本发明涉及山区隧道洞口防落石，特别涉及一种适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统。
背景技术：
1、山区交通基础设施建设过程中，常常会遇到深切峡谷地形，山势高陡，时刻面临落石的威胁，需要采用隧道—桥梁—隧道的隧道群形式穿越，其中两隧道洞口间距不足30m的情况大量存在。为保护行车及桥梁结构不受隧道洞口仰坡落石的破坏，通常需要在隧道洞口设置防落石系统。
2、既有防落石系统主要包括棚洞、主动防护网和被动防护网。棚洞设置于桥梁上部，或在桥体外侧陡坡上施做桩基和承台以承载，结构受力不利、施工难度大且不利于通风照明；主动防护网铺设于隧道洞口仰坡面上，施工难度特别大；被动防护网设置在隧道洞口上部，防护效果不甚理想。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统，能够显著缓冲落石冲击力，具备独立受力、防护效果好、易施工等特点。
2、本发明采用的技术方案为：
3、一种适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统，该隧道群洞口新型防落石系统水平安装于两山体之间，且位于两山区隧道洞口的桥梁上方，其包括主体结构和安装于主体结构上方的缓冲防护组件；所述主体结构包括若干纵向钢管和若干横向钢管；若干纵向钢管等间距间隔分布，且中间高两侧低，每个纵向钢管均呈拱形，且两端通过拱座固定于两山体之间；若干横向钢管等间距布设于相邻两个纵向钢管之间，每个横向钢管的两端分别与相邻的两个纵向钢管固定连接，横向钢管与纵向钢管构成整体呈拱形，截面呈人字形的防落石系统受力骨架；所述缓冲防护组件包括复合缓冲防护板和弹簧缓冲器，复合缓冲防护板横向呈拱形，截面呈圆弧形，其中间及两侧的底部通过若干弹簧缓冲器与主体结构的纵向钢管连接。
4、进一步的，所述复合缓冲防护板包括三层板体结构，由上向下依次为柔性防护网板、缓冲板和钢波纹板。
5、进一步的，所述弹簧缓冲器包括安装于中间纵向钢管上的若干第一弹簧缓冲器和安装于最外侧的两个纵向钢管上的若干第二弹簧缓冲器；第一弹簧缓冲器位于复合缓冲防护板中间处的底部，且与复合缓冲防护板通过钢板和螺栓刚性连接；第二弹簧缓冲器位于复合缓冲防护板两侧的底部，其与复合缓冲防护板接触，形成活动搭接形式。
6、进一步的，所述第一弹簧缓冲器包括与中间纵向钢管固定连接的下缓冲座，固定安装于下缓冲座的套筒，滑动安装于套筒上的活塞杆；所述活塞杆的顶部形成有与复合缓冲防护板固定连接的上缓冲座，上缓冲座与套筒之间设有套装在活塞杆的缓冲弹簧；所述第二弹簧缓冲器包括与中间纵向钢管固定连接的下缓冲座，固定安装于下缓冲座的套筒，滑动安装于套筒上的活塞杆；所述活塞杆的顶部形成有与复合缓冲防护板接触的球头，球头与套筒之间设有套装在活塞杆的缓冲弹簧。
7、进一步的，所述拱座为钢筋混凝土结构，其底部铺设加密钢筋网，其顶部预埋若干高强度螺栓；所述纵向钢管的端头嵌入拱座内部，且通过两个半圆筒形护板进行固定；半圆筒形护板通过高强度螺栓固定安装于拱座上。
8、一种适用于深切峡谷地带的隧道群洞口防落石系统设计方法，该设计方法针对上述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统，包括以下步骤：
9、步骤1，进行落石区现场调查，获取落石信息；落石信息包括确定落石直径d、落石密度ρ1、落石高度h、落石防护区间l及落石山坡坡度角α；
10、步骤2，选取合适的缓冲板材料及几何物理参数；几何物理参数包括确定缓冲板厚度h、缓冲板弹性模量e、泊松比μ、及密度ρ2；
11、步骤3，计算落石冲击力；
12、步骤4，拟定纵向拱形钢管几何参数；纵向拱形钢管几何参数包括纵向拱形钢管的圆弧半径r、圆心角β，跨径l，矢高为f、及钢管截面内径d1和外径d2；
13、步骤5，进行纵向钢管受力计算；
14、步骤6，进行安全性判定；根据材料力学方法，将纵向钢管所受内力转化为应力，求出最不利截面的最大应力，与许用应力进行比较，判断结构安全性；
15、步骤7，根据安全性判定结果，优化缓冲材料及纵向钢管几何物理力学参数；
16、若安全性不满足要求或安全储备不足，采取增加缓冲板厚度、降低缓冲板材料弹性模量、增大纵向钢管矢高、扩大横截面以及提高纵向钢管强度措施；若安全储备过剩，采取相反的措施。
17、进一步的，步骤1中，落石直径d按下式进行确定：
18、d＝max(lab) 式1
19、式中：a、b为同一块落石上的任意两点，lab为a、b两点之间距离。
20、进一步的，步骤3中，计算落石冲击力包括以下步骤：
21、步骤3.1，根据动量定理：
22、fδt＝mδv 式2
23、得：
24、
25、式中：f为落石冲击力；m为落石质量；v为落石冲击时的速度；v0为落石的初始速度；t为冲击持续时间；d为落石直径；ρ1为落石密度；
26、步骤3.2，落石冲击时的速度v可根据下式计算：
27、
28、式中：h为落石高度；g为重力加速度；η为系数，按式5计算；α为山坡坡度角；k为石块沿山坡滚动阻力系数；
29、步骤3.3，落石冲击持续时间t可根据下式计算：
30、
31、式中：h为缓冲板厚度；c为压缩波在缓冲板中的往复速度；μ为缓冲板的泊松比；e为缓冲板的弹性模量；ρ2为缓冲板的密度。
32、进一步的，步骤5中，进行纵向钢管受力计算包括以下步骤：
33、步骤5.1，落石与复合缓冲防护层碰撞后产生冲击力f，再通过弹簧缓冲器缓冲后传递至纵向钢管，落石冲击力f仅由碰撞点周围两个纵向钢管上的四个弹簧缓冲器承担；另外，由于弹簧缓冲器可有效延长冲击时间，利于弹簧缓冲器之间进行荷载分担，故认为四个弹簧缓冲器传递相同的荷载p；
34、弹簧缓冲器的荷载p计算公式如下：
35、
36、步骤5.2，对每个纵向钢管单独进行计算，将其简化为对称无铰拱结构，采用结构力学中的力法，建立力法基本体系，同时建立直角坐标系，横坐标为x轴，纵坐标为y轴，纵向钢管的外荷载计算公式如下：
37、p1＝p2＝p 式9
38、建立力法方程：
39、
40、式中：xi为多余约束力，x1，x2，x3分别为力法基本体系中的多余弯矩、轴力、剪力；δij为基本结构在xj＝1单独作用下引起的沿xi方向的位移，δ11，δ21，δ31分别为基本结构在x1＝1单独作用下引起的沿x1、x2、x3方向的位移，δ12，δ22，δ32分别为基本结构在x2＝1单独作用下引起的沿x1、x2、x3方向的位移，δ13，δ23，δ33分别为基本结构在x3＝1单独作用下引起的沿x1、x2、x3方向的位移；δip为基本结构在荷载单独作用下引起的沿xi方向的位移，δ1p，δ2p，δ3p分别为基本结构在荷载单独作用下引起的沿x1、x2、x3方向的位移。
41、步骤5.3，利用对称性及弹性中心法使δij为0，利用图乘法求得δii和δip，代入式10求得多余约束力xi，最后根据叠加法求得纵向钢管任一截面的内力，计算公式如下：
42、
43、式中：m，q，n分别为所求纵向钢管任一截面的弯矩、剪力、轴力；mp，qp，np分别为基本结构在荷载作用下该截面的弯矩、剪力、轴力；为拱轴线在该截面处切线的倾角；x，y分别为该截面在直角坐标系中的横、纵坐标。
44、进一步的，步骤6中，安全性判定包括以下步骤：
45、步骤6.1，根据下式求得最不利截面的最大正应力并进行安全性判定：
46、
47、式中：σmax为结构最不利截面的最大正应力；σmmax为由弯矩引起的截面最大正应力；σn为由轴力引起的截面正应力；m为截面弯矩；wz为抗弯截面系数；n为截面轴力；a为截面面积；[σ]为许用正应力；d1为纵向钢管内径；d2为纵向钢管外径；
48、步骤6.2，根据下式求得结构最大切应力并进行安全性判定：
49、
50、b＝d2-d1 式18
51、式中：τmax为结构最大切应力，单位为mpa；qmax为结构所受最大剪力；s*zmax为中性轴一侧的横截面面积对中性轴的静矩；iz为整个截面对中性轴z的惯性矩；b为横截面在中性轴处的宽度；[τ]为许用切应力。
52、本发明的有益效果是：
53、1、通过将该隧道群洞口新型防落石系统架设于两隧道洞口上方山体之间，由于该隧道群洞口新型防落石系统的主体结构的纵向钢管呈拱形，因此可以较好地承受落石冲击荷载并将其传导至隧道洞口上方山体中，实现了结构独立受力并消化落石冲击力，避免了在桥梁上设置防落石结构，影响桥梁结构安全的不利情况，也解决了传统防落石棚洞不利于通风照明的问题。
54、2、通过将该隧道群洞口新型防落石系统向在两隧道洞口间通长布设，由于主体结构的横向钢管与纵向钢管在截面方向构成人字形结构，缓冲防护组件的圆弧形复合缓冲防护板通过弹簧缓冲器安装于主体结构上，实现了对两隧道间桥梁结构的完全防护，并能有效地将落石排导至路线范围以外。
55、3、该隧道群洞口新型防落石系统的复合缓冲防护板包括三层板体结构，由上向下依次为柔性防护网板、缓冲板和钢波纹板，依此达到了缓冲落石冲击力，提高承载能力，同时保护缓冲板，提高使用寿命的目的。
56、4、该隧道群洞口新型防落石系统的复合缓冲防护板通过弹簧缓冲器与主体结构的纵向钢管连接，既起到了进一步削弱落石冲击力的作用，又能够有效延长冲击时间，使得弹簧缓冲器群进行荷载均匀分担和传递，利于纵向钢管受力。
57、5、该隧道群洞口新型防落石系统通过第一弹簧缓冲器将纵向钢管在中间位置与复合缓冲防护板刚性连接，通过第二弹簧缓冲器将最外侧的两个纵向钢管与复合缓冲防护板活动搭接，确保了复合缓冲防护板位置固定的同时，给予了复合缓冲防护板一定位移自动度；从而充分利用复合缓冲防护板的钢波纹板层的弹性变形能力，使其在落石冲击力作用下中部发生向下的弹性变形，端部与第二弹簧缓冲器之间产生相对位移，进一步消耗了落石冲击力。
1.一种适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统，其特征在于：该隧道群洞口新型防落石系统水平安装于两山体之间，且位于两山区隧道洞口的桥梁上方，其包括主体结构和安装于主体结构上方的缓冲防护组件；
2.根据权利要求1所述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统，其特征在于：所述复合缓冲防护板包括三层板体结构，由上向下依次为柔性防护网板、缓冲板和钢波纹板。
3.根据权利要求1所述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统，其特征在于：所述弹簧缓冲器包括安装于中间纵向钢管上的若干第一弹簧缓冲器和安装于最外侧的两个纵向钢管上的若干第二弹簧缓冲器；第一弹簧缓冲器位于复合缓冲防护板中间处的底部，且与复合缓冲防护板通过钢板和螺栓刚性连接；第二弹簧缓冲器位于复合缓冲防护板两侧的底部，其与复合缓冲防护板接触，形成活动搭接形式。
4.根据权利要求3所述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统，其特征在于：所述第一弹簧缓冲器包括与中间纵向钢管固定连接的下缓冲座，固定安装于下缓冲座的套筒，滑动安装于套筒上的活塞杆；所述活塞杆的顶部形成有与复合缓冲防护板固定连接的上缓冲座，上缓冲座与套筒之间设有套装在活塞杆的缓冲弹簧；
5.根据权利要求1所述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统，其特征在于：所述拱座为钢筋混凝土结构，其底部铺设加密钢筋网，其顶部预埋若干高强度螺栓；所述纵向钢管的端头嵌入拱座内部，且通过两个半圆筒形护板进行固定；半圆筒形护板通过高强度螺栓固定安装于拱座上。
6.一种适用于深切峡谷地带的隧道群洞口防落石系统设计方法，该设计方法针对权利要求1-5任一所述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口新型防落石系统，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口防落石系统设计方法，其特征在于：步骤1中，落石直径d按下式进行确定：
8.根据权利要求6所述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口防落石系统设计方法，其特征在于：步骤3中，计算落石冲击力包括以下步骤：
9.根据权利要求6所述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口防落石系统设计方法，其特征在于：步骤5中，进行纵向钢管受力计算包括以下步骤：
10.根据权利要求6所述的适用于深切峡谷地带的隧道群洞口防落石系统设计方法，其特征在于：步骤6中，安全性判定包括以下步骤：
