隧道穿越泥石流沟防治设计的几个问题探讨

廖 峻， 肖 博， 王道良， 石 波

(1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司 公路隧道建设技术国家工程实验室， 重庆 400067；2. 招商局重庆交通科研设计院有限公司 隧道建设与养护技术交通行业重点实验室， 重庆 400067)

0 引言

随着我国“一带一路”倡议的不断推进，交通基础设施建设不断向山区延伸，隧道设计者面临的不良地质越来越复杂。泥石流作为典型的地质灾害之一，往往具有短暂性、突发性和损毁力强等显著特征[1-2]。如果在隧道修建时对泥石流防治不当，将为日后的安全运营埋下巨大隐患。

许多学者针对隧道下穿泥石流沟的防治开展了大量研究，综合现有的文献成果，大体上可分为3类。1)理论分析方面[3-5]： 徐林荣等[3]提出了工程易损性概念，选取隧道地质选址、工程设计、泥石流致灾等作为评价因子，构建了工程易损性评价指标体系，建立了工程易损性评估方法。王毅等[4]以毛家湾隧道口沟泥石流为工程背景，通过多年跟踪研究，分析了泥石流的形成条件，与强震、强降雨的关系及泥石流的运动与沟床物质组成的关系。2)试验研究方面[6-8]： 游勇[6]对不同容重的泥石流在排导槽内运动的最小纵坡进行了试验研究，分析了泥石流流速与其容重、排导槽纵坡大小的关系，明确了不发生淤积的最小纵坡。刘建康等[7]通过室内模型试验，分析了V形排导槽不同横纵比降组合条件下槽内泥石流流速的差异及原因，并建立了泥石流流速与排导槽横纵比降公式。孙昊等[8]通过水槽试验模拟了泥石流在梯-潭结构型排导槽中的运动过程，研究了梯-潭结构型排导槽的消能机制及效率。3)数值分析方面[9-11]： 李兆华等[9]基于固流转化的黏弹塑性模型，描述了泥石流过程中岩土材料力学性质的弹塑性-黏性转变现象，对泥石流进行了黏弹塑性的全程模拟。朱正国等[10]以兰渝铁路仓园隧道为背景，采用数值模拟分析了隧道施工过程的力学行为特性及基底加固处理效果，提出了泥石流体隧道施工变形控制和基底加固方法。

通过分析现有文献资料发现，隧道穿越泥石流沟的防治设计中仍有以下问题值得探讨。1)以往的此类研究多针对特定的穿越形式，并未进行系统的归纳总结，且随着隧道穿越泥石流沟位置不同，隧道建设方案、对泥石流的防治措施都相差甚远； 2)以往排导槽设计时，对其排导性能或防淤能力重视不足，导致排导槽经济性较差或淤积频发。

为此，本文首先对隧道穿越泥石流沟的形式加以归纳总结，通过理论分析与工程类比，给出不同穿越形式对应的设计要点及防治措施；然后，结合隧道在泥石流堆积体表层穿越的工程实例，采用明洞结构+隧顶排导槽设计方案，综合考虑排导槽的排导性能与防淤能力，推导出排导槽最佳水力断面形式及计算公式，并提出了防淤设计验算的方法与流程；最后确定出排导槽断面形式及具体尺寸参数，以期为同类工程设计提供参考。

1 隧道穿越泥石流沟的几种形式及对应的设计要点

泥石流沟形式多样，堆积体深度、范围及组成物质也呈多样化，具有物理力学性质差，稳定性差等特点。隧道由于穿越泥石流沟的空间位置不同，会呈现出不同的穿越形式，对应的设计方案也不相同。一般来讲，隧道穿越泥石流有洞身从泥石流堆积体表层、内部、底部、下方4种穿越形式。

1.1 隧道洞身从泥石流堆积体表层穿越

隧道洞身从泥石流堆积体表层穿越(见图1)，隧道洞顶埋深小，整个隧道洞身完全从堆积体内部穿过，隧底以下仍有一定厚度，隧道暗挖不易成拱，施工风险大。

图1 隧道从泥石流堆积体表层穿越

主要设计要点有： 1)宜采用明挖法或盖挖法施工(见图2和图3)； 2)常辅以洞外地表注浆、洞内地基加固； 3)需在洞顶修建排导槽，避免泥石流在隧道顶部堆积导致隧道沉降、开裂甚至坍塌； 4)隧道衬砌厚度应按最不利荷载(即排导槽满排)采用荷载结构法计算确定； 5)采用盖挖法施工时，护拱可采用扩大基础，并应经过沉降验算，避免结构“侵限”。

1.2 隧道洞身从泥石流堆积体内部穿越

隧道洞身从泥石流堆积体内部穿越(见图4)，该情况多发生在泥石流沟的停积区。泥石流堆积体厚度较厚，一般在隧道洞身直径的2倍以上，隧道埋深较大，底部仍有一定厚度的堆积体。往往具有如下工程特点： 1)稳定性差，易坍塌。围岩强度低，稳定性差，开挖后不能自稳，极易发生坍塌、掉块现象。2)初期支护易出现大变形。3)易发生突水突泥。堆积体大多富含地下水，如不采取特殊的工程措施，易发生突水突泥现象。4)基底承载力不足，隧道易发生沉降、衬砌开裂等现象。5)洞顶埋深大，需暗挖施工。此种情况最为不利，施工风险极大。

图2 明挖法修建隧道

图3 盖挖法修建隧道

图4 隧道洞身从泥石流堆积体内部穿越

针对以上种种特点，主要的设计要点如下：

1)注浆加固围岩。泥石流堆积体形成的围岩需按特殊软岩对待，洞室顶部及两侧一定范围需进行注浆加固，起到改良地质，重塑围岩，提高围岩强度和止水的作用。可视具体情况采用地表深管注浆或洞内超前注浆。

2)加强超前支护和初期支护。由于围岩强度低，稳定性差，地下水发育，因此对超前支护、初期支护要求较高。可采用中管棚配合超前小导管进行超前支护，初期支护宜采用闭合成环设置。

3)非爆开挖。开挖方法可选用CRD、CD、环形导坑法开挖，不宜采用爆破法开挖。同时，应对开挖步距做出要求，每次开挖后及时施作初期支护。

4)二次衬砌及时封闭成环。二次衬砌及时跟进并尽早封闭成环，减少拱顶沉降及边墙收敛变形。

5)预留足够变形量。泥石流堆积体往往较为松散，易于发生变形甚至大变形，设计时需考虑预留足够的变形量。

6)洞内地基加固。当隧道地基承载力不满足时，可采用树根桩等手段进行地基加固。

1.3 隧道洞身从泥石流堆积体底部穿越

隧道洞身从泥石流堆积体底部穿越(见图5(a))，大多发生在隧道从泥石流沟的流通区或停积区穿越，堆积体的厚度一般，隧道部分洞身位于堆积体内，底部位于岩层内。

隧道地基处理与一般隧道相同，其他方面与隧道从堆积体内部穿越无异。

1.4 隧道洞身从泥石流堆积体下方穿越

隧道洞身从泥石流堆积体下方穿越(见图5(b))。泥石流厚度一般，隧道顶部没有进入堆积体。

主要设计要点为： 加强地质勘查，摸清围岩岩性、围岩等级、物理力学参数、隧道拱顶距堆积体距离等，通过工程类比、计算分析等手段判别严重程度并做针对性的设计。根据文献[11]成果，隧道拱顶泥石流覆盖层厚度大于42 m时，围岩形成自稳体系，无需特殊对待，除此之外，按照隧道洞身从泥石流沟堆积体底部穿越的情况设计。

2 排导槽最佳水力断面问题

如1.1所述，当隧道洞身从泥石流堆积体表层穿越时，常需在洞顶修建排导槽。泥石流排导槽是有规则的平面形状，属于采用人工护砌的开敞式槽形过流建筑物，其功能是将泥石流排导到预定地点，确保防护对象的安全。排导槽由于结构简单、施工及维护方便、效果显著、使用周期长等优点在交通工程中得到广泛应用[12]。

(a) 隧道从泥石流堆积体底部穿越

(b) 隧道从泥石流堆积下方穿越

排导槽的设计主要包含平面、纵面、横断面3个方面。平面上一般沿既有泥石流沟渠布设，并注意适当截弯取直，平滑过渡；纵面上一般和既有泥石流沟渠纵坡保持一致；横断面形式及尺寸参数是排导槽设计的重点。排导槽断面选型主要考虑排导性能、防淤能力与施工条件。

在泥石流防治工程实践中，我国先后创造出矩形断面、梯形断面、三角形断面及复式断面(如直墙V形、直墙弓形)排导槽[13]，几种槽型断面如图6所示。

排导性能最佳(最佳水力)断面是指在设计流量Q一定时，过流断面面积A最小或水力半径R最大的断面，即以最小的过流面积通过设计流量的断面，也可表述为在过流面积相同的情况下，能通过流量最大的断面条件。为了探究不同槽型最佳水力断面的统一表达式，引入文献[14-15]的研究结果，排导槽断面型态参数M为断面湿周p与水力半径R的比值，即M=p/R。根据水力半径R定义(R=A/p)，过流断面面积A和相应的流量Q用断面型态参数可表示为

A=MR2；

(1)

Q=MR2v。

(2)

式(2)中v为排导槽内泥石流体平均流速。

根据《泥石流防治工程设计规范(试行)》[16](T/CAGHP 021—2018)7.3.3条及《泥石流灾害防治工程勘察规范(试行)》[17](T/CAGHP 006—2018)式(J.21、J.32)(2本规范以下分别简称《泥石流设计规范》、《泥石流勘察规范》)，泥石流流速计算公式如下：

(a) 矩形断面 (b) 梯形断面 (c) 三角形断面 (d) 直墙V形断面 (e) 直墙弓形断面

1)稀性泥石流

(3)

(4)

式(3)—(4)中：n为排导槽糙率，从《泥石流设计规范》表B.1表查取；φ为泥沙修正系数；ρm、ρs、ρw分别为泥石流体密度、泥石流固体物质密度、清水密度；I为排导槽纵坡。

2)黏性泥石流

(5)

式中：D50为泥石流中小于50%质量的颗粒粒径；D10为泥石流中小于10%质量的颗粒粒径。

由式(1)—(5)可知，在排导槽过流面积A、纵坡I、糙率n相同的条件下，无论是稀性还是黏性泥石流，M越小，水力半径R越大，流速v越大，流量Q也越大，即水力条件越优。

以直墙弓形断面为例，推导其断面型态参数M。

(6)

(7)

令h=k1H、r=k2H(k1≥0、k2≥1)，由式(6)和式(7)消去R后得

(8)

式(8)中M是关于k1、k2的函数(k1、k2无关联)。求解该二元函数的最小值，得Mmin=2π(k1=0，k2=1)。即直墙弓形断面退化为完整半圆形时，断面水力条件最佳。

根据各个断面的M表达式，作出不同槽型的水力条件图，如图7所示。

从图7可看出： 1)整体来说，矩形、梯形、三角形、直墙V形等排导槽断面的M值均随坡比、宽深比的增大而先减小后增大，M值曲线均呈现两端高中间低态势。相较于宽深比，梯形断面边墙的坡比对其M值影响更大。2)直墙V形排导槽断面的M值随下斜墙的坡比或上直墙和下斜墙的高度比的增大而先减小后增大，并且相较于上直墙高度与下斜墙高度之比，斜墙坡比对其M值影响更大。3)直墙弓形断面的M值均随k1、k2的增大而增大，M值曲线均呈现上升态势，即“墙越高”或“底越坦”，M值越大。

3 排导槽防淤能力问题

由于泥石流具有容重大、流体中块石大且多等特点，因此排导槽的设计与一般水流沟渠的设计有所不同[18]，若断面形式及参数不当，容易导致累积性积淤。因此，前文计算出的最佳水力断面还需经过防淤验算。

“梯形1”表示固定比例系数随m的变化曲线； “梯形2”表示固定坡比随k的变化曲线； “直墙V形1”表示固定比例系数k=1，M随m的变化曲线；“直墙V形2”表示固定坡比随k的变化曲线；“直墙弓形1”表示固定比例系数k2=1，M随k1的变化曲线；“直墙弓形2”表示固定比例系数k1=0，M随k2的变化曲线。

排导槽积淤主要有以下2方面原因[19]： 1)由于排导槽槽宽或设计泥深不足，导致泥石流流体中的大粒径颗粒无法顺利通过排导槽，进而堵塞排导槽，发生积淤； 2)由于排导槽内设计流速偏小，使泥石流在排导槽内发生消能卸荷，排导不畅，逐步积淤。

3.1 排导槽槽体净宽

根据《泥石流设计规范》8.2.4.4，排导槽底宽需满足

Bc>(2.0～2.5)Dmax。

(9)

式中：Bc为排导槽槽底净宽；Dmax为沟道内最大块石粒径。

3.2 排导槽槽深

泥石流在排导槽内不发生淤积，即处于冲淤平衡状态，《泥石流设计规范》8.2.4.5给出了排导槽槽深计算公式及槽内泥石流泥深需满足的要求

Hc=Hm+Hs+Δhs；

(10)

Hm≥1.2Dmax。

(11)

式中：Hc为排导槽槽深；Hm为槽内泥石流泥深；Hs为常年淤积厚度； Δhs为安全超高。

3.3 排导槽内泥石流流速

由积淤原因分析可知，要使泥石流在排导槽内排导顺畅，必须保证槽内泥石流流速，使其大于天然沟道内的流速，从而避免淤积，即流速需满足：

v>vm。

(12)

式中vm为泥石流在自然沟道内流速。

根据式(9)—(12)排导槽防淤积验算公式，排导槽防淤积验算流程如图8所示。

图8 排导槽防淤积验算流程图

4 案例分析

4.1 工程概况

麻尔坡隧道是大河家(甘青界)至清水公路工程的控制性工程，遂址位于循化县清水乡东侧麻尔坡低中山山麓斜坡区，采用双洞四车道规模建设，左、右洞长度分别为1 785、1 928 m。隧道出口K21+680～+740处为泥石流堆积体(现场照片如图9所示)，位于构造侵蚀低山区山麓斜坡坡脚地带，路线从泥石流流通区-堆积区通过，堆积体厚度为5～10 m，体积为8万～9万m3，为一坡面型水石流，属中型中频坡面型稀性泥石流(见图10)。

图9 现场泥石流照片

图10 泥石流地形图图示(单位： m)

根据工程地质详细勘察报告，该泥石流流域面积约15 000 m2，自然沟道纵坡约12%。流体重度γm=16.4 kN·m-3，泥石流中固体物质重度γs=24.5 kN·m-3，自然沟道内泥石流流速vm=9.3 m·s-1、流量Q=58.2 m3·s-1，沟道内块石最大粒径Dmax约1.2 m。

4.2 工程建设方案

线路K21+700～+740处为泥石流流通区，无法采用深路堑方案，因此将隧道洞口外延，采用隧道形式穿越泥石流堆积体。隧道右线出口立面图如图11所示，隧道洞口典型横断面如图12所示。由于洞顶覆盖层仅3.0～5.0 m，且覆盖层主要为泥石流堆积体，隧道暗挖(或反压回填暗挖)不易成拱，施工风险极大，故采用明洞隧道方案。

图11 隧道右线洞口立面图

图12 隧道洞口典型横断面图

4.3 泥石流防治设计

本工程在隧道明洞修建完成后，在洞顶修建排导槽，将泥石流体引排至下游堆积区，避免泥石流体在隧道顶堆积，影响隧道运营安全。

4.3.1 排导槽断面选型及参数设计

从第2节分析可知，直墙半圆弓形槽型的水力条件最佳，但由于实际施工时，圆形较难控制，误差较大导致M值偏大，甚至超过梯形(或直墙V形)的M值，往往在工程上应用较少[20]。因此，本工程排导槽主要从梯形与直墙V形断面中选择。为方便施工，梯形排导槽坡比m及比例系数k均取0.6，直墙V形排导槽坡比m取1.75、比例系数k取1.0，对应的M值分别为6.932、6.928。下面进一步推导2种断面的尺寸参数。

根据形态参数M定义，对于水力条件最佳的直墙V形断面有：

(13)

MR2=A=2bh+bH=5.25H2。

(14)

由式(13)—(14)得

R=0.87H。

(15)

由式(2)—(3)、式(13)—(15)得，直墙V形排导槽内泥石流流量为

(16)

由此求出

(17)

根据本工程排导槽的起终点标高与长度，计算出排导槽纵坡I约13.0%； 本工程排导槽采用混凝土修建，根据《泥石流设计规范》表B.1，n取0.017。将相关数据代入式(17)即可解出H。

至此，直墙V形排导槽断面参数m、h、H、b全部求出：m=1.75，H=h=0.99 m，底宽2b=3.47 m。按同样的步骤，可求得梯形排导槽断面参数：m=0.6，h=1.7 m，底宽2b=2.04 m。

4.3.2 排导槽防淤能力验算

为避免泥石流体在隧道顶堆积，影响隧道运营安全，文章继续从排导槽防淤能力出发，选择合适的排导槽断面形式并确定尺寸参数。

1)排导槽槽体净宽验算。 根据式(9)，直墙V形断面： 2b=3.47 m>2.5Dmax=3.0 m，满足要求； 梯形断面： 2b=2.04 m<2.5Dmax=3.0 m，不满足要求。因此本工程选用直墙V形排导槽，取槽底宽Bc=3.5 m。

2)排导槽槽深验算。前文已求解出，直墙V形排导槽内泥石流泥深Hm=h+H=(0.99+0.99)m=1.98 m，根据式(11)，Hm>1.2Dmax=1.44 m，满足要求。根据本工程重要性情况，取排导槽安全超高0.75 m，常年淤积厚度0.25 m，因此取排导槽槽深Hc=3.0 m。

3)排导槽内泥石流流速。将相关数据n、ρs、φ、R、I代入式(3)，求得v=11.09 m·s-1。根据式(12)，v>vm=9.3 m·s-1，满足要求。

由以上分析可知，本工程计算出的直墙V形排导槽断面尺寸满足式(9)、式(11)—(12)，防淤能力满足要求。隧道明洞及新建排导槽设计断面如图12所示，排导槽大样图如图13所示。

图13 排导槽大样图(单位： cm)

5 结论与讨论

1)对隧道穿越泥石流沟的形式做了归纳总结，将隧道穿越泥石流沟堆积体分为从堆积体表层、内部、底部以及下方4种穿越形式，并给出了不同的穿越形式对应的设计要点及防治措施。

2)矩形、梯形三角形、直墙V形等排导槽断面的M值均随坡比、宽深比的增大而先减小后增大。当矩形断面的宽深比取2时，其M达到最小值8.0；当梯形断面的宽深比取1.155、边墙坡比取0.577时，其M值达到最小值6.928；当三角形断面的坡比取1.0时，其M值达到最小值8.0；当直墙V形断面的斜墙坡比取1.732，上直墙和下斜墙高度相等时，其M达到最小值6.928。直墙弓形断面排导槽的M值随k1、k2的增大而增大，即“墙越高”或“底越坦”，M值越大，当其退化为完整半圆形(k1=0、k2=1)时，水力条件最佳。

3)分析了排导槽积淤原因，提出排导槽防淤设计验算的方法与流程，并结合工程实例，在选定的排导槽槽型与部分尺寸参数基础上，从排导槽槽宽、槽内泥深及槽内流速等3个方面进行了综合验算，最后确定出排导槽的槽型与尺寸参数。