山區(qū)礦山公路隧道洞口選線研究

黃俊彰,周 群

(廣西路橋集團勘察設(shè)計有限公司,廣西 南寧 530201)

0 引言

廣西地處我國地勢第二臺階中的云貴高原邊緣,境內(nèi)喀斯特地貌廣布,約占土地總面積的37.8%,發(fā)育類型之多世界少見。然而,近年來隨著廣西基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快,山區(qū)隧道的建設(shè)也越來越多,其面臨的地形、地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜,山區(qū)公路隧道選線難度也越來越大[1-4]。

如何在復(fù)雜地形地質(zhì)條件下設(shè)計出一條平縱橫斷安全、經(jīng)濟合理的公路隧道路線,其最關(guān)鍵的問題是隧道洞口位置的選擇及其線形設(shè)計[5-6]。尤其是礦山公路,其道路等級一般較低,存在坡陡彎急、坡度大、半徑小、視距不足的問題,而車輛負載一般較大,若隧道洞口位置的選擇及其線形設(shè)計不合理,不僅直接關(guān)系到公路工程造價,而且易導(dǎo)致施工期間的坍塌、開裂,以及運營期間交通安全事故的發(fā)生。

本文以河池市金城江區(qū)東江鎮(zhèn)后言拉灘建筑石料用灰?guī)r礦隧道工程為工程背景,通過實際工程,對山區(qū)公路隧道洞口選擇及隧道線形設(shè)計進行深入探討,并在背景工程中進行實際應(yīng)用,探索山區(qū)礦山公路隧道選線思路,總結(jié)實際工程應(yīng)用經(jīng)驗,為類似礦山公路隧道洞口選線提供一定的參考。

1 工程概況

河池市金城江區(qū)東江鎮(zhèn)后言拉灘建筑石料用灰?guī)r礦隧道工程位于河池市金城江區(qū)東江鎮(zhèn)后言拉灘石灰?guī)r采石場,為采石場內(nèi)部專用隧道,日常出入車輛為施工或貨運車輛,交通量相對較少,但車輛載重均較大,易發(fā)生交通安全事故。

項目隧道下穿石灰?guī)r嶺坡,隧道進口樁號為K0+670,設(shè)計高程為244.33 m,出口樁號終點為K1+780,設(shè)計高程為264.31 m,隧道長1 110 m,最大埋深為202.88 m,為單拱長隧道(見圖1)。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,隧址走廊帶內(nèi)地層主要為新生代的第四系沖洪積(Q4al+pl)碎塊石、殘積坡(Q4el+dl)黏土或碎塊石夾黏土;二疊系下統(tǒng)棲霞階(P1q)以灰黑、灰色致密灰?guī)r、細晶灰?guī)r為主,中上部夾少量含燧石團塊灰?guī)r;局部地段夾一層白云質(zhì)灰?guī)r薄層。底部以灰黑色不純灰?guī)r(稍含泥質(zhì),打擊具硫化氫臭味)與石炭系上統(tǒng)淺色灰?guī)r分界。

經(jīng)分析,項目路線區(qū)域內(nèi)巖層趨于穩(wěn)定,后期地質(zhì)運動對該區(qū)域影響較小,沒有區(qū)域性大褶皺和大斷層,現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查也未發(fā)現(xiàn)斷層出露,路線帶內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較好,適宜工程建設(shè)。

2 山區(qū)公路隧道洞口選線原則分析

2.1 隧道洞口選擇原則

公路隧道洞口的選擇是隧道選線最復(fù)雜也是最重要的環(huán)節(jié),尤其在洞口邊仰坡設(shè)計與施工中,穩(wěn)定性是最為關(guān)鍵的先決條件,根據(jù)實際工程經(jīng)驗,影響洞口位置選擇的最主要因素是洞口、周邊的地形地貌以及復(fù)雜的地質(zhì)條件,一般需遵循“早進洞、晚出洞”基本原則,具體如下:

(1)隧道洞口在選擇時,應(yīng)充分考慮洞口附近的地形地貌,其中線與等高線的關(guān)系以相互垂直為最優(yōu),但當?shù)匦螚l件受限時,應(yīng)進行多位置比較,中線與等高線斜交角度越大越好,嚴禁中線與等高線平行進洞的現(xiàn)象發(fā)生。

(2)在選擇隧道洞口時,應(yīng)充分考慮洞口附近的地質(zhì)條件,綜合對比,選擇地質(zhì)相對穩(wěn)定的區(qū)域進行設(shè)計,盡最大可能避免或減少洞口路段出現(xiàn)嚴重偏壓的問題;當遇到溝谷或山凹的地形,洞口位置應(yīng)盡可能地避開這些地表水及地下水易匯集且地質(zhì)構(gòu)造破碎的地方,選擇在山坡附近的位置進洞。

(3)在選擇隧道洞口時,對于周邊地質(zhì)條件均相對較差,巖層層面相對不穩(wěn)定的,出于安全考慮,宜早進洞,避免洞口在開挖后出現(xiàn)順層滑動、坍塌等事故。

此外,洞口位置應(yīng)盡量與周圍環(huán)境相融合,與隧道前后構(gòu)造物相適應(yīng),更重要的是,在洞口施工期間可能需要爆破作業(yè),應(yīng)考慮洞口離周邊居民房屋的安全距離,不能對周邊居民生活造成影響。

2.2 隧道洞口平面線形設(shè)計原則

隧道洞口平面線形主要按以下原則進行路線平面線形設(shè)計[7-8]:

(1)對于3 s的設(shè)計速度行程長度(包括隧道洞口內(nèi)外),應(yīng)注重其平面線形設(shè)計,這一范圍內(nèi)的平面線形不應(yīng)發(fā)生改變,且對于曲率不斷變化的緩和曲線,其平面線形應(yīng)認為發(fā)生了改變。

(2)對于平縱線形指標較高的洞口路線段,當洞口段線形縱斷面最大縱坡<2%,或行車視距是停車視距限值兩倍多,應(yīng)重視平面線形調(diào)整,保證隧道洞口內(nèi)外平面線形連接的順暢。

(3)對于特殊路段,若工程規(guī)模在路線調(diào)整后變大很大,從經(jīng)濟與安全角度出發(fā),為保證隧道洞口內(nèi)外平面線形連接的順暢,可考慮采用緩和曲線與圓曲線組合或直接采用緩和曲線進行設(shè)計。

(4)對于隧道洞口有較大縱坡需要進行設(shè)置時,為保證安全,平曲線半徑不宜設(shè)置過小。

此外,隧道洞口內(nèi)外在誘導(dǎo)和光過渡等方面應(yīng)采取足夠的安全措施,設(shè)置誘導(dǎo)及安全標志,確保運營期的行車安全。

2.3 隧道洞口縱斷面線形設(shè)計原則

隧道洞口縱斷面線形設(shè)計也是隧道洞口選線必不可少的內(nèi)容,應(yīng)遵循以下基本原則:

(1)對于隧道洞口縱斷面線形設(shè)計,應(yīng)從洞口前后縱斷面線形,綜合考慮礦山公路隧道排水、通風、施工出渣、材料運輸?shù)纫蟆?/p>

(2))對于隧道洞口縱斷面線形設(shè)計,一般宜采用單向坡,最小應(yīng)≥0.3%,中短隧道宜≤3%(特長、長隧道宜≤2.5%)。

(3)對于地形及地質(zhì)條件復(fù)雜的中短隧道,在采用措施將隧道行車安全性提高后,最大縱坡限值可按4%考慮,特殊情況下,通過詳細的技術(shù)與經(jīng)濟論證后,可放大至5%。

3 山區(qū)公路隧道洞口選線工程實踐

3.1 隧道進洞口位置選擇

背景工程隧道進洞口位于礦山道路第3個彎道上,礦山原有道路圓曲線半徑小,僅為8 m,平均縱坡為14.5%,原舊路與等高線夾角較小,受地形限制,路線采取對原舊路進行改造設(shè)計,按四級公路標準建設(shè),路基寬度為8.5 m,設(shè)計速度為20 km/h的方案。

進口段由于原礦山公路建設(shè),破壞了原有地形地貌,形成了高仰坡,為避免高仰坡的不利影響,隧道進洞口采用明洞設(shè)計,提前進洞,同時做好洞口開挖、排水及防護措施(圖2)。

圖2 隧道進洞口路線平面圖

此外,隧道進口段位于水泥路拐彎處,原山體地表坡度為25°～35°,呈近直立陡坡,較完整灰?guī)r③2層基巖裸露,目前坡體現(xiàn)狀基本穩(wěn)定,巖層產(chǎn)狀CZ為171°∠48°,主要發(fā)育有節(jié)理J1為140°∠71°,0.5條/m;節(jié)理J2為253°∠67°,1條/m;節(jié)理J3為313°∠57°,1條/m。初擬進口端仰坡Py邊坡開挖坡率1∶0.5(63°),主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及洞口各坡體關(guān)系見圖3。根據(jù)結(jié)構(gòu)面分析,進口端仰坡Py有一順向節(jié)理J2,左側(cè)有一順向貫穿連貫的節(jié)理J1,右側(cè)有順向節(jié)理J3,各側(cè)均有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面,但節(jié)理J2、J3非貫穿坡體的結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面間鈣質(zhì)膠結(jié),對邊坡穩(wěn)定性影響不大;節(jié)理J1傾角大于左側(cè)擬開挖邊坡坡角。因此,經(jīng)綜合判斷,洞口位置仰坡、左右側(cè)邊坡均為較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)邊坡,進洞口位置選擇較好。

圖3 隧道進洞口結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及各坡體關(guān)系圖

3.2 隧道進洞口洞門及防護設(shè)計

根據(jù)地形地質(zhì)情況,背景工程隧道進洞口洞門形式采用削竹式接明洞,以減少對洞口邊坡的擾動和破壞。

此外,進洞口邊坡上部表層有厚1～2.5 m的碎塊石層,沿路堆填,結(jié)構(gòu)松散,部分裸露的巖體受節(jié)理、裂隙切割影響,考慮到開挖洞口邊坡時局部會產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象,易致滑塌垮落,成洞性能差,因此,設(shè)計時考慮先進行刷坡,洞口仰坡及兩側(cè)邊坡均采取掛網(wǎng)噴射混凝土等防護措施。

3.3 隧道出洞口位置選擇

背景工程隧道出洞口位于礦山南面山坡平臺附近,洞口路線與等高線接近垂直。由于出口位于沖溝附近,設(shè)計中對沖溝進行改移,進行排水防護(圖4)。

圖4 隧道出洞口路線平面圖

此外,隧道出口段位于山體向洼地過度的緩坡地帶,地表坡度為5°～20°,洞口兩側(cè)為沖溝,地表上覆蓋碎塊石層,厚度為2～5 m,部分溝底有較破碎的灰?guī)r零星出露。巖層產(chǎn)狀CZ為104°∠50°,主要發(fā)育有節(jié)理J1為25°∠71°,1條/m;節(jié)理J2為197°∠76°,1條/m;節(jié)理J3為304°∠27°,1條/m。初擬出口仰坡P邊坡開挖坡率為1∶0.5(63°),主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及洞口各坡體關(guān)系見圖5。根據(jù)結(jié)構(gòu)面分析,各側(cè)均有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面,但對邊坡穩(wěn)定性影響不大,出洞口位置選擇相對較好。

圖5 隧道出洞口結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及各坡體關(guān)系圖

3.4 隧道出洞口洞門及防護設(shè)計

根據(jù)地形地質(zhì)情況,背景工程隧道出洞口洞門形式采用端墻式,為保證出洞口邊坡安全,邊坡開挖坡率采用1∶0.5～1∶0.75。

此外,由于洞口邊坡表層為厚2～5 m的碎塊石層,結(jié)構(gòu)松散,但總體各側(cè)邊坡開挖最大高度約為12 m,高度不大,因此,設(shè)計時考慮先進行刷坡,洞口仰坡及兩側(cè)邊坡均采取了掛網(wǎng)噴射混凝土等防護措施。

3.5 隧道洞口線形設(shè)計

背景工程隧道路線全部位于直線段上,設(shè)計速度為20 km/h,3 s設(shè)計速度行程距離為16.68 m。隧道進洞口距離前交點HZ點的距離為31.49 m,洞口內(nèi)外線形在3 s設(shè)計速度行程距離范圍內(nèi)線形一致(圖6)。

圖6 進洞口平面線形圖

此外,出洞口內(nèi)外線形在3 s設(shè)計速度行程距離范圍內(nèi)線形也一致,也滿足規(guī)范設(shè)計要求(圖7)。

圖7 出洞口平面線形圖

縱斷面設(shè)計上,隧道內(nèi)縱坡采用1.8%,滿足規(guī)范對長隧道最大縱坡控制在2.5%以下的要求,洞口縱斷面則保持洞內(nèi)外線形一致,洞口距離前變坡點豎曲線設(shè)計終點39.2 m,滿足隧道洞口內(nèi)外3 s設(shè)計速度行程范圍內(nèi)的縱斷面線形一致的要求,且大于5 s設(shè)計速度行程距離,縱斷面總體設(shè)計較好(圖8)。

圖8 洞口縱斷面線形圖

4 結(jié)語

山區(qū)礦山公路隧道路線最關(guān)鍵的問題是隧道洞口位置的選擇及其線形設(shè)計,直接影響到公路工程造價與后期施工及運營的安全。因此,在山區(qū)進行礦山公路隧道設(shè)計時,應(yīng)深入研究隧道洞口選擇和隧道線形設(shè)計,注重地形地質(zhì)情況,注重自然環(huán)境保護和地質(zhì)地災(zāi)防護,注重隧道施工和運營的安全。