获奖等级:一等奖
项目名称:强震区高位落石作用下棚洞立体防护关键技术及工程应用
作为2023年度中国公路学会科学技术奖一等奖获奖项目——“强震区高位落石作用下棚洞立体防护关键技术及工程应用”项目(以下简称“项目”)突破了多项技术难题,项目成果显著提升了强震区高位落石防护的可靠性,极具推广价值和应用前景。项目被中国工程院院士任辉启、徐建、杜修力领衔的专家组一致评价为:“项目成果总体达到国际先进水平,其中‘导-延-耗-抗’相结合的棚洞抗冲击性能提升技术,达到国际领先水平。”
全面提升防护能⼒ 安全系数更高
我国是一个多山的国家,约70%的国土面积为山地,崩塌落石灾害高发。特别是西部地区,地形地质条件极其复杂,山高坡陡,地震频发,加之极端气候频现,高位崩塌落石等次生地质灾害频繁,对交通基础设施安全造成巨大威胁。
自从汶川地震后,应对高位崩塌落石的技术对策已引起有关各方高度重视。原位恢复重建中,棚洞被认为是高位落石最有效的防护措施之一,被大量应用。但是在西部山区,特别是强震区的应用中也暴露出诸多问题,根本问题表现为结构远达不到预期的防护性能,出现大量结构损坏、棚洞被掩埋等,严重威胁了公众生命财产安全。究其原因主要有3个方面,即基础理论缺乏,现行规范中仅考虑某一种偶然荷载作用,且冲击荷载计算与实际情况差异较大,理论支撑不足;防护被动单一,交通设施的防护往往采用单一的被动防护,随着灾害
2020年1月烧房沟棚洞的建成10年后,实现了三位一体的立体防护,截至 2020 年 1月,该棚洞建成 10 年再末发生过重大灾害。
的发展,最终会“扛不住”;结构能力不足,传统钢筋混凝土棚洞采用普通梁板结构与土石回填,未考虑应用新结构与新材料,导致结构防护能力有限。此外,棚洞设计建造方面的标准化建设在国内外长期处于空白,导致基于功能需求与防护能级的适配性设计无据可依,也是制约棚洞结构无法满足功能需求的关键因素。
2010年以来,在交通运输部、科技部、四川省交通运输厅的持续资助下,四川省交通勘察设计研究院有限公司、西南交通大学、大连理工大学、交通运输部公路科学研究院、四川大学、四川川交路桥有限责任公司、中铁十七局集团城市建设有限公司、成都理工大学8家单位共同组成了研究团队,形成“产-学-研-用”研究团队,通过理论推导、数值模拟和现场试验,探明了棚洞结构破坏机理;针对《公路隧道设计细则》中落石冲击力计算结果的局限性,创新性地提出了基于荷载传递理论的落石冲击荷载计算方法,计算结果与试验数据 95%分位值最大偏差仅6%。同时,对棚洞结构材料及其缓冲材料的抗落石冲击性能进行了全方位优化,提出了“导-延耗-抗”相结合的棚洞抗冲击性能提升技术,达到国际领先水平,为全面提升棚洞防护能力奠定了理论与技术基础。基于这些前沿理论和技术上的突破,棚洞结构材料性能提升最高达70%,缓冲材料性能提升最高达40%,研发的高性能棚洞在抗落石冲击性能上更是实现了质的飞跃,最大提升可超过 200%。这一成果无疑为山区公路的安全防护增添了更为坚固的“安全帽”,为公众出行提供了更为坚实的保障。
逐步转变防护理念 设防范围更全
项目构建了源头主动控制、过程柔性引导、末端棚洞防护三位一体的立体防护体系,这一创新举措为公路防灾由单一被动防护向综合立体防护转变奠定基础。项目通过实施锚杆、锚索等措施控制灾害发展,布设拦截网、分导网等措施分层引导减小落石冲击能量,末端施作棚洞进一步提升整体防护能力。通过总结提炼出的“源头-过程-末端”的全方位、多层次的综合立体防护设计理论,成功解决了单独设置棚洞防护存在的局限性问题,全面提升山区公路自然灾害防护韧性能力。
不断丰富结构类型 应用场景更广
在应对西部山区地形地质条件的复杂性与多变性这一重大挑战时,项目组面对的是诸如大型崩塌落石、泥石流、零星飞石及浅层滑塌等一系列严峻的问题,为有效解决这些难题,在结构类型上实现了全面创新,主要包括传统钢筋混凝土结构向钢结构、钢混组合结构的扩展,刚性棚洞向柔性棚洞扩展,这些创新性结构不仅能够有效防护大型崩塌落石和泥石流等自然灾害的侵袭,还具备防御零星落石、遮挡隧道进出口刺眼阳光等多重功能。此外,项目组还研发了用于应急抢险的装配式钢箱棚洞装备,钢棚洞的防护能级最高提升可达10倍,实现构件标准化、施工快速化、风险最小化,满足灾后快速应急保通需求,填补了国内外技术空白,实现了棚洞的全场景应用。
截至2022年底,项目研究成果在国道213线映汶公路、川汶公路,国道317线汶马公路,国道245线乌甘公路等20余条公路上130座棚洞,在沿江高速、广平高速、泸石高速等54 座隧道洞口崩塌落石防护中得到成功应用;服务于四川省芦山地震、九寨沟地震、石大关高位崩塌等10余次重大灾害应急抢险与灾后重建工程,为强震区高位高能级落石防护提供了全新的高性能的棚洞立体防护解决方案,节约工程投资约 37亿元。
随着交通基础设施建设向西部横断山区、极高山区推进,特别是川藏公路、川藏高速等世界级工程的实施,工程将会面临更多的高位落石灾害挑战。项目成果的成功应用已经具备良好的示范效应,并且形成了相关标准,有利于在强震区、地质灾害频发区大力推广棚洞立体防护这一防灾利器,具有广阔应用前景。
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