山區(qū)鐵路隧道洞口綜合防護技術(shù)研究

趙錄學(xué)

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司蘭州鐵道設(shè)計院,蘭州 730000)

由于我國地形地貌特征復(fù)雜,山地、高原和丘陵約占陸地面積的67%,隨著鐵路建設(shè)的高速發(fā)展,對鐵路的線形要求更加嚴格,造成鐵路隧道的數(shù)量日益增多,部分長大干線的隧線比超過了50%,在建的蘭渝鐵路、天平鐵路隧線比甚至高達70%。受線路條件的限制,部分隧道洞口難免存在邊仰坡高陡,坡面破碎的現(xiàn)狀。傳統(tǒng)的做法是洞口邊、仰坡按照一定的穩(wěn)定坡率進行刷坡、防護,或者采用洞口接長明洞的方法予以解決[1]。但這些措施普遍存在投資大、施工難、風(fēng)險大以及與洞口橋梁等其他工程相互干擾的諸多問題,最為主要的是嚴重破壞了原生植被。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們對環(huán)境問題的日益重視,隧道洞口的環(huán)保設(shè)計逐漸成為隧道設(shè)計的不可或缺的一部分,要求洞口邊仰坡設(shè)計采取綜合處理措施,既要確保線路運營的安全、又要符合環(huán)保要求、節(jié)約投資、便于施工。

1 工程概況

1.1 隧道概況

六盤山隧道、關(guān)山隧道為天平鐵路第一、第二長隧道。其中六盤山特長隧道全長16 719 m,穿越甘肅省平?jīng)鍪辛P山山脈；關(guān)山特長隧道全長15 634 m,位于甘肅省天水市與平?jīng)鍪薪唤绲囟蔚年P(guān)山中山山區(qū)。六盤山隧道進口距關(guān)山隧道出口僅39 m,兩隧道之間為1跨18 m的剛構(gòu)橋。兩座隧道除相鄰洞口段各576、550 m為蓮花臺車站雙線斷面外,其余均為單線隧道。六盤山隧道進口、關(guān)山隧道出口均位于華亭縣麻庵鄉(xiāng)三角城左側(cè)后河峽谷內(nèi),洞口距華亭縣城公路約30 km,其中縣城至麻庵鄉(xiāng)段通有盤山鄉(xiāng)村便道,但路窄、坡陡、彎道多,遇雨則車輛難以通行,交通條件較差；麻庵鄉(xiāng)至隧道洞口段為山間峽谷地帶,僅能步行到達。隧道洞口路肩高程1 667.50 m。

圖1 六盤山隧道進口、關(guān)山隧道出口段縱斷面(單位：cm)

1.2 洞口條件(圖1～圖3)

六盤山隧道進口及關(guān)山隧道出口地層主要為白堊系砂、泥巖,巖體層理、節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀變化較大。洞口處溝谷切割較深,六盤山隧道進口側(cè)形成高約100 m的陡坎,基巖裸露,受卸荷裂隙、節(jié)理及層理的影響,巖體破碎,在陡坎底部有崩塌塊石堆積,陡坎壁危巖、落石發(fā)育,對隧道洞口影響較大。關(guān)山隧道出口仰坡坡面陡峭(約50°),巖體較風(fēng)化,節(jié)理裂隙發(fā)育,地表有坡積層覆蓋,表面被樹木覆蓋,樹木根基鉆入基巖縫隙內(nèi),局部層理產(chǎn)狀有順層現(xiàn)象[4]。兩端洞口僅采用普通的斜切式洞門及常規(guī)的刷坡+噴錨防護措施難以滿足線路及車站的安全運營,也會對當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境造成了難以恢復(fù)的惡劣影響。

圖2 六盤山隧道進口

圖3 關(guān)山隧道出口

2 洞口段防護方案設(shè)計思路

所有的工程措施都以服務(wù)于線路運營為目的。因此,六盤山隧道及關(guān)山隧道洞口的防護方案首先要滿足線路及所屬車站的長期運營需要,確保運營安全。具體措施制定時要重視環(huán)境,盡量減少施工作業(yè)對原始山體和植被的破壞,同時兼顧方案的經(jīng)濟性和施工安全性、方便性,遵循“先清后固、坡面柔性防護為主、隧道結(jié)構(gòu)防護為輔,重視環(huán)保及景觀要求,滿足安全、方便施工、節(jié)約投資”的設(shè)計原則,具體考慮如下因素。

(1)洞口段安全防護措施分邊仰坡防護、線路自身結(jié)構(gòu)防護兩部分考慮,以邊仰坡防護為主,線路自身結(jié)構(gòu)防護為輔。

(2)所有防護措施要簡單易行,便于施工,經(jīng)濟實用。

(3)邊坡防護措施要盡量減少對原始山體及植被的破壞,線路自身防護結(jié)構(gòu)形式及色彩與當(dāng)?shù)丨h(huán)境融為一體,美觀大方。

(4)線路自身防護結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空須滿足車輛通行及車站使用的相關(guān)要求。

(5)線路自身防護結(jié)構(gòu)緊靠仰坡段強度滿足抵御大粒徑落石的要求,其余段結(jié)構(gòu)強度滿足抵御邊坡小粒徑落石、風(fēng)荷載、雪荷載的綜合要求[2]。

(6)兩特長隧道相鄰洞口段線路自身防護結(jié)構(gòu)須滿足隧道通風(fēng)要求,結(jié)構(gòu)鏤空面積滿足隧道通風(fēng)需要。

(7)線路自身防護結(jié)構(gòu)方案選擇除考慮自身的造價因素外,還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重對橋梁工程的影響。

3 防護措施設(shè)計

3.1 邊坡防護措施

(1)關(guān)山隧道出口邊仰坡：邊仰坡地表覆蓋坡積層,植被良好,多為高大樹木,邊坡自身穩(wěn)固,設(shè)計僅對對仰坡上方亂石進行人工清理,對施工開挖損壞部分設(shè)置骨架護坡(圖4),坡面種植當(dāng)?shù)卦胁萜ひ曰謴?fù)植被。

(2)六盤山隧道進口邊仰坡：仰坡為高約100 m的陡坎,巖體破碎,危巖、落石發(fā)育,對洞口影響較大,須綜合考慮,采取多種措施綜合處理,確保邊坡整體穩(wěn)定,具體措施如下。

①清理危石：對洞口仰坡上方危石進行人工清理。

②噴錨防護：對洞口兩側(cè)各10 m范圍內(nèi)巖體裸露、無植被覆蓋的仰坡進行噴錨防護,具體參數(shù)為：C25噴混凝土厚25 cm,φ8 mm鋼筋網(wǎng)間距20 cm×20 cm,錨桿為φ25 mm自進式錨桿,長度3 m,間距1.2 m×1.2 m。

③設(shè)置主動防護網(wǎng)(圖5)：對洞口兩側(cè)各10 m、巖體特別破碎、高約40 m的仰坡設(shè)置主動防護網(wǎng)。防護采用GTC-65A防護網(wǎng),網(wǎng)型為高強度鋼絲格柵,滿足100年的防腐壽命要求。

其他病毒感染：確診或疑似皰疹病毒或水痘-帶狀皰疹病毒感染導(dǎo)致急性肝衰竭的患者，應(yīng)使用阿昔洛韋（5～10 mg/kg，1次/8 h，靜脈滴注）治療，且危重者可考慮進行肝移植（Ⅲ）。

④設(shè)置被動防護網(wǎng)(圖5)：洞口仰坡設(shè)置2道被動防護網(wǎng),設(shè)置寬度為洞口兩側(cè)各10 m,高度4 m。防護采用RXI-150防護網(wǎng),網(wǎng)型為R12/3/300,能攔截能量為1 500 kJ以內(nèi)的落石。

圖4 骨架護坡設(shè)置方式

圖5 主、被動防護網(wǎng)設(shè)置方式

圖7 防護結(jié)構(gòu)縱斷面(單位：cm)

3.2 隧道洞口線路自身防護措施

(1)洞口段適當(dāng)接長明洞,明洞頂設(shè)置緩沖措施

隧道洞口適當(dāng)接長明洞,明洞頂設(shè)置緩沖層,以防御仰坡掉落的大粒徑石塊。根據(jù)仰坡的坡率陡緩及巖體破碎程度,確定六盤山隧道進口段接長明洞6 m,關(guān)山隧道出口端接長明洞2 m,明洞襯砌采用80 cm厚C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),翼墻為C25混凝土結(jié)構(gòu),與明洞整體澆筑,洞頂緩沖層為1 m厚的砂層,具體斷面形式見圖6[5]。

圖6 明洞段設(shè)置緩沖層斷面(單位：cm)

(2)其余明線段設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)柔性防護措施

部分小粒徑落石掉落位置可能距隧道洞口較遠,因此,六盤山隧道進口至關(guān)山隧道出口間線路自身均需設(shè)置必要的防護結(jié)構(gòu)。防護結(jié)構(gòu)的選用除考慮滿足防護功能的基礎(chǔ)條件外,還綜合考慮材料的耐久性、經(jīng)濟性、景觀效果、施工簡易程度等因素,對混凝土結(jié)構(gòu)、全斷面鋼結(jié)構(gòu)、拱橋式鋼結(jié)構(gòu)進行了深入比較,由于雙跨拱橋式鋼結(jié)構(gòu)+柔性結(jié)構(gòu)方案在結(jié)構(gòu)安全性、造價、對相鄰工程的影響及與環(huán)境協(xié)調(diào)性方面有優(yōu)勢,最終被推薦采用[3]。雙跨拱橋式鋼結(jié)構(gòu)+柔性結(jié)構(gòu)方案邊墻采用拱形雙跨鋼結(jié)構(gòu),以H400+H250型鋼為主體結(jié)構(gòu)；上部結(jié)構(gòu)采用鋼拱架+鋼絞線+端頭索具+消能器+環(huán)形網(wǎng)+格柵網(wǎng)+落石防護板+支座,防護結(jié)構(gòu)縱斷面及三維視圖見圖7、圖8[5]。

拱形鋼架橫斷面與隧道斷面基本吻合,鋼拱架上連接直徑為18 mm、間距不大于300 mm的鋼絞線作為主要的吸能部件,每根鋼絞線的兩端分別連接消能器,鋼拱架外側(cè)設(shè)R×I～250環(huán)形網(wǎng)與網(wǎng)孔尺寸為50 mm×60 mm的雙絞六邊形格柵網(wǎng),在線路頂部的鋼拱架底部焊接δ=2 mm鋼板,避免小粒徑落石入侵線路。防護結(jié)構(gòu)計算采用有限元分析程序MIDAS/civil10.0進行分析計算,柔性防護結(jié)構(gòu)的防護能量可達100 kJ,相當(dāng)于質(zhì)量為250 kg(粒徑約為0.5 m的石塊)的落石從40 m高空自由落下。

圖8 明線段防護結(jié)構(gòu)三維視圖

(3)明線段防護結(jié)構(gòu)防腐及結(jié)構(gòu)維護

②明線段防護結(jié)構(gòu)其余部件采用熱鍍鋅防腐,熱鍍鋅符合GB/T 13912標準中AB級規(guī)定。

③須定期對防護結(jié)構(gòu)進行檢查,及時更換被落石砸壞或者被銹蝕的構(gòu)件。

④明線段防護結(jié)構(gòu)采用的防腐措施理論防腐年限可達30～50年,建議每隔15～25年根據(jù)實際情況重新進行防腐處理。

4 結(jié)語

在隧道設(shè)計過程中,應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)、地形條件,結(jié)合隧道自身及相鄰橋涵等工程實際情況,有針對性的進行隧道洞口及邊仰坡防護結(jié)構(gòu)設(shè)計,堅決貫徹“早進晚出”的基本原則,以坡面防護為主、線路自身結(jié)構(gòu)防護為輔,確保隧道洞口安全穩(wěn)定,同時做到“經(jīng)濟合理、環(huán)保美觀,便于施工”。

參考文獻：

[1] 吳榮鋒.隧道洞口施工技術(shù)[J]. 鐵道工程學(xué)報,2008(11)：57-61.

[2] 張中儉,張路青.滾石災(zāi)害防治方法淺析[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2007,15(5):712-717.

[3] 王正國.柔性防護系統(tǒng)在蘭山西幫邊坡滾石治理中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2002,10(增刊):332-335.

[4] 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司蘭州鐵道設(shè)計院.六盤山特長隧道、關(guān)山特長隧道定測地質(zhì)勘查報告[R].蘭州：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司蘭州鐵道設(shè)計院,2009.

[5] 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司蘭州鐵道設(shè)計院.六盤山特長隧道、關(guān)山特長隧道施工圖[Z].蘭州：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司蘭州鐵道設(shè)計院,2009.