用于落石防护棚洞的UHPC刃角型装配式缓冲层的制作方法

本发明隧道工程建设技术领域，具体涉及一种用于落石防护棚洞的uhpc刃角型装配式缓冲层。

背景技术：

中西部艰险山区的新建铁路多穿越v型沟谷，山坡陡峭，多有危岩落石分布。根据落石运动轨迹分布规律，隧道洞口是落石风险最高的地方，一般采用棚洞结构覆盖砂土层进行防护，而该部位一旦失效后遭受落石冲击，将引发灾难性后果。

现役棚洞及缓冲层存在三个问题亟需改进。一是棚洞结构一般位于艰险山区，因地形条件艰险而难以养护到位，砂土层经常会出现板结、流失等问题引起功能减弱甚至失效。二是落石在砂土层内冲击运动时，落石的阻力范围约为投影面积的砂土层，该范围的砂土受力后会向四周快速移动，因此落石在砂土层中运动时间极短；三是砂土本身粘聚力低，经冲击变形后落石最终与棚洞顶板接触的受力面积仅为落石投影面积，受力面积未能扩散，棚洞结构的应力集中效应明显。总之，砂土层在使用维护、延缓时间、扩散应力3个方面效能较低。棚洞缓冲层的关键技术在于降低维护难度、延长冲击时间、扩散受力范围。

开发一种落石防护棚洞的新型缓冲层，使其易施工易维护并且使用使用寿命长，同时能够通过结构优化延长冲击作用时间并将落石作用荷载可以有效扩散，以实现保护棚洞结构安全的功能，可以显著提高危岩落石地区棚洞结构服役安全。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于落石防护棚洞的uhpc刃角型装配式缓冲层，有效扩散棚洞受力面积，延长落石在缓冲层中运动时间，降低棚洞落石冲击力的影响。

本发明所采用的技术方案为：

用于落石防护棚洞的uhpc刃角型装配式缓冲层，其特征在于：

所述uhpc刃角型装配式缓冲层覆盖于棚洞顶部，包括垂直于棚洞顶部设置的缓冲基层横向挡板和缓冲基层纵向隔板，缓冲基层横向挡板和缓冲基层纵向隔板组成的矩形框架上覆盖多块uhpc刃脚连板；

uhpc刃脚连板上设置有刃脚楔孔并插入uhpc刃脚，刃脚安装杆从uhpc刃脚连板端部横向插入并贯穿uhpc刃脚，横向相邻uhpc刃脚连板通过各自外露的刃脚安装杆连接。

缓冲基层横向挡板垂直于棚洞顶部纵向对称设置两道，为混凝土结构，与棚洞顶部整体浇筑。

缓冲基层纵向隔板垂直于棚洞顶部横向设置在两道缓冲基层横向挡板之间，为钢板结构，将缓冲基层横向挡板之间的空间进行纵向分隔。

缓冲基层纵向隔板横向两端对应的缓冲基层横向挡板内侧设置有插槽，缓冲基层纵向隔板插入对应插槽并固定。

缓冲基层横向挡板与缓冲基层纵向隔板内的棚洞顶部铺设有缓冲基层，缓冲基层为粗砂层。

缓冲基层横向挡板、缓冲基层纵向隔板和uhpc刃脚连板组成方舱结构覆盖于棚洞顶部，方舱结构呈弧形，与棚洞顶部形状相适应。

uhpc刃脚为uhpc预制件，为条形竖板结构，自上而下分为三部分，顶部纵剖面为上大下小的梯形，中部为矩形，底部为倒三角形，顶部设置有横向的通孔，为刃脚安装孔。

uhpc刃脚连板为uhpc预制件，为弧面板结构，其上横向两侧设置有纵向条形的刃脚楔孔，刃脚楔孔纵剖面形状与uhpc刃脚顶部相同，uhpc刃脚从上方插入刃脚楔孔，顶部卡限于刃脚楔孔内，中部和底部从uhpc刃脚连板下方伸出。

uhpc刃脚连板的刃脚楔孔与端部之间设置有横向的通孔为连板安装孔，刃脚楔孔内侧的孔壁上设置有横向的连板锚固孔。

刃脚安装杆为钢筋，从uhpc刃脚连板端部的连板安装孔横向插入，再插入并贯穿uhpc刃脚的刃脚安装孔，进而插入uhpc刃脚连板的连板锚固孔，将uhpc刃脚与uhpc刃脚连板固定；

横向相邻的uhpc刃脚连板对接并留有纵向缝隙，为外溢区，端部外露的刃脚安装杆对接并焊接固定。

本发明具有以下优点：

（1）扩散冲击范围、延缓冲击时间，缓冲效果好。

棚洞结构的破坏主要表现为落石击穿棚洞板、接触区混凝土碎裂、接触区底部混凝土裂缝超限、接触区底部钢筋外露或屈服等，究其本质原因实为接触区域局部应力过大。本发明将落实冲击棚洞现象转变为落石冲击刃脚和连板组合成的多肋板，使棚洞接触面积由落石投影面积增加至多肋板面积，对局部应力进行有效扩散，避免应力集中引起棚洞结构的破坏。

冲量一般为常数，即冲击力与冲击作用时间成反比。落石击中本发明顶部后，多肋板经刃脚开始下切运动，在巨大的外力下压时，具有一定流动性的缓冲基材至外溢区溢出，这一系列运动较原落石作用于砂土再作用于棚洞顶板的冲击时间可大幅延长，

综上，本发明通过降低局部应力和延长作用时间，达到缓冲高效的目的。

（2）施工便捷，可免维护易维修。

本发明缓冲层主要分为缓冲基层、刃脚、连板三个部分。缓冲基层为一定厚度的粗砂，取料容易、施工简单、费用节省；刃脚和连板为uhpc条形结构和开孔板结构，能够在工厂预制化浇筑生产，小型构件的uhpc结构施工极为容易，刃脚和连板运输就位后在缓冲基层顶部进行摆放，通过钢筋的穿孔和焊接即可完工，施工简便快捷。

常规的缓冲层为单一砂土层，随着时间推移容易流失变薄，需要经常进行维护保证正常使用功能。本发明的顶部为超高性能混凝土板，本身具有较好的耐久性能，覆盖于缓冲基层粗砂顶部对粗砂形成保护，避免缓冲基层的流失，一般可免于维护。如冲击损坏严重时，重新填充缓冲基层并铺设连接刃脚连板即可，可实现快速维修。

由于该缓冲层的主要部件均为工厂预制生产，更换时将部件同尺寸在工厂制造后在现场拆装即可。更换时的主要施工工艺仅为钢板焊接、uhpc板扣装、轻型高分子聚合物的现场发泡。上述均为成熟工艺，简单易操作。

附图说明

图1为落石防护总图。

图2为缓冲层连板铺装前示意图。

图3为uhpc刃脚及连板安装前示意图。

图4为uhpc刃脚连板装配图。

图中：

1-uhpc刃脚型装配式缓冲层，2-棚洞，3-缓冲基层横向挡板，4-缓冲基层纵向隔板，5-uhpc刃脚连板，6-刃脚楔孔，7-uhpc刃脚，8-刃脚安装杆，9-插槽，10-缓冲基层，11-刃脚安装孔12-连板安装孔，13-连板锚固孔，14-外溢区。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

艰险山区交通设施在危岩落石灾害风险区域的主要防护结构为棚洞1，本发明在棚洞1顶部铺设uhpc刃脚型装配式缓冲层2，可以有效扩散落石冲击范围并延长冲击时间，以降低落石对棚洞结构的冲击能量，达到对棚洞主体结构的保护功能，保障交通运营安全。

本发明涉及一种用于落石防护棚洞的uhpc刃角型装配式缓冲层，所述uhpc刃角型装配式缓冲层2覆盖于棚洞1顶部，包括垂直于棚洞1顶部设置的缓冲基层横向挡板4和缓冲基层纵向隔板5，缓冲基层横向挡板4和缓冲基层纵向隔板5组成的矩形框架上覆盖多块uhpc刃脚连板7。uhpc刃脚连板7上设置有刃脚楔孔11并插入uhpc刃脚6，刃脚安装杆10从uhpc刃脚连板7端部横向插入并贯穿uhpc刃脚6，横向相邻uhpc刃脚连板7通过各自外露的刃脚安装杆10连接。

缓冲基层横向挡板4垂直于棚洞1顶部纵向对称设置两道，与棚洞1顶部整体浇筑。缓冲基层纵向隔板5垂直于棚洞1顶部横向设置在两道缓冲基层横向挡板4之间，将缓冲基层横向挡板4之间的空间进行纵向分隔。缓冲基层纵向隔板5横向两端对应的缓冲基层横向挡板4内侧设置有插槽，缓冲基层纵向隔板5插入对应插槽并固定。缓冲基层横向挡板4与缓冲基层纵向隔板5内的棚洞1顶部铺设有缓冲基层3，缓冲基层3为粗砂层，为具有一定厚度的粗砂，填筑在棚洞1顶部落石可能接触的区域。

缓冲基层横向挡板4、缓冲基层纵向隔板5和uhpc刃脚连板7组成方舱结构覆盖于棚洞1顶部，方舱结构呈弧形，与棚洞1顶部形状相适应。缓冲基层横向挡板4为混凝土结构，缓冲基层纵向隔板5为钢板结构。

uhpc刃脚6为uhpc（超高性能混凝土）预制件，为条形竖板结构，自上而下分为三部分，顶部纵剖面为上大下小的梯形，中部为矩形，底部为倒三角形，形成底部为刀刃形、顶部为楔形的竖向刃脚结构。uhpc刃脚6顶部设置有横向的通孔，为刃脚安装孔8。uhpc刃脚连板7为uhpc预制件，为弧面板结构，其上横向两侧设置有纵向条形的刃脚楔孔11，刃脚楔孔11纵剖面形状与uhpc刃脚6顶部相同，uhpc刃脚6从上方插入刃脚楔孔11，顶部卡限于刃脚楔孔11内，中部和底部从uhpc刃脚连板7下方伸出。

uhpc刃脚连板7的刃脚楔孔11与端部之间设置有横向的通孔为连板安装孔9，刃脚楔孔11内侧的孔壁上设置有横向的连板锚固孔12。刃脚安装杆10从uhpc刃脚连板7端部的连板安装孔9横向插入，再插入并贯穿uhpc刃脚6的刃脚安装孔8，进而插入uhpc刃脚连板7的连板锚固孔12，将uhpc刃脚6与uhpc刃脚连板7固定。刃脚安装杆10为普通钢筋经渗锌处理而成，具有较强的耐久性能。横向相邻的uhpc刃脚连板7对接并留有纵向缝隙，为外溢区13，端部外露的刃脚安装杆10对接并焊接固定。

本发明的施工步骤为：

步骤1：危岩落石山体坡面形态调查和专项勘察，对落石风险进行识别和评价，山体坡面主动及被动防护设计的工程实施，通过仿真分析确定棚洞1上部采用本发明的uhpc刃脚型装配式缓冲层2所需要承受的最大冲击能量。

步骤2：根据步骤1的最大冲击能量计算uhpc刃脚型装配式缓冲层保护小的棚洞板最小厚度、缓冲基层3填筑厚度（可采用粗砂填筑）、缓冲基层横向挡板4和纵向隔板5最小厚度、uhpc刃脚6构造尺寸、uhpc刃脚连板7最小板厚。按照计算成果对缓冲层结构进行构造及细节设计，完成设计图纸。

步骤3：根据步骤2的设计图纸开展uhpc刃脚型装配式缓冲层主要构件的加工制造。由混凝土构件厂根据步骤2设计图纸加工uhpc刃脚6和uphc刃脚连板7，刃脚及连板为uhpc（超高性能混凝土）材料浇筑并高温蒸养而成。刃脚及连板涉及刃脚安装孔8、连板安装孔9、连板锚固孔12、刃脚楔孔11应放样准确、预留定位无误。

步骤4：根据步骤2的设计图纸采购钢筋并切割加工成刃脚安装杆10，对刃脚安装杆采取渗锌等耐久性措施处理。切割钢板形成缓冲基层纵向隔板5。

步骤5：将步骤3至步骤4完成的成品运输至棚洞建设场地。立模浇筑棚洞结构，缓冲基层横向挡板4应与棚洞主体结构一起浇筑。缓冲基层横向挡板应在纵向按照隔板间距设置凹槽，便于将缓冲基层纵向隔板5插入后进行分舱。对浇筑完成的棚洞1养护至设计强度。

布置6：在步骤5形成的缓冲基层分舱中填筑粗砂至设计高度。

步骤7：在棚洞建设场地将uhpc刃脚6经刃脚楔孔11插入uhpc刃脚连板7。

步骤8：在步骤7的基础上将刃脚安装杆10插入连板安装孔9、经刃脚安装孔8，终止于连板锚固孔12。

步骤9：将步骤8成品铺设在步骤6成品之上，对相邻的刃脚安装杆10进行现场焊接，确保落石冲击时为多块uhpc连板共同分摊荷载。

步骤10：重复步骤7~步骤9，直到棚洞顶部所有uhpc刃脚型缓冲层装配完毕，经验收合格后本发明与棚洞结构可交付运营。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。