高速公路隧道綠色環保洞口設計

楊克棟，王宏宇

(陜西省交通規劃設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

0 引言

隧道是公路在山嶺地區克服高差影響、縮短行程、提高車速、節約土地、減少對地表植被破壞、保護生態環境和避免因開挖過多造成危害程度大而設置的構造物。近年來,隨著我國公路事業的飛速發展,山嶺重丘區的高速公路建設越來越多,公路隧道的數量和長度都實現了巨大的跨越,在建造技術、質量控制和服務水平上都取得很大的進步[1-2]。

隨著隧道數量的增多,隧道修建的地質條件越來越復雜,洞口地形差異性也越來越大,隧道建設與環境保護的矛盾日益突出。在這種形勢下,隧道建設如何落實好綠色公路建設理念,處理好建設與自然的關系,盡可能保護好自然環境,作為隧道設計重要組成部分的洞口設計就變得尤為重要。本文從隧道洞口的設計原則、洞口位置的選擇、洞口段進洞方式、洞口段施工和洞門型式的設置原則等方面進行了論述,以隧道洞口實際工程為依托,提出了隧道綠色環保洞口設計方法,達到了降低公路隧道洞口對環境的破壞,實現洞口與周邊環境的和諧統一。

1 隧道洞口的設計原則

隧道洞口設計應遵循“早進洞、晚出洞”的原則,綜合考慮地形、地貌、洞口地質條件及附近建筑物和周邊自然環境等因素,在確保安全穩定的前提下,盡可能實現仰坡“少開挖”甚至“零開挖”,減少對洞口自然生態的破壞,保護和利用好洞口生態環境。

2 隧道洞口設計的主要內容

隧道洞口設計主要包括洞口位置的選擇,洞口段進洞,洞口段施工,洞門型式的設置。

2.1 隧道洞口位置的選擇

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

2)隧道洞口位置應遵循“早進洞,晚出洞”的原則,在確保安全穩定的前提下,盡可能實現仰坡“少開挖”甚至“零開挖”,減少對洞口自然生態的破壞,保護和利用好洞口生態環境。

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

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

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

6)隧道洞口位置不宜設在溝谷的中心或排水困難的溝底低洼處,應盡量設在地質穩定的山坡上,并結合洞口地形、洞口開挖和防護做好洞口的防水和排水措施。

7)當洞口存在不得穿越的不良地質體時,應遵循“避重就輕、趨利避害”的原則,進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案。

8)在橋隧相連的情況下,應加強橋隧間的協同設計,根據地形、地質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 隧道洞口段進洞

隧道洞口段一般是隧道地形、地質條件最為復雜的一段,一般風化嚴重,地質條件差,往往會遇到坡積體、淺埋偏壓、軟弱圍巖、陡坡進洞等問題,且地表水容易匯集。隧道開挖斷面大,結構扁平,受力條件不好,如果施工方法、輔助施工措施及支護襯砌參數選擇不合理,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,造成隧道洞內塌方,地表塌陷等重大的安全事故,造成嚴重的后果。在設計中應結合地形地質狀況,采取超前大管棚、半明半暗施工、設置護拱反壓回填、地表注漿等工程措施來處理,并做好邊仰坡防護和洞口排水系統,降低施工風險,確保洞口安全。

1)隧道洞口段進洞方案的確定應根據具體洞口段路線與地形等高線的交角,洞口地形、地貌和地質條件,施工環境條件及施工技術水平等因素,經綜合考慮制定出最符合現場實際的進洞方案。在采取有針對性的工程處治措施能確保安全穩定的前提下,盡可能實現仰坡“少開挖”甚至“零開挖”,減少對洞口自然生態的破壞,保護和利用好洞口生態環境。

在復雜地形、地質條件下,隧道采用的進洞方案主要有以下5種:

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

定坤隧道進口為典型超前大管棚支護進洞,見圖1,圖2。

b.前置洞口進洞: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,可采用前置洞口進洞。即通過設置護拱作為臨時支護,在進洞前以護拱成洞并進行回填反壓,在護拱內采用暗挖施工。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。

下邊隧道右線進口前置洞口進洞,見圖3,圖4。

c.半明半暗進洞: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,采用半明半暗進洞。設計時應重視施工和運營期間邊、仰坡的穩定,重視山體外側偏壓耳墻基礎的承載力及穩定性,充分考慮可靠技術措施,確保施工、運營安全。

下邊隧道出口即為半明半暗進洞,見圖5,圖6。

d.異形護拱反壓回填進洞:當隧道軸線與地形等高線交角較小,隧道洞口段形成偏壓時,在條件允許時應采用先依地形修筑護拱,與山體協調,然后進行反壓回填、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險。

下褚隧道進、出口即為異形護拱反壓回填進洞,見圖7—圖10。

e.反向擴挖進洞:隧道洞口由于地形較陡,洞口施工場地布設困難時,可采取先施打施工導洞進洞再反向擴挖至洞口的進洞方式;當隧道洞口地形較陡或臨近公路、房屋等構筑物時,為盡可能減少邊仰、坡開挖,避免對既有構筑物的影響,短隧道可以采取獨頭掘進,由洞內向外擴挖形成洞口。這種反向擴挖進洞的方式,在進洞前后都應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洞。必須強調洞口段嚴格執行“早進洞、晚出洞”的原則,在確保安全穩定的前提下,以不產生過大的坡面開挖痕跡,盡可能減小對洞口自然生態的破壞為目標。

a.遵循“早進洞、晚出洞”原則,先采取預加固措施后再開挖,隧道開挖時嚴格遵守“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的十八字方針。

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

c.隧道洞口段常用開挖方法有超短臺階法、環形開挖留核心土法、中隔壁法、交叉中隔壁法、雙側壁導坑法。開挖時應根據隧道的地質條件、開挖斷面大小和圍巖的穩定情況選擇開挖方法,盡量采用人工配合機械開挖。

d.隧道施工時應加強監控量測。通過施工現場監測可以掌握圍巖和支護工作狀態、判斷圍巖穩定性、支護結構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參數、優化設計、施工方案及施工工藝提供信息依據。

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

2.3 隧道洞門

隧道洞門形式應根據洞口地形、地質條件及周邊環境確定。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,維護邊坡,仰坡的穩定性,并將坡面匯水引離隧道。洞門的造型設計與環境、裝飾、洞門銘牌共同組成了隧道洞門的整體,每一項的定位和結合部的設計關系都與施工后的效果密切相關。近年來在隧道修建中,人們在確保洞口安全的基礎上,越來越注重洞口的景觀效果,即隧道洞門與地域自然環境、人文景觀的和諧統一。

1)隧道洞門的設計原則:按照綠色公路新設計理念,隧道洞門設計應因地制宜、隨形就勢、合理布局,實現與周邊環境自然和諧。按“一洞一門”進行設計,采用符合當地人文、自然環境和地域文化特色的建筑風格,淡化人工痕跡,兼顧美學效應,把隧道工程融于當地優美的自然景觀中。

針對山區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,均宜適當延長明洞,將隧道洞門前置。

2)隧道洞門形式:當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上的變化、組合或裝飾美化的結果。結合地形、地質條件應優先采用削竹式洞門。

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、生態環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,洞門結構簡單,仰坡、邊坡有利于植被的恢復,易與周圍景觀協調,保持了生態平衡。從行車安全角度,車輛進入隧道前,仰坡正面反射光較弱,光反差小,駕駛人適應光線變化的時間短,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,兩側路塹邊坡較高時,在洞口軸線與山體小角度斜交,靠山側邊坡較高時,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行裝飾,端墻面風格要簡潔、大方,不宜設置裝飾圖案,以防干擾駕駛員注意力,影響行車安全。

隧道設計踐行“建、管、養一體化”理念,為端墻式洞門側墻增設了鋼爬梯(見圖12)。爬梯由梯道、梯梁、護籠、扶手四部分組成。爬梯整體采用不銹鋼結構,保證爬梯的耐腐蝕性,保證其使用壽命。扶梯外設置護籠,護籠采用高強度扁鋼,使其安全性得到保證。扶手采用鋼管且在梯道頂端增設豎向扶手,方便人員上下通行。通過設置爬梯,檢修人員可以方便的對隧道洞頂排水溝進行疏通清理,對洞頂雜物進行清除以及其他日常性檢修養護工作,降低了洞口隧道養護工作的難度。

3 結論

隧道洞口設計應根據洞口的地形、地貌、地質條件,遵循“早進洞、晚出洞”的原則,在確保施工和運營安全的前提下,盡可能實現仰坡“少開挖”甚至“零開挖”,保護和利用好洞口生態環境,體現安全、綠色、環保的洞口設計理念。

隧道洞口通過淺埋段、自穩能力差的軟弱、破碎圍巖段,采用地表小導管注漿、超前大管棚等作為超前支護措施,采用零開挖進洞;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,且靠山側邊坡較高,地形偏壓陡峻時,采用半明半暗進洞或異型護拱反壓回填進洞;隧道洞口由于地形較陡,洞口施工場地布設困難時,或當隧道洞口地形較陡或臨近公路、房屋等構筑物時,采用反向擴挖進洞。上述進洞方式實現了隧道洞口“早進洞、晚出洞”目的,減小了洞口邊仰坡的開挖高度和防護工程量,減少了隧道施工對洞口生態環境的破壞,實現了綠色、環保進洞。隧道洞門設計應因地制宜、隨形就勢、合理布局,既不過分強調人工化以及過于華麗的洞門結構型式,又強調洞口景觀與周圍環境的協調,把隧道工程融于當地優美的自然景觀中。