Z形刚架半棚式明洞构造
【技术领域】
[0001] 本发明涉及土木工程，特别涉及一种能适应严重偏压地形隧路结合带防护危岩落 石的需要，并有效减少对线路沿途景观和植被破坏的Z形刚架半棚式明洞构造。
【背景技术】
[0002] 由于历史经济发展水平和技术条件限制，许多既有铁路傍山修建，存在大量高边 坡，加之长时间风化剥蚀和结构劣化，造成大量危岩、落石、边坡塌方、甚至泥石流等灾害， 严重影响既有线运营安全和损害经济发展，同时也带来大量的既有线改造工程，大幅增加 铁路养护成本。随着高速铁路的高速发展和沿江铁路的大量规划，傍山铁路的数量将会大 量增加，路基高边坡的也会大量出现，危岩落石严重危及高速运行列车的安全，产生更具破 坏性的后果。加之目前工程环保要求逐渐提高，且工程美学和大自然和谐发展也成为了时 代新的发展要求，因此严重偏压地形隧路结合带的工程方案研宄成为了一个新的热点。
[0003] 目前，在严重偏压地形地段为防止落石威胁，常采用的工程措施包括路基工程、明 洞、棚洞或者异型环保式棚洞。
[0004] 以某山区高速铁路为例，由于地形、地质、线路条件限制和设站支持地方经济发展 的需要，长距离傍山修建，该段横坡陡峭，地形严重偏压，基岩为泥岩夹砂岩，线路上方有危 岩落石，临谷侧有3?5m 土层覆盖。
[0005] 若采用路基工程方案，靠山侧刷坡高达59m，刷坡远达73m，靠谷侧需设置重力式 挡墙或粧板墙支护，严重破坏沿线植被和景观，路基开挖土石方量很大，且路基支挡工程量 大，且上方落石存在严重安全隐患，威胁列车运营安全，且养护费用高。
[0006] 若采用明洞方案，则可大幅减小开挖土石方量，结合坡面危岩清除、加固和挂网拦 截等措施，相比路基工程方案，可大幅提高列车运营安全，但单压式明洞临谷侧基础宽度 大，厚边墙下需设置强的基础以保证体系稳定，且结构自重大，投资高，与沿途自然景观结 合较差。
[0007] 棚洞方案可与路基方案相结合，靠山侧采用粧墙永久防护，靠谷侧可采用刚架式 或墙式，并结合粧基托梁方式将外墙荷载传递到基岩，刚架式棚洞结构自重较小，由于施工 方便、对既有线干扰小，在既有线改造中大量采用，但结构刚度小，受力特性差，能承受落石 荷载小；墙式棚洞外墙自重大，会大幅增加外墙下部基础的投资，且能承受落石荷载也小。
[0008] 异型环保式棚洞是近年来公路隧道采用较多的一种结构型式，其具有大幅减少开 挖土石方，并可与沿线景观相结合，但是其结构异型，结构受力特性差，不美观，可填土厚度 小，能承受落石荷载小，结构安全性差，且施工不方便，在铁路隧道鲜有采用。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是提供一种Z形刚架半棚式明洞构造，以适应严重偏 压地形隧路结合带防护危岩落石的需要，有效减少对线路沿途景观和植被破坏。
[0010] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0011] 本发明的Z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：包括设置于靠山侧由仰拱段、边墙 段和半幅拱顶段构成的半棚式明洞衬砌结构，设置于靠谷侧由底纵梁、人字形异型曲柱和 顶纵梁、顶板构成的Z形刚架，以及设置于底纵梁下方的外侧粧；所述底纵梁、顶纵梁沿线 路方向延伸，其上端与底纵梁固结的外侧粧沿线路方向间隔设置；所述人字形异型曲柱沿 线路方向间隔设置，其上端、下端分别与顶纵梁、底纵梁固结；所述顶板与顶纵梁固结，其内 端与半幅拱顶段的拱顶固结。
[0012] 本发明的有益效果是，Z形刚架半棚式明洞具有开挖小，能承受落石荷载较大，受 力特性较好；结构美观，对沿途景观和植被破坏小，可与自然相协调；可利用模板台车配合 普通模板施工等优点，
【附图说明】
[0013] 本说明书包括如下一幅附图：
[0014] 图1是本发明Z形刚架半棚式明洞构造的断面图。
[0015] 图中示出构件和对应的标记：内侧粧10、仰拱段11、边墙段12、拱顶段13 ;底纵梁 20、人字形异型曲柱21、下部外侧柱21a、下部内侧曲柱21b、上部曲柱21c、顶纵梁22、顶板 22a、挑檐23、外侧粧24 ;防水层30、砂砾石过滤层31、夯填土石层32、粘土隔水层33、回填 种植土层34、挡块35、衆砌片石层36。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0017] 参照图1，本发明的Z形刚架半棚式明洞构造包括设置于靠山侧由仰拱段11、边墙 段12和半幅拱顶段13构成的半棚式明洞衬砌结构，设置于靠谷侧由底纵梁20、人字形异 型曲柱21和顶纵梁22、顶板22a构成的Z形刚架，以及设置于底纵梁20下方的外侧粧24。 所述底纵梁20、顶纵梁22沿线路方向延伸，其上端与底纵梁20固结的外侧粧24沿线路方 向间隔设置。所述人字形异型曲柱21沿线路方向间隔设置，其上端、下端分别与顶纵梁22、 底纵梁20固结。所述顶板22a与顶纵梁22固结，其内端与半幅拱顶段13的拱顶固结。
[0018] 本发明确定了一种介于单压式明洞和全拱式棚洞之间的结构型式，靠谷侧Z形刚 架的内轮廓与靠山侧半棚式明洞衬砌结构一致，将单压式明洞外墙适当内收，以便减少圬 工和有稍好的基础条件，同时作为外墙的Z形刚架柱顶有较大的尺寸，以适应纵向尺寸减 小带来的结构不利。外墙Z形刚架柱底采用扩大基础方式，且在Z形刚架柱底开洞成人字 形，既增大了柱底惯性矩，又减小了圬工和自重。
[0019] 参照图1，所述人字形异型曲柱21由下部外侧柱21a、下部内侧曲柱21b和上部 曲柱21c构成，下部外侧柱21a和下部内侧曲柱21b形成柱间开孔。上部曲柱21c的上端 与顶纵梁22、顶板22a固结，下部外侧柱21a、下部内侧曲柱21b的下端分别固结于底纵梁 20的外侧、内侧，人字形异型曲柱21的内轮廓与半棚式明洞衬砌结构的内轮廓形成圆顺衔 接。人字形异型曲柱21的宽度可结合基础条件和底纵梁20设置情况确定，纵向厚度和间 距可结合高铁车辆空气动力效应和可能落石荷载大小经过综合比较确定，柱间开孔还可作 为检修通道和结构补强预留空间。
[0020] 参照图1，所述顶纵梁22的外侧壁横向向外延伸形成挑檐23,挑檐23对下部结构 进行保护。顶纵梁22的上壁竖向向上延伸形成挡块35,挡块35对夯填土石层32、粘土隔 水层33和回填种植土层34外侧形成约束。在挡块35外侧设置水沟纵向排水。
[0021] 参照图1，所述靠山侧沿线路方向间隔设置内侧粧10,内侧粧10与边墙段12固结 为一体。
[0022] 以某山区高速铁路为例，对基于本申请技术方案所设计的Z形刚架半棚式明洞的 安全性分析如下：
[0023] 拱部、顶板和仰拱厚0. 8m，靠山侧边墙厚1. 2m，人字形异型曲柱厚2m，纵向间 距5m，底纵梁尺寸为3. 6m宽XL 2m高，顶纵梁尺寸为1.5m宽XI. 5m高，挡块尺寸为 0. 4m宽X 1. 0m高，挑檐高0. 5m，人字形异型曲柱位置对应位置设外侧粧，粧截面尺寸为 2. OmX 2. Om，粧间距5m，粧长6m，按拱顶填土 1. 5m厚设计，计算纵向长度32m。主体结构均 采用C35钢筋砼，仰拱填充和沟槽采用C20砼。对该工程采用MIDAS/GTS进行三维数值模 拟分析，结构和岩土物理力学参数见表1。
[0024] 表1结构和岩土的物理力学参数
[0025]
【主权项】
1. z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：包括设置于靠山侧由仰拱段（11)、边墙段（12) 和半幅拱顶段（13)构成的半棚式明洞衬砌结构，设置于靠谷侧由底纵梁（20)、人字形异型 曲柱（21)和顶纵梁（22)、顶板（22a)构成的Z形刚架，以及设置于底纵梁（20)下方的外侧 粧（24);所述底纵梁（20)、顶纵梁（22)沿线路方向延伸，其上端与底纵梁（20)固结的外侧 粧（24)沿线路方向间隔设置；所述人字形异型曲柱（21)沿线路方向间隔设置，其上端、下 端分别与顶纵梁（22)、底纵梁（20)固结；所述顶板（22a)与顶纵梁（22)固结，其内端与半 幅拱顶段（13)的拱顶固结。
2. 如权利要求1所述的Z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：所述人字形异型曲柱 (21)由下部外侧柱（21a)、下部内侧曲柱（21b)和上部曲柱（21c)构成，上部曲柱（21c)的 上端与顶纵梁（22)、顶板（22a)固结，下部外侧柱（21a)、下部内侧曲柱（21b)的下端分别 固结于底纵梁（20)的外侧、内侧，人字形异型曲柱（21)的内轮廓与半棚式明洞衬砌结构的 内轮廓形成圆顺衔接。
3. 如权利要求2所述的Z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：所述顶纵梁（22)的外侧 壁横向向外延伸形成挑檐（23)，顶纵梁（22)的上壁竖向向上延伸形成挡块（35)。
4. 如权利要求1所述的Z形刚架半棚式明洞构造，其特征是：所述靠山侧沿线路方向 间隔设置内侧粧（10)，内侧粧（10)与边墙段（12)固结为一体。
【专利摘要】Z形刚架半棚式明洞构造，以适应严重偏压地形隧路结合带防护危岩落石的需要，有效减少对线路沿途景观和植被破坏。包括设置于靠山侧由仰拱段、边墙段和半幅拱顶段构成的半棚式明洞衬砌结构，设置于靠谷侧由底纵梁、人字形异型曲柱和顶纵梁、顶板构成的Z形刚架，以及设置于底纵梁下方的外侧桩。所述底纵梁、顶纵梁沿线路方向延伸，其上端与底纵梁固结的外侧桩沿线路方向间隔设置。所述人字形异型曲柱沿线路方向间隔设置，其上端、下端分别与顶纵梁、底纵梁固结；所述顶板与顶纵梁固结，其内端与半幅拱顶段的拱顶固结。
【IPC分类】E01F7-04
【公开号】CN104594229
【申请号】CN201510029001
【发明人】余大龙, 张涵, 杨建民, 陶伟民, 李煜川, 杨波, 王磊, 陈朗, 马婷婷
【申请人】中铁二院工程集团有限责任公司
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月21日