隧道洞口雪崩防治方案探讨

王 华

(1. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院, 广东 广州 511455; 2. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司, 广东 广州 511455)

0 引言

随着我国经济建设的迅猛发展,铁路建设也向高原高寒地区延伸,雪崩作为高原高寒地区一种经常发生的自然现象,对铁路工程建设的影响越来越大。藏东南铁路线路(川藏线、滇藏线)通过相对高差达1 000～3 000 m的南北向排列的高山峡谷,位于极强的雪崩区,雪害主要是雪崩。

雪害的形成机制、类型特征及时空分布完全受制于当地的气候和地形条件[1]。雪崩灾害具有突发性、潜在性、难预测性、运动速度快和冲击力大等特点,已严重影响到交通网络、基础设施、农业、林业、牧业及冰雪旅游业的可持续发展,使社会经济遭到巨大破坏并潜伏多种威胁[2]。川藏公路从成都至拉萨段全长2 165 km,其中,有雪害路段为1 100 km,约占全线的51%,雪崩地点有几十处, 雪害平均每年阻断行车时间长达3个月以上。

近年来,一些学者对铁路、公路沿线的雪崩灾害进行了研究,为铁路、公路选线以及雪崩防治提供依据。文献[3]介绍了3条进藏铁路的主要雪崩灾害,通过理论计算得出积雪的临界厚度和山坡的临界安全角度,并利用模糊归一化方法评价雪崩发生的危险度。文献[4]根据实地调查、观测和对铁路沿线气象要素的分析与推算,提出在雪崩灾害的多发区, 铁路选线应遵循“明线工程最好能选在阳坡,永久性建筑物或设施要尽量避开沟槽雪崩运动区和堆积区”的选线原则。罗培新[5]依托新疆精伊霍铁路,介绍了风吹雪灾害的形成和特征, 提出了雪害的防治原则和建议;张照财[6]结合某国际铁路的地质选线, 介绍了雪害的基本类型及选线原则;陈秀义[7]阐述了不同雪害类型、各种雪害发生机制, 提出了风吹雪多发区路堤和路堑的设计原则。李立军等[8]分析研究了精伊铁路风吹雪的特征、类型、影响因素、发生机制和规模以及发生规律等, 计算了最大积雪深度、最大风速, 并结合实际工程设计提出防治风吹雪灾害的工程措施。蔡强[9]采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究川藏铁路、公路帕隆藏布段雪崩问题。

目前,对高原高寒雪崩灾害区公路路基沿线的雪崩灾害研究较为系统,但对铁路隧道雪崩灾害评估及防治的研究较少。

乌兹别克斯坦安琶铁路Qamchiq隧道是“命题作文”式的工程项目,隧道选线时未考虑对雪崩灾害的绕避。为保障隧道施工和运营安全,需开展雪崩灾害防治研究。本文依托此隧道,通过分析调查隧址区气候地理条件确定隧道洞门上方区域雪崩发生段落,采用图解法分析雪崩扩散的距离,通过计算确定雪崩的冲击力,为制定隧道雪崩防治措施提供依据。

1 工程简介

乌兹别克斯坦安革连(Angren)—琶布(Pop)单线电气化铁路(简称安琶铁路)全长122.7 km, 是连接中亚和欧洲“新丝绸之路”铁路网的重要组成部分。其中,长度为19.2 km的 Qamchiq单线隧道是安琶铁路控制性工程,为“中亚地区第一长隧”。

Qamchiq隧道位于乌兹别克斯坦联邦共和国纳曼干省巴比斯科区域内,隧道进口端位于塔什干州安格连境内,距离A373公路约5 km;出口端位于纳曼干州境内。隧道设有主隧道与安全隧道, 安全隧道平行主隧道, 中心间距为29 m。主隧道进口里程为MK39+135,出口里程为MK58+360, 隧道全长19.225 km;安全隧道进口洞门里程为SK00+000,出口洞门里程为SK19+273,隧道总长19.273 km, 隧道最大埋深约1 260 m。

1.1 工程地质特征

隧址区地质构造主要在海西造山运动时形成,此后, 阿尔卑斯造山运动时期对其进一步影响。在地质构造运动过程中, 形成巨大的背斜并发生强烈的位移,背斜形成高度复杂的褶皱及西北走向的大断裂带。断裂带及岩浆侵入十分复杂,有时覆盖住海西造山运动时形成的褶皱结构,阿尔卑斯地质构造活动致使此区域的地质构造更为复杂。

隧道区域属于库拉米背斜东南部区域、西北部及轴线区域,背斜轴线与库拉米山分水岭相吻合,呈东北—西南走向,形成复杂的褶皱及西北走向的断裂,褶皱中心由大量侵入岩组成。隧址区断裂构造发育,主要为西北—东南走向,地震活跃; 受其影响,测区构造节理裂隙发育,与隧道相交或对隧道有重要影响的断层共7条。隧道穿越的地层岩性主要包括三叠系下统花岗闪长岩、花岗岩、正长斑岩、正长-花岗正长岩、花岗斑岩、正长闪长岩、凝灰角砾岩和安山岩-石英安山岩。

1.2 水文地质特征

隧址区地表水较发育,主要有隧道进口的库伊尼德河流、出口的萨尼萨拉克河流及2条河的支流,在隧道浅埋段及裂隙发育段对洞身地下水有入渗补给作用。地下水类型主要有: 基岩裂隙水、断层构造水、第四系松散岩类孔隙水等。

2 隧址区雪崩形成条件

雪崩的形成条件主要有: 地形地貌、气温、降水、风力及风向、吹雪及积雪等,雪崩危险的特性和等级由山形地貌的气候条件决定,冬季大气降水、积雪、气温及地区主要的风况也起主要作用。安琶铁路Qamchiq隧道位于西部天山山脉的库拉米山脉中部,显著的大陆性气候特征导致季节及年度之间温度和其他气象数据变化大。

2.1 地形地貌

隧道进、出口位于既有河道旁边,线路近似平行山坡等高线展布,隧道洞口段在地形条件下偏压。坡残积层为厚度不等的棱角状碎石,稍密—中密,河道内分布磨圆度较好的漂石、卵石;下伏基岩为三叠系下统花岗岩、花岗闪长岩,全—弱风化,较破碎—破碎。进口侧面仰坡平均坡度为38°,正面仰坡平均坡度为47°; 出口仰坡平均坡度为53°。

2.2 气温

隧道附近地区,平均气温零度以下出现在10月底,气温持续零度以下通常出现在11月底。寒冷季节持续3个半月至4个半月,最冷的月份大部分出现在1月份或2月份,最低平均昼夜温差达到22.0 ℃。冬季平均气温为-5.4 ℃,最高气温为10.8 ℃,绝对最低气温为-25.4 ℃。

2.3 降水

由各种形式的山区构造组成的阿汉加兰河和恰达克河流域,其地理状况极大地制约了该地区的降水分布。2 700～3 300 m高的库拉米山脉阻断了湿润气团对西北—东南走向的恰达克河谷的影响,该地区各个部分年度降水为80～1 300 mm。

隧道区域降水量随着高度增加,从低地的500 mm到中高地带(水平面2 070 m以上)的1 000 mm。在最湿润地带(水平面2 500～2 700 m以上)降水在1 100～1 300 mm,最大降水出现在1969年,降水量达到1 554 mm。

隧道区域冬季出现了2个最大降水周期: 第1个(主要的)在3—4月(占年度降水的25%); 第2个在11—12月(占年度降水的24%)。

隧道附近区域雪崩经常是由于下雨和陈雪造成的,很少因为新降雪导致,一般情况下,降雪量从10 mm到40 mm。

2.4 风况

山区风力活动是形成雪崩的原因之一。隧道进口地区主要风向是北风和西北风,而隧道出口地区主要风向是西北风。风在运动中会从山坡或者山脉逆风方向带起部分积雪。越过山脊的风速会降低,形成强烈的涡流,涡流带走的雪会降落在顺风方向的山坡上,并导致积雪厚度增加。隧道附近区域的风况十分稳定,通常风速为5～15 m/s, 最大阵风风速可达30 m/s,在顺风的山坡上形成了吹雪和高2.5～3.5 m的飞檐,而逆风的山坡上积雪几乎全部被吹走(见图1)。

图1 越岭地段风雪图Fig. 1 Wind and snow of mountain summit section

2.5 积雪

隧道进口地区1970—2010年(40年)以及隧道出口地1976—2010年(34年)的积雪观测值见表1。隧道进口地区山坡稳定积雪形成于11月底,次年3月初积雪量达到最大并于4月初积雪开融,雪崩危险期可能持续100 d;隧道出口地区山坡稳定积雪形成于12月初,次年2月底积雪量达到最大并于3月中旬积雪开始融化,雪崩危险期持续时间达90 d。总体来说,隧道附近地区的积雪强度足以形成雪崩。

表1 积雪厚度值Table 1 Snow thickness values

3 雪崩潜在发生区域确定

发生雪崩的可能性取决于一系列形成雪崩的复杂因素: 气候因素、水文气象因素、地貌因素、地球植物学因素、物理机械因素等。

典型的雪崩通常由集雪区、运动区和堆积区3个部分组成。这些区域之间的界限明显,并且具有相对性。雪崩的集雪区位于雪崩区的上部,属于山坡位置,通常沉积了大量的雪,积雪失去稳定性后形成雪崩。集雪区内的积雪在高空风的作用下,雪层深厚,往往是当地积雪的几倍,有利于雪崩发生。运动区也称为活动区,其主要特征是: 纵断面平直,少弯曲,多波折,横断面呈“U”字形,底部宽阔平坦,运动路线上少见植被。堆积区位于斜坡下部,常与坡积或冲积、洪积扇重合。

一般情况下,在坡度25°～50°的山坡上积雪稳定性会被破坏,形成雪崩。在更陡峭的山坡上,雪不容易沉积,相对不容易形成大量的积雪。因此,最具雪崩危险性的斜坡坡度为25°～50°。

任何一个区域如果可能发生雪崩危险最关键是确定雪崩潜在发生区的最大范围。雪崩能够到达山脚下的界限每年都是不固定的,甚至连续许多年在雪崩多发段都没有形成雪崩。Qamchiq隧道进口和出口雪崩多发段属于这种情况。

雪崩潜在发生区域根据地貌标志划分,同时也要考虑雪崩发生区的坡向、山坡的坡度、下垫层以及是否存在植被和矿物的开采等因素。

3.1 隧道进口

隧道入口附近的山坡坡度为25°～50°(见图2)。从河口到隧道入口位置,山坡上有许多被侵蚀的冲沟,有发生雪崩的可能。雪崩集雪区与堆积区之间的落差为100～600 m。雪崩的集雪区表面一般堆积了碎屑岩、碎石和卵石,草皮密度中等,少量的树林和低矮的灌木。在隧道进口现场勘探时,发现4个雪崩集雪区,雪崩可能到达隧道入口,分布情况见图3。隧道进口雪崩集雪区具体划分见表2。

图2 隧道进口段积雪Fig. 2 Snow of tunnel entrance section

图3 隧道进口区域雪崩发生区域Fig. 3 Avalanche area of tunnel entrance section

表2 隧道进口雪崩集雪区Table 2 Snow catchment area of tunnel entrance

3.2 隧道出口

铁路隧道所在的恰达克河流谷地的整体方向是东南。谷地狭窄,呈V字型,坡度很大。一些不深且短的斜沟将谷地分为若干个大的侵蚀沟,可沉积大量的积雪。此类型雪崩大多发生在很平缓的区域,雪崩移动轨迹表现为沿侵蚀沟滑动(见图4)。

图4 隧道出口雪崩潜在路线Fig. 4 Avalanche potential route of tunnel exit

现场调查结果表明,在主隧道的出口上方存在潜在的雪崩集雪区,雪崩可能扩散至主隧道隧道口附近的区域。雪崩集雪区高程为1 600 m,平均坡度为25°,坡向南东;隧道出口雪崩潜在发生区域见图5。

图5 隧道出口雪崩发生区域Fig. 5 Avalanche happening area of tunnel entrance

4 雪崩扩散距离计算

根据俄罗斯和乌兹别克斯坦建筑规范CH 517—80《防雪崩设施的设计和建筑规程》[10],采用tanα参数作图法计算雪崩抛程。即在设定的雪崩位置点做一条斜率为tanα的直线,α为移动雪体与地面的摩擦角,直线和纵断面地面线的交叉点为雪崩扩散的终点。参数tanα的参考值如表3所示。

表3 不同积雪汇聚面积下tan α 参考值Table 3 Reference values of tan α with different snow-cover area

根据隧道入口和出口的雪崩集雪区积雪汇聚面积以及平均坡度,各雪崩发生区域参数tanα取值如表4所示。

表4 雪崩发生区域 tan α取值Table 4 tan α values of avalanche happening area

根据tanα参数作图法计算雪崩抛射水平距离,如图6—10所示,雪崩的堆积区位于洞口附近的区域,隧道的入口和出口处于雪崩的堆积区范围内。具体计算结果为: 隧道进口区域1号雪崩集雪区的雪体通过安全隧道和主隧道上方并堆积在距离隧道口20 m以内的区域; 2号雪崩集雪区的雪体通过主隧道上方并堆积在距离隧道口12 m以内的区域; 3号雪崩集雪区的雪体越过安全隧道和主隧道,并堆积在距离安全隧道口27 m以外的区域; 4号雪崩集雪区的雪体越过安全隧道和主隧道,并堆积在距离安全隧道口14 m以外的区域; 隧道出口1号雪崩集雪区的雪体通过主隧道隧道口上方,并堆积在距离隧道口4 m以内隧道口附近区域。

图6 隧道进口1号雪崩扩散距离计算Fig. 6 Calculation of diffusion distance of No.1 avalanche at tunnel entrance

图7 隧道进口2号雪崩抛程计算Fig. 7 Calculation of diffusion distance of No.2 avalanche at tunnel entrance

图8 隧道进口3号雪崩抛程计算Fig. 8 Calculation of diffusion distance of tunnel entrance No.3 avalanche

图9 隧道进口4号雪崩抛程计算Fig. 9 Calculation of diffusion distance of tunnel entrance No.4 avalanche

图10 隧道出口1号雪崩抛程计算Fig. 10 Calculation of diffusion distance of tunnel exit No.1 avalanche

5 雪崩冲击力计算

计算雪崩冲击力时,假定雪体雪崩在整个移动轨迹上的重力是固定不变的,阻力和垂直于斜坡的雪体重力分量是成正比的,雪崩移动速度

式中:g为重力加速度,m/s2;H为雪崩发源地到堆积区的高差,m;h为雪崩发源地到雪崩移动线路纵断面v计算位置的高差,m;l′为从发源地到堆积区极限边界的雪崩移动线路的水平投影长度,m;l为从发源地到v计算位置的水平投影长度,m。

雪崩对设施表面的冲击力

式中:v为雪崩的移动速度;β为雪崩移动方向与设施表面之间的角度;ρ为积雪体的密度;g为重力加速度。

雪崩落雪的密度根据雪体的类型设置: 对于新降雪ρ=0.3 g/cm3; 对于陈雪,ρ= 0.4 g/cm3; 对于湿雪,ρ= 0.5 g/cm3。在这一区域最常见的雪体类型为新降雪夹带陈雪, 按ρ= 0.4 g/cm3计算。

根据(1)—(2),计算隧道进口和出口各个雪崩的移动速度以及对隧道洞门顶部冲击力,结果如表5所示。

6 雪崩防治措施方案比选

6.1 雪崩防治措施

在高寒地区,隧道两端洞口雪崩的防治设施通常有防雪棚洞、洞口上方防雪栅栏、在隧道洞门上设置导雪墙、隧道明洞等。

6.1.1 防雪棚洞[11]

防雪棚洞一般设置在隧道洞口,可设计为钢结构或者钢筋混凝土框架结构,主要由顶棚和横梁组成。当发生雪崩时,高速运动的雪崩直接冲击顶棚,速度变缓后沿着顶棚面板滑落至隧道一侧,从而避免雪崩灾害堵塞隧道口,如图11所示。

图11 隧道防雪棚洞Fig. 11 Tunnel snow shelter

6.1.2 防雪栅栏

防雪栅栏一般设置在隧道洞口上方,主要结构由栅栏板条、立柱及混凝土基础组成。防雪栅栏必须设置在雪害区域的上风段,并与积雪期的主导风向垂直或者近似垂直,防雪栅栏横向和竖向间隔设置。栅栏板条一般为木质、铁质、钢质或合金材料,由于设置在室外,所以需做防生锈和防腐处理[12-13]。隧道防雪栅栏如图12所示。

图12 隧道防雪栅栏Fig. 12 Tunnel snow fence

6.1.3 导雪墙[14]

导雪墙的主要作用是将雪崩过程中高速运动的积雪通过导雪墙改变运动堆积的方向,使其远离铁路工程设施,避免雪崩对隧道的损害。导雪墙形式、长度及基础结构形式依据现场地质情况以及雪崩积雪产生的侧向冲击力而定,如图13所示。

图13 导雪墙Fig. 13 Snow retaining wall

6.1.4 隧道明洞

施作隧道明洞的主要作用是将隧道延长,使洞口远离雪崩影响区,从而避免雪崩对隧道的损害。隧道明洞的结构形式、长度依据现场地质情况、雪崩积雪影响范围以及产生的冲击力大小而定,如图14所示。

图14 隧道明洞Fig. 14 Tunnel opening cut

6.2 方案比选

根据隧道两端的地形条件、雪崩规模、抛程等因素,从施作难易程度、安全性和经济性方面对上述4种雪崩防治措施进行比选,见表6。

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

通过比选上述雪崩防治方案,Qamchiq铁路隧道雪崩防治措施主要采取增设隧道明洞+隧道洞门上方设置导雪墙的方式。主隧道进口增设25 m明洞,安全隧道进口增设15 m明洞,主隧道出口增设5 m明洞。将雪崩产生的冲击力作为隧道明洞衬砌静荷载进行结构计算,如图15所示。

图15 隧道进口洞口段平面布置图Fig. 15 Layout of tunnel entrance section

明洞衬砌设计参数为: 5 cm M10水泥砂浆保护层,全环350 g/m2无纺布、1.2 mm EVA防水板、5 cm聚氨酯保护层、1.2 mm EVA防水板,60 cm厚B25钢筋混凝土(抗渗强度W4/F300)。主隧道明洞衬砌断面如图16所示。

图16 主隧道明洞断面图(单位: cm)Fig. 16 Section of main tunnel opening-cut (unit: cm)

导雪墙为重力式浆砌片石梯形挡墙,顶部为0.5 m, 底部为1.5 m, 高度为2 m,如图17和图18所示。

乌兹别克斯坦Qamchiq铁路隧道自2016年6月通车以来,经受住了寒冬雪崩、风吹雪的考验,有效防止了雪崩灾害对铁路隧道的威胁,保证了铁路隧道冬季运营安全。

图17 隧道进口主隧道洞口段断面图(单位: cm)Fig. 17 Section of main tunnel portal at tunnel entrance (unit: cm)

图18 隧道进口洞门上方导雪墙Fig. 18 Snow retaining wall above the portal at tunnel section

7 结论与建议

1)通过对隧道进口和出口区域气象特征进行调查与分析,可知隧址区具有雪崩发生的自然条件。

2)通过现场勘查得知,隧道进口区域存在4个潜在雪崩集雪区,隧道出口存在1个潜在雪崩集雪区。

3)采用tanα参数作图法对雪崩扩散距离进行计算表明,隧道进口1号、2号、3号、4号雪崩的扩散距离分别为20、12、27、14 m; 隧道出口1号雪崩扩散距离为4 m。计算结果表明隧道进出口雪崩规模较小、隧道的入口和出口处于雪崩的堆积区范围内。

4)通过计算雪崩对隧道洞门顶部冲击力可知,隧道进口1号、2号、3号、4号雪崩冲击力分别为9.3、5.3、11.2、5.8 kPa; 隧道出口1号雪崩冲击力为2.6 kPa。

5)通过计算隧道进出口雪崩规模、扩散距离以及冲击力,采用在隧道进口主隧道设置25 m明洞、安全隧道设置15 m明洞、隧道出口主隧道设置5 m明洞的防治措施;另外,在隧道进口洞门顶部设置2 m高浆砌片石梯形导雪墙,对隧道两端洞口雪崩灾害进行防治,取得了很好的效果。

6)对于规模较小的雪崩,隧道洞口防护措施建议采用防雪棚洞、防雪栅、导雪墙。对于规模较大的雪崩,如果是侧面雪崩,建议在洞门上方设置防雪栅,隧道洞顶设置导雪墙;如果是正面雪崩,建议设置隧道明洞等防护措施。

7)不同区域雪崩特点各异,雪崩灾害研究具有复杂性,不仅体现在其影响因素的多样性,也表现在雪崩发生内在机制的复杂性,雪崩动力学机制尚不完善,雪崩动态模拟是未来重要的研究方向。