阶段, 棚洞设计尚没有可遵循的现行规范, 不可避免在设计中带来一定技术问题。本文以小草线关门山至汤沟改扩建工程棚洞设计为实例, 介绍了棚洞构造、计算及造价等设计内容, 为同类型棚洞的设计提供参考和借鉴。

2 工程概况

小草线关门山至汤沟改扩建工程为二级公路, 路线全长18.12km, 路基宽度为13.5m, 路面宽度为12m。项目地处沿河山区, 路线左侧为关门山水库, 右侧为山体, 山体陡峭, 且部分路段岩石风化、裸露破碎。考虑项目周边为旅游观光区, 为减少对路侧原生植被的破坏, 并保证运营期间的边坡稳定和行车安全, 对土夹石及高大边坡路段采用修建棚洞的整治措施, 最大限度地保护生态环境, 减少边坡刷坡范围, 实现边坡及棚洞结构的长期稳定。

3 棚洞总体设计

经对全线土夹石及高大边坡路段的现场勘察, 并根据工程地质及旧路加宽后边坡高度, 工程全线共设置7座棚洞。

4 棚洞净空断面

根据《公路隧道设计规范》 (JTG D70—2004) 和《公路工程技术标准》 (JTG B0l一2003) 二级公路的技术标准, 确定棚洞的建筑限界与内轮廓尺寸如下:

棚洞有效净宽:W=2.5 (硬路肩) ×2+3.5 (行车道) ×2=12m

棚洞有效净高:H=5.0m

棚洞净空断面:一方面主要应满足建筑限界的要求, 同时还需考虑棚洞构造及施工误差等因素, 并通过对工程造价等因素的分析、比较, 力求使结构受力均匀、经济合理。本项目棚洞选择易于施工的框架棚洞断面, 在临水库侧设置0.5m宽防撞墙, 在靠山侧设置0.5m宽排水沟, 棚洞建筑限界及内轮廓设计如图2和图3所示。

5 棚洞尺寸参数设计

棚洞结构的形式与设计参数根据所处路段的地形、地质等条件, 通过工程类比和结构计算分析综合确定。本项目采用框架式棚洞结构, 临水库侧采用直柱, 靠山侧采用挡土墙形式。此种形式结构合理, 构造简单, 受力明确, 便于设计与施工。

基础:棚洞靠山侧采用条形基础, 临水库侧根据边坡坡度及地质条件采用浅基础和桩基础2种形式, 2、3、4号棚洞外侧采用桩基础, 桩径1.4m, 其它采用独立基础, 截面尺寸 (除洞门处) 为2.2m×2.4m, 洞门基础截面尺寸为2.4m×2.4m。

桩基承台:2.5m (长) ×2.5m (宽) ×1.5m (高)

柱:临水库侧采用柱式结构, 柱间设置开口, 以达到满足白天照明、工程美观及节省造价的目的。棚洞结构的柱 (除洞门处) 采用0.8m×1m的方柱, 洞门边柱采用1m×1m的方柱。

纵梁:纵梁跨径根据棚洞长度及结构计算, 主要分为7m和7.5m两种, 纵向3或4孔一榀。纵梁截面采用1.1m (高) ×1m (宽) 的矩形梁, 每榀框架梁之间设置沉降缝。梁上侧边设置背墙, 背墙尺寸为0.3m×0.8m, 沿梁纵向通长布置。

挡土墙:靠山侧采用钢筋混凝土挡土墙形式, 墙身厚1m。

空心板:顶板采用钢筋混凝土空心板形式, 空心板高度采用0.8m, 每片中板宽度为1m, 洞口处边板采用1.5m宽。

回填土:空心板上回填45~68cm炉灰渣, 之上设置20cm粘土层。

6 棚洞计算

本项目采用框架式棚洞结构, 外侧为柱式结构, 内侧为挡土墙结构, 构造简单, 受力明确, 易于计算。

6.1 空心板

荷载主要为自重、空心板上回填土石重、截水沟及其主动土压力, 并考虑雪荷载, 采用桥梁博士3.2有限元软件进行计算。

6.2 立柱、纵梁

主要荷载为结构自重、主动土压力、空心板传递给纵梁的竖直压力及纵梁和柱混凝土的收缩徐变影响力, 附加荷载为温度影响力。纵梁采用桥梁博士3.2按立柱与纵梁刚接计算。根据计算结果, 其配筋主要受降温控制。棚洞的立柱均为小偏心受压, 其配筋由承载力控制不需验算裂缝宽度。

6.3 挡土墙、基础

棚洞内侧挡土墙设计主要包括结构的强度、滑动及倾覆稳定3个方面。

抗滑移计算式:

作用在内墙上的荷载为顶梁传来的竖直及水平压力、结构自重、墙顶设计回填土石重及其墙背主动土压力。

作用在基础上的荷载为柱底传来的轴力、剪力和弯矩以及基础顶部覆土压力。主要计算内容为抗冲切、受弯、受压及地基承载力计算。

7 棚洞附属设计

7.1 防排水

棚洞防排水应当遵循“防、排、堵、截结合, 因地制宜, 综合治理”的原则, 保证棚洞结构的正常使用和行车安全。

(1) 防水工程:棚洞结构铺装层上面铺设防水板及土工布作为柔性防水设施。

(2) 排水工程:包括棚洞背面排水工程、路缘排水工程以及洞顶截水工程。

背面排水工程:挡土墙背后回填透水性材料, 在洞门处设置纵向排水管将钢筋混凝土挡土墙背后的水排出洞外。如果墙背后有集中出水点, 应当根据出水情况和地下水系条件进行注浆封堵, 尽量不要破坏地下水系的赋存状况, 注浆时不要污染地下水系。然后在原出水点加设一道环向Φ100mm半圆形排水管将可能复出的地下水引到排水口或路基边沟内。

路缘排水工程:路面右侧设排水边沟, 将棚洞内清洗、消防水及渗水收集到边沟排到洞外。

洞顶截水工程:根据地形地势及汇水面积, 洞顶回填一定厚度粘土, 并设置防水挡块及截水沟, 将洞顶水引排至路基外侧。

7.2 防撞墙

路线左侧为关门山水库, 坡陡沟深, 为保证行车安全, 在路面外侧柱内设置防撞墙。

8 棚洞工程量及造价分析

本工程路面宽12m, 棚洞净跨径13m, 净空5m, 全线设置7处棚洞, 总长492m, 主要工程量:HPB235钢筋501081 kg, HRB235钢筋1243347kg, C30混凝土10502.7 m3, 建安费共计2654万元, 平均每延米5.39万元。

9 结语

多年来, 棚洞结构在铁路工程上应用较多, 公路由于受路宽的限制, 对于公路等级为二级以上的工程项目, 上部结构因跨径过大, 使棚洞上、下部结构截面尺寸整体增大, 大幅提高造价, 使之应用受限。本文以小草线改扩建工程 (二级公路) 为依托, 介绍其棚洞设计的相关内容, 得出以下结论:

(1) 本项目采用的棚洞形式, 具有结构合理、简单稳固、受力明确、便于设计与施工的优点, 是公路治理崩塌、落石灾害的一种有效、经济的结构形式。

(2) 本文以工程实例介绍了框架式棚洞构造、结构计算等设计内容, 为同类型棚洞的设计提供参考。

(3) 在沿河傍山公路的设计中, 棚洞、隧道和边坡防护的方案比选, 是由地质条件、结构及造价多种因素综合确定。本文针对依托项目12m路面的标准, 给出了棚洞主要工程量及造价指标, 可为以后同类型公路工程棚洞的方案论证及方案设计提供借鉴。

参考文献

[1]JTG D70—2004, 公路隧道设计规范[S].

[2]JTG B01—2003, 公路工程技术标准[S].

[3]蒋树屏.山区公路大跨异型棚洞结构[M].北京:科学出版社, 2010

[4]自国权, 李德宏.隔界河至德钦公路石就棚洞设计[C].2009年全国公路隧道学术会议论文集, 2009:289-296.

[5]冉利刚, 陈赤坤.高速铁路棚洞设计[J].铁道工程学报, 2008 (6) :61-66.

[6]JTG D30—2004, 公路路基设计规范[S].

铁路棚洞落石冲击力分析 篇2

山区铁路,山高谷深,川大流急,傍山靠崖,地质复杂。线路侧上方斜坡上,巨大的岩体因长期受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。

2 设计实例

某线,一边靠河、一边傍山,山上时有落石和溜坍,因此采用悬臂式棚洞对铁路线进行防护。防护断面见图1。

2.1 设计参数

假设有1m见方的石头从约20m的高度滚落,石头密度取2500kg/m3,重力加速度取10m/s2。

如果不计滚动中的能量损失,且假设是竖直向撞击,则石头落下撞击前的竖向速度是20m/s。

顶部填筑平均厚度2m的中等塑性黏土,土体性能参数见表1。

2.2 概念分析

石头如果不损坏棚洞顶的钢筋混凝土,棚洞顶土的厚度是2m,石头撞入到棚洞顶土体最多2m,假定此时石头速度减为零。不考虑能量损失,根据冲量定理及牛顿定理,石头在撞击棚洞顶土体一瞬间到速度减少为零时,共需时间0.2s,平均冲击力为280k N(28t)。

如果只进入土体0.4m,则撞击时间为0.04s,平均冲击力1280k N(128t)。

2.3 按照隧道设计手册计算

隧道手册的公式:

式中,T为冲击时间,s;h为填土厚度,m;γ为泊松比;ρ为密度,kg/m3;E为填土弹性模量,kg/m2。

式中,Q为落石的重量,t;V为撞击时的落石速度,m/s;g为重力加速度,m/s2。

按上述公式计算,石头在土体里反复作用时间为0.257s,冲击力的大小为194k N(19.4t),进入土体深度0.679m。

这个结果和概念分析有些矛盾。因为0.2s,理论上石头刚好击穿2m厚土体,其阻力至少有280k N(28t);而手册认为只要194k N(19.4t)的力就可以在0.7m的深度将石头完全阻挡住。有关文献[1]认为,手册计算的冲击力偏小,这里可以得到证明。

2.3 使用FLAC3D建模计算

这里,运用FLAC3D软件建模对上面的分析进行验证。模型如图2所示。

2.3.1 计算模型说明

除钢筋混凝土棚洞按弹性体计算外,滚石及填土均按摩尔-库仑模型计算。

图中蓝色区域为棚洞顶棚,钢筋混凝土结构,厚按1m计,10m宽,9.9m长;红色区域为填土,2m厚,长宽和顶棚一致;绿色区域为滚石,1m见方,按花岗岩设置。填土按照中等塑性黏土计算,材料参数见材料特性汇总表。

坐标体系见图中X、Y、Z轴及原点。在X(5.7,6.7),Y(0,10),Z(-0.01,0.01)范围内的节点Z方向约束;在X(9.89,9.91),Y(0,10),Z(0,1)范围内的节点X、Y、Z三方向均约束;参考实际情况,洞顶填土,在X、Y两个方向均水平约束设置。为使得计算方便,没有模拟立柱,在相应位置使用竖向约束代替。靠山处山体与顶棚钢筋混凝土固结。

计算中,对石头的竖向位移及运动速度、系统最大不平衡力、棚洞顶板位移、棚洞顶板悬臂根部的竖向及水平向应力均进行了监控。计算使用的材料参数见表1。

2.3.2 计算结果

结果显示,落石最大深度0.31m,约0.08s就完成了这个过程,而结构最大应力发生在0.05s时刻。再次证明,手册计算结果作用时间过长,导致冲击力偏小,对结构设计安全不利。计算结果见表2。

计算也表明,石头不是一次减速到零并达到最深的位置的。石头速度变化见图3。

石头在0.006s左右就完成了一次从20m/s下落减速再加速到11.21m/s的过程。从记录来看,减速没有到零就再次加速了。见石头位移轨迹图4。

结合两张图片,石头的位移实际是这样的:先受到土体的弹性抗力,不断下落同时不断减速;突然土体出现塑性破坏,弹性抗力消失,在重力作用下,石头继续加速,并继续下落,达到11.21m/s时,又重新减速,位移达到最大的0.31m时,下落速度降为零,石头才在土体的作用下开始反弹。

2.3.3 小结

隧道手册的计算方法非常方便、好用,能很好地结合工程实际,广大工程技术人员非常收益。如果能在手册的基础上,对计算方法进行修正,使之既满足结构安全需要又方便实际操作,是比较有意义的事情。

3 对隧道手册计算公式进行修正

用FLAC3D计算时,本文舍弃了最大不平衡力的结果,没有去查找实际最大撞击力。这是因为如下原因:

1)最大不平衡力发生的具体位置很难监控到的,并且,这个力是发生在某个点上,而撞击是作用在一个面上,撞击力是整个作用面上节点力的积分。这个真实作用面非常难以控制。同时,所谓最大不平衡力时,落石的运动速度及撞击深度也极难控制。

2)几乎在瞬间,最大不平衡力就极速减少到了一个稳定值,并很长时间不收敛。从隧道手册的计算公式来看,在撞击过程中,冲击力在土体里的经过扩散才作用在结构上,存在一个时间差;并且,结构的类型不同,对不同部位产生的效应也不同。要分析清楚每种结构的最大效应,按照通用公式几乎不可能。

因此,根据最大不平衡力来分析结构安全的可能性不大。解决问题的根本还是控制在某个时间段内的平均冲击力,使之满足结构安全需要。

本文首先计算出速度第一次降低到零、同时冲击深度达到最深时的时间段,再运用动量定理,不考虑能量的损耗,计算冲击力的大小。这个思路与隧道手册的计算办法一致,有利于修正工作的进行。

3.3.1分析思路

参考隧道手册公式中的变量,继续采用上面的FLAC3D模型,分别计算以下几种情况,冲击作用下的最大深度及相应的时间。从而得到最大深度和不同参数的相对关系。

1)其他参数不变,分别计算用砂土、橡皮、高塑性、中等塑性、低塑性黏土作为填料,厚度均为2m时的情况;

2)其他参数不变,用中等塑性黏土,分别计算填料厚度在2m时,不同速度作用下的情况;

3)其他参数不变,中等塑性黏土在20m/s作用下,分别计算填土厚度由2.5m减少到0.5m的情况。

3.3.2计算结果汇总

情况A,冲击深度和填土材料体积模量的关系,横轴为体积模量(MPa),竖轴为冲击深度(m),见图5。

结果表明,冲击深度和体积模量可以用一个负向的二次曲线来表达,冲击深度和体积模量的平方根有一定的线性关系。

情况B,冲击到最深时作用时间和初始冲击速度的关系,见表3。

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,冲击最大深度(m)和填土厚度(m)的关系,见图6。

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性关系。

3.3.3修改公式

式中,K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。

实际上数值软件可以直接算出棚洞结构最大应力,无需计算石块的冲击力。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T2明显小于T1,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T2比较匹配的,基本都更偏安全些,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,联想到列车脱轨时,如果撞击到棚洞立柱,则也将产生极大的危害。参考文献[2]的分析,建议在设置棚洞的铁路线上增设护轮轨,尤其在曲线上,这样对铁路能起到更充分的保护作用。

参考文献

[1]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(3):59-64.

[2]蒋树屏.山区公路大跨度异型棚洞结构[M].北京:科学出版社,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.

[4]TB10003—2005铁路隧道设计规范[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.

棚洞受滚石法向冲击破碎分析 篇3

滚石在我国西南山区非常活跃, 对公路沿线和人民生命财产造成重大威胁。

国外对滚石做了大量的工作。Philippe[1]选用PRM (PontiroliRouquand-Mazars) 模型作为混凝土本构, 研究了结构在滚石冲击下的棚洞板的力学响应。M.Mommessin[2]利用ANSYS研究了滚石冲击棚洞板中间工况下的混凝土的破坏失效。

何思明等[3,4]采用弹塑性接触理论和动力有限元方法研究了滚石对棚洞结构的冲击。张岳青等[5]研究了侵彻问题。

本文运用SPH和有限元耦合算法进行数值分析, 对棚洞的混凝土结构受滚石冲击破坏进行了研究, 为滚石防治设计提供理论和技术支持。

1 建模及分析

1.1 问题描述及建模

考察如图1所示的典型滚石棚洞结构。假设滚石以不同冲击速度对棚洞结构进行冲击。将滚石简化为刚性球体。。假假设设滚滚石石从某高度自由落体冲击滚石防护结构, 如图1所示。滚石接触棚洞时的冲击速度可按式 (1) 计算:

式中:V———滚石接触棚洞的冲击速度;

H———滚石自由落体高度;

g———重力加速度。

1.2 模型参数

混凝土棚洞结构参数见表1。

2 计算结果分析

2.1 不同速度棚洞受滚石冲击破坏分析

不同冲击速度下, 滚石法向冲击棚洞破坏图如图2所示 (图示为1/2模型) 。

图2a) 为初始速度为5 m/s时, 0.02 s时破坏形态;图2b) 为初始速度为15 m/s时, 0.02 s时破坏形态;图2c) 为初始速度为30 m/s时, 0.03 s时破坏形态。

结果表明:初始速度很小时, 棚洞只有轻微的损伤, 随着初始速度增长, 15 m/s时, 棚洞被贯穿, 滚石被卡在混凝土板中;当滚石初始速度继续增大到30 m/s时, 板被贯穿, 并且贯穿直径大于滚石直径, 滚石穿过板中央, 有更多的混凝土碎屑剥离板, 向下方喷出。

2.2 法向冲击压力时程分析

图3显示法向冲击力很快达到最大, 但时间并不同步, 滚石速度越大, 达到最大冲击力时间越短;滚石速度越小, 达到最大冲击力时间越长。并且速度越大, 滚石冲击持续时间越短;速度越小, 滚石冲击持续时间越长, 具体见表2。

滚石速度为5 m/s, 15 m/s, 30 m/s时, 法向冲击力分别在t=0.003 s, t=0.000 75 s, t=0.000 5 s时, 冲击力达最大值, 分别是72.7 k N, 107.7 k N以及483.4 k N。

2.3 法向冲击位移时程分析

滚石法向位移与时间的关系曲线如图4所示, 随着滚石初始速度的增加, 滚石的法向冲击深度愈来愈大, 当达到一定程度, 比如30 m/s时就已经穿透混凝土板, 形成大于滚石直径的空洞, 大量混凝土碎屑射向下方。速度为5 m/s时, 在0.003 s~0.004 s之间, 滚石发生回弹, 垫层处变形部分恢复。速度为15 m/s时最大压入量一般都发生在0.009 s, 但由于冲击时超过了混凝土板的塑性变形, 滚石嵌入到板中, 并有少量回弹, 板下很多碎屑被冲出;速度为30 m/s时, 没有最大压入量, 滚石穿过混凝土板, 之后位移不断增长。

3 结语

通过SPH与有限元耦合模拟滚石冲击棚洞结构损伤分析, 得到如下结论:

1) 随着初始速度增长, 棚洞破坏面增大, 增大到一定程度, 棚洞被侵蚀, 一部分混凝土碎屑在底部剥离, 向下方喷出, 故最后滚石被卡在混凝土板中;当滚石初始速度继续增大到一定程度, 板被贯穿, 并且贯穿直径大于滚石直径, 滚石穿过板中央, 有更多的混凝土碎屑剥离板, 向下方喷出。

2) 法向最大冲击力很快达到峰值, 峰值不同步, 滚石速度越大, 达到最大冲击力时间越短;滚石速度越小, 达到最大冲击力时间越长。并且速度越大, 滚石冲击持续时间越短;速度越小, 滚石冲击持续时间越长。

3) 随着滚石初速度的增加, 滚石的法向冲击深度是愈来愈大, 当达到一定程度, 比如30 m/s时完全穿透混凝土板。

摘要：针对有限元等连续方法计算物体受冲击破坏的大变形问题, 采用SPH和有限元耦合方法, 对棚洞受滚石冲击破碎进行了分析, 得出了滚石法向冲击棚洞结构的破碎规律, 为滚石防护结构设计提供了依据。

关键词：滚石,棚洞,SPH,有限元,耦合

参考文献

[1]P.Philippe, Y.Timsah.Finite Element modeling of concrete protection structures submitted to rock impacts.In:16th ASCE Engineering mechanics conference.Washington.2003:485-497.

[2]F.Delhomme, M.Mommessin, J.Mougin.Simulation of a block impacting a reinforced concrete slab with a finite element model and a mass-spring system[J].Engineering Structures, 2007, 29 (11) :2844-2852.

[3]何思明.滚石对防护结构的冲击压力计算[J].岩土力学, 2010, 27 (9) :175-180.

[4]何思明, 沈均, 吴永.滚石冲击荷载下棚洞结构动力响应[J].岩土力学, 2011, 32 (3) :781-788.

棚洞设计 篇4

“5·12”汶川大地震令世界震惊,地震造成了宝成铁路109隧道出口边坡垮塌,造成一列满载运行的(其中有13节满载的油罐车)货物列车在隧道内脱轨着火,入川大动脉就此中断。为尽快抢通这条灾区人民的生命线,保障救灾物资能够顺利入川,中铁一局五公司在接到抢险命令后于5月12日晚即到达抢险现场投入抢险战斗。经过全力抢修,仅用了13 d便抢通了109隧道,恢复了宝成铁路的畅通。但由于余震不断,山体仍时有落石严重威胁线路及行车安全,为尽快安全运营客车,确保入川大动脉真正做到畅通无阻,经研究决定109隧道出口采用门式钢结构棚洞进行防护,仅用时20 d即完成了主体结构施工,强有力地保障了客车的顺利开行。

2 工程概况

109隧道出口钢结构门式棚洞设计防护长度90 m,共 61榀,每榀间距1.5 m,采用单柱形式。

棚洞左侧(靠嘉陵江侧)基础根据既有棚洞尺寸定位,钢柱基础中心线与既有条形基础中心线重合,利用既有混凝土基础的长度范围90 m,采用C35钢筋混凝土浇筑至设计基础标高并预埋连接螺栓,与立柱底板进行螺栓连接。

棚洞右侧(靠山体侧)基础采用C35混凝土将既有水沟回填3.3 测量控制并预埋连接钢板,与立柱进行焊接。立柱、框架、屋面钢梁及连系梁等均采用H型钢;柱间连系梁采用热轧14a槽钢;柱间支撑采用角钢。钢棚洞设计见图1。

3 施工组织

3.1 基础施工

3.1.1 资源配置

由于施工工期异常紧张,主体完工仅有16 d时间(2008年5月28日～6月10日),而且每天仅有两个天窗点6 h施工时间,因此在资源配置上充分考虑工期因素(见表1)。

人

3.1.2 实施方案

基础施工前先将左侧既有明洞基础及右侧排水沟清理出来,用水冲洗干净后在原基础顶面(水沟底板)预埋Ф22接槎钢筋,经技术人员测量放样后立模,报监理工程师检查后安装钢筋,并预先安设左侧预埋螺栓并用钢筋进行加固、定位。

人

为确保既有线路、行车及施工人员安全,所有施工只能在天窗点内进行。加之施工场地狭小,且无满足通行条件的道路可通现场,大型机械无法施工,只能通过火车站用平板列车吊运一台小型搅拌机现场拌制混凝土,为保证在天窗点内完成当天施工任务,提前用汽车将砂石料运至徽县火车站,混凝土采用人工运输。

3.2 主体构配件施工

3.2.1 资源配置

由于时间紧、任务重,按照抢险工程组织施工,劳动力和设备配置见表2,表3。

台

3.2.2 实施方案

1)主体构配件在厂内加工时必须严格按照设计图纸进行控制,确保尺寸准确;2)现场做好测量定位工作,确保各立柱纵横向间距、垂直度符合要求;保证棚洞净空大小,满足行车限界要求;3)装配棚洞左侧立柱时必须确保底板平整,螺栓连接牢固可靠,无松动;装配棚洞右侧立柱时必须在连接钢板四周采用满焊,严禁点焊,确保连接牢固可靠;4)棚洞立柱安装好后,右侧每个立柱采用锚杆锚入山体后与立柱焊接,并及时进行纵向连接;5)棚洞立柱立好后,及时安装屋面板并连接成整体,增强稳定性。

4 保证措施

4.1 加强培训

1)所有施工及作业人员必须经过培训,所有施工人员应了解施工方法、工艺程序及防护常识,考核合格后持证上岗。2)每一单项工程施工前,技术、安质部门及负责人应进行必要的交底,必须明确负责人,使每位施工人员明确自己的责任和任务。3)与行车安全有直接影响的防护、驻站联络员、施工员等未经过培训考试并未取得合格证的人员不准上岗。

4.2 技术措施

1)编制好施工组织设计或施工方案,并经建设单位、上级部门审查批准。2)详细编制书面技术交底,查明施工现场的地下电缆、水管线等隐蔽设施。3)封锁线路或慢行施工,没有审定通过的施工方案和运输方案、车站封锁手续或慢行手续、不按规定设置防护的不准开工。4)施工期间安排专人定时对施工地段的线路状态进行检查,并做好检查记录,发现危及行车病害,应立即消灭。5)施工中及时向车站运转室提报下周施工计划申请表,办理施工登记手续,及时通报列车运行情况,准确地向施工负责人传达施工命令。

4.3 安全措施

1)按照《铁路工务安全规则》规定的防护条件和防护办法进行,未设好防护严禁施工,通讯设备发生故障中断联系时严禁施工。工地防护员及驻站联络员必须选派责任心强、经过培训,并持有防护员证的职工担任。2)防护标志要位置准确、颜色清晰、字迹工整、显示正确。随时保持与驻站联络员的通信联系,掌握列车运行时分,督促施工人员及时下道,未经施工负责人同意不得撤除防护。3)按规定设置测速仪,监测和记录列车通过车次和运行速度,发现超速时,及时上报施工负责人,施工负责人及时向有关单位汇报。4)所有施工人员进入工地必须正确佩戴和使用安全设施。5)线路上施工作业必须设好防护,线路边堆放材料必须认真检查,防止侵限。6)在线路上进行设备调查、测量、检查线路等单独作业项目时,必须设专人防护。7)在区间站内正线上作业,作业人员应距离列车本线不小于800 m下道避车,在慢行条件下,可距离本线列车500 m下道避车。人员设备撤至距钢轨头外侧2 m以外。下道后面向列车尾部,防止车上的车门或坠物及绑绳伤人。8)棚洞施工过程中,选派有经验和具有行车安全知识的职工负责线路的养护、维修工作,确保线路技术标准符合规定,巡查人员要按规定备齐有关工具、材料和防护用品,每班巡查要做好记录,认真做好交接班。巡查工作必须昼夜进行,特别是在来车前后更应加强检查。

5施工效果

经过紧张奋战,通过各方协调作业,最终提前完成了钢棚洞施工任务,工程质量得到了西铁局的高度评价,为列车安全运行提高了保障,为源源不断地将大批抗震救灾物资运输到灾区,支持灾后重建发挥了巨大作用。

注释

渝湘高速1号棚洞施工技术和控制 篇5

关键词：棚洞,施工控制,施工技术

渝湘高速公路H5标段,路线受V形地形和地质条件限制,存在高大边坡。如果按一般技术进行高边坡开挖和防护,会造成刷坡范围大,并且山体、植被破坏而引起滑坡、垮塌等地质灾害,而一旦出现这种地质灾害,治理起来不仅相当困难,还要花费巨额资金,并且不易根治,这将给施工和将来的运营带来巨大的安全隐患。

棚洞结构设计注重环保理念,能减少刷坡,保护路侧原生植被;降低边坡高度,并避免高边坡长期运营隐患;其本身与环境协调性较好,自身为一景观;另外也丰富了高速公路结构形式。高发司北方建设分公司在渝湘高速公路洪酉段H5标的建设过程中,设置了一座长169.2 m的棚洞。

棚洞结构在高速公路中的应用并不多见,它是以“技术先进,造型新颖,安全适用,经济合理,节省能源,生态环保”融为一体的工程设计。主要包括边坡设计、山外侧桩基设计、斜(立)柱及曲(直)墙平板设计、施工缝结构设计、防排水设计、地面恢复回填设计、施工组织设计等,是山区高速公路环保型建设的最新技术。棚洞的应用,在重庆乃至全国高速公路建设中还是首次,真正体现了建设单位在“设计中最大限度保护,在施工过程中最小程度破坏,施工后尽最大可能恢复”的环保理念。

1 工程概况

渝湘高速公路H5标段的1号棚洞位于秀山县雅江镇小贵村右线,涉及起止里程桩号YK20+166～YK20+335.2,棚洞全长169.2 m。场区设计路面标高518.18 m～519.72 m,棚洞段设计纵坡为3.85%,里程由小到大为上坡;棚洞部分位于缓和曲线上,路线左右测设线最小间距2.0 m,其出口400 m左右接老虎山隧道进口。受平面线形的限制,棚洞按照曲墙平板直柱式结构进行设计,山体侧(面向大桩号右侧)曲墙底部设置条形扩大基础,左侧立柱下采用桩基础,立柱截面尺寸1.2 m×1.2 m,中心间距8.0 m;立柱及曲墙平板结构均采用C35钢筋混凝土结构。右侧山体边坡高度小于10 m时只设计一级边坡,按1∶0.2坡比放坡;边坡高度大于10 m时,按多级边坡防护设计,除一级边坡以外,均按照1∶0.5坡比放坡。

2 施工方案

棚洞作为一种复杂的新型、异型结构,其施工顺序较为复杂,为了保证工程质量和施工安全。我项目特制定的施工顺序如下:第一步:边坡外集水槽施作;第二步:边坡开挖及支护,边坡按纵向15 m一单元,自上而下,10 m一级,边开挖边防护,上一级边坡纵向施作45 m之后,方可进行下一级边坡的开挖和防护;第三步:棚洞扩大基础及桩基础的施工,扩大基础底部承载力特征值不小于2.0 MPa,桩基要求嵌入微风化层2.0 m以上;第四步:立柱施工,立柱为C35钢筋混凝土结构,立柱中钢筋较密,要求振捣密实;第五步:托梁施作;第六步:曲墙平板衬砌施作;第七步:棚洞防水层施作;第八步:棚洞外回填;第九步:路面及洞内边沟、电缆沟施作(见图1)。

3 施工控制关键

我们在施工过程中进行了施工控制。施工控制的目的是,通过对工程的施工控制,确保施工安全、质量和进度目标的实现。

在棚洞施工的过程中,我们主要控制如下几个方面:1)边坡工程的安全、质量和进度控制。在YK20+250～YK20+335.2段边坡中,存在边坡高度大,且有一处V形沟,岩体较破碎、易风化。2)为了保证混凝土质量,在钢筋密集的结构中,对混凝土的浇筑及振捣密实是控制的一个重点。3)曲墙的台车定位和混凝土质量也是施工控制的一个重点。曲墙平板的质量直接影响到棚洞结构的成功与否,应该引起高度重视。在施工过程中遇到一些新工艺和技术难点,都在项目部领导和员工的集体研究、讨论中得以解决,现在棚洞已经顺利完工。

1号棚洞立柱为C35钢筋混凝土结构,立柱中钢筋较密,混凝土的浇筑和振捣便是一个难题。立柱中箍筋较多,钢筋间最大孔为26 cm×33 cm,串筒安置不进去;并且6.2 m高的立柱模板安装好后,振捣也很困难。为保证工程质量,我项目部积极进行研究和讨论,对以上两个问题逐一进行了解决:1)钢筋间空间太小,串筒不好安置的问题。按照一般的规律,钢筋间孔为26 cm×33 cm,那串筒便要小于26 cm,并且在安置和浇筑结束取串筒时也很不方便。我项目改串筒为特制软管,这样一来便解决了安置和取出不方便的问题。并且我项目实验室在保证混凝土强度的前提下,积极进行混凝土配合比的调整和坍落度的控制,使混凝土在输送的过程中不至于堵管。2)从6.2 m高的模板上用振动棒对柱子混凝土进行振捣,并且柱子里钢筋较多,这样确实不太容易,而且无法保证混凝土质量。我们采用附着式振捣器进行振捣,在振捣的过程中专人观察模板、立柱中混凝土情况和振捣时间,很好的解决了立柱混凝土质量和外观的问题。

边坡开挖和防护也存在着一些难度。我标段边坡10m以下采用1∶0.2坡比,10m以上采用1∶0.5坡比。在YK 20+250～YK 20+335.2段边坡高度为46m多,边坡高,且坡度陡,并且在YK 20+250位置处有一V形沟,V形沟表层覆盖土较厚、岩石破碎,极易垮塌或滑坡。这一切给施工带来了很大的安全隐患。我们项目部经过研究决定采用跳段开挖的施工方式,即:在YK 20+250～YK 20+335.2段边坡处,先开挖20m,并及时做好防护,在这边防护的同时,跳开一段,在另一边继续开挖。然后重复这个循环。这样的好处是保证了边坡的稳定性,避免开挖较大造成滑坡等问题,而且工序正常衔接,不耽误工期。事实证明,这种方式是正确的,我们按时并且顺利的拿下了这段边坡。

曲墙平板作为一个新型的异型结构,施工过程中混凝土只有半幅浇筑。这就要求我们要全面、细致的想好一些问题和一旦出现问题的解决方法。我们在施工中在隧道衬砌经验的基础上主要考虑和解决了下面的一些问题:1)曲墙平板作为新型的结构,只有半幅混凝土的浇筑,所以我们便要注意在浇筑过程中保证模板台车的稳定性。2)曲墙平板作为平板和曲墙的结合体,在保证质量和外观又不影响施工进度的前提下,多少时间脱模也需要多做思考。针对以上问题我们做了细致的预案和准备。针对第一个问题,我们采用在棚洞立柱和模板台车的立柱中间加上横撑,横撑为了保证棚洞立柱的质量和外观不受损害采用木撑,且在立柱和木撑之间加橡胶。这样台车的稳定性就得到了很好的保证。针对第二个脱模时间的问题,我们在混凝土浇筑的过程中同时取多组试件,并且在现场进行混凝土和试件的同步养护。每天取一组试件进行强度检测,当试件达到可以拆模的强度时,对曲墙平板进行拆模。这样既保证了施工安全,又得到了最短的拆模时间。

4结语

目前,1号棚洞已顺利完工。作为重庆地区的首个棚洞工程,渝湘高速公路H 5标项目部在施工过程中严格控制质量,确保工程外观,在施工过程中最小程度破坏,施工后尽最大可能恢复,成为重庆内棚洞的精品工程,对以后的边坡处理有较大的参考和借鉴价值。

参考文献

棚洞设计 篇6

跨线桥工程建设的高速发展, 大量跨越铁路、等级公路的立交桥需要修建, 而确保施工过程中不对既有线铁路的运营产生危害, 这已成为施工企业单位关注的重要课题。龙葵路铁路跨线桥工程以哈西地区龙葵路与哈尔滨大街交叉口为起点里程至龙葵路与城乡路交叉口为设计终点范围内的桥梁工程, 桥梁跨越铁路街、哈大铁路咽喉区、车站街、既有京哈铁路上行线、七台河路、何家沟等路段。桥梁上部结构形式为主桥为1 联 (65+110+65) m预应力混凝土连续梁, 桥面宽30.5m;主桥连续梁跨越哈西客站高、普速场铁路, 挂篮悬臂浇筑施工工法自身全封闭施工工艺对未开通高速场铁路进行防护, 对普速场铁路转线后采用挂篮全封闭与钢棚洞进行防护, 减少对铁路干扰, 确保施工过程中铁路运营安全。本文通过工程实例, 针对铁路跨线桥连续梁跨既有铁路施工时采取的安全防护方案进行探讨, 以期对同类工程提供借鉴和参考。

2 施工方法

主桥一联 (65+110+65) m预应力混凝土连续梁边跨7#、8# 墩间横跨改建哈大铁路普速场线路, 与普速左线交角为100° 03′ 40″。为了保证连续梁横跨铁路施工的安全, 本次施工采用钢结构棚洞做防护, 钢管柱布置与普速场铁路线平行, 在安全线与普速场右岔线两侧路基上, 距线路中心线为3.25m。跨度布置采用1 孔18.35m过渡至19.30m。棚洞下方的接触网承力索导线、吊弦线、回流线采用绝缘护套防护措施, 防护距离为连续梁翼缘板外侧5.0m, 棚顶设置4.5‰的纵坡, 雨水从普速场右线方向流向安全线左侧, 通过设置在钢柱附近的落水管排水, 流向安全线左侧路肩以外。桩基础每侧8 根, 横桥方向柱间距均为5.0m, 共计16 根桩径 φ1.0m挖孔桩, 桩长2.25m。横梁采用4 根L=36.55m、40b工字钢, 纵梁采用19 根L=19.4-20.4m H型钢 (H300×305) , 间距为2.0m, 在纵梁两端及中间布置3 道角钢 (∠ 75×50×5mm) 作横向联接固定纵梁, 棚顶上铺设50mm厚木板, 木板四周及木板接缝处采用双肢角钢与纵梁焊接固定, 在木板顶面铺设一层0.3mm白铁皮, 跨线范围内防护棚架两端各设置一道防抛网, 防止物体掉落。为防止接触网承力索导线感应电及雷击, 各桩基础至棚洞顶部施工均需设置综合接地及防雷钢筋, 各桩基础以下接地体采用角钢打入土中, 扁钢与桩基内引出扁钢相连, 在棚洞的四角处设置四根 φ16 的圆钢与基顶扁钢、棚柱相连焊接在一起, 设置在棚洞四角与防抛网角钢焊接固定, 形成整体接地体。

3 施工工艺流程

施工放线→棚柱基础施工→棚柱基座安装→棚柱安装→棚洞横梁安装→棚洞纵梁安装→棚顶铺装→棚顶防抛网安装→综合接地及防雷安装→清理现场。

3.1 挖孔桩施工

在桩孔开挖前, 首先将桩基向外2 米范围清理干净, 以满足施工作业为主, 本次施工采用人力开挖、运输, 一次开挖作业面到位。16根桩同时开挖, 缩短有效施工工期。采用挖孔桩, 必须做好防护工作, 配备专职防护员, 确保施工人员的安全。 本次施工为人工与机械相配合, 平行作业法施工。施工前利用人力平整, 开挖作业面, 开挖成作业平台, 人工夯实;场地分布季节性冻土, 标准冻结深度为2.0m, 所设桩底高程置于冻结线以下0.25m。挖孔桩基础深度为2.25m, 桩径为1.0m, 施工地质为0.6m AB组填料、0.6m以下是改良土。已完成的挖孔未浇筑前设置井盖并设防护员实行24 小时防护, 严防行人、行车通过施工作业区时, 造成危险。

3.2 棚柱基座安装

桩基施工完毕, 在桩顶布置 φ14 两层钢筋网片, 上下两层网片间距为15cm, 在桩顶预埋 φ22 mm锚固螺栓, 每个棚柱基座钻孔预埋螺栓4 根, 桩顶预埋钢筋栓接固定基顶700×700×10mm厚的钢板, 基顶钢板与棚柱 φ530 壁厚9mm的钢管立柱钢板焊接在一起, 每侧8根棚柱, 棚柱上下钢板采用缀板焊接, 缀板直角边75×150mm厚度δ=15mm的钢板制作。

3.3 棚柱安装

棚柱利用φ530mmδ=9mm的钢管制作, 棚洞钢管柱安全线左侧柱高8.403m、普速场右线右侧柱高8.233m, 棚顶设置4.5‰纵坡, 雨水从普速场右线方向流向安全线左侧, 通过设置在钢柱的竖管排水, 流向安全线左侧路肩以外。棚柱两端焊接上下钢板及缀板连接, 上下缀板制作为矩型, 一边钻眼, 每个缀板设计2 个钻眼, 便于吊装;棚柱之间横向联结采用160a槽钢与棚柱进行交叉连接两道, 形成剪刀撑式, 施工前首先在棚柱槽钢的位置上, 钻眼焊 φ20mm的螺栓, 以便临时连接槽钢, 使棚柱形成刚体, 增强钢管柱的刚度和稳定性。

钢管柱安装利用25T吊车及人工配合将钢管柱垂直吊起, 利用吊装环吊装, 准确对位后, 将棚柱钢板与预埋钢板焊接固定, 并且利用吊篮将吊装环解掉, 进行下一个墩柱施工, 施工方法同上。棚柱施工完毕, 利用脚手架搭设施工作业平台, 技术人员及施工人员在平台上作业, 便于操作与行走, 加快施工进度。

3.4 棚洞横、纵梁安装

横梁施工共计2 根, 横梁利用L=36.55m 40b工字钢组成, 利用100×100×10mm的钢板焊接而成, 纵梁19根, 间距2.0m, L=19.4-20.4m H型钢 (H300×305) 钢做纵梁。在横梁上准确测量纵梁的位置, 纵梁就位后, 棚柱对应上方纵梁采用22# 槽钢45 度角加强焊接固定, 布置8 道, 增加棚洞整体稳定结构。

棚洞横、纵梁安装利用2 台25T吊车, 同时施工, 横梁采用2 台吊车4 吊点吊装, 要求吊车旋转半径同步, 竖向高度高于棚柱70mm左右, 方可转向棚柱, 缓缓下降, 严禁剧烈撞击棚柱, 横梁就位后, 焊接固定, 施工方法同上。横梁施工完毕, 再进行纵梁施工, 纵梁采用2 台25t吊车从棚洞一端依次架设纵梁, 本次纵梁架设共计19 根, 纵梁架设完毕后, 在纵梁顶面采用角钢作横向联接, 采用焊接, 分别布置在纵梁两侧及跨中。

3.5 棚顶铺装

纵梁 (H型钢H300×305) 两端及中间用角钢横向联接固定后, 垂直纵梁间铺设5.0cm厚的木板, 木板顶铺设一层0.3mm厚的白铁皮, 顺水方向搭接铺设, 搭接处采用环氧树脂粘结与压条固定, 木板接头采用∠63×63×5mm角钢及四周采用∠75×50×5mm角钢压边与纵梁焊接固定, 为防止雨水及异物掉落, 影响行车安全。

利用2 台25T的吊车, 纵向施工顺序从棚洞中心向棚洞出、入口施工;横向施工顺序, 从两端向中心施工。工人在作业平台进入棚顶, 按照施工顺序进行棚板连接。

3.6 棚顶防护网安装

在棚洞顶面设置防护网, 防护网立柱主架利用∠ 75×50×5mm的角钢制作, 立柱主架间距为1.5m, 横向利用∠75×50×5mm角钢连接, 连接方式为φ16的螺栓连接或焊接, 端部采用焊接, 高度为2.0米, 防抛网采用10×10mm的钢丝网片, 螺栓、压片连接施工。棚板施工完毕, 立刻进行挂网施工, 施工方法为出、入口两端同时施工。

3.7 综合接地、防雷接地

为了防止接触网导线感应电及雷击, 根据铁路综合接地系统【2009】9301 标准图、《建筑防雷设计规范GBJ57-83》要求设置综合接地钢筋及避雷针, 利用各桩基内主筋及角钢作接地装置, 各桩基础以下接地体采用50mm×50mm×5mm的角钢, 切割长度不应小于1.5m, 角钢的一端应加工成尖头形状, 先将接地体放在桩的中心线上, 打入土中不小于1.0m, 锤击接地体正中, 不得打偏, 应与地面保持垂直, 当接地体顶端距离桩底300mm时停止打入, 采用40×4mm扁钢与角钢焊接, 引出桩顶0.3m, 为保证接地可靠性, 每侧横向采用50×5mm扁钢与桩基内引出扁钢相连, 在棚洞的四角处设置四根 φ16 的圆钢与基顶扁钢、棚柱相连焊接在一起, 焊接牢固。上面纵向焊接在棚板防护网角钢肋板上1.0m, 顺桥向利用防护网角钢形成整体防雷接地, 要求焊接牢固并双面接接焊长度不小于55mm。

3.8 棚顶排水施工

棚顶设置4.5‰纵坡, 棚顶四周采用∠ 75×50×5mm角钢与纵梁焊接固定, 棚洞顶面线路范围内设置防护网, 棚顶铺设一层0.3mm厚的白铁皮, 棚顶四周形成0.2m高的封闭措施, 雨水及冬季春融雪水通过设置在棚顶最低处的竖向落水管排水, 从普速场右线流向安全线左侧路肩以外, 落水管采用PVC管, 管径160mm, 壁厚7mm, 落水管固定方式采用管卡与钢柱联结, 为防止越冬及春融期间产生水柱掉落, 影响行车安全。

4 应用效果

通过在现场施工中采用本技术, 按时的完成了连续梁施工合拢任务。在防护棚洞上方作业保证了小物体坠落对营业线的影响, 极大的减少了事故的发生, 大大缩短了施工工期。

5 结束语

通过采用防护棚洞技术, 龙葵路主跨普速场连续梁既顺利完成了施工任务, 又确保了营业线的运营安全。该技术对既有线防护设施具有较好的指导意义, 为类似工程施工有一定的借鉴和参考作用。

参考文献

[1]《铁路营业线施工及安全管理办法》[S].

[2]《哈尔滨铁路局营业线施工安全管理实施细则》[S].

[3]《铁路运输安全保护条例》[S].

[4]《铁路工务安全规则》[S].

[5]《铁路技术管理规程》[S].