【52监测网】第125期 公路防灾减灾明洞与棚洞的建设及思考
 52监测网专家报告分享-第125期 《公路防灾减灾明洞与棚洞的建设及思考》 袁松 四川省交通勘察设计研究院有限公司 隧道与地下工程设计分院 目录 一、公路明洞与棚洞建设现状及挑战 二、公路明洞与棚洞病害概况及分析 三、公路防灾减灾体系的探索与思考 内容介绍 一、公路明洞与棚洞建设现状及挑战
明洞：为防御塌方、落石、泥石流、积雪等灾害或下穿公路、铁路、建筑物等构筑物，用明挖法或傍山修建的、然后进行覆盖的、供汽车和行人通行的封闭性结构物。其结构通常为具有纵向连续特点的封闭性结构。
棚洞：为防御塌方、落石、泥石流、积雪等，用明挖法或傍山修建的、供汽车和行人通行的棚式结构物。其结构通常为单侧或两侧不连续的棚式结构。
我国西部地区，地形、地质条件极其复杂，山高坡陡，地震等各类地质灾害频繁发生，对公路的安全运营造成了巨大威胁。其中对公路破坏最大、抢通保通难度最大、破坏影响最深远的是山体滑坡和高位崩塌等地质灾害。
国外建设应用现状 欧美、日本等发达国家和地区的公路建设起步较早，在灾害防护、环境保护方面也积累了较多的工程经验。高速公路建设时，必须首先要对生态环境保护进行可行性论证；同时要求，建造公路的同时必须进行绿化，公路建好的同时也必须随之完成绿化，公路建设不允许破坏生态廊道的完整性，山区公路应避免大挖大填。另外，很多国外的明（棚）洞在建设时充分考虑了建筑美学，在保证基本功能的前提下也具有较强的可观赏性。
国内建设应用现状——铁路行业 成昆铁路——有着各具特色的明（棚）洞，无论从其数量还是类型来说都可以算是首屈一指的工程项目，是地质灾害防护与明（棚）洞建设的博物馆。
国内建设应用现状——公路行业 第一阶段：2008年以前——2008年以前公路建设以“节约投资”为主要建设理念，边坡地质病害已路基防护为主，全国明（棚）洞应用较少，在个别崩塌落石非常严重的路段偶尔有所应用。 第二阶段：2008年以后——2008年5.12汶川地震后的十年时间当中，在我国西南山区接连发生数次规模较大的地震，以及多次特大山洪泥石流灾害，在公路的灾后重建及水毁恢复建设中，“防灾减灾”成为最重要的建设要求。明（棚）洞建设数量大增、结构形式多样、建筑材料创新等开始了全方位的突破。
四大挑战： 地灾规模——近年来地震与极端气候频发，引发的地灾规模越来越大； 防治体系——《纲要》提出建立自然灾害交通防治体系，提高交通防灾抗灾能力； 应急救援——加强应急抢险救援专业装备、设施、队伍建设； 预警防控——探索交通运输应对重大地灾的预警及长效预防与治理； 二、公路明洞与棚洞病害概况及分析 明洞与棚洞病害形式：明（棚）洞主要是为了防御高位崩塌落石、泥石流等边坡问题而设置，其长度及洞口位置的选择受主观因素影响较多，但往往地质条件都比较差，多为严重风化的岩体，且覆盖层较薄，其病害主要体现在洞口、上下边坡及结构三个部位。表中列出了明（棚）洞病害的主要形式，推断了造成各种病害的原因，并给出了建议处理措施，以供明（棚）洞病害整治参考。
明（棚）洞病害概况：对G213映汶路、G213川汶路、G317汶马路、G245乌甘路、S209龙三路、S463 亚三路等6 条公路， 近40 余座“5.12”汶川地震后建成的钢筋混凝土明（棚）洞在经历2013年4.20芦山地震、2017年8.8九寨沟地震、连续余震以及众多暴雨水毁等灾害以后的跟踪调查，获得了第一手的公路明（棚）洞病害及破坏资料。根据统计结果： 1）洞口或开孔被掩埋所占比例超过50%，是最主要的病害类型，充分体现了设置明（棚）洞是必要的，但可能存在长度不足的问题。 2）结构开裂、结构破坏均属于结构受损，是对明（棚）洞运营安全有重要影响的类型，二者以受损程度进行区分，共同占比约22%。 3）下边坡失稳发生的概率最低，不足10%。 案例1——G213川汶路七星关明洞 洞口被掩埋分析：G213川汶路南新镇白岩子路段在汶川地震灾后重建时为防治高位崩塌建设了100m长的七星关明洞，2011年初基本竣工。2015年9月30日下午4时许，茂县南新镇白岩子边坡发生大规模高位崩塌，导致七星关明洞汶川端洞口落石、飞石严重；川主寺端洞口及多处开孔被埋，同时垮塌的堆积体还将路基段掩埋约100m长，导致G213公路中断。 病害机理分析：2008年汶川地震时仅A区发生了较大规模的崩塌，因此七星关明洞最初的长度仅设置了100m防治A区的崩塌。 汶川地震后，上万次余震、特大山洪泥石流、420芦山地震等灾害的不断影响下，原本破碎且风化严重的山体崩塌范围逐步扩大，最终导致A、B、C区域发生大规模崩塌，D区受到崩塌的影响出现松动迹象。 处理措施及效果：对各个边坡区域危害程度的分析，最终采取在A区左侧接长50m明洞，B、C区域接长150m明洞，D区进行坡面防护的工程措施。 该处理措施能彻底解决A、B、C区域再次发生高位崩塌的威胁。D区坡面防护在2016年初实施完成以后，经受住了2017年8.8九寨沟地震及特大暴雨的考验，但还需对其坡面稳定性随时进行监测，保障公路行车安全。
案例2——G213映汶路麻柳湾明洞 下边坡失稳分析：G213映汶路麻柳湾段位于岷江左岸，地形陡峻，内侧基岩裸露。2008年“5.12”汶川大地震诱发麻柳湾路段内侧高位崩塌，崩积体侵占了约1/6的岷江河道，阻断交通，后期发展为坡面泥石流。同时，麻柳湾对岸关山沟发生更大规模泥石流，其堆积扇侵占了约2/3的岷江河道，致使麻柳湾路段路基下边坡成为顶冲岸。2009年6月，以防御麻柳湾坡面泥石流及崩塌体的麻柳湾明洞竣工，但为满足汶川地震周年纪念时映汶路全线贯通的要求，未及时实施侧墙下的桩基；2010年岷江爆发“8.13”特大山洪泥石流，明洞侧墙与拱形衬砌处出现2～3cm竖向贯通裂缝，侧墙有倾覆迹象，路基下边坡冲刷严重。 病害机理分析：① 麻柳湾明洞外侧为“5.12”汶川地震崩塌堆积体，结构松散，侧墙置于堆积体上而明洞结构内侧大部置于原老路路基上，侧墙与明洞发生不均匀沉降。 ② 明洞建设时未及时按设计实施侧墙下的桩基，不能有效控制明洞侧墙发生变形。 ③ “8.13”特大山洪泥石流来势凶猛，麻柳湾明洞对岸关山沟也爆发大型泥石流，河道被严重压缩，麻柳湾明洞路基下边坡为顶冲岸，下边坡冲刷严重。 处理措施及效果：通过病害机理分析，控制沉降、防治冲刷为明洞下边坡病害整治方案设计的要点。麻柳湾明洞对应下边坡采用8m高重力式防冲墙（埋入河床以下4m），防冲墙上部设15m高实体护坡，并设置12m锚筋加固下边坡。 处理措施在2011年初完成施工以后，麻柳湾明洞下边坡经受住了多次山洪泥石流的考验，至今未出现过冲刷及失稳的情况，保证了明洞的安全稳定。
案例3——G245乌甘路窄板沟明洞 结构破坏分析：7月28日8时至29日15时，甘洛县全县普降暴雨，局部地区达到大暴雨，平均降雨量55毫米，最大降雨量达109.1毫米，持续降雨时间19小时。持续暴雨引发山洪、泥石流。7月29号上午11点左右，窄板沟明洞瞬间压溃，几乎与此同时，成昆铁路甘洛境内凉红至埃岱站间、甘洛至南尔岗站间因发生水害塌方断道。 窄板沟明洞甘洛端洞口附近约10m结构变形破坏严重，其余段落明洞结构坍塌，造成该段公路完全断道。根据测量结果，该坡面泥石流发育顶部与设计明洞高差大于500m。冲击面积广，冲出物质为块碎石土，方量约5万m3。据估算，冲击荷载大约是设计荷载的25～60倍，远超明洞设计荷载600kJ，造成明洞瞬间压溃。灾害发生后，现场踏勘发现明洞基础完好。
病害机理分析：①明洞设计边界条件发生变化，明洞上方突发不可抗力的大型高位坡面泥石流。甘洛县“7•29” 特大暴雨、山洪、崩塌、泥石流灾害发生后，该段明洞上方边坡发生巨大改变。 ②明洞防护能力有限，不足以抵抗突发特大冲击荷载。本明洞设计偶然荷载取值为600kJ。据估算，冲击荷载大约是设计荷载的25～60倍，远超设计荷载600kJ。 处理措施及效果：拆除损毁明洞结构实现道路保通，拟采用隧道绕避该段落，目前暂未实施。
启示： （1）做好明（棚）洞选址及调查工作。用发展变化的眼光看待边坡地质病害，综合区域地质情况、岩体层面结构、风化程度等因素，科学确定明（棚）洞设置位置及防护长度。 （2）合理估算冲击荷载，选择合适的明（棚）洞结构。借助无人机摄影等先进技术手段，基本摸清上边坡危岩发育情况，估算出合理的冲击荷载，指导结构选型。 （3）设置可靠的防冲结构，确保路基下边坡稳定。充分考虑山区河流冲刷严重的特点，结合河流形态、水电站设置情况等影响因素，确定冲刷深度。 （4）加强明（棚）洞结构抗冲击能力研究。科学设置经济、有效的回填缓冲层，提高结构安全冗余度；同时明（棚）洞设计可考虑易拆换结构，在其受到严重破坏时便于快速修复。 （5）重视施工期间的安全防护，确保施工质量。 （以上“启示”主要是针对明洞与棚洞自身建设而言，对于防灾减灾体系来说还需进一步思考……） 三、公路防灾减灾体系的探索与思考 探索：1）应急装备研发——装配式钢箱棚洞（装配式钢箱棚洞的研究与开发｜四川交通科技项目（项目编号：2018-B-03）） 2）结构体系研究——高性能明洞棚洞（山区公路灾害快速处置与长效防灾减灾技术研究｜四川交通科技项目（项目编号：2020-B-02、2020-MS3-101）） 思考：1）灾害识别及预报预警；2）防灾减灾体系及理念 ◇ 探索1-装配式钢箱棚洞
传统“横梁+立柱”式钢棚洞存在的主要问题：施工时间长、安装风险大、地基要求高、适应性差、抗冲击性能目标不明确。 装配式钢箱棚洞应具有的特点： • 标准化定型构件，栓接成结构，可实现快速化; • 异位拼装，顶推就位，可最大限度地降低施工安全风险; • 结构封闭自成体系，抗冲抗推抗倾能力强，可适应多种地形; 结构设计理念——减、避、耗、抗 结构防护目标: • 1000kJ ——正常使用极限状态，主体框架不需或仅需少许修复即可持续正常工作。 • 2000kJ ——承载能力极限状态，主体框架允许损坏（屈服），但结构整体不倒塌。 缓冲耗能要求: • 承载能力极限状态下，能够大幅度耗能，保护主体框架。 • 正常使用极限状态下，具有一定自恢复能力，能够承受多次落石冲击。
具有分级防护功能的装配式钢箱棚洞，结构简单（主体结构平顶、耗能结构耦合少、体系独立、施工简单）、可自恢复（减少塑性变形耗能材料的用量、易损结构更换便捷）、“减+避”（耗能结构斜顶）、“耗”（柔性防护网、橡胶耗能支座）、“抗”（钢混组合板+弹簧+土石）。
（原型试验已经证明结构可行！下一步我们将致力于钢箱棚洞方便装配的进一步研究和产品升级！） ◇ 探索2-高性能明洞棚洞 思考：如何进一步提高明洞与棚洞的防护能力 首先需要解决的核心问题——落石冲击力计算理论
（1）从计算公式理论基础来看，实际是利用冲量定理求得的冲击过程的平均冲击力，并非最大冲击力，计算结果偏小甚至同实际相差甚远。对于结构计算而言，控制设计的应为最大冲击力，冲击力计算结果偏小是非常危险的一种状况。 （2）国内几种理论方法计算得到的冲击时间过长，直接导致平均冲击力变小。理论计算的冲击时间大概为0.5s左右；查阅既有文献表明高度100m以内、重量20t以内的冲击，历时在0.14s以内，一般不会超过0.1s；我们多次200kJ~500kJ级模型试验测试的冲击时间在0.06~0.1s。 （3）《公路隧道设计细则》提出的落石冲击力计算方法得到的结果严重偏小，不宜作为冲击防护结构的设计指导。 高性能新结构 目前，在明洞、棚洞结构优化方面所做研究相对较少，加大尺寸是提高结构承载能力最直接最简单的方式，但这是一种事倍功半的做法。 可以考虑给明洞、棚洞增设横向加劲肋板的方式提高其承载力与抗侧向压力的能力，也可以考虑引入桥梁常用的预应力钢筋砼结构。
高性能新材料
◆ 思考1-灾害识别及预报预警 （1）地质灾害调查及识别由仅“微观（工点）”判定向“宏观（区域）+中观（路线）+微观（工点）”综合识别的转变。 • 宏观（区域）：地形地貌、地层岩性、地质构造…… • 中观（路线）：地质灾害历史、路边落石形态…… • 微观（工点）：利用无人机等技术充分认识工点 （2）“气象水文因素” 作为灾害发生的主要诱因； （3）“大数据+数学+统计学+人工智能”建立预测算法可实现提前预报； （4）利用Insar+Lidar+传感设备等建立健康监测系统可实现实时预警；
（崩塌、落石等偶发性、突发性、隐蔽性灾害的识别还有较大的难度，还有较长的路要走……） ◆ 思考2-防灾减灾体系及理念 防护理念：单一被动防护→立体综合防护 明洞与棚洞作为“单一被动防护”结构可以在一定范围内解决问题，但是其不能控制灾害的发展，最不利的情况就是最终会“扛不住”。 “立体综合防护”理念为“源头主动防控+过程引导防护+末端被动防护”，目的就是要在灾害发生的各个环节减轻灾害可能对公路造成的损伤，通俗讲就是“控制灾害发展、减小作用荷载、提高防护能力”。 • 源头主动防控：锚杆、锚索、主动网…… • 过程引导防护：拦截网、水石分离坝…… • 末端被动防护：明洞、棚洞、拦石墙……
四川省交通勘察设计研究院有限公司：愿与大家共同致力于防灾减灾工程，提升公路韧性，实践交通强国！
《公路防灾减灾明洞与棚洞的建设及思考》 袁松 四川省交通勘察设计研究院有限公司 隧道与地下工程设计分院 注：内容源自“第三届全国边坡安全防护与生态修复新技术高峰论坛”，本文仅供个人研学交流，版权归原作者所有 |
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