1.一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤(1):明确能量耗散比例关系
根据能量匹配原理,明确隧道洞口落石灾害立体防护设计方法各个结构的能量耗散比例关系,即:Ek=E1+E2+E3+E4
E1=γ1Ek、E2=γ2Ek、E3=γ3Ek、E4=γ4Ek
γ1+γ2+γ3+γ4=1
上式中,Ek是设计防护对应的总能量,根据立体防护工程前期的勘察评估结果确定;E1是隧道洞口上方帘式防护网(3)总耗能能力;E2是分导网(4)总耗能能力;E3是隧道洞口两侧帘式防护网(6)总耗能能力;E4是隧道洞口直接相连柔性棚洞(5)总耗能能力,γ1、γ2、γ3、γ4是各结构的耗散比例系数;
步骤(2):确定隧道洞口上方第一帘式防护网(3)宽度、跨距、纵向初始位置根据步骤(1)中第一帘式防护网(3)总耗能能力E1、隧道洞口上方的山体坡度、隧道洞口大小和线路运行状况,确定隧道洞口上方第一帘式防护网(3)的宽度和跨距;根据山体的岩石特征和风化程度确定隧道洞口上方第一帘式防护网(3)纵向初始位置;
步骤(3):确定分导网(4)宽度、长度、与洞口相对位置关系、横坡、纵坡位置、角度根据步骤(1)中分导网(4)总耗能能力E2、隧道洞口大小确定分导网(4)的宽度和长度,根据隧道洞口上方的山体坡度、隧道洞口防护对象、步骤(2)中隧道洞口上方第一帘式防护网(3)特征确定分导网(4)的与洞口相对位置关系、横坡、纵坡位置、角度;
步骤(4):确定隧道洞口两侧第二帘式防护网(6)宽度、跨距
根据步骤(1)中第二帘式防护网(6)总耗能能力E3、步骤(3)中确定的分导网(4)特征、线路状况、隧道洞口两侧的防护对象确定防护网宽度、跨距;
步骤(5):确定隧道洞口柔性棚洞(5)的长度、高度
根据步骤(1)中棚洞(5)总耗能能力E4,确定柔性棚洞的构件规格,根据步骤(3)设计的分导网(4)特征、隧道洞口山体坡度、隧道洞口两侧防护对象确定柔性棚洞(5)长度,根据隧道洞口高度和车辆通行要求确定柔性棚洞(5)的高度;
其中:第一帘式防护网(3)设置在隧道洞口(1)上方坡面有危岩落石特征和风化严重区域,用于收集、限制落石(2)的轨迹和减速;
分导网(4)设置在帘式防护网(3)与隧道洞口(1)之间;
柔性棚洞(5)设置在隧道洞口(1)顶部,用于保护既有结构和线路运营安全;
第二帘式防护网(6)设置在隧道洞口(1)两侧,用于限制落石(2)轨迹和收集落石(2)。
2.根据权利要求1所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法,其特征在于:所述步骤(1)中能量匹配原理是指,根据数值仿真和理论分析结果得到的立体防护设计方法中各结构的合理耗能分配比例,并根据该比例进行各结构初步选配设计原理。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法,其特征在于:分导网(4)布置在隧道洞口正上方,分导网(4)的角度设计保证大部分落石不会沿分导网(4)直接落在线路运行范围内;分导网(4)纵坡位置沿隧道洞口中线布置,横坡位置依据分导网(4)宽度和山体特征确定。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法,其特征在于:分导网(4)的初始位置应紧邻或者包含在隧道洞口上方第一帘式防护网(3)的尾部;隧道洞口两侧的第二帘式防护网(6)的纵向初始位置应紧连分导网(4)贴地尾部。
5.根据权利要求4所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法,其特征在于:隧道洞口上方第一帘式防护网(3)尾部与地面留有间隙,使得落石能够通过;分导网(4)呈燕尾状,分导网(4)的前部和尾部贴地锚固并且分导网(4)的前部紧邻或延伸至隧道洞口上方第一帘式防护网(3)尾部内;隧道洞口两侧的第二帘式防护网(6)张口段紧邻分导网(4)的贴地尾部,所述张口段拉锚绳锚固点可通过分导网(4)的网孔锚固在分导网(4)覆盖的范围内。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法,其特征在于:所述步骤(5)中柔性棚洞(5)的长度和高度设计,长度应考虑分导网(4)尾部遗漏的落石、隧道洞口山体坡度和线路的运行安全因素,并在隧道内部延伸一段;高度应考虑隧道洞口高度和线路通行的要求以及柔性棚洞(5)的比例关系。
7.根据权利要求1-6之一所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法,其特征在于,在所述步骤(2)中,还包括:对山体进行三维扫描,确定危岩位置及初步的运动轨迹,根据落石(2)的运动轨迹,确定隧道洞口(1)上方第一帘式防护网(3)宽度、跨距、纵向初始位置。
8.根据权利要求2所述的一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法,其特征在于,所述数值仿真包括:根据冲击落石群的冲击速度建立冲击的数值模型进行冲击加载,冲击加载位置为帘式网模型的中心位置,落石方向为沿坡向。