高速铁路隧道洞口段危岩落石运动轨迹及冲击特性研究

前沿动态　２０１　１年第２期　Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ变换器作为ＰＦＣ主电路时可以实现任意的降压．升压输出，因此在应用中克　服了单一的Ｂｕｃｋ或Ｂｏｏｓｔ变换器作为ＰＦＣ主电路时只能降压或升压输出的缺点。它的电源　输入电流也是不连续的，其输入电流性质和Ｂｕｃｋ型ＰＦＣ相似，在一定程度上增加了对滤波　电路的要求，这是因为其输入端本身就是Ｂｕｃｋ变换器。但是它克服了单一Ｂｕｃｋ变换器的输　入电流在电源低电压时有“导通死角”存在的问题，冈此可以用做ＰＦＣ变换级。但它作为　ＰＦＣ主电路时需要两个电子开关，所以控制电路比较复杂。　变换器是把Ｂｏｏｓｔ和Ｂｕｃｋ变换器串联起来进行演变，因而Ｃ？ｋ变换器又名Ｂｏｏｓｔ．Ｂｕｃｋ　串联变换器，Ｃ？ｋ型电路与Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ电路一样，可以实现降压和升压。无论在功率开关管　ｓ导通还是关断时，可以知道电感Ｌ１和Ｌ２上的电流都可以保持连续，并且输入电源电流始　终和流过电感ＬＪ的电流相等，这点与单一的Ｂｏｏｓｔ变换器电路的电流输入特性是相同的。通　过增加电感Ｌｌ和Ｌ２的值，可以使得交流纹波电流的值很小，这一特点使得它在应用中常常　不需要附加抗电磁干扰（ＥＭＩ）滤波器，并使体积小型化。　但带整流桥的变换器电路结构在任一时刻至少有三个半导体器件处于导通状态，导通损　耗大，随着功率的提高，消耗在半导体器件上的功率将会非常可观，严重制约了它在大功率　场合的应用。近年来，新提出了一种无桥Ｂｏｏｓｔ电路结构，它省略了输入端的整流桥，使导　通损耗降低，效率得到提高，因此越来越受到人们的关注。　２＿３国内外研究发展趋势　功率因数校正从上世纪八十年代以来己成为电力电子领域的热点问题之一，目前国内外　对功率因数校正技术的研究主要集中在如何提高它的性能上，并从电路拓扑的改进、控制策　略等角度上提出了不少新方法。研究主要集中在：　（１）减少功率损失，提高系统效率：　（２）降低开关损耗和电压应力；　（３）降低谐波，提高功率因数；　（４）提高瞬态响应和动态性能等。　功率因数校正研究在单相小功率领域己取得一定的成果。但在中大功率领域，研究成果　离工程应用还有很大距离。中大功率的电力电子设备在电网中占有很大比重，这方面是Ｐ　ＦＣ　研究的重心。Ｄ　Ｃ／Ｄ　Ｃ变换器中的软开关技术等理论也已应用在中大功率Ｐ　ＦＣ电路中，在　实现功率因数校正的同时可减少系统功率损失且改善了开关应力。　高速铁路隧道洞口段危岩落石运动轨迹及冲击特性研究　王玉锁　１　研究意义　危岩是我国山区三大自然灾害之一，己成为我国西部开发和交通建设大发展的重要制　（峨眉校区）　作者简介：王玉锁．男，副教授。　・　１６　・　前沿动态　２０１　１年第２期　约因素。危岩灾害包括危石、崩塌、落石、滚石等定义和内涵，落石是其下落的动态过程　及形态。　我国普通铁路隧道经过６Ｏ年左右的运行，洞口段发生落石事故严重。如ｌ９９２年５月１９　日，宝成线桑树梁隧道口塌方落石，造成隧道明洞口被堵塞，而且由于加载作用明洞发生变　形破坏。宝成线宝鸡．绵阳段，仅因洞口崩塌、落石灾害威胁而接长超过４０ｍ的隧道有２６座，　占隧道总量的８．８％，隧道接长３．０７ｋｍ，占隧道总长的３．１％。尽管如此，５．１２大地震中，宝　成线１０９隧道还是由于边坡崩塌及落石，破坏了隧道洞口结构，损失惨重。成昆铁路北段危　岩落石灾害突出，据统计１９７１年至１９９２年，发生落石２ｌ４处共２３８次，中断行车９１０小时　ｌ６分钟。特别是乌斯河工务段１７ｌｋｍ路段，１９７０至１９８３年发生落石４２０次，击损隧道口、　道岔、桥梁等结构，有８次直接击中列车。甚至出现在典型隧．桥．隧路段．由于两端隧道洞　口中部桥梁屡被落石击损，而被迫在桥上加建棚洞的实例。　随着高速铁路隧道向山区的不断延伸，除隧道规划、设计、施工、养护等面临众多技术　难题需要攻克以外，由于隧道进出洞口地段往往也是地形险峻、岩体破碎的地质脆弱地段，　加之施工刷坡、爆破等造成隧道洞口地段常常是遭受落石威胁严重的地段，从而导致隧道洞　口落石灾害也日渐突出起来。　《京沪高速铁路设计暂行规定》在“防灾安全监控”一章中将监测内容按类别为为自然　灾害、轨温及火灾、突发事故及异物侵入限界和非法侵入四类，突发事故及异物侵入限界指　突然发生的影响行车安全的事故以及落石、落物、塌方或其他物体侵入限界；公路跨越高速　铁路或与高速铁路平行时，车辆及物品翻落侵入限界；站台内旅客或物品跌落至站下；桥梁　墩台受到意外撞击等。高速铁路列车运行速度高达３００　３５０　ｋｍ／ｈ，　即使发现轨道上侵入障　碍物，采用紧急制动也需要相当距离，而侵人物只要超过一定重量，就有可能引发很大的损　失，轻者列车脱轨、线路停运，重者线路桥梁遭受破坏性损坏，且车毁人亡。　高速铁路隧道区别于传统隧道的最大区别在于其列车行驶速度高，出入隧道时引起“活　塞效应”，必要时需在洞口段设缓冲结构，一般采用无端墙式洞门，也叫“嗽叭口”洞门。为　防止洞顶少量土石塌落危及轨道及行车安全，减缓塌落土石对洞顶的冲击力，洞门段结构要　伸出山体（即自然地面坡）坡角１．５～２．５　ｍ。嗽叭口洞门与普通明洞的区别是伸出段没有回　填和洞口形状的渐变，这样对于当有落石到洞顶时其运动轨迹会发生较大改变。当洞口有边　坡时，落石有可能运动到线路上，这对于高速铁路来说是十分危险的。　另外一个值得注意的问题是，我国铁路工程中，桥隧相连工程在山区尤其是西部比例很　高。“穿岩透壁洞复洞，跨谷飞空桥又桥”。从２０世纪６０、７Ｏ年代的宝成铁路、成昆铁路，　到宜万铁路，桥隧相连就是设计施工的重点、难点。现在，随着高速铁路进入山岭重丘区，　桥梁隧道数量日益增多，例如湖北省宜昌至恩施、陕西省西安至汉中、在建的兰州至重庆、　设计中的西安至成都等高速公路、铁路桥隧比例均超过了５０％。桥隧相连地段一般施工场地　局促，并且线位较高，桥台布置困难，目前许多在建的铁路桥梁因场地而选择桥台进洞，甚　至选择在桥上修建棚洞，直接将相邻两隧道连接起来，即保证了隧道洞口段危岩、落石的破　坏，又能保证桥梁结构的安全。如内昆线就是由于地形原因，为防止陡崖落石，将喇叭溪棚　洞设于喇叭溪３１１｝大桥上。但在结构受力检算中，没有考虑落石的冲击、地震和列车振动在组　合作用下对结构整体的影响。成昆线老昌沟（一线天）、白熊沟、老虎嘴山谷三个工点均位于　・　１７　・　前沿动态　２０１　１年第２蝴　大渡河高山峡谷中，桥隧相连，山高谷深，采用支挡、防护网等措施均无法从根本上减轻落　石对铁路桥梁安全的威胁，且由于原桥下净空要求，无法采用一般基础的棚洞结构解决落石　防护问题。经方案比较，确定采用拱梁．棚洞组合结构进行整治。此种设计为　内首次采用，　不仅解决了危岩落石对铁路安全运营的威胁，而且保持了原有拱桥的原貌，峡符巾的廊桥为　该线增添了一道独特的风景，开创了既有铁路桥上设防落石棚洞的先河。但同样在结构受力　检算中，没有同时考虑落石的冲击、地震和列车振动对结构整体的影响．对落石的冲击只是　根据经验公式进行了检算。　由于我国隧道在高速铁路中占的比例很大，如石太线有３２座隧道，总长占线路长的５８％，　向莆线有ｌ１　５座隧道，长度占全线的５２．３９％，京福线隧道总长２８７．０６ｋｍ，占全线长的６１．５％，　两成线穿越秦岭段线路长１３５ｋｍ，而隧道就有１２７ｋｍ，比例达９４．１％，形成了隧道群，并且　桥隧相连Ｔ点比例很高。类似传统铁路　况在今后的高速铁路建设中很有可能遇到。此种　１　程结构复杂，如不考虑落石冲击、地震及列车振动的组合效应，将是十分危险的。　据不完全统计，全国铁路落石灾害点约２６２０处，影响铁路路段总长度２９４．８ｋｍ，隧道洞　口　段是其危害的重要对象之一。　以上事实说明，隧道洞口区段的落石灾害问题己到了非常突　¨的地步，需要对其进行系　统研究和提出解决办法。　目前，隧道洞口段研究多集中于洞口滑坡、洞门稳定、洞ｆ－ｊ景观设计、施　及监控量测　等方面，洞口落石研究未引起足够注意和重视。对于棚洞和明洞结构荷载类型巾指出了落石　冲击力的存在，但没有相关可靠算法，对于落石威胁区洞口布置只有大原则，而没有定量的　手段和方法．其中落石运动路径及运动特性参数计算方法，以及明洞结构、拦石堤遭受落石　冲击力计算方法长期停留在半经验半理论的水平。而且落石研究也多集ｆｆ１于路基边坡灾害上，　隧道口落石灾害、以及隧道洞口段受落石威胁下的设计、计算理论等未得到足够重视，也未　见系统研究。　与此同时，作为一种地质灾害类型，危岩落石研究相应取得了丰富的成果，集中于危岩　形成条件、稳定性分析、发育机理、落石路径计算、危岩防治技术等，己取得丰硕成果。对　隧道洞口落石问题没有涉及，棚洞或明洞仅以落石灾害的一种被动防治手段…现，尽管其己　占隧道总量的５％，但对于落石灾害地段而言，其设计和建造基本停留在经验阶段。　若能将落石研究和高速铁路隧道洞口段＿Ｔ程特点和行车特点等有机结合起来，进行系统　的运动轨迹、冲击特性及冲击力、棚洞及缓冲结构等防治技术优化设计理论研究，不仅对落　石区棚洞和嗽叭口洞门防治方案优化具有重要意义，而且对落石灾害区隧道选线、进ｆ１　方　案比选、隧道洞口与落石防治一体化设计、明洞和棚洞段落石冲击力和结构计算等方面极具　应用价值；另一方面也可推进落石灾害风险评估、落石运动学及动力学、落石防治技术等方面　的研究进展。　２国内外研究现状　对隧道洞口段的研究，主要表面在对洞口段有关危岩落石研究不够重视，或经验性处理　落石危害相关问题。基本上没有与危岩落石结合在一起。一般认为危岩落石属于边坡］　程范　畴．即使在隧道工程设计时，洞口段危岩落石的防治也是由线路专业提供设计冈。凶此，危　・　１　８　・　前沿动态　２０１　１年第２期　岩落石与隧道涮口段的研究基本上处于独立的两个研究领域。因此，从隧道洞口段危岩落石　和落石运动轨迹两方面进行研究现状的分析。　２．１隧道洞口段危岩落石研究现状　在隧道洞口落石方面，在铁路、公路行业隧道规范，如《铁路隧道设计规范》　（ＴＢ１０００３．２００５）以及《公路隧道设计规范》（ＪＴＧ　Ｄ７０．２００４）中均有类似规定：“隧道洞口　不宜设在存在崩塌、危岩落石等地段，或以明洞等方式通过。”。为避免洞口灾害，应遵循“早　进洞，晚出洞”的基本原则，铁路行业甚至基于使用经验提出了明洞结构系列标准隔。隧道　进出ＬＩ段明洞或棚洞设计以经验和荷载．结构计算方法为主，在荷载类型巾，指｝ｆ｛了落石冲击　力的存在，并将其归为偶然荷载类型，并规定“有落石危害需检算冲击力时可通过现场调查　或有关计算验证”；但均没有提供如何调查及如何计算的方法。对落石危害相关地区棚洞和明　洞的布置，也提出了一些相关的大原则，如“当有严重危石、崩塌威胁时，应予以清除或作　加固处理。为防护一般的崩塌危害，明洞拱背回填土厚度不宜小于１．５ｍ”，等等。对于具体　落石危害地段，隧道洞口相关布置与计算，由于落石灾害本身复杂性和系统研究的缺欠，未　能做进一步明确的规定。　在明洞设计方面，基本不考虑落石冲击荷载。对于隧道洞口落石问题，仅《铁路工程设　计技术手册・隧道（修订版）》给定一种半经验半理论的明洞设计落石冲击计算方法；《铁路　＿丁务技术手册・路基（修订版）》给出了同公路路基设计规范一致的拦石墙结构计算所需的落　石冲击力方法，以及落石运动路径经验计算方法，西南交通大学杨其新、关宝树教授等基于　室内试验建立了一种落石冲击力计算方法。　落石冲击特性是进行明洞、棚洞和拦挡结构设计的基础，同落石物理及几何特性、落石　动能和受冲击体特性相关。从落石冲击力计算方法来看，如前述隧道手册、路基手册和路基　规范等方法。其计算理论决定了计算所得冲击力多为平均冲击力，而且多不考虑落石的反弹　效应和重力作用，导致所得冲击力计算结果并非落石冲击过程最大冲击力，这可能也是尽管　进行了冲击荷载验算和设防，一旦明洞和棚洞等结构受落石冲击，仍然会发生变形、开裂和　破坏的原因。日本道路公团和瑞士学者基于系统落石冲击试验，建立了有关落石的冲击力计　算公式，但以上各类冲击力计算方法基本均基于自由落体形式的正碰情形，实际落石冲击过　程正碰是不多见的，另外，二者均没有考虑缓冲土层厚度不同对冲击力的影响，更没有将列　车振动和地震荷载及。以上所有问题均需在冲击力计算方法研究中予以解决，以使冲击力计　算结果符合实际。　在隧道洞口段危岩落石防治技术方面，目前仍然以半经验办理论设计为主。包括主动、　被动以及主被动联合防治技术。落石防治技术依赖于落石区识别、落石模拟与计算、落石冲　击特性等研究，故目前在经验设计的基础上，许多学者尝试在落石特性计算和模拟的基础上　进行有针对性和有依据的设计，或通过数值模拟、模型试验和现场试验等方法论证、设计和　检验各项防治技术。针对隧道洞口落石灾害还没有引起重视的现状，洞口落石防护相应更显　欠缺。尽管明洞和棚洞既是隧道进出洞常用的结构型式，也是落石区被动防护的一种结构型　式。落石防护设计和隧道洞口设计长期脱离。而且由于落石灾害风险评价、落石运动特性认　识的限制，洞口落石灾害的防治长期处在事后应急反应处置上，缺乏前瞻性，造成隧道规划　设计阶段难以充分考虑洞口段落石灾害的影响，也不可能做到落石防治和洞口一体化设计，　・　１９　・　前沿动态　２０１　１年第２期　同时也是既有明洞、棚洞等在落石冲击加载作用下破坏的原因所在。对于隧道涮口区落石防　治而言，需要在落石特性研究的基础上，结合隧道洞口特点，提出系统的防治理论和技术　体系。　２．２落石运动轨迹研究现状　落石运动轨迹是落石研究的重点和难点，也是落石防治设计的基础，主要需要确定的参　数包括运动路径、弹跳高度、运动速度和动能等。确定方法主要有历史落石调查、现场试验　和落石运动计算与模拟等。我国目前还停留在依靠落石历史调查来确定威胁区的阶段，同外　通行的也是一些经验方法，如Ｈｕｎｇｒ（１９８８）等南崩积边坡调查提出的落石灾害威胁区范　围；Ａｚｚｏｎｉ等（１９９５）由现场试验取得的落石威胁区范同，提出单一斜坡下落石横向运动范围　为坡长的１０％。近来，Ｍ．Ｊａｂｏｙｅｄｏｆｆ等运用Ｇ｜Ｓ和岩堆特征预测落石威胁区域。Ｆ．Ｇｕｚｚｅｔｔｉ　等运用ＳＴＯＮＥ模拟软件和数字高程系统，结合ＧＩＳ对美国ＪＪＭ，￣ｌ　Ｙｏｓｅｍｉｔｅ山谷落石灾害威胁　区域进行了三维模拟。　落石运动路径计算常用方法包括经验方法、实验方法和落石计算。经验分析如Ｒｉｔｃｈｉｅ　提出的岩石边坡落石运动形态与坡度的关系图。包括其改进型目前仍然是欧美国家在进行　落石槽、拦石结构设计的重要依据。实验方法包括现场试验和模型试验两类。模型试验一　般运用各种模型材料及方案设计，探讨坡脚、入射角、坡面材料、落距等落石行为的影响　因素，可大批次试验并进行统计分析和参数研究，做实际工程的模拟目前还有困难。现场　实验则是确定运动轨迹的最好方法，但往往不具备实验条件或花费太大，通常做少量试验　验证计算模式的有效性，或结合防治＿Ｔ程进行实际检验，不仅少而且鲜有试验数据发表。　落石计算又包括数学模式和数值模拟模式两种。数学模式又可分为质点模式和刚体模　式，质点模型大致将落石看作质点，而忽略其形状及尺寸影响，可处理自由落体、弹跳、　滚动及滑动四种运动模式，目前大多落石计算方法属于此类，包括我国自苏联引进的Ｈ＿Ｍ．　罗依尼什维里半经验半理论公式，以及类似或其众多的改进型。刚体模式可模拟实际落石　形态，但为计算简化起见常简化为圆球，大多也仅能计算自由落体和弹跳两种运动模式。　理论基础为牛顿第二定律和块体同刚性面碰撞理论，对滚动和滑动模式，通常以滚动摩系　数和滑动摩擦系数来计算；对弹跳模式通常以切向、法向和动能恢复系数的ｌ一３个系数来进　行理论计算的修正。这些方法是目前使用最广泛的计算办法，多为二维模型。小于模拟解　体和碰撞的需要，出现了一些数值分析方法，如Ｃｕｎｄａｌｌ所创的离散元法（ＤＥＭ），石根华　于ｌ９８８年推出的不连续变形法用，也取得了一些成果。　（ＤＤＡ），以及它们的修正等己用于落石分析。近年还“　现了一些基于ＧＩＳ的落石模型，通常需要结合数字高程系统、或结合前述经验分析方法运　从以上分析可知，虽然落石运动轨迹研究取得了较大成就，但没有考虑高速列车运行中　振动及地震荷载对落石运动轨迹的影响．没有研究高速铁路隧道洞口形式，当采用具有缓冲　功能的嗽叭口洞门时，当有落石运动到洞门顶后，洞门形状对其运动轨迹如何影响是一卜分关　键的细节。　对目前高速铁路隧道｛同口段危岩落石研究存在以下问题：　（１）落石运动轨迹研究中，没有考虑高速铁路隧道洞门形式的影响，这对高速铁路防治　异物侵入是十分关键的问题；　・　２０　・　前沿动态　２０１　１年第２期　（２）危岩在自然条件和列车振动及地震荷载影响下发生的破坏过程及发生破坏后落石　的运动轨迹没有相关研究，而列车振动及地震荷载是高速铁路隧道必需要考虑的因素；　（３）对于桥上修建棚洞等特殊被动防护结构的落石影响没有进行足够深入的研究。　基于ＴＲＩＺ的知识链组织问冲突解决方法研究　杨红燕　１　研究意义　任何领域中都涉及到管理，管理的过程中会出现很多矛盾和冲突，如何解决这些矛盾和　冲突呢？仅仅依靠一些传统的方法或者凭借管理者本身的经验往往显得捉襟见肘。如果能够　找寻到一种解决管理问题背后的规律，那么不仅是理论上的一种重大突破，更是生产、生活　（公管学院）　上的重大突破，同时提高了管理的有效性，缩短了管理的时间，是经济、社会发展的一个重　要环节。　２国内外研究现状　从国内外的文献综述看，ＴＲＩＺ在商业管理领域中应用的研究无论是内容的研究还是方法　的研究都非常分散，没有形成系统的研究和系统的研究方法。研究内容主要集中在参数的确　定，４０条原理的解释，解决问题的流程以及案例应用分析。在参数确定方面，ＡＭＫＩＴ　Ａｇｇａｒｗａｌ，ＳＵＮＤＥＥＰ　Ｋｕｍａｒ，ＴＵＨＩＮＡ　Ｓｉｋｏｒ．指出ＴＲＩＺ的３９个技术参数虽然基于专利提出　的，但是对于管理问题同样可以使用，具有对应性。　ＴＡＫＥＭＵＲＡ　Ｍａｓａｙａ．在ＴＲｌＺ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｉｎ　Ａｉｒｌｉｎｅｓ　Ａｉｒｐｏｒｔ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ这篇　文章中介绍了在某航空公司在利用ＴＲＩＺ的过程中，在３９个技术参数中只选取１９个技术参　数作为事故预防问题的工程参数。　ＭＡＮＮ　Ｄａｒｒｅｌｌ在分析几百个双赢公司的基础上，提Ⅲ了　３１个工程参数，形成双赢企业环境下的冲突矩阵。在４０条原理的解释方面，主要是利用各　个行业中解决矛盾的技巧以及经验来诠释现有的４０条原理。这个方面研究的文献相对于　ＴＲＩＺ在商业管理领域中的应用的其他方面的研究比较多，但是由于商业管理领域比较宽泛，　所以集中在某个具体领域中的研究又显得比较少，这些领域包括大规模定制、市场、销售、　广告、服务，金融，供应链等。　在案例应用分析方面，Ｒｅｚａ　Ｍｏｖａｒｒｅｉ　Ｓａｒａ　Ｒｅｚａｅｅ　Ｖｅｓｓａｌ在ＴＲＩＺ在石化项目的供应链　管理中的应用一文中以石油化工产业中的一个大公司为例，探讨供应链中所利用的解决问题　的技巧与４０条发明原理的对应性。认为要把供应链的解决技巧同原理对应是件很困难的事　情。并且指出４０条原理用于商业中还不够成熟，因为案例有限，而４０条原理是从２５０万专　利中总结出来的。在效应方面，２００９年Ｈｏｎｇｙｕｌ　Ｙｏｏｎ指出在经典ＴＲＩＺ理论中有效应库，是　物理、化学等效应的集合。　作者简介：杨红燕。女．讲师。　・　２１　・