山区矿山公路隧道洞口选线研究

黄俊彰,周 群

(广西路桥集团勘察设计有限公司,广西 南宁 530201)

0 引言

广西地处我国地势第二台阶中的云贵高原边缘,境内喀斯特地貌广布,约占土地总面积的37.8%,发育类型之多世界少见。然而,近年来随着广西基础设施建设步伐的加快,山区隧道的建设也越来越多,其面临的地形、地质条件也越来越复杂,山区公路隧道选线难度也越来越大[1-4]。

如何在复杂地形地质条件下设计出一条平纵横断安全、经济合理的公路隧道路线,其最关键的问题是隧道洞口位置的选择及其线形设计[5-6]。尤其是矿山公路,其道路等级一般较低,存在坡陡弯急、坡度大、半径小、视距不足的问题,而车辆负载一般较大,若隧道洞口位置的选择及其线形设计不合理,不仅直接关系到公路工程造价,而且易导致施工期间的坍塌、开裂,以及运营期间交通安全事故的发生。

本文以河池市金城江区东江镇后言拉滩建筑石料用灰岩矿隧道工程为工程背景,通过实际工程,对山区公路隧道洞口选择及隧道线形设计进行深入探讨,并在背景工程中进行实际应用,探索山区矿山公路隧道选线思路,总结实际工程应用经验,为类似矿山公路隧道洞口选线提供一定的参考。

1 工程概况

河池市金城江区东江镇后言拉滩建筑石料用灰岩矿隧道工程位于河池市金城江区东江镇后言拉滩石灰岩采石场,为采石场内部专用隧道,日常出入车辆为施工或货运车辆,交通量相对较少,但车辆载重均较大,易发生交通安全事故。

项目隧道下穿石灰岩岭坡,隧道进口桩号为K0+670,设计高程为244.33 m,出口桩号终点为K1+780,设计高程为264.31 m,隧道长1 110 m,最大埋深为202.88 m,为单拱长隧道(见图1)。

根据区域地质资料,隧址走廊带内地层主要为新生代的第四系冲洪积(Q4al+pl)碎块石、残积坡(Q4el+dl)黏土或碎块石夹黏土;二叠系下统栖霞阶(P1q)以灰黑、灰色致密灰岩、细晶灰岩为主,中上部夹少量含燧石团块灰岩;局部地段夹一层白云质灰岩薄层。底部以灰黑色不纯灰岩(稍含泥质,打击具硫化氢臭味)与石炭系上统浅色灰岩分界。

经分析,项目路线区域内岩层趋于稳定,后期地质运动对该区域影响较小,没有区域性大褶皱和大断层,现场地质调查也未发现断层出露,路线带内地质构造较好,适宜工程建设。

2 山区公路隧道洞口选线原则分析

2.1 隧道洞口选择原则

公路隧道洞口的选择是隧道选线最复杂也是最重要的环节,尤其在洞口边仰坡设计与施工中,稳定性是最为关键的先决条件,根据实际工程经验,影响洞口位置选择的最主要因素是洞口、周边的地形地貌以及复杂的地质条件,一般需遵循“早进洞、晚出洞”基本原则,具体如下:

(1)隧道洞口在选择时,应充分考虑洞口附近的地形地貌,其中线与等高线的关系以相互垂直为最优,但当地形条件受限时,应进行多位置比较,中线与等高线斜交角度越大越好,严禁中线与等高线平行进洞的现象发生。

(2)在选择隧道洞口时,应充分考虑洞口附近的地质条件,综合对比,选择地质相对稳定的区域进行设计,尽最大可能避免或减少洞口路段出现严重偏压的问题;当遇到沟谷或山凹的地形,洞口位置应尽可能地避开这些地表水及地下水易汇集且地质构造破碎的地方,选择在山坡附近的位置进洞。

(3)在选择隧道洞口时,对于周边地质条件均相对较差,岩层层面相对不稳定的,出于安全考虑,宜早进洞,避免洞口在开挖后出现顺层滑动、坍塌等事故。

此外,洞口位置应尽量与周围环境相融合,与隧道前后构造物相适应,更重要的是,在洞口施工期间可能需要爆破作业,应考虑洞口离周边居民房屋的安全距离,不能对周边居民生活造成影响。

2.2 隧道洞口平面线形设计原则

隧道洞口平面线形主要按以下原则进行路线平面线形设计[7-8]:

(1)对于3 s的设计速度行程长度(包括隧道洞口内外),应注重其平面线形设计,这一范围内的平面线形不应发生改变,且对于曲率不断变化的缓和曲线,其平面线形应认为发生了改变。

(2)对于平纵线形指标较高的洞口路线段,当洞口段线形纵断面最大纵坡<2%,或行车视距是停车视距限值两倍多,应重视平面线形调整,保证隧道洞口内外平面线形连接的顺畅。

(3)对于特殊路段,若工程规模在路线调整后变大很大,从经济与安全角度出发,为保证隧道洞口内外平面线形连接的顺畅,可考虑采用缓和曲线与圆曲线组合或直接采用缓和曲线进行设计。

(4)对于隧道洞口有较大纵坡需要进行设置时,为保证安全,平曲线半径不宜设置过小。

此外,隧道洞口内外在诱导和光过渡等方面应采取足够的安全措施,设置诱导及安全标志,确保运营期的行车安全。

2.3 隧道洞口纵断面线形设计原则

隧道洞口纵断面线形设计也是隧道洞口选线必不可少的内容,应遵循以下基本原则:

(1)对于隧道洞口纵断面线形设计,应从洞口前后纵断面线形,综合考虑矿山公路隧道排水、通风、施工出渣、材料运输等要求。

(2))对于隧道洞口纵断面线形设计,一般宜采用单向坡,最小应≥0.3%,中短隧道宜≤3%(特长、长隧道宜≤2.5%)。

(3)对于地形及地质条件复杂的中短隧道,在采用措施将隧道行车安全性提高后,最大纵坡限值可按4%考虑,特殊情况下,通过详细的技术与经济论证后,可放大至5%。

3 山区公路隧道洞口选线工程实践

3.1 隧道进洞口位置选择

背景工程隧道进洞口位于矿山道路第3个弯道上,矿山原有道路圆曲线半径小,仅为8 m,平均纵坡为14.5%,原旧路与等高线夹角较小,受地形限制,路线采取对原旧路进行改造设计,按四级公路标准建设,路基宽度为8.5 m,设计速度为20 km/h的方案。

进口段由于原矿山公路建设,破坏了原有地形地貌,形成了高仰坡,为避免高仰坡的不利影响,隧道进洞口采用明洞设计,提前进洞,同时做好洞口开挖、排水及防护措施(图2)。

图2 隧道进洞口路线平面图

此外,隧道进口段位于水泥路拐弯处,原山体地表坡度为25°～35°,呈近直立陡坡,较完整灰岩③2层基岩裸露,目前坡体现状基本稳定,岩层产状CZ为171°∠48°,主要发育有节理J1为140°∠71°,0.5条/m;节理J2为253°∠67°,1条/m;节理J3为313°∠57°,1条/m。初拟进口端仰坡Py边坡开挖坡率1∶0.5(63°),主要结构面产状及洞口各坡体关系见图3。根据结构面分析,进口端仰坡Py有一顺向节理J2,左侧有一顺向贯穿连贯的节理J1,右侧有顺向节理J3,各侧均有不稳定结构面,但节理J2、J3非贯穿坡体的结构面,结构面间钙质胶结,对边坡稳定性影响不大;节理J1倾角大于左侧拟开挖边坡坡角。因此,经综合判断,洞口位置仰坡、左右侧边坡均为较稳定结构边坡,进洞口位置选择较好。

图3 隧道进洞口结构面产状及各坡体关系图

3.2 隧道进洞口洞门及防护设计

根据地形地质情况,背景工程隧道进洞口洞门形式采用削竹式接明洞,以减少对洞口边坡的扰动和破坏。

此外,进洞口边坡上部表层有厚1～2.5 m的碎块石层,沿路堆填,结构松散,部分裸露的岩体受节理、裂隙切割影响,考虑到开挖洞口边坡时局部会产生掉块现象,易致滑塌垮落,成洞性能差,因此,设计时考虑先进行刷坡,洞口仰坡及两侧边坡均采取挂网喷射混凝土等防护措施。

3.3 隧道出洞口位置选择

背景工程隧道出洞口位于矿山南面山坡平台附近,洞口路线与等高线接近垂直。由于出口位于冲沟附近,设计中对冲沟进行改移,进行排水防护(图4)。

图4 隧道出洞口路线平面图

此外,隧道出口段位于山体向洼地过度的缓坡地带,地表坡度为5°～20°,洞口两侧为冲沟,地表上覆盖碎块石层,厚度为2～5 m,部分沟底有较破碎的灰岩零星出露。岩层产状CZ为104°∠50°,主要发育有节理J1为25°∠71°,1条/m;节理J2为197°∠76°,1条/m;节理J3为304°∠27°,1条/m。初拟出口仰坡P边坡开挖坡率为1∶0.5(63°),主要结构面产状及洞口各坡体关系见图5。根据结构面分析,各侧均有不稳定结构面,但对边坡稳定性影响不大,出洞口位置选择相对较好。

图5 隧道出洞口结构面产状及各坡体关系图

3.4 隧道出洞口洞门及防护设计

根据地形地质情况,背景工程隧道出洞口洞门形式采用端墙式,为保证出洞口边坡安全,边坡开挖坡率采用1∶0.5～1∶0.75。

此外,由于洞口边坡表层为厚2～5 m的碎块石层,结构松散,但总体各侧边坡开挖最大高度约为12 m,高度不大,因此,设计时考虑先进行刷坡,洞口仰坡及两侧边坡均采取了挂网喷射混凝土等防护措施。

3.5 隧道洞口线形设计

背景工程隧道路线全部位于直线段上,设计速度为20 km/h,3 s设计速度行程距离为16.68 m。隧道进洞口距离前交点HZ点的距离为31.49 m,洞口内外线形在3 s设计速度行程距离范围内线形一致(图6)。

图6 进洞口平面线形图

此外,出洞口内外线形在3 s设计速度行程距离范围内线形也一致,也满足规范设计要求(图7)。

图7 出洞口平面线形图

纵断面设计上,隧道内纵坡采用1.8%,满足规范对长隧道最大纵坡控制在2.5%以下的要求,洞口纵断面则保持洞内外线形一致,洞口距离前变坡点竖曲线设计终点39.2 m,满足隧道洞口内外3 s设计速度行程范围内的纵断面线形一致的要求,且大于5 s设计速度行程距离,纵断面总体设计较好(图8)。

图8 洞口纵断面线形图

4 结语

山区矿山公路隧道路线最关键的问题是隧道洞口位置的选择及其线形设计,直接影响到公路工程造价与后期施工及运营的安全。因此,在山区进行矿山公路隧道设计时,应深入研究隧道洞口选择和隧道线形设计,注重地形地质情况,注重自然环境保护和地质地灾防护,注重隧道施工和运营的安全。