高速公路隧道绿色环保洞口设计

杨克栋，王宏宇

(陕西省交通规划设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

0 引言

隧道是公路在山岭地区克服高差影响、缩短行程、提高车速、节约土地、减少对地表植被破坏、保护生态环境和避免因开挖过多造成危害程度大而设置的构造物。近年来,随着我国公路事业的飞速发展,山岭重丘区的高速公路建设越来越多,公路隧道的数量和长度都实现了巨大的跨越,在建造技术、质量控制和服务水平上都取得很大的进步[1-2]。

随着隧道数量的增多,隧道修建的地质条件越来越复杂,洞口地形差异性也越来越大,隧道建设与环境保护的矛盾日益突出。在这种形势下,隧道建设如何落实好绿色公路建设理念,处理好建设与自然的关系,尽可能保护好自然环境,作为隧道设计重要组成部分的洞口设计就变得尤为重要。本文从隧道洞口的设计原则、洞口位置的选择、洞口段进洞方式、洞口段施工和洞门型式的设置原则等方面进行了论述,以隧道洞口实际工程为依托,提出了隧道绿色环保洞口设计方法,达到了降低公路隧道洞口对环境的破坏,实现洞口与周边环境的和谐统一。

1 隧道洞口的设计原则

隧道洞口设计应遵循“早进洞、晚出洞”的原则,综合考虑地形、地貌、洞口地质条件及附近建筑物和周边自然环境等因素,在确保安全稳定的前提下,尽可能实现仰坡“少开挖”甚至“零开挖”,减少对洞口自然生态的破坏,保护和利用好洞口生态环境。

2 隧道洞口设计的主要内容

隧道洞口设计主要包括洞口位置的选择,洞口段进洞,洞口段施工,洞门型式的设置。

2.1 隧道洞口位置的选择

1)隧道洞口位置应尽量避免选择在不良地质段,根据洞口地形、地貌、地物、地质条件,并综合考虑施工条件、洞外相关工程及营运要求等因素后确定。

2)隧道洞口位置应遵循“早进洞,晚出洞”的原则,在确保安全稳定的前提下,尽可能实现仰坡“少开挖”甚至“零开挖”,减少对洞口自然生态的破坏,保护和利用好洞口生态环境。

3)洞口轴线宜与地形等高线正交或接近正交,当不能满足上述要求时,要尽量以大角度斜交进洞。

4)洞口轴线与地形等高线斜交角度较小,且靠山一侧边坡较高时,宜采用半明半暗进洞、斜交进洞的方式,以延长暗洞,降低边仰坡。

5)当洞口从悬崖峭壁下方通过时,如崖壁稳定,可采用直接进洞。若存在坍塌或落石可能时,应将明洞延长至影响范围以外3 m～5 m,并采取一定的防护措施,确保施工、运营安全。

6)隧道洞口位置不宜设在沟谷的中心或排水困难的沟底低洼处,应尽量设在地质稳定的山坡上,并结合洞口地形、洞口开挖和防护做好洞口的防水和排水措施。

7)当洞口存在不得穿越的不良地质体时,应遵循“避重就轻、趋利避害”的原则,进行多方案综合分析和比选,制定有针对性的工程处治方案和预案。

8)在桥隧相连的情况下,应加强桥隧间的协同设计,根据地形、地质情况合理选择桥隧连接形式,确定合理的隧道洞口位置,尽可能避免桥隧施工时的相互干扰[3-5]。

2.2 隧道洞口段进洞

隧道洞口段一般是隧道地形、地质条件最为复杂的一段,一般风化严重,地质条件差,往往会遇到坡积体、浅埋偏压、软弱围岩、陡坡进洞等问题,且地表水容易汇集。隧道开挖断面大,结构扁平,受力条件不好,如果施工方法、辅助施工措施及支护衬砌参数选择不合理,施工时很容易造成局部围岩的坍塌,而且围岩的破坏还可能从局部开始逐渐扩展,造成隧道洞内塌方,地表塌陷等重大的安全事故,造成严重的后果。在设计中应结合地形地质状况,采取超前大管棚、半明半暗施工、设置护拱反压回填、地表注浆等工程措施来处理,并做好边仰坡防护和洞口排水系统,降低施工风险,确保洞口安全。

1)隧道洞口段进洞方案的确定应根据具体洞口段路线与地形等高线的交角,洞口地形、地貌和地质条件,施工环境条件及施工技术水平等因素,经综合考虑制定出最符合现场实际的进洞方案。在采取有针对性的工程处治措施能确保安全稳定的前提下,尽可能实现仰坡“少开挖”甚至“零开挖”,减少对洞口自然生态的破坏,保护和利用好洞口生态环境。

在复杂地形、地质条件下,隧道采用的进洞方案主要有以下5种:

a.超前大管棚支护进洞方法:隧道洞口通过浅埋段、自稳能力差的软弱、破碎围岩段,洞口地质条件差、缺乏自稳能力,如不采取相应的辅助工程措施,在隧道开挖过程中很容易出现围岩变形破坏、掌子面坍塌等。为了达到早进洞、安全进洞的目的,采用超前大管棚作为预加固措施。

定坤隧道进口为典型超前大管棚支护进洞,见图1,图2。

b.前置洞口进洞:隧道洞口轴线与地形等高线交角较大,洞口植被良好,仰坡坡度较陡时,可采用前置洞口进洞。即通过设置护拱作为临时支护,在进洞前以护拱成洞并进行回填反压,在护拱内采用暗挖施工。这不仅可以保证洞口山坡的完整性,大大减少洞口开挖工程量,还能最大限度的减少对原地面的扰动。

下边隧道右线进口前置洞口进洞,见图3,图4。

c.半明半暗进洞:隧道洞口轴线与地形等高线交角较小,场地狭小,且靠山侧边坡较高,地形偏压陡峻时,为了降低边、仰坡,避免洞口开挖形成高大边坡或容易引起洞口失稳,采用半明半暗进洞。设计时应重视施工和运营期间边、仰坡的稳定,重视山体外侧偏压耳墙基础的承载力及稳定性,充分考虑可靠技术措施,确保施工、运营安全。

下边隧道出口即为半明半暗进洞,见图5,图6。

d.异形护拱反压回填进洞:当隧道轴线与地形等高线交角较小,隧道洞口段形成偏压时,在条件允许时应采用先依地形修筑护拱,与山体协调,然后进行反压回填、再开挖隧道的方法。采用这种方法,可以大大降低边、仰坡的开挖高度,减少山体开挖量,同时也降低了施工安全风险。

下褚隧道进、出口即为异形护拱反压回填进洞,见图7—图10。

e.反向扩挖进洞:隧道洞口由于地形较陡,洞口施工场地布设困难时,可采取先施打施工导洞进洞再反向扩挖至洞口的进洞方式;当隧道洞口地形较陡或临近公路、房屋等构筑物时,为尽可能减少边仰、坡开挖,避免对既有构筑物的影响,短隧道可以采取独头掘进,由洞内向外扩挖形成洞口。这种反向扩挖进洞的方式,在进洞前后都应做好针对性的加固措施。

2)隧道洞口段施工对整个隧道而言极为重要,决定着隧道能否顺利进洞。必须强调洞口段严格执行“早进洞、晚出洞”的原则,在确保安全稳定的前提下,以不产生过大的坡面开挖痕迹,尽可能减小对洞口自然生态的破坏为目标。

a.遵循“早进洞、晚出洞”原则,先采取预加固措施后再开挖,隧道开挖时严格遵守“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针。

b.洞口段围岩地质条件很差时,可以采用地表注浆、超前大管棚、超前小导管、掌子面超前预注浆、锁脚锚管、临时钢架支撑等辅助工程措施,加固完成后再进行开挖作业。

c.隧道洞口段常用开挖方法有超短台阶法、环形开挖留核心土法、中隔壁法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法。开挖时应根据隧道的地质条件、开挖断面大小和围岩的稳定情况选择开挖方法,尽量采用人工配合机械开挖。

d.隧道施工时应加强监控量测。通过施工现场监测可以掌握围岩和支护工作状态、判断围岩稳定性、支护结构的合理性和隧道整体安全性,确定二衬合理施作时间,为评价和修改初期支护参数、优化设计、施工方案及施工工艺提供信息依据。

e.如有明洞,应采取先施工明洞后进洞的施工顺序。反之,如果先进隧道后做明洞,开挖边仰坡时,容易引起塌方。

2.3 隧道洞门

隧道洞门形式应根据洞口地形、地质条件及周边环境确定。隧道洞门的作用是抵抗来自仰坡、边坡的土压力,拦截仰坡上方小量剥落、掉块,维护边坡,仰坡的稳定性,并将坡面汇水引离隧道。洞门的造型设计与环境、装饰、洞门铭牌共同组成了隧道洞门的整体,每一项的定位和结合部的设计关系都与施工后的效果密切相关。近年来在隧道修建中,人们在确保洞口安全的基础上,越来越注重洞口的景观效果,即隧道洞门与地域自然环境、人文景观的和谐统一。

1)隧道洞门的设计原则:按照绿色公路新设计理念,隧道洞门设计应因地制宜、随形就势、合理布局,实现与周边环境自然和谐。按“一洞一门”进行设计,采用符合当地人文、自然环境和地域文化特色的建筑风格,淡化人工痕迹,兼顾美学效应,把隧道工程融于当地优美的自然景观中。

针对山区高速公路洞门口落石及边坡冲刷情况,无论采用何种洞门形式,均宜适当延长明洞,将隧道洞门前置。

2)隧道洞门形式:当前常见的公路隧道的洞门形式有削竹式洞门、端墙式洞门、翼墙式洞门以及明洞式洞门等,其他的洞门形式一般是在以上几种形式基础上的变化、组合或装饰美化的结果。结合地形、地质条件应优先采用削竹式洞门。

a.削竹式洞门:在地形开阔地带,洞口边坡较平缓、洞口路堑不高的地带,坡体植被茂密、生态环保和景观需求较高地带,宜采用削竹式洞门。

削竹式洞门,仰坡坡率平缓,洞门结构简单,仰坡、边坡有利于植被的恢复,易与周围景观协调,保持了生态平衡。从行车安全角度,车辆进入隧道前,仰坡正面反射光较弱,光反差小,驾驶人适应光线变化的时间短,有利于行车安全。

b.端墙式洞门:在隧道从陡崖下方通过、存在落石危险时,在沟谷和山凹等地形狭窄地带,两侧路堑边坡较高时,在洞口轴线与山体小角度斜交,靠山侧边坡较高时,在桥隧相接,洞口地形陡峭时,宜采用端墙式洞门(如图11所示)。

端墙的墙面宜保持混凝土原色,也可以采用真石漆涂装或者毛面石材镶面来进行装饰,端墙面风格要简洁、大方,不宜设置装饰图案,以防干扰驾驶员注意力,影响行车安全。

隧道设计践行“建、管、养一体化”理念,为端墙式洞门侧墙增设了钢爬梯(见图12)。爬梯由梯道、梯梁、护笼、扶手四部分组成。爬梯整体采用不锈钢结构,保证爬梯的耐腐蚀性,保证其使用寿命。扶梯外设置护笼,护笼采用高强度扁钢,使其安全性得到保证。扶手采用钢管且在梯道顶端增设竖向扶手,方便人员上下通行。通过设置爬梯,检修人员可以方便的对隧道洞顶排水沟进行疏通清理,对洞顶杂物进行清除以及其他日常性检修养护工作,降低了洞口隧道养护工作的难度。

3 结论

隧道洞口设计应根据洞口的地形、地貌、地质条件,遵循“早进洞、晚出洞”的原则,在确保施工和运营安全的前提下,尽可能实现仰坡“少开挖”甚至“零开挖”,保护和利用好洞口生态环境,体现安全、绿色、环保的洞口设计理念。

隧道洞口通过浅埋段、自稳能力差的软弱、破碎围岩段,采用地表小导管注浆、超前大管棚等作为超前支护措施,采用零开挖进洞;隧道洞口轴线与地形等高线斜交角较大,洞口植被良好,仰坡较陡时,采用前置洞口进洞;隧道洞口轴线与地形等高线斜交角度较小,场地狭小,且靠山侧边坡较高,地形偏压陡峻时,采用半明半暗进洞或异型护拱反压回填进洞;隧道洞口由于地形较陡,洞口施工场地布设困难时,或当隧道洞口地形较陡或临近公路、房屋等构筑物时,采用反向扩挖进洞。上述进洞方式实现了隧道洞口“早进洞、晚出洞”目的,减小了洞口边仰坡的开挖高度和防护工程量,减少了隧道施工对洞口生态环境的破坏,实现了绿色、环保进洞。隧道洞门设计应因地制宜、随形就势、合理布局,既不过分强调人工化以及过于华丽的洞门结构型式,又强调洞口景观与周围环境的协调,把隧道工程融于当地优美的自然景观中。