隧道洞口雪崩防治方案探討

王 華

(1. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院, 廣東 廣州 511455; 2. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司, 廣東 廣州 511455)

0 引言

隨著我國經濟建設的迅猛發展,鐵路建設也向高原高寒地區延伸,雪崩作為高原高寒地區一種經常發生的自然現象,對鐵路工程建設的影響越來越大。藏東南鐵路線路(川藏線、滇藏線)通過相對高差達1 000～3 000 m的南北向排列的高山峽谷,位于極強的雪崩區,雪害主要是雪崩。

雪害的形成機制、類型特征及時空分布完全受制于當地的氣候和地形條件[1]。雪崩災害具有突發性、潛在性、難預測性、運動速度快和沖擊力大等特點,已嚴重影響到交通網絡、基礎設施、農業、林業、牧業及冰雪旅游業的可持續發展,使社會經濟遭到巨大破壞并潛伏多種威脅[2]。川藏公路從成都至拉薩段全長2 165 km,其中,有雪害路段為1 100 km,約占全線的51%,雪崩地點有幾十處, 雪害平均每年阻斷行車時間長達3個月以上。

近年來,一些學者對鐵路、公路沿線的雪崩災害進行了研究,為鐵路、公路選線以及雪崩防治提供依據。文獻[3]介紹了3條進藏鐵路的主要雪崩災害,通過理論計算得出積雪的臨界厚度和山坡的臨界安全角度,并利用模糊歸一化方法評價雪崩發生的危險度。文獻[4]根據實地調查、觀測和對鐵路沿線氣象要素的分析與推算,提出在雪崩災害的多發區, 鐵路選線應遵循“明線工程最好能選在陽坡,永久性建筑物或設施要盡量避開溝槽雪崩運動區和堆積區”的選線原則。羅培新[5]依托新疆精伊霍鐵路,介紹了風吹雪災害的形成和特征, 提出了雪害的防治原則和建議;張照財[6]結合某國際鐵路的地質選線, 介紹了雪害的基本類型及選線原則;陳秀義[7]闡述了不同雪害類型、各種雪害發生機制, 提出了風吹雪多發區路堤和路塹的設計原則。李立軍等[8]分析研究了精伊鐵路風吹雪的特征、類型、影響因素、發生機制和規模以及發生規律等, 計算了最大積雪深度、最大風速, 并結合實際工程設計提出防治風吹雪災害的工程措施。蔡強[9]采用理論分析和數值模擬相結合的方法研究川藏鐵路、公路帕隆藏布段雪崩問題。

目前,對高原高寒雪崩災害區公路路基沿線的雪崩災害研究較為系統,但對鐵路隧道雪崩災害評估及防治的研究較少。

烏茲別克斯坦安琶鐵路Qamchiq隧道是“命題作文”式的工程項目,隧道選線時未考慮對雪崩災害的繞避。為保障隧道施工和運營安全,需開展雪崩災害防治研究。本文依托此隧道,通過分析調查隧址區氣候地理條件確定隧道洞門上方區域雪崩發生段落,采用圖解法分析雪崩擴散的距離,通過計算確定雪崩的沖擊力,為制定隧道雪崩防治措施提供依據。

1 工程簡介

烏茲別克斯坦安革連(Angren)—琶布(Pop)單線電氣化鐵路(簡稱安琶鐵路)全長122.7 km, 是連接中亞和歐洲“新絲綢之路”鐵路網的重要組成部分。其中,長度為19.2 km的 Qamchiq單線隧道是安琶鐵路控制性工程,為“中亞地區第一長隧”。

Qamchiq隧道位于烏茲別克斯坦聯邦共和國納曼干省巴比斯科區域內,隧道進口端位于塔什干州安格連境內,距離A373公路約5 km;出口端位于納曼干州境內。隧道設有主隧道與安全隧道, 安全隧道平行主隧道, 中心間距為29 m。主隧道進口里程為MK39+135,出口里程為MK58+360, 隧道全長19.225 km;安全隧道進口洞門里程為SK00+000,出口洞門里程為SK19+273,隧道總長19.273 km, 隧道最大埋深約1 260 m。

1.1 工程地質特征

隧址區地質構造主要在海西造山運動時形成,此后, 阿爾卑斯造山運動時期對其進一步影響。在地質構造運動過程中, 形成巨大的背斜并發生強烈的位移,背斜形成高度復雜的褶皺及西北走向的大斷裂帶。斷裂帶及巖漿侵入十分復雜,有時覆蓋住海西造山運動時形成的褶皺結構,阿爾卑斯地質構造活動致使此區域的地質構造更為復雜。

隧道區域屬于庫拉米背斜東南部區域、西北部及軸線區域,背斜軸線與庫拉米山分水嶺相吻合,呈東北—西南走向,形成復雜的褶皺及西北走向的斷裂,褶皺中心由大量侵入巖組成。隧址區斷裂構造發育,主要為西北—東南走向,地震活躍; 受其影響,測區構造節理裂隙發育,與隧道相交或對隧道有重要影響的斷層共7條。隧道穿越的地層巖性主要包括三疊系下統花崗閃長巖、花崗巖、正長斑巖、正長-花崗正長巖、花崗斑巖、正長閃長巖、凝灰角礫巖和安山巖-石英安山巖。

1.2 水文地質特征

隧址區地表水較發育,主要有隧道進口的庫伊尼德河流、出口的薩尼薩拉克河流及2條河的支流,在隧道淺埋段及裂隙發育段對洞身地下水有入滲補給作用。地下水類型主要有: 基巖裂隙水、斷層構造水、第四系松散巖類孔隙水等。

2 隧址區雪崩形成條件

雪崩的形成條件主要有: 地形地貌、氣溫、降水、風力及風向、吹雪及積雪等,雪崩危險的特性和等級由山形地貌的氣候條件決定,冬季大氣降水、積雪、氣溫及地區主要的風況也起主要作用。安琶鐵路Qamchiq隧道位于西部天山山脈的庫拉米山脈中部,顯著的大陸性氣候特征導致季節及年度之間溫度和其他氣象數據變化大。

2.1 地形地貌

隧道進、出口位于既有河道旁邊,線路近似平行山坡等高線展布,隧道洞口段在地形條件下偏壓。坡殘積層為厚度不等的棱角狀碎石,稍密—中密,河道內分布磨圓度較好的漂石、卵石;下伏基巖為三疊系下統花崗巖、花崗閃長巖,全—弱風化,較破碎—破碎。進口側面仰坡平均坡度為38°,正面仰坡平均坡度為47°; 出口仰坡平均坡度為53°。

2.2 氣溫

隧道附近地區,平均氣溫零度以下出現在10月底,氣溫持續零度以下通常出現在11月底。寒冷季節持續3個半月至4個半月,最冷的月份大部分出現在1月份或2月份,最低平均晝夜溫差達到22.0 ℃。冬季平均氣溫為-5.4 ℃,最高氣溫為10.8 ℃,絕對最低氣溫為-25.4 ℃。

2.3 降水

由各種形式的山區構造組成的阿漢加蘭河和恰達克河流域,其地理狀況極大地制約了該地區的降水分布。2 700～3 300 m高的庫拉米山脈阻斷了濕潤氣團對西北—東南走向的恰達克河谷的影響,該地區各個部分年度降水為80～1 300 mm。

隧道區域降水量隨著高度增加,從低地的500 mm到中高地帶(水平面2 070 m以上)的1 000 mm。在最濕潤地帶(水平面2 500～2 700 m以上)降水在1 100～1 300 mm,最大降水出現在1969年,降水量達到1 554 mm。

隧道區域冬季出現了2個最大降水周期: 第1個(主要的)在3—4月(占年度降水的25%); 第2個在11—12月(占年度降水的24%)。

隧道附近區域雪崩經常是由于下雨和陳雪造成的,很少因為新降雪導致,一般情況下,降雪量從10 mm到40 mm。

2.4 風況

山區風力活動是形成雪崩的原因之一。隧道進口地區主要風向是北風和西北風,而隧道出口地區主要風向是西北風。風在運動中會從山坡或者山脈逆風方向帶起部分積雪。越過山脊的風速會降低,形成強烈的渦流,渦流帶走的雪會降落在順風方向的山坡上,并導致積雪厚度增加。隧道附近區域的風況十分穩定,通常風速為5～15 m/s, 最大陣風風速可達30 m/s,在順風的山坡上形成了吹雪和高2.5～3.5 m的飛檐,而逆風的山坡上積雪幾乎全部被吹走(見圖1)。

圖1 越嶺地段風雪圖Fig. 1 Wind and snow of mountain summit section

2.5 積雪

隧道進口地區1970—2010年(40年)以及隧道出口地1976—2010年(34年)的積雪觀測值見表1。隧道進口地區山坡穩定積雪形成于11月底,次年3月初積雪量達到最大并于4月初積雪開融,雪崩危險期可能持續100 d;隧道出口地區山坡穩定積雪形成于12月初,次年2月底積雪量達到最大并于3月中旬積雪開始融化,雪崩危險期持續時間達90 d。總體來說,隧道附近地區的積雪強度足以形成雪崩。

表1 積雪厚度值Table 1 Snow thickness values

3 雪崩潛在發生區域確定

發生雪崩的可能性取決于一系列形成雪崩的復雜因素: 氣候因素、水文氣象因素、地貌因素、地球植物學因素、物理機械因素等。

典型的雪崩通常由集雪區、運動區和堆積區3個部分組成。這些區域之間的界限明顯,并且具有相對性。雪崩的集雪區位于雪崩區的上部,屬于山坡位置,通常沉積了大量的雪,積雪失去穩定性后形成雪崩。集雪區內的積雪在高空風的作用下,雪層深厚,往往是當地積雪的幾倍,有利于雪崩發生。運動區也稱為活動區,其主要特征是: 縱斷面平直,少彎曲,多波折,橫斷面呈“U”字形,底部寬闊平坦,運動路線上少見植被。堆積區位于斜坡下部,常與坡積或沖積、洪積扇重合。

一般情況下,在坡度25°～50°的山坡上積雪穩定性會被破壞,形成雪崩。在更陡峭的山坡上,雪不容易沉積,相對不容易形成大量的積雪。因此,最具雪崩危險性的斜坡坡度為25°～50°。

任何一個區域如果可能發生雪崩危險最關鍵是確定雪崩潛在發生區的最大范圍。雪崩能夠到達山腳下的界限每年都是不固定的,甚至連續許多年在雪崩多發段都沒有形成雪崩。Qamchiq隧道進口和出口雪崩多發段屬于這種情況。

雪崩潛在發生區域根據地貌標志劃分,同時也要考慮雪崩發生區的坡向、山坡的坡度、下墊層以及是否存在植被和礦物的開采等因素。

3.1 隧道進口

隧道入口附近的山坡坡度為25°～50°(見圖2)。從河口到隧道入口位置,山坡上有許多被侵蝕的沖溝,有發生雪崩的可能。雪崩集雪區與堆積區之間的落差為100～600 m。雪崩的集雪區表面一般堆積了碎屑巖、碎石和卵石,草皮密度中等,少量的樹林和低矮的灌木。在隧道進口現場勘探時,發現4個雪崩集雪區,雪崩可能到達隧道入口,分布情況見圖3。隧道進口雪崩集雪區具體劃分見表2。

圖2 隧道進口段積雪Fig. 2 Snow of tunnel entrance section

圖3 隧道進口區域雪崩發生區域Fig. 3 Avalanche area of tunnel entrance section

表2 隧道進口雪崩集雪區Table 2 Snow catchment area of tunnel entrance

3.2 隧道出口

鐵路隧道所在的恰達克河流谷地的整體方向是東南。谷地狹窄,呈V字型,坡度很大。一些不深且短的斜溝將谷地分為若干個大的侵蝕溝,可沉積大量的積雪。此類型雪崩大多發生在很平緩的區域,雪崩移動軌跡表現為沿侵蝕溝滑動(見圖4)。

圖4 隧道出口雪崩潛在路線Fig. 4 Avalanche potential route of tunnel exit

現場調查結果表明,在主隧道的出口上方存在潛在的雪崩集雪區,雪崩可能擴散至主隧道隧道口附近的區域。雪崩集雪區高程為1 600 m,平均坡度為25°,坡向南東;隧道出口雪崩潛在發生區域見圖5。

圖5 隧道出口雪崩發生區域Fig. 5 Avalanche happening area of tunnel entrance

4 雪崩擴散距離計算

根據俄羅斯和烏茲別克斯坦建筑規范CH 517—80《防雪崩設施的設計和建筑規程》[10],采用tanα參數作圖法計算雪崩拋程。即在設定的雪崩位置點做一條斜率為tanα的直線,α為移動雪體與地面的摩擦角,直線和縱斷面地面線的交叉點為雪崩擴散的終點。參數tanα的參考值如表3所示。

表3 不同積雪匯聚面積下tan α 參考值Table 3 Reference values of tan α with different snow-cover area

根據隧道入口和出口的雪崩集雪區積雪匯聚面積以及平均坡度,各雪崩發生區域參數tanα取值如表4所示。

表4 雪崩發生區域 tan α取值Table 4 tan α values of avalanche happening area

根據tanα參數作圖法計算雪崩拋射水平距離,如圖6—10所示,雪崩的堆積區位于洞口附近的區域,隧道的入口和出口處于雪崩的堆積區范圍內。具體計算結果為: 隧道進口區域1號雪崩集雪區的雪體通過安全隧道和主隧道上方并堆積在距離隧道口20 m以內的區域; 2號雪崩集雪區的雪體通過主隧道上方并堆積在距離隧道口12 m以內的區域; 3號雪崩集雪區的雪體越過安全隧道和主隧道,并堆積在距離安全隧道口27 m以外的區域; 4號雪崩集雪區的雪體越過安全隧道和主隧道,并堆積在距離安全隧道口14 m以外的區域; 隧道出口1號雪崩集雪區的雪體通過主隧道隧道口上方,并堆積在距離隧道口4 m以內隧道口附近區域。

圖6 隧道進口1號雪崩擴散距離計算Fig. 6 Calculation of diffusion distance of No.1 avalanche at tunnel entrance

圖7 隧道進口2號雪崩拋程計算Fig. 7 Calculation of diffusion distance of No.2 avalanche at tunnel entrance

圖8 隧道進口3號雪崩拋程計算Fig. 8 Calculation of diffusion distance of tunnel entrance No.3 avalanche

圖9 隧道進口4號雪崩拋程計算Fig. 9 Calculation of diffusion distance of tunnel entrance No.4 avalanche

圖10 隧道出口1號雪崩拋程計算Fig. 10 Calculation of diffusion distance of tunnel exit No.1 avalanche

5 雪崩沖擊力計算

計算雪崩沖擊力時,假定雪體雪崩在整個移動軌跡上的重力是固定不變的,阻力和垂直于斜坡的雪體重力分量是成正比的,雪崩移動速度

式中:g為重力加速度,m/s2;H為雪崩發源地到堆積區的高差,m;h為雪崩發源地到雪崩移動線路縱斷面v計算位置的高差,m;l′為從發源地到堆積區極限邊界的雪崩移動線路的水平投影長度,m;l為從發源地到v計算位置的水平投影長度,m。

雪崩對設施表面的沖擊力

式中:v為雪崩的移動速度;β為雪崩移動方向與設施表面之間的角度;ρ為積雪體的密度;g為重力加速度。

雪崩落雪的密度根據雪體的類型設置: 對于新降雪ρ=0.3 g/cm3; 對于陳雪,ρ= 0.4 g/cm3; 對于濕雪,ρ= 0.5 g/cm3。在這一區域最常見的雪體類型為新降雪夾帶陳雪, 按ρ= 0.4 g/cm3計算。

根據(1)—(2),計算隧道進口和出口各個雪崩的移動速度以及對隧道洞門頂部沖擊力,結果如表5所示。

6 雪崩防治措施方案比選

6.1 雪崩防治措施

在高寒地區,隧道兩端洞口雪崩的防治設施通常有防雪棚洞、洞口上方防雪柵欄、在隧道洞門上設置導雪墻、隧道明洞等。

6.1.1 防雪棚洞[11]

防雪棚洞一般設置在隧道洞口,可設計為鋼結構或者鋼筋混凝土框架結構,主要由頂棚和橫梁組成。當發生雪崩時,高速運動的雪崩直接沖擊頂棚,速度變緩后沿著頂棚面板滑落至隧道一側,從而避免雪崩災害堵塞隧道口,如圖11所示。

圖11 隧道防雪棚洞Fig. 11 Tunnel snow shelter

6.1.2 防雪柵欄

防雪柵欄一般設置在隧道洞口上方,主要結構由柵欄板條、立柱及混凝土基礎組成。防雪柵欄必須設置在雪害區域的上風段,并與積雪期的主導風向垂直或者近似垂直,防雪柵欄橫向和豎向間隔設置。柵欄板條一般為木質、鐵質、鋼質或合金材料,由于設置在室外,所以需做防生銹和防腐處理[12-13]。隧道防雪柵欄如圖12所示。

圖12 隧道防雪柵欄Fig. 12 Tunnel snow fence

6.1.3 導雪墻[14]

導雪墻的主要作用是將雪崩過程中高速運動的積雪通過導雪墻改變運動堆積的方向,使其遠離鐵路工程設施,避免雪崩對隧道的損害。導雪墻形式、長度及基礎結構形式依據現場地質情況以及雪崩積雪產生的側向沖擊力而定,如圖13所示。

圖13 導雪墻Fig. 13 Snow retaining wall

6.1.4 隧道明洞

施作隧道明洞的主要作用是將隧道延長,使洞口遠離雪崩影響區,從而避免雪崩對隧道的損害。隧道明洞的結構形式、長度依據現場地質情況、雪崩積雪影響范圍以及產生的沖擊力大小而定,如圖14所示。

圖14 隧道明洞Fig. 14 Tunnel opening cut

6.2 方案比選

根據隧道兩端的地形條件、雪崩規模、拋程等因素,從施作難易程度、安全性和經濟性方面對上述4種雪崩防治措施進行比選,見表6。

表6 雪崩防治措施比較Table 6 Measures comparison for avalanche protection and control

通過比選上述雪崩防治方案,Qamchiq鐵路隧道雪崩防治措施主要采取增設隧道明洞+隧道洞門上方設置導雪墻的方式。主隧道進口增設25 m明洞,安全隧道進口增設15 m明洞,主隧道出口增設5 m明洞。將雪崩產生的沖擊力作為隧道明洞襯砌靜荷載進行結構計算,如圖15所示。

圖15 隧道進口洞口段平面布置圖Fig. 15 Layout of tunnel entrance section

明洞襯砌設計參數為: 5 cm M10水泥砂漿保護層,全環350 g/m2無紡布、1.2 mm EVA防水板、5 cm聚氨酯保護層、1.2 mm EVA防水板,60 cm厚B25鋼筋混凝土(抗滲強度W4/F300)。主隧道明洞襯砌斷面如圖16所示。

圖16 主隧道明洞斷面圖(單位: cm)Fig. 16 Section of main tunnel opening-cut (unit: cm)

導雪墻為重力式漿砌片石梯形擋墻,頂部為0.5 m, 底部為1.5 m, 高度為2 m,如圖17和圖18所示。

烏茲別克斯坦Qamchiq鐵路隧道自2016年6月通車以來,經受住了寒冬雪崩、風吹雪的考驗,有效防止了雪崩災害對鐵路隧道的威脅,保證了鐵路隧道冬季運營安全。

圖17 隧道進口主隧道洞口段斷面圖(單位: cm)Fig. 17 Section of main tunnel portal at tunnel entrance (unit: cm)

圖18 隧道進口洞門上方導雪墻Fig. 18 Snow retaining wall above the portal at tunnel section

7 結論與建議

1)通過對隧道進口和出口區域氣象特征進行調查與分析,可知隧址區具有雪崩發生的自然條件。

2)通過現場勘查得知,隧道進口區域存在4個潛在雪崩集雪區,隧道出口存在1個潛在雪崩集雪區。

3)采用tanα參數作圖法對雪崩擴散距離進行計算表明,隧道進口1號、2號、3號、4號雪崩的擴散距離分別為20、12、27、14 m; 隧道出口1號雪崩擴散距離為4 m。計算結果表明隧道進出口雪崩規模較小、隧道的入口和出口處于雪崩的堆積區范圍內。

4)通過計算雪崩對隧道洞門頂部沖擊力可知,隧道進口1號、2號、3號、4號雪崩沖擊力分別為9.3、5.3、11.2、5.8 kPa; 隧道出口1號雪崩沖擊力為2.6 kPa。

5)通過計算隧道進出口雪崩規模、擴散距離以及沖擊力,采用在隧道進口主隧道設置25 m明洞、安全隧道設置15 m明洞、隧道出口主隧道設置5 m明洞的防治措施;另外,在隧道進口洞門頂部設置2 m高漿砌片石梯形導雪墻,對隧道兩端洞口雪崩災害進行防治,取得了很好的效果。

6)對于規模較小的雪崩,隧道洞口防護措施建議采用防雪棚洞、防雪柵、導雪墻。對于規模較大的雪崩,如果是側面雪崩,建議在洞門上方設置防雪柵,隧道洞頂設置導雪墻;如果是正面雪崩,建議設置隧道明洞等防護措施。

7)不同區域雪崩特點各異,雪崩災害研究具有復雜性,不僅體現在其影響因素的多樣性,也表現在雪崩發生內在機制的復雜性,雪崩動力學機制尚不完善,雪崩動態模擬是未來重要的研究方向。