下穿隧道边坡危岩崩塌滚石运动机理及安全防护

摘要

铁路与公路隧道在西南山区的交通建设中极为常见，是交通建设的关键，由于山区地形条件的制约，隧道连续穿山施工现象较为普遍，导致道进出洞口地段常为地形险峻、岩体破碎、危岩出露的高陡边坡地段，修建明洞结构是保证交通安全的必要手段。受到岩石风化、地震、强降雨等自然因素的影响，坡顶的危岩一旦垮塌，将对隧道明洞段造成直接冲击，严重时将导致明洞结构断裂、垮塌，对公路及铁路交通运输安全造成巨大威胁。因此，充分分析边坡滚石的运动模式、运动机理与规律，了解滚石对明洞结构的冲击特性，可为明洞段滚石的防护提供有力理论借鉴，具有重要研究意义。
　　本文以西南山区铁路隧道为依托，通过理论分析、模型试验与数值计算等方法，研究滚石运动模式、运动机理及其对下方明洞结构的冲击影响，并结合工程实际进行滚石运动轨迹的模拟，为滚石防护设计提供参考依据。
　　首先，将滚石冲击洞口模式进行划分，分析不同运动模式的成因，并进行冲击能量与破坏性对比，便于根据不同滚石冲击模式进行针对性的工程防护。
　　其次，研制下穿隧道边坡危岩崩塌运动机理模型试验系统。根据不同滚石冲击运动模式建立力学模型并进行理论分析，掌握滚石运动规律;进行竖直坠落型、滑移滚动型与碰撞弹跳型冲击运动模型试验，分析明洞结构冲击速度恢复系数变化规律，研究质量与形状的变化对滚石滑移滚动运动特性的影响，并得出不同冲击模式对明洞结构的冲击破坏影响规律。
　　再次，将试验结果与工程实际结合，建立基于可拓法的滚石冲击明洞风险评价模型，并对现场六组危岩的冲击风险进行评定，为滚石防护提供参考。
　　最后，根据现场冲击风险性较高的三条轨迹剖面，建立数值分析模型，进行18种工况的滚石运动轨迹计算，分析滚石质量、崩塌位置与坡面特性对滚石冲击明洞的速度、能量与冲击高度等参数的影响;根据计算结果进行滚石被动防护网的布设位置、范围、高度与冲击能级的设计，并验算防护效果，结果表明，被动防护网的布设可有效防止滚石崩塌对明洞结构的冲击，为降低施工风险，保证交通安全提供有力保障。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 滚石崩塌机理研究现状

1．2．2 危岩滚落试验研究现状

1．2．3 滚石数值计算研究现状

1．2．4 滚石风险研究现状

1．3 论文主要研究内容与创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 创新点

第二章 危岩滚石—洞口冲击作用模式

2．1 竖直坠落型

2．1．1 冲击模式

2．1．2 冲击能量分析

2．2 滑移滚动型

2．2．1 冲击模式

2．2．2 冲击能量分析

2．3 碰撞弹跳型

2．3．1 冲击模式

2．3．2 冲击能量分析

2．4 本章小结

第三章 下穿隧道边坡危岩崩塌机理模型试验系统

3．1 依托工程概况

3．1．1 工程概况

3．1．2 地形地貌

3．1．3 不良地质及特殊岩土

3．2 试验材料的研制

3．2．1 相似定理

3．2．2 现场岩样力学参数测试

3．2．3 试验材料配制

3．2．4 明洞材料的研制

3．3 模型试验系统

3．3．1 试验外部围护结构

3．3．2 边坡试验系统

3．3．3 滚石三维定位释放系统

3．3．4 危岩材料

3．3．5 明洞结构

3．3．6 高速摄影记录系统

3．3．7 冲击监测系统

3．4 本章小结

第四章 滚石崩塌运动机理模型试验

4．1 竖直坠落式危岩滚石冲击作用机理

4．1．1 冲击机理分析

4．1．2 冲击试验方案设计

4．1．3 竖直坠落冲击试验结果

4．1．4 碰撞恢复系数变化规律

4．2 滑移滚动式危岩滚石冲击作用机理

4．2．1 冲击机理分析

4．2．2 冲击试验方案设计

4．2．3 倾斜滑移式冲击试验结果

4．3 碰撞弹跳式危岩滚石冲击作用机理

4．3．1 冲击机理分析

4．3．2 滚石冲击偏移概率统计

4．3．3 偏移冲击结果分析

4．4 滚石崩塌对明洞结构的冲击影响

4．4．1 冲击力的计算

4．4．2 冲击监测结果

4．5 本章小结

第五章 滚石崩塌冲击明洞风险评价与安全防护

5．1 基于可拓法的滚石冲击风险评价

5．1．1 可拓法基本原理

5．1．2 评价指标及风险等级的确定

5．1．3 评价指标归一化处理

5．1．4 滚石风险评价现场应用

5．2 滚石冲击轨迹数值分析

5．2．1 数值计算方法

5．2．2 边坡数据选取

5．2．3 滚石运动轨迹分析

5．2．4 滚石弹跳高度对比

5．2．5 滚石运动速度对比

5．2．6 滚石冲击能量分析

5．3 冲击防护设计与工程应用

5．3．1 防护网位置与高度设计

5．3．2 防护网拦石能级的确定

5．3．3 防护设计校验与现场应用

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

在读期间参与的科研项目

在读期间主要科研成果

在读期间获得奖励

致谢