一种隧道口危岩落石多级防护方法及其结构体与流程

本发明涉及工程施工领域及隧道口危岩落石防治工程领域，具体是一种隧道口危岩落石多级防护方法及其结构体。

背景技术：

随着西部大开发战略计划的不断推进，西部地区的交通事业蓬勃发展。我国西部地区是山岭重丘地区，地势险峻、山地分布密集，近年来滚石灾害频发不断，在宜万铁路、沪蓉西高速公路、西气东输等大型工程项目进行的同时，人类工程活动诱发落石灾害事件屡屡发生，“5·12”地震期间落石对交通要塞的影响数不胜数，2003年—2005年成昆铁路病害治理阶段，在十一项危岩落石病害整治中，有五项是在隧道口。所以，在此地区修建交通线路，隧道会是建设中的关键工程，在尽量不破环地质生态环境的前提下要维持隧道线路的安全运营，隧道洞口段危岩落石对线路的安全威胁是必须要解决的问题。隧道口危岩落石的防护措施应该具备以下功能：①降低对原始地貌的破坏；②施工便捷；经济性显著；④防护效果突出，安全性及耐久性高；⑤后期维养更换便捷；⑥保护自然生态环境，达到人类发展与自然环境的和谐统一。

目前针对危岩落石的防护主要有以下几种方法：

第一，刷坡。刷坡是指利用人工或机械对道路、大型基坑等边坡的倾斜表面进行平整处理的方法，该方法操作简单且具有一定的美观效果，但大量的刷坡会破坏原有的生态环境，环保性较差，并可能引发更严重的次生灾害，安全性较低。

第二，主/被动网，主动防护网是指钢丝绳柔性网覆盖包裹在所需防护危岩落石上起到加固作用，以限制危岩落石灾害发生的方法，被动防护网是立起的一面围网，钢柱和钢丝绳网连接组合构成一个整体，对所防护的区域形成面防护，从而阻止危岩落石的下坠，起到防护作用。

如中国专利cn106284385a公开了一种“耗能防护网”，它包括底座、立柱、耗能装置、支撑杆和钢丝防护网。底座上方固定连接耗能装置、耗能装置顶部固定连接支撑杆，支撑杆端部和立柱固定连接，立柱之间设有钢丝防护网，该技术方法能够将危岩落石拦截在防护网的一侧，但滚石易在防护网一侧堆积，造成二次灾害。

主/被动网施工工程量小，对危岩落石的防护具有一定效果。但在大规模、高频率滚石灾害方面主/被动网的防治效果极其有限，应用局限性较大。并且一旦防护失效，防护网一侧堆积的滚石易引发更严重的累积危害，安全性及耐久性较低。

第三，棚洞，棚洞是基于刷坡和主/被动网的技术缺陷发展起来的一种高效滚石灾害防治工程技术，并且在山区隧道口危岩落石防治方面的应用已初具规模，其主要防护方法有刚性和柔性。刚性防护方法是以刚性结构作为棚洞的防护结构和支承结构，通过拦截作用避免危岩落石滚落地面影响行车安全达到防护效果，柔性防护方法是以刚性结构作为棚洞的骨架，通过大量应用特殊耗能材料吸收消耗危岩落石的冲击能量，以保护其主体结构的完整性达到防护危岩落石的效果。

如中国专利cn204572001u公开了一种“用于山岭隧道洞口的防护结构”，它包括防护墙、棚洞和支承结构，防护墙设在隧道洞口的外侧且具有高于隧道洞口最高处的防护端，防护墙与隧道相对侧设有棚洞，棚洞上设有连接桥梁桥墩的支承结构，该技术方法通过防护墙最高处的防护端拦截危岩落石(即刚性防护方法)起到防护作用，避免棚洞直接受到落石的冲击破坏。但在遭受落石冲击后结构顶部残留碎石，易造成结构上覆荷载较大，安全性较低，且所使用的结构本体刚度大，一旦破坏，整体失效，无法维修，耐久性差，后期清除落石难度也较大。

又如中国专利cn105603893a公开了一种“隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体及其设计方法”，它包括多个人字形防治结构单体、支撑结构和坡面耗能减震锚固底座，人字形防治结构单体通过支撑结构安装于坡面耗能减震锚固底座上，防治结构单体上方覆盖有复合耗能盖板，该技术方法通过上方复合耗能盖板吸收危岩落石的冲击能(即柔性防护方法)达到防护效果，如果耗能材料一旦失效，防护效果尽失，在较大冲击力的危岩落石灾害方面防护效果几乎为零，且施工工程量大、难度较高，后期维养困难，在桥隧相接等对安装要求较高的工程中适用性较差，使用局限性较大。

刚性防护方法结构本体刚性大，一旦破坏，无法维修，耐久性较差，结构更换工程量大，周期长，后期维养难度大。柔性防护方法所使用的特殊耗能材料造价较高，经济性差，耐久性及安全性较低，施工工程量大，后期维养困难，使用局限性较大。

所以，研究一种新型危岩落石防护方法是交通建设领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种“刚柔并济”式危岩落石多级防护方法及其结构体。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种隧道口危岩落石多级防护方法，具体步骤如下：

步骤一，当冲击能量小的落石落下时，高强度刚性顶棚的弧面或者斜坡结构将落石导流至交通线路的两侧，依靠高强度刚性顶棚和防护装置的整体刚度即可实现防护目的；

步骤二，当冲击能量中等的落石落下时，高强度刚性顶棚整体作为承载面，将冲击能量传递给避震消能装置，同时将落石导流至交通线路两侧；

步骤三，当冲击能量大的落石落下时，高强度刚性顶棚整体作为承载面发生轻度塑性变形，并且将能量传递给避震消能装置，避震消能装置具有较大压缩变形量，使得高强度刚性顶棚随之产生一定角度，从而主动避让落石冲击，冲击能量释放后避震消能装置和高强度刚性顶棚自动复位。

所述隧道口危岩落石多级防护方法的防护结构体，包括高强度刚性顶棚、避震消能装置、支撑结构和永久性锚固底座，所述永久性锚固底座位于最下方，永久性锚固底座与支撑结构的下部与固定连接，支撑结构的上部设置多个避震消能装置，多个避震消能装置安装在高强度刚性顶棚和支撑结构之间，避震消能装置间隔的排列在高强度刚性顶棚两侧的下端，高强度刚性顶棚、避震消能装置和支撑结构均通过永久性锚固底座固定在安装点上。

作为本发明进一步的方案：高强度刚性顶棚采用弧面或者斜坡结构。

作为本发明进一步的方案：避震消能装置采用粘滞性避震消能装置、粘弹性避震消能装置或者弹塑性避震消能装置的一种。

作为本发明进一步的方案：高强度刚性顶棚的层数为一层以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方法颠覆传统的“拦截”式设计理念，以“避让”、“消能”和“引导”协同作用的方式，避免了由于落石堆积引起的病害积累，造成的安全隐患；本方法采用多级防护，可以根据具体设防荷载等级选择相应的多级防护结构体性能应用，具有明显的灵活性、适用性和经济性，避免了性能过剩造成的成本增加；本方法采用的若干避震消能装置具有较好的压缩恢复性能，可重复多次使用，大大减少了采用刚性防护或柔性防护造成的养护、维修、更换费用，发生地震时，若干避震消能装置亦可通过耗散地震力，保护多级防护结构体的结构完整性，使其继续提供防护作用，确保对灾区的抢险和救灾物质运输；本方法避免了采用刷坡引起的环境破坏，环保性能突出，实现了人类活动与自然环境和谐共融的目的。

附图说明

图1为隧道口危岩落石多级防护方法中防护结构体的主视图。

图2为隧道口危岩落石多级防护方法中防护结构体的侧视图。

图3为隧道口危岩落石多级防护方法的结构原理图。

其中：1-高强度刚性顶棚，2-避震消能装置，3-永久性锚固底座，4-支撑结构。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-3，一种隧道口危岩落石多级防护方法，具体步骤如下：

步骤一，当冲击能量小的落石落下时，高强度刚性顶棚1的弧面或者斜坡结构将落石导流至交通线路的两侧，依靠高强度刚性顶棚1和防护装置的整体刚度即可实现防护目的；

步骤二，当冲击能量中等的落石落下时，高强度刚性顶棚1整体作为承载面，将冲击能量传递给避震消能装置2，实现缓冲耗能的目的，同时将落石导流至交通线路两侧；

步骤三，当冲击能量大的落石落下时，高强度刚性顶棚1整体作为承载面发生轻度塑性变形，并且将能量传递给避震消能装置2，进一步耗散冲击能量，避震消能装置2具有较大压缩变形量和较好的避震消能性能，使得高强度刚性顶棚1随之产生一定角度，从而主动避让落石冲击，冲击能量释放后避震消能装置2和高强度刚性顶棚1自动复位。

所述隧道口危岩落石多级防护方法的防护结构体，包括高强度刚性顶棚1、避震消能装置2、支撑结构4和永久性锚固底座3，所述永久性锚固底座3位于最下方，永久性锚固底座3与支撑结构4的下部固定连接，支撑结构4的上部设置多个避震消能装置2，多个避震消能装置2安装在高强度刚性顶棚1和支撑结构4之间，避震消能装置2间隔的排列在高强度刚性顶棚1两侧的下端，高强度刚性顶棚1采用弧面或者斜坡结构，高强度刚性顶棚1、避震消能装置2和支撑结构4均通过永久性锚固底座3固定在安装点上。

本发明的工作原理是：高强度刚性顶棚1的横断面为具有“引导”作用的弧形或斜坡结构，根据设防冲击荷载等级设计其抗冲击能量性能。避震消能装置2具有一定的压缩位移量，较好的避震消能性能，能量释放后具有较好的恢复性能。永久性锚固底座3具有更好的抗冲击性能，支撑机构4主要用于支撑上部的若干避震消能装置2和高强度刚性顶棚1，其设计支撑高度足以确保防护空间内安全。通过高强度刚性顶棚1、若干避震消能装置2和永久性锚固底座3相结合的结构实现对危岩落石的防护。避震消能装置2的设置点还可以位于永久性锚固底座3下部，即将多级防护结构整体安装于若干避震消能装置2的上部。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。