復雜山區隧道棄砟場選址及設計的探討

韓華軒 許占良

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

隨著我國“可持續發展戰略”和“科學發展觀”在工程建設領域的深入推進,如何最大限度地彌補或者降低鐵路工程施工建設對環境和社會造成的不利影響,作為一大挑戰擺在鐵路建設者的面前。大型鐵路工程標準高,工程量大,且呈線狀分步,跨越地貌類型多,隧道、路塹、橋臺等挖方棄土方量巨大,在鐵路沿線將產生大小不等形狀各異的棄砟場。棄砟場在工程竣工運營后將交付地方,地方相關部門對棄土棄砟場的安全防護、環境保護、水土保持等的設計和施工要求越來越高,越來越嚴格。因此，因地制宜地選擇及設計棄砟場不僅能有效地降低安全隱患,防止水土流失及環境破環,減少環水保治理的工程投資,而且能夠實現鐵路建設與環境和諧結合和可持續發展的目的。

1 概況

某鐵路正線隧道總延長約192 km,占線路長度的46.6%。線路地處我國南方山區,沿線地形起伏,山巒疊嶂,溝谷縱橫,一般沒有外運條件,且區內地表水系發育,河網密布,支流眾多,縱橫交錯,沿線許多溝谷都常年流水,小型灌溉水庫星羅棋布。加之線路穿越許多人口密集的城鎮及村寨,附近既有老鐵路、不同等級的公路或并行或交叉,互相干擾。這些因素均需要在棄砟場的選擇及設計中因地制宜、科學合理地進行考慮。

受山區地形、地質、水文、人文等制約因素影響,同時,施工單位進場后施工便道的開拓使得沿線交通環境發生較大改變,施工期間一些棄砟場的變更不可避免。此時,同樣需要結合新的環境、交通等邊界條件因地制宜地進行論證。

2 棄砟場的選址及設計

2.1 棄砟場的選擇原則

隧道工程棄砟設計是施工組織設計中重要的設計內容之一。為滿足隧道施工工期要求,一般隧道棄砟場的選址都是結合隧道施工組織就近確定,盡量縮短運距以節省投資。但是,鑒于棄砟堆一般為松散堆積體,是發生人為危害的固體物質來源之一,隧道棄砟場位置的選擇同時還應遵循以下原則。

(1)棄砟場應遵守國家土地的相關政策,合理占用土地。與棄砟場選址相關的法律法規,如《中華人民共和國自然保護區條例》、《中華人民共和國森林法》、《中華人民共和國水土保持法》、《基本農田保護條例》、《中華人民共和國防洪法》、《風景名勝區管理條例》、《中華人民共和國文物保護法》、《地質遺跡保護管理規定》和《森林公園管理辦法》等。棄砟必然要占用土地,在山區,可供耕作的土地資源是有限的[1]。因此,棄砟設計時,選用或規劃棄砟場地應按國家土地利用的基本政策,合理占用土地,盡量占用荒地,少占耕地,嚴格控制侵占良田。選取時需要與地方的土地規劃相結合,盡量選用荒地、邊角地,優先選用天然溝頂部或側部,利用棄砟棄土造地,并采取防止水土流失的工程措施[2-4]。

(2)棄砟場的選擇應以環評及水保報告書及批復、水土流失的防治原則為指導；選址時應非常重視場地的地形地貌條件,避免在一些自然保護區、風景名勝等環境敏感點棄砟,盡量選擇地形低洼、匯水面積較小、不會有較大流量徑流匯集沖刷的地區,且選定后必須征求地方相關環保、水利、林業等部門的意見[5-8]。

(3)棄砟場的棄砟不能對新建鐵路或既有鐵路存在安全隱患。該條論證意義重大,主要考慮由于洪水或其他原因,一旦擋砟墻潰壩,泥石流可能造成對新建鐵路或既有運營鐵路造成破壞。

(4)棄砟場的棄砟應避免對村民住房、既有等級公路和重要道路產生安全隱患。棄砟場的選址應避開位于村莊、既有等級公路和重要道路上方的溝谷,主要考慮可能的泥石流災害會對地方人民生命財產安全造成威脅。

(5)當隧道棄砟含有放射性元素時,應經嚴格測定后,依據含量或濃度確定堆砌場地位置；對于含有放射性物質的水、棄砟,應置放于遠離人群活動或居住的地方,同時還要考察棄砟場場地有無對棄砟進行封閉覆蓋的條件[4]。

2.2 棄砟場的設計

(1)項目環評及水保報告書的要求及批復

全面規劃,預防為主,防治結合,化害為利,堅持“誰開發,誰保護；誰破壞,誰治理”的原則。

實施“重點突出,生態優先,綜合治理”的水土保持原則。重點對棄土、棄砟場進行防護治理,優先采取植樹、種草、噴播植草等植物生態措施,必要時采取植物、工程相結合的綜合防治措施。

對于上游或周圍匯水面積較大的棄砟場,應在其上游或周圍設置適宜的截水溝槽,防止徑流對棄砟場的沖刷,在進行棄砟設計時,應對勘測階段所掌握的山區河流水位的糙率、比降、流向、河彎沖高及河流沖淤變化等資料加以核實,做到水文、水力計算的準確性。

棄砟場應先擋后棄,充分發揮防護措施的效用；棄砟時宜從溝頭開始棄。

棄土棄砟場結束以后,應根據實際情況,對場地進行平整修復,或復墾為耕地,或植樹種草綠化,以盡快恢復其水土保持功能。

(2)設計要求

砟場頂部設2%的橫向排水坡并設置M10漿砌片石排水溝,排水溝縱向坡度不小于2%,以引排砟場頂部地表水；砟場底部設置干砌片石盲溝,以引排砟場底部積水。

砟場坡腳設擋砟墻,隧道棄砟完畢后,應施工棄砟場頂部排水溝,排水溝與棄砟擋墻應有效過渡,以便順利通過擋砟墻頂排泄；砟場頂面應進行植草綠化處理,防止水土流失。

棄砟場棄砟前應先砌好擋砟墻及砟底排水盲溝,排水盲溝應與擋砟墻的底部泄水孔連通,以利排除棄砟場底部積水；應清除棄砟場底部地表植被及腐殖土,對溝心自然坡度大的段落可采用修筑臺階,臺階長度一般不小于2 m。棄砟場最大堆積高度不大于30 m。

3 棄砟場的變更及選址分析

在復雜山區修建鐵路工程,施工單位進場后,必然會開辟較多的施工便道,當地的交通、地形、人文等邊界條件也發生了變化,一些棄砟場往往都是施工單位在與地方村鎮接觸后就近堆放,并未按設計的位置進行棄砟,需要在開工初期對新的棄砟場位置進行設計的評估及論證。

3.1 棄砟場的變更位置概況

從會勘情況來看,由于施工現場僅從運距就近節省投資方面考慮,棄砟場變更位置基本在運距或者便道開辟投入方面有一定優勢。但是,從環水保隱患、正線運營安全、既有村莊、道路安全等方面考慮，許多變更位置均考慮欠佳。

3.2 棄砟場的變更選址原則

砟場前期勘測時均與地方達成了框架性的協議,為避免重復工作,棄砟場變更時如果沒有明顯的優勢,原則上盡量利用設計位置。對于環境改變引起的確需變更的砟場,在認真執行棄砟場選位原則和設計要求的基礎上,針對我國復雜山區山巒疊嶂、溝谷縱橫、河網密布的特點,在保證鐵路安全的前提下,結合沿線的自然特征和便道分布情況,對不同地形條件和施工現場新的邊界情況,需要采取不同的變更選址原則。

(1)基于環水保方面的考慮

認真評估棄砟場位置是否對當地環境、水土保持造成不良影響,尤其是變更位置臨近江河湖泊、水庫等水體,或者位于山區主要泄洪匯水沖溝或者占用河床、古河道及溪流。

對于在小江河湖泊、小水庫等水體上方的變更位置(如圖1和圖2所示),確實存在變更必要時,應視水體的規模大小、砟量的大小及棄砟場與水體的距離,請地方相關水利部門及水土保持部門作水力計算及評估,并根據評估意見制定相應的工程措施。對于評估不通過的,應予以遷移。

圖1 小型灌溉水庫上方棄砟

圖2 小型灌溉水庫上方棄砟(照片)

復雜山區許多自然溝谷都存在小湖泊、小型灌溉水庫(土壩)等小水體,對于在下方的變更位置(如圖3和4所示),應視水體的規模大小、砟量的大小及棄砟場與水體的距離,謹慎確定。由于上方水體的存在,雨季水體溢出及潰壩時,極易沖擊下方砟體形成泥石流,對于蓄水能力在20萬m3以上的水體,下方500 m以內不得作為棄砟場。對于蓄水能力在20萬m3以下的水體,下方500 m以內棄砟時,應根據水力計算制定砟場排水設施。

圖3 小型灌溉水庫下方棄砟

圖4 小型灌溉水庫下方棄砟(照片)

對于占用河床、古河道及溪流及山區主要泄洪匯水沖溝的變更砟場(如圖5和圖6所示),為避免形成淤積甚至堰塞湖,應根據《中華人民共和國河道管理條例》及有關地方法規,予以否決。確實存在變更必要時,請地方相關水利部門及水土保持部門作水力計算及評估,并根據評估意見制定相應的工程措施。對于評估不通過的,應予以遷移。

圖5 人工改移小河道河床棄砟

圖6 人工改移小河道河床棄砟(照片)

(2)基于安全方面的考慮

認真評估棄砟場位置對新建鐵路和既有老鐵路及對村民住房、既有等級公路和重要道路產生的安全隱患。

變更砟場棄砟范圍侵占隧道洞身沖溝時,如果沖溝處隧道為淺埋段落,(如圖7所示)應慎重考慮棄砟對隧道結構可能造成的額外土壓力,并進行檢算,且檢算時土壓力按照松散飽和水土壓力全荷載檢算。檢算不能通過的,不能棄砟；檢算能通過的,明確棄砟高度。

圖7 砟場棄砟范圍侵占隧道洞身沖溝(否決)

新老鐵路、等級公路涵洞所在的溝道上游不得棄砟。

新老鐵路、等級公路橋梁所在的主溝不應棄砟(如圖8所示),應棄在支溝內,支溝溝口距離鐵路不得小于500 m。必須棄在主溝內時,必須有充分的依據,同時棄砟場近端距離鐵路不得小于1 000 m。

圖8 變更砟場棄砟位于主線橋梁上游(否決)

橋梁所在溝道設置棄砟土場后,必須保證橋位處河道維持設計中的天然地面高程。為此,棄砟土場位于鐵路及等級公路上游時,應避免棄砟土體發生泥石流等類似情況；棄砟土場位于鐵路及等級公路下游時(如圖9所示),應避免設置棄砟[9-12]。

圖9 變更砟場棄砟位于主線橋梁下游

溝口有較多居民住戶時,應根據沖溝方向與居民房屋方位關系和砟場棄砟高程與居民房屋高度關系,評估潛在的泥石流是否會對居民生命財產造成威脅。對于溝口10戶以上常住居民且確有安全隱患的變更位置,應予以遷走；對于房屋較少的,溝谷又無轉彎緩沖的,砟場近端應距離房屋500 m以外,且砟場擋護結構和排水系統均應加強。

4 棄砟場施工應關注的問題

隧道棄砟場施工的一般要求為：砟場底部設置干砌片石盲溝,以引排砟場底部積水。棄砟前應先砌好砟底排水盲溝,排水盲溝應與擋砟墻的底部泄水孔連通,以利排除棄砟場底部積水；應清除棄砟場底部地表植被及腐殖土,對溝心自然坡度大的段落可采用修筑臺階,臺階長度一般不小于2 m。同時,要求棄砟分層填實,每層厚度≤1 m,棄砟場最大堆積高度不大于30 m。

現場具體施工時,棄砟場往往存在棄砟無規劃,隨意性較大,無序傾倒現象嚴重的問題,施工單位僅從施工方便和節約成本方面考慮,不能完全規范棄砟,最終會導致棄砟堆積體排水不暢,雨季飽水,與溝底自然坡面產生滑動,在山洪來臨時成為潛在的“人工泥石流”。這些問題應引起高度重視,在棄砟之前,應先對棄砟場地進行清理規整,開挖臺階并施作砟底土工布片石盲溝,降低安全隱患。

5 結束語

山區鐵路挖方較多,棄砟場數量多,制約邊界復雜,工作容易反復,筆者在參與棄砟場現場選址及變更評估核對工作中,深感棄砟場選址、變更及后期交付過程中工作繁雜,且需要考慮多方面因素并與多部門接觸協調,稍有不慎就會留下后患。在對復雜山區棄砟場現場選擇及變更核對進行總結之后,對以后的棄砟場勘測及設計工作提如下建議：

(1)棄砟場外業勘察時應結合隧道工作面和既有道路(包括2 m以下小土路)調查便道可能走向,在考慮環水保、安全因素的前提下,盡量選址在交通較為便利或者便道引入投入較小的地方。

(2)對可能存在隱患但缺少備選位置的砟場,設計時應對砟量、擋護結構、排水系統及堆棄方式做明確要求,確保安全。

(3)對于位于隧道洞身頂部的沖溝,盡量避免在洞頂棄砟；不能避免時,應進行嚴格的結構檢算,并在設計中對棄砟要求予以明確。

(4)在遵循小隧道棄砟場的“集中堆棄”原則時,應結合地形適當考慮不同工作面道路交通情況,避免施工時便道貫通困難無法實現集中棄砟。

(5)砟場位置必須征求地方國土、環水保、水利、林業部門的正式意見,并將地方相關部門的意見納入設計中。

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