高速公路隧道綠色環(huán)保洞口設(shè)計

楊克棟，王宏宇

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

0 引言

隧道是公路在山嶺地區(qū)克服高差影響、縮短行程、提高車速、節(jié)約土地、減少對地表植被破壞、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和避免因開挖過多造成危害程度大而設(shè)置的構(gòu)造物。近年來,隨著我國公路事業(yè)的飛速發(fā)展,山嶺重丘區(qū)的高速公路建設(shè)越來越多,公路隧道的數(shù)量和長度都實現(xiàn)了巨大的跨越,在建造技術(shù)、質(zhì)量控制和服務(wù)水平上都取得很大的進(jìn)步[1-2]。

隨著隧道數(shù)量的增多,隧道修建的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,洞口地形差異性也越來越大,隧道建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出。在這種形勢下,隧道建設(shè)如何落實好綠色公路建設(shè)理念,處理好建設(shè)與自然的關(guān)系,盡可能保護(hù)好自然環(huán)境,作為隧道設(shè)計重要組成部分的洞口設(shè)計就變得尤為重要。本文從隧道洞口的設(shè)計原則、洞口位置的選擇、洞口段進(jìn)洞方式、洞口段施工和洞門型式的設(shè)置原則等方面進(jìn)行了論述,以隧道洞口實際工程為依托,提出了隧道綠色環(huán)保洞口設(shè)計方法,達(dá)到了降低公路隧道洞口對環(huán)境的破壞,實現(xiàn)洞口與周邊環(huán)境的和諧統(tǒng)一。

1 隧道洞口的設(shè)計原則

隧道洞口設(shè)計應(yīng)遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則,綜合考慮地形、地貌、洞口地質(zhì)條件及附近建筑物和周邊自然環(huán)境等因素,在確保安全穩(wěn)定的前提下,盡可能實現(xiàn)仰坡“少開挖”甚至“零開挖”,減少對洞口自然生態(tài)的破壞,保護(hù)和利用好洞口生態(tài)環(huán)境。

2 隧道洞口設(shè)計的主要內(nèi)容

隧道洞口設(shè)計主要包括洞口位置的選擇,洞口段進(jìn)洞,洞口段施工,洞門型式的設(shè)置。

2.1 隧道洞口位置的選擇

1)隧道洞口位置應(yīng)盡量避免選擇在不良地質(zhì)段,根據(jù)洞口地形、地貌、地物、地質(zhì)條件,并綜合考慮施工條件、洞外相關(guān)工程及營運要求等因素后確定。

2)隧道洞口位置應(yīng)遵循“早進(jìn)洞,晚出洞”的原則,在確保安全穩(wěn)定的前提下,盡可能實現(xiàn)仰坡“少開挖”甚至“零開挖”,減少對洞口自然生態(tài)的破壞,保護(hù)和利用好洞口生態(tài)環(huán)境。

3)洞口軸線宜與地形等高線正交或接近正交,當(dāng)不能滿足上述要求時,要盡量以大角度斜交進(jìn)洞。

4)洞口軸線與地形等高線斜交角度較小,且靠山一側(cè)邊坡較高時,宜采用半明半暗進(jìn)洞、斜交進(jìn)洞的方式,以延長暗洞,降低邊仰坡。

5)當(dāng)洞口從懸崖峭壁下方通過時,如崖壁穩(wěn)定,可采用直接進(jìn)洞。若存在坍塌或落石可能時,應(yīng)將明洞延長至影響范圍以外3 m～5 m,并采取一定的防護(hù)措施,確保施工、運營安全。

6)隧道洞口位置不宜設(shè)在溝谷的中心或排水困難的溝底低洼處,應(yīng)盡量設(shè)在地質(zhì)穩(wěn)定的山坡上,并結(jié)合洞口地形、洞口開挖和防護(hù)做好洞口的防水和排水措施。

7)當(dāng)洞口存在不得穿越的不良地質(zhì)體時,應(yīng)遵循“避重就輕、趨利避害”的原則,進(jìn)行多方案綜合分析和比選,制定有針對性的工程處治方案和預(yù)案。

8)在橋隧相連的情況下,應(yīng)加強橋隧間的協(xié)同設(shè)計,根據(jù)地形、地質(zhì)情況合理選擇橋隧連接形式,確定合理的隧道洞口位置,盡可能避免橋隧施工時的相互干擾[3-5]。

2.2 隧道洞口段進(jìn)洞

隧道洞口段一般是隧道地形、地質(zhì)條件最為復(fù)雜的一段,一般風(fēng)化嚴(yán)重,地質(zhì)條件差,往往會遇到坡積體、淺埋偏壓、軟弱圍巖、陡坡進(jìn)洞等問題,且地表水容易匯集。隧道開挖斷面大,結(jié)構(gòu)扁平,受力條件不好,如果施工方法、輔助施工措施及支護(hù)襯砌參數(shù)選擇不合理,施工時很容易造成局部圍巖的坍塌,而且圍巖的破壞還可能從局部開始逐漸擴展,造成隧道洞內(nèi)塌方,地表塌陷等重大的安全事故,造成嚴(yán)重的后果。在設(shè)計中應(yīng)結(jié)合地形地質(zhì)狀況,采取超前大管棚、半明半暗施工、設(shè)置護(hù)拱反壓回填、地表注漿等工程措施來處理,并做好邊仰坡防護(hù)和洞口排水系統(tǒng),降低施工風(fēng)險,確保洞口安全。

1)隧道洞口段進(jìn)洞方案的確定應(yīng)根據(jù)具體洞口段路線與地形等高線的交角,洞口地形、地貌和地質(zhì)條件,施工環(huán)境條件及施工技術(shù)水平等因素,經(jīng)綜合考慮制定出最符合現(xiàn)場實際的進(jìn)洞方案。在采取有針對性的工程處治措施能確保安全穩(wěn)定的前提下,盡可能實現(xiàn)仰坡“少開挖”甚至“零開挖”,減少對洞口自然生態(tài)的破壞,保護(hù)和利用好洞口生態(tài)環(huán)境。

在復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下,隧道采用的進(jìn)洞方案主要有以下5種:

a.超前大管棚支護(hù)進(jìn)洞方法:隧道洞口通過淺埋段、自穩(wěn)能力差的軟弱、破碎圍巖段,洞口地質(zhì)條件差、缺乏自穩(wěn)能力,如不采取相應(yīng)的輔助工程措施,在隧道開挖過程中很容易出現(xiàn)圍巖變形破壞、掌子面坍塌等。為了達(dá)到早進(jìn)洞、安全進(jìn)洞的目的,采用超前大管棚作為預(yù)加固措施。

定坤隧道進(jìn)口為典型超前大管棚支護(hù)進(jìn)洞,見圖1,圖2。

b.前置洞口進(jìn)洞:隧道洞口軸線與地形等高線交角較大,洞口植被良好,仰坡坡度較陡時,可采用前置洞口進(jìn)洞。即通過設(shè)置護(hù)拱作為臨時支護(hù),在進(jìn)洞前以護(hù)拱成洞并進(jìn)行回填反壓,在護(hù)拱內(nèi)采用暗挖施工。這不僅可以保證洞口山坡的完整性,大大減少洞口開挖工程量,還能最大限度的減少對原地面的擾動。

下邊隧道右線進(jìn)口前置洞口進(jìn)洞,見圖3,圖4。

c.半明半暗進(jìn)洞:隧道洞口軸線與地形等高線交角較小,場地狹小,且靠山側(cè)邊坡較高,地形偏壓陡峻時,為了降低邊、仰坡,避免洞口開挖形成高大邊坡或容易引起洞口失穩(wěn),采用半明半暗進(jìn)洞。設(shè)計時應(yīng)重視施工和運營期間邊、仰坡的穩(wěn)定,重視山體外側(cè)偏壓耳墻基礎(chǔ)的承載力及穩(wěn)定性,充分考慮可靠技術(shù)措施,確保施工、運營安全。

下邊隧道出口即為半明半暗進(jìn)洞,見圖5,圖6。

d.異形護(hù)拱反壓回填進(jìn)洞:當(dāng)隧道軸線與地形等高線交角較小,隧道洞口段形成偏壓時,在條件允許時應(yīng)采用先依地形修筑護(hù)拱,與山體協(xié)調(diào),然后進(jìn)行反壓回填、再開挖隧道的方法。采用這種方法,可以大大降低邊、仰坡的開挖高度,減少山體開挖量,同時也降低了施工安全風(fēng)險。

下褚隧道進(jìn)、出口即為異形護(hù)拱反壓回填進(jìn)洞,見圖7—圖10。

e.反向擴挖進(jìn)洞:隧道洞口由于地形較陡,洞口施工場地布設(shè)困難時,可采取先施打施工導(dǎo)洞進(jìn)洞再反向擴挖至洞口的進(jìn)洞方式;當(dāng)隧道洞口地形較陡或臨近公路、房屋等構(gòu)筑物時,為盡可能減少邊仰、坡開挖,避免對既有構(gòu)筑物的影響,短隧道可以采取獨頭掘進(jìn),由洞內(nèi)向外擴挖形成洞口。這種反向擴挖進(jìn)洞的方式,在進(jìn)洞前后都應(yīng)做好針對性的加固措施。

2)隧道洞口段施工對整個隧道而言極為重要,決定著隧道能否順利進(jìn)洞。必須強調(diào)洞口段嚴(yán)格執(zhí)行“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則,在確保安全穩(wěn)定的前提下,以不產(chǎn)生過大的坡面開挖痕跡,盡可能減小對洞口自然生態(tài)的破壞為目標(biāo)。

a.遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”原則,先采取預(yù)加固措施后再開挖,隧道開挖時嚴(yán)格遵守“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護(hù)、快封閉、勤量測”的十八字方針。

b.洞口段圍巖地質(zhì)條件很差時,可以采用地表注漿、超前大管棚、超前小導(dǎo)管、掌子面超前預(yù)注漿、鎖腳錨管、臨時鋼架支撐等輔助工程措施,加固完成后再進(jìn)行開挖作業(yè)。

c.隧道洞口段常用開挖方法有超短臺階法、環(huán)形開挖留核心土法、中隔壁法、交叉中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。開挖時應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)條件、開挖斷面大小和圍巖的穩(wěn)定情況選擇開挖方法,盡量采用人工配合機械開挖。

d.隧道施工時應(yīng)加強監(jiān)控量測。通過施工現(xiàn)場監(jiān)測可以掌握圍巖和支護(hù)工作狀態(tài)、判斷圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性和隧道整體安全性,確定二襯合理施作時間,為評價和修改初期支護(hù)參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計、施工方案及施工工藝提供信息依據(jù)。

e.如有明洞,應(yīng)采取先施工明洞后進(jìn)洞的施工順序。反之,如果先進(jìn)隧道后做明洞,開挖邊仰坡時,容易引起塌方。

2.3 隧道洞門

隧道洞門形式應(yīng)根據(jù)洞口地形、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境確定。隧道洞門的作用是抵抗來自仰坡、邊坡的土壓力,攔截仰坡上方小量剝落、掉塊,維護(hù)邊坡,仰坡的穩(wěn)定性,并將坡面匯水引離隧道。洞門的造型設(shè)計與環(huán)境、裝飾、洞門銘牌共同組成了隧道洞門的整體,每一項的定位和結(jié)合部的設(shè)計關(guān)系都與施工后的效果密切相關(guān)。近年來在隧道修建中,人們在確保洞口安全的基礎(chǔ)上,越來越注重洞口的景觀效果,即隧道洞門與地域自然環(huán)境、人文景觀的和諧統(tǒng)一。

1)隧道洞門的設(shè)計原則:按照綠色公路新設(shè)計理念,隧道洞門設(shè)計應(yīng)因地制宜、隨形就勢、合理布局,實現(xiàn)與周邊環(huán)境自然和諧。按“一洞一門”進(jìn)行設(shè)計,采用符合當(dāng)?shù)厝宋?、自然環(huán)境和地域文化特色的建筑風(fēng)格,淡化人工痕跡,兼顧美學(xué)效應(yīng),把隧道工程融于當(dāng)?shù)貎?yōu)美的自然景觀中。

針對山區(qū)高速公路洞門口落石及邊坡沖刷情況,無論采用何種洞門形式,均宜適當(dāng)延長明洞,將隧道洞門前置。

2)隧道洞門形式:當(dāng)前常見的公路隧道的洞門形式有削竹式洞門、端墻式洞門、翼墻式洞門以及明洞式洞門等,其他的洞門形式一般是在以上幾種形式基礎(chǔ)上的變化、組合或裝飾美化的結(jié)果。結(jié)合地形、地質(zhì)條件應(yīng)優(yōu)先采用削竹式洞門。

a.削竹式洞門:在地形開闊地帶,洞口邊坡較平緩、洞口路塹不高的地帶,坡體植被茂密、生態(tài)環(huán)保和景觀需求較高地帶,宜采用削竹式洞門。

削竹式洞門,仰坡坡率平緩,洞門結(jié)構(gòu)簡單,仰坡、邊坡有利于植被的恢復(fù),易與周圍景觀協(xié)調(diào),保持了生態(tài)平衡。從行車安全角度,車輛進(jìn)入隧道前,仰坡正面反射光較弱,光反差小,駕駛?cè)诉m應(yīng)光線變化的時間短,有利于行車安全。

b.端墻式洞門:在隧道從陡崖下方通過、存在落石危險時,在溝谷和山凹等地形狹窄地帶,兩側(cè)路塹邊坡較高時,在洞口軸線與山體小角度斜交,靠山側(cè)邊坡較高時,在橋隧相接,洞口地形陡峭時,宜采用端墻式洞門(如圖11所示)。

端墻的墻面宜保持混凝土原色,也可以采用真石漆涂裝或者毛面石材鑲面來進(jìn)行裝飾,端墻面風(fēng)格要簡潔、大方,不宜設(shè)置裝飾圖案,以防干擾駕駛員注意力,影響行車安全。

隧道設(shè)計踐行“建、管、養(yǎng)一體化”理念,為端墻式洞門側(cè)墻增設(shè)了鋼爬梯(見圖12)。爬梯由梯道、梯梁、護(hù)籠、扶手四部分組成。爬梯整體采用不銹鋼結(jié)構(gòu),保證爬梯的耐腐蝕性,保證其使用壽命。扶梯外設(shè)置護(hù)籠,護(hù)籠采用高強度扁鋼,使其安全性得到保證。扶手采用鋼管且在梯道頂端增設(shè)豎向扶手,方便人員上下通行。通過設(shè)置爬梯,檢修人員可以方便的對隧道洞頂排水溝進(jìn)行疏通清理,對洞頂雜物進(jìn)行清除以及其他日常性檢修養(yǎng)護(hù)工作,降低了洞口隧道養(yǎng)護(hù)工作的難度。

3 結(jié)論

隧道洞口設(shè)計應(yīng)根據(jù)洞口的地形、地貌、地質(zhì)條件,遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則,在確保施工和運營安全的前提下,盡可能實現(xiàn)仰坡“少開挖”甚至“零開挖”,保護(hù)和利用好洞口生態(tài)環(huán)境,體現(xiàn)安全、綠色、環(huán)保的洞口設(shè)計理念。

隧道洞口通過淺埋段、自穩(wěn)能力差的軟弱、破碎圍巖段,采用地表小導(dǎo)管注漿、超前大管棚等作為超前支護(hù)措施,采用零開挖進(jìn)洞;隧道洞口軸線與地形等高線斜交角較大,洞口植被良好,仰坡較陡時,采用前置洞口進(jìn)洞;隧道洞口軸線與地形等高線斜交角度較小,場地狹小,且靠山側(cè)邊坡較高,地形偏壓陡峻時,采用半明半暗進(jìn)洞或異型護(hù)拱反壓回填進(jìn)洞;隧道洞口由于地形較陡,洞口施工場地布設(shè)困難時,或當(dāng)隧道洞口地形較陡或臨近公路、房屋等構(gòu)筑物時,采用反向擴挖進(jìn)洞。上述進(jìn)洞方式實現(xiàn)了隧道洞口“早進(jìn)洞、晚出洞”目的,減小了洞口邊仰坡的開挖高度和防護(hù)工程量,減少了隧道施工對洞口生態(tài)環(huán)境的破壞,實現(xiàn)了綠色、環(huán)保進(jìn)洞。隧道洞門設(shè)計應(yīng)因地制宜、隨形就勢、合理布局,既不過分強調(diào)人工化以及過于華麗的洞門結(jié)構(gòu)型式,又強調(diào)洞口景觀與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào),把隧道工程融于當(dāng)?shù)貎?yōu)美的自然景觀中。