鐵路黃土隧道洞口設(shè)計要點探討

陳　松

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安　710000)

0　引言

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入開展，鐵路隧道穿越黃土地層的比重在逐年增多，以橫貫東西的隴海線及縱穿南北的同蒲、太焦、西延等22條鐵路線中，黃土隧道就有173座，總長達(dá)65.608 km。而僅近年修筑的鄭西客運(yùn)專線，其黃土隧道有38座，總長達(dá)52.956 km。隧道洞口是黃土隧道最易發(fā)生病害的位置之一，為減少或減輕黃土隧道洞口發(fā)生病害的幾率或程度，對隧道洞口的設(shè)計原則、方法等進(jìn)行分析總結(jié)是有必要的。

1　洞口位置的選定

1.1　洞口位置選定的歷史發(fā)展

洞口位置的確定是隧道設(shè)計中的首要問題，歷史經(jīng)驗證明洞口位置選定的原則不同將對隧道產(chǎn)生重大影響。20世紀(jì)50年代～70年代，采用蘇聯(lián)規(guī)范的等價點(某斷面處1 m隧道造價=1 m路塹挖方造價)來確定洞口位置，如寶成、寶天、豐沙等線均以此確定洞口位置，結(jié)果形成了洞口前深大路塹，洞口病害層出不窮，后期運(yùn)營中80%以上不得不以接長明洞或增加支擋來進(jìn)行病害整治，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。70年代第一次修改隧道規(guī)范明確規(guī)定了洞口位置的選定要“早進(jìn)晚出，寧長勿短”的設(shè)計原則，在此原則指導(dǎo)下保證了京原、成昆、川黔和滇黔等鐵路線隧道的修筑及安全運(yùn)營。直至90年代初，引入了新奧法設(shè)計原理[1]，使隧道設(shè)計理念和施工方法實現(xiàn)了歷史性的跨越。

1.2　洞口位置設(shè)計原則

參照國外隧道洞口位置選定模式，考慮保護(hù)自然坡面盡量不擾動或少擾動，并高度重視環(huán)境保護(hù)和運(yùn)營安全，結(jié)合石太、太中銀、鄭西等客運(yùn)專線的實踐經(jīng)驗與教訓(xùn)，提出黃土隧道零斷面進(jìn)洞的設(shè)計原則，并應(yīng)在具體設(shè)計中結(jié)合不同地域的地形地貌、水文及工程地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整，零斷面進(jìn)洞設(shè)計原則如下：

1)當(dāng)黃土隧道自然坡度在45°以上時，其洞口位置宜選在零斷面進(jìn)洞；

2)當(dāng)黃土隧道自然邊坡在45°以下時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)外輪廓凈高H+1 m為暗洞位置，并向外延5 m～10 m(明洞)為隧道進(jìn)出口里程，即洞門位置。

2　洞口邊仰坡坡率的確定

2.1　邊仰坡穩(wěn)定影響因素

影響洞口邊仰坡穩(wěn)定的因素和條件，主要是地質(zhì)構(gòu)造、地下水條件、邊仰坡的地層和巖性，以及環(huán)境地質(zhì)條件、植被發(fā)育情況等。如邊仰坡巖土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及密實度、潮濕程度、破碎和風(fēng)化程度等。邊仰坡的設(shè)計高度也是影響邊仰坡穩(wěn)定重要因素，邊仰越高，暴露面越大，受水面就越大，坡腳的壓力越大，邊仰坡越難以保持穩(wěn)定。邊仰坡的朝向、當(dāng)?shù)厮臍夂颉⒌卣饤l件以及各種人為活動等，也是影響洞口邊仰坡穩(wěn)定的重要條件。

2.2　邊仰坡穩(wěn)定系數(shù)

邊仰坡穩(wěn)定系數(shù)是對邊仰失穩(wěn)而言的，是對邊仰坡穩(wěn)定的一個衡量，系數(shù)越大穩(wěn)定性越強(qiáng)，反之穩(wěn)定越弱。

邊坡穩(wěn)定系數(shù)主要有工程類比法和力學(xué)計算兩種確定方法：1)工程類比法，主要參考當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)的自然穩(wěn)定邊坡和既有近處人工邊坡，利用調(diào)查數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗的類比來確定坡率和控制邊仰坡刷方高度，從而來推斷和確保邊仰坡的穩(wěn)定；2)力學(xué)計算法，由于邊坡天然坡率和人工路塹巖土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，難以準(zhǔn)確選定代表客觀實際的各種力學(xué)參數(shù)，因而無法反映隧道工點的客觀實際。因此，實際工程中應(yīng)實地檢測自然邊仰坡與人工邊仰坡穩(wěn)定性，結(jié)合工程類比分析，來確定邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，并通過檢算加以驗證。

不同地層和巖性有不同的假定和計算方式，對于黃土而言，由于其特有物理力學(xué)特性，沒有獨(dú)立且絕對可靠的邊仰坡穩(wěn)定性和穩(wěn)定系數(shù)K值的計算公式，一般大多套用路基手冊[2]不純凈砂類土的檢算公式，計算方法如下：

如圖1所示，土體ABD沿AD向下滑動其穩(wěn)定系數(shù)按下式計算：

Kj=(Qcosω·f+cL)/Qsinω。

利用積分法求最危險的破裂面，對所得最小穩(wěn)定系數(shù)公式為：

其中，Q為土壤ABDR的重量，kN/m3;ω為破裂面的傾斜角；θ為邊仰坡的坡度角；f為邊仰坡土體的摩擦角,f=tgφ;c為邊仰坡土體的單位凝聚力,kPa；L為破裂面AD的長度,m；a0=2c/(γh),γ為土體重度,kN/m3。

2.3　洞口邊仰坡的坡率

黃土隧道洞口邊仰坡的坡率，可按地域工程地質(zhì)法和力學(xué)工程計算法確定：地域工程地質(zhì)法，依據(jù)工點的自然邊坡和人工邊坡的穩(wěn)定，以工程類比法來確定洞口邊仰坡坡率及刷方高度，依據(jù)實踐經(jīng)驗，刷方高度以不大于8 m來進(jìn)行控制；力學(xué)工程計算法，采用圓弧和折線法對均勻土體可能產(chǎn)生的滑面進(jìn)行穩(wěn)定性檢算，但計算往往難以獲得滿意的結(jié)果，最終仍以類比為主。

對于黃土地層，邊仰坡設(shè)計必須以參考當(dāng)?shù)叵嗤貙拥淖匀贿吰潞腿斯み吰聛泶_定邊仰坡率為主，并輔以理論上的定性驗證，驗證中采用的各種參數(shù)，應(yīng)通過原位測試，以標(biāo)貫、荷載板、觸探等手段獲取實際參數(shù)，并通過前述公式計算隧道工點的穩(wěn)定系數(shù)，作為確定邊仰坡坡率的參數(shù)。一般而言，黃土層穩(wěn)定邊仰坡率取在1∶0.3～0.75之間是合適的。

3　洞門結(jié)構(gòu)型式

目前黃土隧道洞門結(jié)構(gòu)型式，一般可分為傳統(tǒng)的擋墻式洞門及新式的斜切式洞門，其中傳統(tǒng)洞門一般應(yīng)用于時速小于160 km的普速鐵路，斜切式洞門一般應(yīng)用于時速200 km以上的高等級鐵路。

如圖2,圖3所示，隨著環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，斜切式洞門更契合地形，符合現(xiàn)行隧道規(guī)范[3]中“盡量采用不刷仰坡進(jìn)洞”的要求，可減小施工對原狀地形的破壞，同時其結(jié)構(gòu)開口更大(斜面)，能有效緩沖列車高速進(jìn)出隧道洞口時產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)[4]，減輕由此給旅客帶來的不適及減小行車阻力、動力噪聲等其他危害。斜切式洞門從環(huán)保、功能上均優(yōu)于擋墻式洞門，但由于其施工難度較大，造價較高，普速鐵路隧道目前仍然趨向于采用傳統(tǒng)的擋墻式洞門。

4　洞口段深淺埋界定

隧道設(shè)計按深淺埋的不同分段，其支護(hù)與襯砌強(qiáng)度、輔助措施及開挖方法等有著較大的差異。隧道洞口段必然存在由淺埋到深埋的一個過渡，深淺埋的界定不清將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上的不足或浪費(fèi)。

隧道的深埋和淺埋，不應(yīng)僅對洞頂圍巖厚度而言，還應(yīng)結(jié)合工點的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)、地質(zhì)特征、不良地質(zhì)現(xiàn)象、松散狀況、圍巖的構(gòu)造特征、風(fēng)化、破碎斷層影響的程度、圍巖強(qiáng)度、初始應(yīng)力等進(jìn)行綜合判定，因此要嚴(yán)格來界定隧道的深淺埋并非易事。結(jié)合文獻(xiàn)研究[5,6]及工程經(jīng)驗，概括了兩種對設(shè)計較有指導(dǎo)意義的黃土隧道深淺埋界定方法，具體如下：

其一，根據(jù)以往黃土隧道的塌方高度的數(shù)理統(tǒng)計和運(yùn)營隧道使用情況的調(diào)查及資料統(tǒng)計，深淺埋黃土隧道的分界深度，單線隧道為15 m～25 m，雙線隧道為20 m～50 m；

其二，根據(jù)國內(nèi)外近數(shù)十座鐵路黃土隧道和城市軟弱圍巖隧道的試驗結(jié)果，依據(jù)H/d值來確定隧道深淺埋(H為覆蓋厚度，d為洞徑)，其建議采用值如下：1)Ⅵ級圍巖(Q3,Q4馬蘭黃土和次生黃土)取H=4d～6d；2)Ⅴ級圍巖(Q2離石黃土)取H=2.5d～3.5d；3)Ⅳ級圍巖(Q1午城黃土)取H=1.5d～2.5d。

上述界定深淺埋數(shù)據(jù)，在具體工程設(shè)計中可作為設(shè)計參考值，同時還應(yīng)結(jié)合黃土生成的年代、物理力學(xué)特性、含水量、孔隙化、液限、顆粒組成、鈣質(zhì)膠結(jié)等要素，在實施中進(jìn)行必要的修正，作到信息化設(shè)計與施工。

5　結(jié)語

1)黃土隧道洞口應(yīng)遵循早進(jìn)晚出的設(shè)計原則，結(jié)合工程類比及歷史經(jīng)驗教訓(xùn)，在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，盡量減少邊仰坡刷方。

2)洞門結(jié)構(gòu)宜與時俱進(jìn)，敢于創(chuàng)新，在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上開發(fā)出更科學(xué)的結(jié)構(gòu)型式。

3)針對黃土，處在不同地域時，其土質(zhì)性狀差異也較大，而隧道大小設(shè)計也各不相同，深淺埋的界定難以定論，工程中應(yīng)借鑒同地域運(yùn)營隧道統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場實際進(jìn)行修正。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮紫良,章曾煥.新奧法設(shè)計施工與管理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2015.

[2]中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊:路基(修訂版)[M].北京：中國鐵道出版社,1995.

[3]中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國鐵道出版社,2017.

[4]常翔,張獻(xiàn)偉.高速鐵路隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)控制[J].隧道建設(shè),2007(S2):117-120.

[5]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社,2005.

[6]王曉州.大斷面黃土隧道建設(shè)技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社,2009.