廖 峻， 肖 博， 王道良， 石 波

(1. 招商局重慶交通科研設計院有限公司 公路隧道建設技術國家工程實驗室， 重慶 400067；2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司 隧道建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室， 重慶 400067)

0 引言

隨著我國“一帶一路”倡議的不斷推進，交通基礎設施建設不斷向山區(qū)延伸，隧道設計者面臨的不良地質(zhì)越來越復雜。泥石流作為典型的地質(zhì)災害之一，往往具有短暫性、突發(fā)性和損毀力強等顯著特征[1-2]。如果在隧道修建時對泥石流防治不當，將為日后的安全運營埋下巨大隱患。

許多學者針對隧道下穿泥石流溝的防治開展了大量研究，綜合現(xiàn)有的文獻成果，大體上可分為3類。1)理論分析方面[3-5]： 徐林榮等[3]提出了工程易損性概念，選取隧道地質(zhì)選址、工程設計、泥石流致災等作為評價因子，構(gòu)建了工程易損性評價指標體系，建立了工程易損性評估方法。王毅等[4]以毛家灣隧道口溝泥石流為工程背景，通過多年跟蹤研究，分析了泥石流的形成條件，與強震、強降雨的關系及泥石流的運動與溝床物質(zhì)組成的關系。2)試驗研究方面[6-8]： 游勇[6]對不同容重的泥石流在排導槽內(nèi)運動的最小縱坡進行了試驗研究，分析了泥石流流速與其容重、排導槽縱坡大小的關系，明確了不發(fā)生淤積的最小縱坡。劉建康等[7]通過室內(nèi)模型試驗，分析了V形排導槽不同橫縱比降組合條件下槽內(nèi)泥石流流速的差異及原因，并建立了泥石流流速與排導槽橫縱比降公式。孫昊等[8]通過水槽試驗模擬了泥石流在梯-潭結(jié)構(gòu)型排導槽中的運動過程，研究了梯-潭結(jié)構(gòu)型排導槽的消能機制及效率。3)數(shù)值分析方面[9-11]： 李兆華等[9]基于固流轉(zhuǎn)化的黏彈塑性模型，描述了泥石流過程中巖土材料力學性質(zhì)的彈塑性-黏性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，對泥石流進行了黏彈塑性的全程模擬。朱正國等[10]以蘭渝鐵路倉園隧道為背景，采用數(shù)值模擬分析了隧道施工過程的力學行為特性及基底加固處理效果，提出了泥石流體隧道施工變形控制和基底加固方法。

通過分析現(xiàn)有文獻資料發(fā)現(xiàn)，隧道穿越泥石流溝的防治設計中仍有以下問題值得探討。1)以往的此類研究多針對特定的穿越形式，并未進行系統(tǒng)的歸納總結(jié)，且隨著隧道穿越泥石流溝位置不同，隧道建設方案、對泥石流的防治措施都相差甚遠； 2)以往排導槽設計時，對其排導性能或防淤能力重視不足，導致排導槽經(jīng)濟性較差或淤積頻發(fā)。

為此，本文首先對隧道穿越泥石流溝的形式加以歸納總結(jié)，通過理論分析與工程類比，給出不同穿越形式對應的設計要點及防治措施；然后，結(jié)合隧道在泥石流堆積體表層穿越的工程實例，采用明洞結(jié)構(gòu)+隧頂排導槽設計方案，綜合考慮排導槽的排導性能與防淤能力，推導出排導槽最佳水力斷面形式及計算公式，并提出了防淤設計驗算的方法與流程；最后確定出排導槽斷面形式及具體尺寸參數(shù)，以期為同類工程設計提供參考。

1 隧道穿越泥石流溝的幾種形式及對應的設計要點

泥石流溝形式多樣，堆積體深度、范圍及組成物質(zhì)也呈多樣化，具有物理力學性質(zhì)差，穩(wěn)定性差等特點。隧道由于穿越泥石流溝的空間位置不同，會呈現(xiàn)出不同的穿越形式，對應的設計方案也不相同。一般來講，隧道穿越泥石流有洞身從泥石流堆積體表層、內(nèi)部、底部、下方4種穿越形式。

1.1 隧道洞身從泥石流堆積體表層穿越

隧道洞身從泥石流堆積體表層穿越(見圖1)，隧道洞頂埋深小，整個隧道洞身完全從堆積體內(nèi)部穿過，隧底以下仍有一定厚度，隧道暗挖不易成拱，施工風險大。

圖1 隧道從泥石流堆積體表層穿越

主要設計要點有： 1)宜采用明挖法或蓋挖法施工(見圖2和圖3)； 2)常輔以洞外地表注漿、洞內(nèi)地基加固； 3)需在洞頂修建排導槽，避免泥石流在隧道頂部堆積導致隧道沉降、開裂甚至坍塌； 4)隧道襯砌厚度應按最不利荷載(即排導槽滿排)采用荷載結(jié)構(gòu)法計算確定； 5)采用蓋挖法施工時，護拱可采用擴大基礎，并應經(jīng)過沉降驗算，避免結(jié)構(gòu)“侵限”。

1.2 隧道洞身從泥石流堆積體內(nèi)部穿越

隧道洞身從泥石流堆積體內(nèi)部穿越(見圖4)，該情況多發(fā)生在泥石流溝的停積區(qū)。泥石流堆積體厚度較厚，一般在隧道洞身直徑的2倍以上，隧道埋深較大，底部仍有一定厚度的堆積體。往往具有如下工程特點： 1)穩(wěn)定性差，易坍塌。圍巖強度低，穩(wěn)定性差，開挖后不能自穩(wěn)，極易發(fā)生坍塌、掉塊現(xiàn)象。2)初期支護易出現(xiàn)大變形。3)易發(fā)生突水突泥。堆積體大多富含地下水，如不采取特殊的工程措施，易發(fā)生突水突泥現(xiàn)象。4)基底承載力不足，隧道易發(fā)生沉降、襯砌開裂等現(xiàn)象。5)洞頂埋深大，需暗挖施工。此種情況最為不利，施工風險極大。

圖2 明挖法修建隧道

圖3 蓋挖法修建隧道

圖4 隧道洞身從泥石流堆積體內(nèi)部穿越

針對以上種種特點，主要的設計要點如下：

1)注漿加固圍巖。泥石流堆積體形成的圍巖需按特殊軟巖對待，洞室頂部及兩側(cè)一定范圍需進行注漿加固，起到改良地質(zhì)，重塑圍巖，提高圍巖強度和止水的作用?？梢暰唧w情況采用地表深管注漿或洞內(nèi)超前注漿。

2)加強超前支護和初期支護。由于圍巖強度低，穩(wěn)定性差，地下水發(fā)育，因此對超前支護、初期支護要求較高。可采用中管棚配合超前小導管進行超前支護，初期支護宜采用閉合成環(huán)設置。

3)非爆開挖。開挖方法可選用CRD、CD、環(huán)形導坑法開挖，不宜采用爆破法開挖。同時，應對開挖步距做出要求，每次開挖后及時施作初期支護。

4)二次襯砌及時封閉成環(huán)。二次襯砌及時跟進并盡早封閉成環(huán)，減少拱頂沉降及邊墻收斂變形。

5)預留足夠變形量。泥石流堆積體往往較為松散，易于發(fā)生變形甚至大變形，設計時需考慮預留足夠的變形量。

6)洞內(nèi)地基加固。當隧道地基承載力不滿足時，可采用樹根樁等手段進行地基加固。

1.3 隧道洞身從泥石流堆積體底部穿越

隧道洞身從泥石流堆積體底部穿越(見圖5(a))，大多發(fā)生在隧道從泥石流溝的流通區(qū)或停積區(qū)穿越，堆積體的厚度一般，隧道部分洞身位于堆積體內(nèi)，底部位于巖層內(nèi)。

隧道地基處理與一般隧道相同，其他方面與隧道從堆積體內(nèi)部穿越無異。

1.4 隧道洞身從泥石流堆積體下方穿越

隧道洞身從泥石流堆積體下方穿越(見圖5(b))。泥石流厚度一般，隧道頂部沒有進入堆積體。

主要設計要點為： 加強地質(zhì)勘查，摸清圍巖巖性、圍巖等級、物理力學參數(shù)、隧道拱頂距堆積體距離等，通過工程類比、計算分析等手段判別嚴重程度并做針對性的設計。根據(jù)文獻[11]成果，隧道拱頂泥石流覆蓋層厚度大于42 m時，圍巖形成自穩(wěn)體系，無需特殊對待，除此之外，按照隧道洞身從泥石流溝堆積體底部穿越的情況設計。

2 排導槽最佳水力斷面問題

如1.1所述，當隧道洞身從泥石流堆積體表層穿越時，常需在洞頂修建排導槽。泥石流排導槽是有規(guī)則的平面形狀，屬于采用人工護砌的開敞式槽形過流建筑物，其功能是將泥石流排導到預定地點，確保防護對象的安全。排導槽由于結(jié)構(gòu)簡單、施工及維護方便、效果顯著、使用周期長等優(yōu)點在交通工程中得到廣泛應用[12]。

(a) 隧道從泥石流堆積體底部穿越

(b) 隧道從泥石流堆積下方穿越

排導槽的設計主要包含平面、縱面、橫斷面3個方面。平面上一般沿既有泥石流溝渠布設，并注意適當截彎取直，平滑過渡；縱面上一般和既有泥石流溝渠縱坡保持一致；橫斷面形式及尺寸參數(shù)是排導槽設計的重點。排導槽斷面選型主要考慮排導性能、防淤能力與施工條件。

在泥石流防治工程實踐中，我國先后創(chuàng)造出矩形斷面、梯形斷面、三角形斷面及復式斷面(如直墻V形、直墻弓形)排導槽[13]，幾種槽型斷面如圖6所示。

排導性能最佳(最佳水力)斷面是指在設計流量Q一定時，過流斷面面積A最小或水力半徑R最大的斷面，即以最小的過流面積通過設計流量的斷面，也可表述為在過流面積相同的情況下，能通過流量最大的斷面條件。為了探究不同槽型最佳水力斷面的統(tǒng)一表達式，引入文獻[14-15]的研究結(jié)果，排導槽斷面型態(tài)參數(shù)M為斷面濕周p與水力半徑R的比值，即M=p/R。根據(jù)水力半徑R定義(R=A/p)，過流斷面面積A和相應的流量Q用斷面型態(tài)參數(shù)可表示為

A=MR2；

(1)

Q=MR2v。

(2)

式(2)中v為排導槽內(nèi)泥石流體平均流速。

根據(jù)《泥石流防治工程設計規(guī)范(試行)》[16](T/CAGHP 021—2018)7.3.3條及《泥石流災害防治工程勘察規(guī)范(試行)》[17](T/CAGHP 006—2018)式(J.21、J.32)(2本規(guī)范以下分別簡稱《泥石流設計規(guī)范》、《泥石流勘察規(guī)范》)，泥石流流速計算公式如下：

(a) 矩形斷面 (b) 梯形斷面 (c) 三角形斷面 (d) 直墻V形斷面 (e) 直墻弓形斷面

1)稀性泥石流

(3)

(4)

式(3)—(4)中：n為排導槽糙率，從《泥石流設計規(guī)范》表B.1表查??；φ為泥沙修正系數(shù)；ρm、ρs、ρw分別為泥石流體密度、泥石流固體物質(zhì)密度、清水密度；I為排導槽縱坡。

2)黏性泥石流

(5)

式中：D50為泥石流中小于50%質(zhì)量的顆粒粒徑；D10為泥石流中小于10%質(zhì)量的顆粒粒徑。

由式(1)—(5)可知，在排導槽過流面積A、縱坡I、糙率n相同的條件下，無論是稀性還是黏性泥石流，M越小，水力半徑R越大，流速v越大，流量Q也越大，即水力條件越優(yōu)。

以直墻弓形斷面為例，推導其斷面型態(tài)參數(shù)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是關于k1、k2的函數(shù)(k1、k2無關聯(lián))。求解該二元函數(shù)的最小值，得Mmin=2π(k1=0，k2=1)。即直墻弓形斷面退化為完整半圓形時，斷面水力條件最佳。

根據(jù)各個斷面的M表達式，作出不同槽型的水力條件圖，如圖7所示。

從圖7可看出： 1)整體來說，矩形、梯形、三角形、直墻V形等排導槽斷面的M值均隨坡比、寬深比的增大而先減小后增大，M值曲線均呈現(xiàn)兩端高中間低態(tài)勢。相較于寬深比，梯形斷面邊墻的坡比對其M值影響更大。2)直墻V形排導槽斷面的M值隨下斜墻的坡比或上直墻和下斜墻的高度比的增大而先減小后增大，并且相較于上直墻高度與下斜墻高度之比，斜墻坡比對其M值影響更大。3)直墻弓形斷面的M值均隨k1、k2的增大而增大，M值曲線均呈現(xiàn)上升態(tài)勢，即“墻越高”或“底越坦”，M值越大。

3 排導槽防淤能力問題

由于泥石流具有容重大、流體中塊石大且多等特點，因此排導槽的設計與一般水流溝渠的設計有所不同[18]，若斷面形式及參數(shù)不當，容易導致累積性積淤。因此，前文計算出的最佳水力斷面還需經(jīng)過防淤驗算。

“梯形1”表示固定比例系數(shù)隨m的變化曲線； “梯形2”表示固定坡比隨k的變化曲線； “直墻V形1”表示固定比例系數(shù)k=1，M隨m的變化曲線；“直墻V形2”表示固定坡比隨k的變化曲線；“直墻弓形1”表示固定比例系數(shù)k2=1，M隨k1的變化曲線；“直墻弓形2”表示固定比例系數(shù)k1=0，M隨k2的變化曲線。

排導槽積淤主要有以下2方面原因[19]： 1)由于排導槽槽寬或設計泥深不足，導致泥石流流體中的大粒徑顆粒無法順利通過排導槽，進而堵塞排導槽，發(fā)生積淤； 2)由于排導槽內(nèi)設計流速偏小，使泥石流在排導槽內(nèi)發(fā)生消能卸荷，排導不暢，逐步積淤。

3.1 排導槽槽體凈寬

根據(jù)《泥石流設計規(guī)范》8.2.4.4，排導槽底寬需滿足

Bc>(2.0～2.5)Dmax。

(9)

式中：Bc為排導槽槽底凈寬；Dmax為溝道內(nèi)最大塊石粒徑。

3.2 排導槽槽深

泥石流在排導槽內(nèi)不發(fā)生淤積，即處于沖淤平衡狀態(tài)，《泥石流設計規(guī)范》8.2.4.5給出了排導槽槽深計算公式及槽內(nèi)泥石流泥深需滿足的要求

Hc=Hm+Hs+Δhs；

(10)

Hm≥1.2Dmax。

(11)

式中：Hc為排導槽槽深；Hm為槽內(nèi)泥石流泥深；Hs為常年淤積厚度； Δhs為安全超高。

3.3 排導槽內(nèi)泥石流流速

由積淤原因分析可知，要使泥石流在排導槽內(nèi)排導順暢，必須保證槽內(nèi)泥石流流速，使其大于天然溝道內(nèi)的流速，從而避免淤積，即流速需滿足：

v>vm。

(12)

式中vm為泥石流在自然溝道內(nèi)流速。

根據(jù)式(9)—(12)排導槽防淤積驗算公式，排導槽防淤積驗算流程如圖8所示。

圖8 排導槽防淤積驗算流程圖

4 案例分析

4.1 工程概況

麻爾坡隧道是大河家(甘青界)至清水公路工程的控制性工程，遂址位于循化縣清水鄉(xiāng)東側(cè)麻爾坡低中山山麓斜坡區(qū)，采用雙洞四車道規(guī)模建設，左、右洞長度分別為1 785、1 928 m。隧道出口K21+680～+740處為泥石流堆積體(現(xiàn)場照片如圖9所示)，位于構(gòu)造侵蝕低山區(qū)山麓斜坡坡腳地帶，路線從泥石流流通區(qū)-堆積區(qū)通過，堆積體厚度為5～10 m，體積為8萬～9萬m3，為一坡面型水石流，屬中型中頻坡面型稀性泥石流(見圖10)。

圖9 現(xiàn)場泥石流照片

圖10 泥石流地形圖圖示(單位： m)

根據(jù)工程地質(zhì)詳細勘察報告，該泥石流流域面積約15 000 m2，自然溝道縱坡約12%。流體重度γm=16.4 kN·m-3，泥石流中固體物質(zhì)重度γs=24.5 kN·m-3，自然溝道內(nèi)泥石流流速vm=9.3 m·s-1、流量Q=58.2 m3·s-1，溝道內(nèi)塊石最大粒徑Dmax約1.2 m。

4.2 工程建設方案

線路K21+700～+740處為泥石流流通區(qū)，無法采用深路塹方案，因此將隧道洞口外延，采用隧道形式穿越泥石流堆積體。隧道右線出口立面圖如圖11所示，隧道洞口典型橫斷面如圖12所示。由于洞頂覆蓋層僅3.0～5.0 m，且覆蓋層主要為泥石流堆積體，隧道暗挖(或反壓回填暗挖)不易成拱，施工風險極大，故采用明洞隧道方案。

圖11 隧道右線洞口立面圖

圖12 隧道洞口典型橫斷面圖

4.3 泥石流防治設計

本工程在隧道明洞修建完成后，在洞頂修建排導槽，將泥石流體引排至下游堆積區(qū)，避免泥石流體在隧道頂堆積，影響隧道運營安全。

4.3.1 排導槽斷面選型及參數(shù)設計

從第2節(jié)分析可知，直墻半圓弓形槽型的水力條件最佳，但由于實際施工時，圓形較難控制，誤差較大導致M值偏大，甚至超過梯形(或直墻V形)的M值，往往在工程上應用較少[20]。因此，本工程排導槽主要從梯形與直墻V形斷面中選擇。為方便施工，梯形排導槽坡比m及比例系數(shù)k均取0.6，直墻V形排導槽坡比m取1.75、比例系數(shù)k取1.0，對應的M值分別為6.932、6.928。下面進一步推導2種斷面的尺寸參數(shù)。

根據(jù)形態(tài)參數(shù)M定義，對于水力條件最佳的直墻V形斷面有：

(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，直墻V形排導槽內(nèi)泥石流流量為

(16)

由此求出

(17)

根據(jù)本工程排導槽的起終點標高與長度，計算出排導槽縱坡I約13.0%； 本工程排導槽采用混凝土修建，根據(jù)《泥石流設計規(guī)范》表B.1，n取0.017。將相關數(shù)據(jù)代入式(17)即可解出H。

至此，直墻V形排導槽斷面參數(shù)m、h、H、b全部求出：m=1.75，H=h=0.99 m，底寬2b=3.47 m。按同樣的步驟，可求得梯形排導槽斷面參數(shù)：m=0.6，h=1.7 m，底寬2b=2.04 m。

4.3.2 排導槽防淤能力驗算

為避免泥石流體在隧道頂堆積，影響隧道運營安全，文章繼續(xù)從排導槽防淤能力出發(fā)，選擇合適的排導槽斷面形式并確定尺寸參數(shù)。

1)排導槽槽體凈寬驗算。 根據(jù)式(9)，直墻V形斷面： 2b=3.47 m>2.5Dmax=3.0 m，滿足要求； 梯形斷面： 2b=2.04 m<2.5Dmax=3.0 m，不滿足要求。因此本工程選用直墻V形排導槽，取槽底寬Bc=3.5 m。

2)排導槽槽深驗算。前文已求解出，直墻V形排導槽內(nèi)泥石流泥深Hm=h+H=(0.99+0.99)m=1.98 m，根據(jù)式(11)，Hm>1.2Dmax=1.44 m，滿足要求。根據(jù)本工程重要性情況，取排導槽安全超高0.75 m，常年淤積厚度0.25 m，因此取排導槽槽深Hc=3.0 m。

3)排導槽內(nèi)泥石流流速。將相關數(shù)據(jù)n、ρs、φ、R、I代入式(3)，求得v=11.09 m·s-1。根據(jù)式(12)，v>vm=9.3 m·s-1，滿足要求。

由以上分析可知，本工程計算出的直墻V形排導槽斷面尺寸滿足式(9)、式(11)—(12)，防淤能力滿足要求。隧道明洞及新建排導槽設計斷面如圖12所示，排導槽大樣圖如圖13所示。

圖13 排導槽大樣圖(單位： cm)

5 結(jié)論與討論

1)對隧道穿越泥石流溝的形式做了歸納總結(jié)，將隧道穿越泥石流溝堆積體分為從堆積體表層、內(nèi)部、底部以及下方4種穿越形式，并給出了不同的穿越形式對應的設計要點及防治措施。

2)矩形、梯形三角形、直墻V形等排導槽斷面的M值均隨坡比、寬深比的增大而先減小后增大。當矩形斷面的寬深比取2時，其M達到最小值8.0；當梯形斷面的寬深比取1.155、邊墻坡比取0.577時，其M值達到最小值6.928；當三角形斷面的坡比取1.0時，其M值達到最小值8.0；當直墻V形斷面的斜墻坡比取1.732，上直墻和下斜墻高度相等時，其M達到最小值6.928。直墻弓形斷面排導槽的M值隨k1、k2的增大而增大，即“墻越高”或“底越坦”，M值越大，當其退化為完整半圓形(k1=0、k2=1)時，水力條件最佳。

3)分析了排導槽積淤原因，提出排導槽防淤設計驗算的方法與流程，并結(jié)合工程實例，在選定的排導槽槽型與部分尺寸參數(shù)基礎上，從排導槽槽寬、槽內(nèi)泥深及槽內(nèi)流速等3個方面進行了綜合驗算，最后確定出排導槽的槽型與尺寸參數(shù)。