山区铁路隧道洞口综合防护技术研究

2012-01-24赵录学

铁道标准设计 2012年6期

赵录学

(中铁第一勘察设计院集团有限公司兰州铁道设计院,兰州 730000)

由于我国地形地貌特征复杂,山地、高原和丘陵约占陆地面积的67%,随着铁路建设的高速发展,对铁路的线形要求更加严格,造成铁路隧道的数量日益增多,部分长大干线的隧线比超过了50%,在建的兰渝铁路、天平铁路隧线比甚至高达70%。受线路条件的限制,部分隧道洞口难免存在边仰坡高陡,坡面破碎的现状。传统的做法是洞口边、仰坡按照一定的稳定坡率进行刷坡、防护,或者采用洞口接长明洞的方法予以解决[1]。但这些措施普遍存在投资大、施工难、风险大以及与洞口桥梁等其他工程相互干扰的诸多问题,最为主要的是严重破坏了原生植被。随着社会经济的发展和人们对环境问题的日益重视,隧道洞口的环保设计逐渐成为隧道设计的不可或缺的一部分,要求洞口边仰坡设计采取综合处理措施,既要确保线路运营的安全、又要符合环保要求、节约投资、便于施工。

1 工程概况

1.1 隧道概况

六盘山隧道、关山隧道为天平铁路第一、第二长隧道。其中六盘山特长隧道全长16 719 m,穿越甘肃省平凉市六盘山山脉；关山特长隧道全长15 634 m,位于甘肃省天水市与平凉市交界地段的关山中山山区。六盘山隧道进口距关山隧道出口仅39 m,两隧道之间为1跨18 m的刚构桥。两座隧道除相邻洞口段各576、550 m为莲花台车站双线断面外,其余均为单线隧道。六盘山隧道进口、关山隧道出口均位于华亭县麻庵乡三角城左侧后河峡谷内,洞口距华亭县城公路约30 km,其中县城至麻庵乡段通有盘山乡村便道,但路窄、坡陡、弯道多,遇雨则车辆难以通行,交通条件较差；麻庵乡至隧道洞口段为山间峡谷地带,仅能步行到达。隧道洞口路肩高程1 667.50 m。

图1 六盘山隧道进口、关山隧道出口段纵断面(单位：cm)

1.2 洞口条件(图1～图3)

六盘山隧道进口及关山隧道出口地层主要为白垩系砂、泥岩,岩体层理、节理发育,产状变化较大。洞口处沟谷切割较深,六盘山隧道进口侧形成高约100 m的陡坎,基岩裸露,受卸荷裂隙、节理及层理的影响,岩体破碎,在陡坎底部有崩塌块石堆积,陡坎壁危岩、落石发育,对隧道洞口影响较大。关山隧道出口仰坡坡面陡峭(约50°),岩体较风化,节理裂隙发育,地表有坡积层覆盖,表面被树木覆盖,树木根基钻入基岩缝隙内,局部层理产状有顺层现象[4]。两端洞口仅采用普通的斜切式洞门及常规的刷坡+喷锚防护措施难以满足线路及车站的安全运营,也会对当地的自然环境造成了难以恢复的恶劣影响。

图2 六盘山隧道进口

图3 关山隧道出口

2 洞口段防护方案设计思路

所有的工程措施都以服务于线路运营为目的。因此,六盘山隧道及关山隧道洞口的防护方案首先要满足线路及所属车站的长期运营需要,确保运营安全。具体措施制定时要重视环境,尽量减少施工作业对原始山体和植被的破坏,同时兼顾方案的经济性和施工安全性、方便性,遵循“先清后固、坡面柔性防护为主、隧道结构防护为辅,重视环保及景观要求,满足安全、方便施工、节约投资”的设计原则,具体考虑如下因素。

(1)洞口段安全防护措施分边仰坡防护、线路自身结构防护两部分考虑,以边仰坡防护为主,线路自身结构防护为辅。

(2)所有防护措施要简单易行,便于施工,经济实用。

(3)边坡防护措施要尽量减少对原始山体及植被的破坏,线路自身防护结构形式及色彩与当地环境融为一体,美观大方。

(4)线路自身防护结构内净空须满足车辆通行及车站使用的相关要求。

(5)线路自身防护结构紧靠仰坡段强度满足抵御大粒径落石的要求,其余段结构强度满足抵御边坡小粒径落石、风荷载、雪荷载的综合要求[2]。

(6)两特长隧道相邻洞口段线路自身防护结构须满足隧道通风要求,结构镂空面积满足隧道通风需要。

(7)线路自身防护结构方案选择除考虑自身的造价因素外,还应考虑结构自重对桥梁工程的影响。

3 防护措施设计

3.1 边坡防护措施

(1)关山隧道出口边仰坡：边仰坡地表覆盖坡积层,植被良好,多为高大树木,边坡自身稳固,设计仅对对仰坡上方乱石进行人工清理,对施工开挖损坏部分设置骨架护坡(图4),坡面种植当地原有草皮以恢复植被。

(2)六盘山隧道进口边仰坡：仰坡为高约100 m的陡坎,岩体破碎,危岩、落石发育,对洞口影响较大,须综合考虑,采取多种措施综合处理,确保边坡整体稳定,具体措施如下。

①清理危石：对洞口仰坡上方危石进行人工清理。

②喷锚防护：对洞口两侧各10 m范围内岩体裸露、无植被覆盖的仰坡进行喷锚防护,具体参数为：C25喷混凝土厚25 cm,φ8 mm钢筋网间距20 cm×20 cm,锚杆为φ25 mm自进式锚杆,长度3 m,间距1.2 m×1.2 m。

③设置主动防护网(图5)：对洞口两侧各10 m、岩体特别破碎、高约40 m的仰坡设置主动防护网。防护采用GTC-65A防护网,网型为高强度钢丝格栅,满足100年的防腐寿命要求。

其他病毒感染：确诊或疑似疱疹病毒或水痘-带状疱疹病毒感染导致急性肝衰竭的患者，应使用阿昔洛韦（5～10 mg/kg，1次/8 h，静脉滴注）治疗，且危重者可考虑进行肝移植（Ⅲ）。

④设置被动防护网(图5)：洞口仰坡设置2道被动防护网,设置宽度为洞口两侧各10 m,高度4 m。防护采用RXI-150防护网,网型为R12/3/300,能拦截能量为1 500 kJ以内的落石。

图4 骨架护坡设置方式

图5 主、被动防护网设置方式

图7 防护结构纵断面(单位：cm)

3.2 隧道洞口线路自身防护措施

(1)洞口段适当接长明洞,明洞顶设置缓冲措施

隧道洞口适当接长明洞,明洞顶设置缓冲层,以防御仰坡掉落的大粒径石块。根据仰坡的坡率陡缓及岩体破碎程度,确定六盘山隧道进口段接长明洞6 m,关山隧道出口端接长明洞2 m,明洞衬砌采用80 cm厚C35钢筋混凝土结构,翼墙为C25混凝土结构,与明洞整体浇筑,洞顶缓冲层为1 m厚的砂层,具体断面形式见图6[5]。

图6 明洞段设置缓冲层断面(单位：cm)

(2)其余明线段设置钢结构柔性防护措施

部分小粒径落石掉落位置可能距隧道洞口较远,因此,六盘山隧道进口至关山隧道出口间线路自身均需设置必要的防护结构。防护结构的选用除考虑满足防护功能的基础条件外,还综合考虑材料的耐久性、经济性、景观效果、施工简易程度等因素,对混凝土结构、全断面钢结构、拱桥式钢结构进行了深入比较,由于双跨拱桥式钢结构+柔性结构方案在结构安全性、造价、对相邻工程的影响及与环境协调性方面有优势,最终被推荐采用[3]。双跨拱桥式钢结构+柔性结构方案边墙采用拱形双跨钢结构,以H400+H250型钢为主体结构；上部结构采用钢拱架+钢绞线+端头索具+消能器+环形网+格栅网+落石防护板+支座,防护结构纵断面及三维视图见图7、图8[5]。

拱形钢架横断面与隧道断面基本吻合,钢拱架上连接直径为18 mm、间距不大于300 mm的钢绞线作为主要的吸能部件,每根钢绞线的两端分别连接消能器,钢拱架外侧设R×I～250环形网与网孔尺寸为50 mm×60 mm的双绞六边形格栅网,在线路顶部的钢拱架底部焊接δ=2 mm钢板,避免小粒径落石入侵线路。防护结构计算采用有限元分析程序MIDAS/civil10.0进行分析计算,柔性防护结构的防护能量可达100 kJ,相当于质量为250 kg(粒径约为0.5 m的石块)的落石从40 m高空自由落下。