王 華

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 511455; 2. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 廣東 廣州 511455)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展,鐵路建設(shè)也向高原高寒地區(qū)延伸,雪崩作為高原高寒地區(qū)一種經(jīng)常發(fā)生的自然現(xiàn)象,對(duì)鐵路工程建設(shè)的影響越來(lái)越大。藏東南鐵路線路(川藏線、滇藏線)通過(guò)相對(duì)高差達(dá)1 000～3 000 m的南北向排列的高山峽谷,位于極強(qiáng)的雪崩區(qū),雪害主要是雪崩。

雪害的形成機(jī)制、類(lèi)型特征及時(shí)空分布完全受制于當(dāng)?shù)氐臍夂蚝偷匦螚l件[1]。雪崩災(zāi)害具有突發(fā)性、潛在性、難預(yù)測(cè)性、運(yùn)動(dòng)速度快和沖擊力大等特點(diǎn),已嚴(yán)重影響到交通網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)設(shè)施、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)及冰雪旅游業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,使社會(huì)經(jīng)濟(jì)遭到巨大破壞并潛伏多種威脅[2]。川藏公路從成都至拉薩段全長(zhǎng)2 165 km,其中,有雪害路段為1 100 km,約占全線的51%,雪崩地點(diǎn)有幾十處, 雪害平均每年阻斷行車(chē)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月以上。

近年來(lái),一些學(xué)者對(duì)鐵路、公路沿線的雪崩災(zāi)害進(jìn)行了研究,為鐵路、公路選線以及雪崩防治提供依據(jù)。文獻(xiàn)[3]介紹了3條進(jìn)藏鐵路的主要雪崩災(zāi)害,通過(guò)理論計(jì)算得出積雪的臨界厚度和山坡的臨界安全角度,并利用模糊歸一化方法評(píng)價(jià)雪崩發(fā)生的危險(xiǎn)度。文獻(xiàn)[4]根據(jù)實(shí)地調(diào)查、觀測(cè)和對(duì)鐵路沿線氣象要素的分析與推算,提出在雪崩災(zāi)害的多發(fā)區(qū), 鐵路選線應(yīng)遵循“明線工程最好能選在陽(yáng)坡,永久性建筑物或設(shè)施要盡量避開(kāi)溝槽雪崩運(yùn)動(dòng)區(qū)和堆積區(qū)”的選線原則。羅培新[5]依托新疆精伊霍鐵路,介紹了風(fēng)吹雪災(zāi)害的形成和特征, 提出了雪害的防治原則和建議;張照財(cái)[6]結(jié)合某國(guó)際鐵路的地質(zhì)選線, 介紹了雪害的基本類(lèi)型及選線原則;陳秀義[7]闡述了不同雪害類(lèi)型、各種雪害發(fā)生機(jī)制, 提出了風(fēng)吹雪多發(fā)區(qū)路堤和路塹的設(shè)計(jì)原則。李立軍等[8]分析研究了精伊鐵路風(fēng)吹雪的特征、類(lèi)型、影響因素、發(fā)生機(jī)制和規(guī)模以及發(fā)生規(guī)律等, 計(jì)算了最大積雪深度、最大風(fēng)速, 并結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)提出防治風(fēng)吹雪災(zāi)害的工程措施。蔡強(qiáng)[9]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究川藏鐵路、公路帕隆藏布段雪崩問(wèn)題。

目前,對(duì)高原高寒雪崩災(zāi)害區(qū)公路路基沿線的雪崩災(zāi)害研究較為系統(tǒng),但對(duì)鐵路隧道雪崩災(zāi)害評(píng)估及防治的研究較少。

烏茲別克斯坦安琶鐵路Q(chēng)amchiq隧道是“命題作文”式的工程項(xiàng)目,隧道選線時(shí)未考慮對(duì)雪崩災(zāi)害的繞避。為保障隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全,需開(kāi)展雪崩災(zāi)害防治研究。本文依托此隧道,通過(guò)分析調(diào)查隧址區(qū)氣候地理?xiàng)l件確定隧道洞門(mén)上方區(qū)域雪崩發(fā)生段落,采用圖解法分析雪崩擴(kuò)散的距離,通過(guò)計(jì)算確定雪崩的沖擊力,為制定隧道雪崩防治措施提供依據(jù)。

1 工程簡(jiǎn)介

烏茲別克斯坦安革連(Angren)—琶布(Pop)單線電氣化鐵路(簡(jiǎn)稱(chēng)安琶鐵路)全長(zhǎng)122.7 km, 是連接中亞和歐洲“新絲綢之路”鐵路網(wǎng)的重要組成部分。其中,長(zhǎng)度為19.2 km的 Qamchiq單線隧道是安琶鐵路控制性工程,為“中亞地區(qū)第一長(zhǎng)隧”。

Qamchiq隧道位于烏茲別克斯坦聯(lián)邦共和國(guó)納曼干省巴比斯科區(qū)域內(nèi),隧道進(jìn)口端位于塔什干州安格連境內(nèi),距離A373公路約5 km;出口端位于納曼干州境內(nèi)。隧道設(shè)有主隧道與安全隧道, 安全隧道平行主隧道, 中心間距為29 m。主隧道進(jìn)口里程為MK39+135,出口里程為MK58+360, 隧道全長(zhǎng)19.225 km;安全隧道進(jìn)口洞門(mén)里程為SK00+000,出口洞門(mén)里程為SK19+273,隧道總長(zhǎng)19.273 km, 隧道最大埋深約1 260 m。

1.1 工程地質(zhì)特征

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要在海西造山運(yùn)動(dòng)時(shí)形成,此后, 阿爾卑斯造山運(yùn)動(dòng)時(shí)期對(duì)其進(jìn)一步影響。在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中, 形成巨大的背斜并發(fā)生強(qiáng)烈的位移,背斜形成高度復(fù)雜的褶皺及西北走向的大斷裂帶。斷裂帶及巖漿侵入十分復(fù)雜,有時(shí)覆蓋住海西造山運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的褶皺結(jié)構(gòu),阿爾卑斯地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)致使此區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造更為復(fù)雜。

隧道區(qū)域?qū)儆趲?kù)拉米背斜東南部區(qū)域、西北部及軸線區(qū)域,背斜軸線與庫(kù)拉米山分水嶺相吻合,呈東北—西南走向,形成復(fù)雜的褶皺及西北走向的斷裂,褶皺中心由大量侵入巖組成。隧址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,主要為西北—東南走向,地震活躍; 受其影響,測(cè)區(qū)構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育,與隧道相交或?qū)λ淼烙兄匾绊懙臄鄬庸?條。隧道穿越的地層巖性主要包括三疊系下統(tǒng)花崗閃長(zhǎng)巖、花崗巖、正長(zhǎng)斑巖、正長(zhǎng)-花崗正長(zhǎng)巖、花崗斑巖、正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、凝灰角礫巖和安山巖-石英安山巖。

1.2 水文地質(zhì)特征

隧址區(qū)地表水較發(fā)育,主要有隧道進(jìn)口的庫(kù)伊尼德河流、出口的薩尼薩拉克河流及2條河的支流,在隧道淺埋段及裂隙發(fā)育段對(duì)洞身地下水有入滲補(bǔ)給作用。地下水類(lèi)型主要有: 基巖裂隙水、斷層構(gòu)造水、第四系松散巖類(lèi)孔隙水等。

2 隧址區(qū)雪崩形成條件

雪崩的形成條件主要有: 地形地貌、氣溫、降水、風(fēng)力及風(fēng)向、吹雪及積雪等,雪崩危險(xiǎn)的特性和等級(jí)由山形地貌的氣候條件決定,冬季大氣降水、積雪、氣溫及地區(qū)主要的風(fēng)況也起主要作用。安琶鐵路Q(chēng)amchiq隧道位于西部天山山脈的庫(kù)拉米山脈中部,顯著的大陸性氣候特征導(dǎo)致季節(jié)及年度之間溫度和其他氣象數(shù)據(jù)變化大。

2.1 地形地貌

隧道進(jìn)、出口位于既有河道旁邊,線路近似平行山坡等高線展布,隧道洞口段在地形條件下偏壓。坡殘積層為厚度不等的棱角狀碎石,稍密—中密,河道內(nèi)分布磨圓度較好的漂石、卵石;下伏基巖為三疊系下統(tǒng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖,全—弱風(fēng)化,較破碎—破碎。進(jìn)口側(cè)面仰坡平均坡度為38°,正面仰坡平均坡度為47°; 出口仰坡平均坡度為53°。

2.2 氣溫

隧道附近地區(qū),平均氣溫零度以下出現(xiàn)在10月底,氣溫持續(xù)零度以下通常出現(xiàn)在11月底。寒冷季節(jié)持續(xù)3個(gè)半月至4個(gè)半月,最冷的月份大部分出現(xiàn)在1月份或2月份,最低平均晝夜溫差達(dá)到22.0 ℃。冬季平均氣溫為-5.4 ℃,最高氣溫為10.8 ℃,絕對(duì)最低氣溫為-25.4 ℃。

2.3 降水

由各種形式的山區(qū)構(gòu)造組成的阿漢加蘭河和恰達(dá)克河流域,其地理狀況極大地制約了該地區(qū)的降水分布。2 700～3 300 m高的庫(kù)拉米山脈阻斷了濕潤(rùn)氣團(tuán)對(duì)西北—東南走向的恰達(dá)克河谷的影響,該地區(qū)各個(gè)部分年度降水為80～1 300 mm。

隧道區(qū)域降水量隨著高度增加,從低地的500 mm到中高地帶(水平面2 070 m以上)的1 000 mm。在最濕潤(rùn)地帶(水平面2 500～2 700 m以上)降水在1 100～1 300 mm,最大降水出現(xiàn)在1969年,降水量達(dá)到1 554 mm。

隧道區(qū)域冬季出現(xiàn)了2個(gè)最大降水周期: 第1個(gè)(主要的)在3—4月(占年度降水的25%); 第2個(gè)在11—12月(占年度降水的24%)。

隧道附近區(qū)域雪崩經(jīng)常是由于下雨和陳雪造成的,很少因?yàn)樾陆笛?dǎo)致,一般情況下,降雪量從10 mm到40 mm。

2.4 風(fēng)況

山區(qū)風(fēng)力活動(dòng)是形成雪崩的原因之一。隧道進(jìn)口地區(qū)主要風(fēng)向是北風(fēng)和西北風(fēng),而隧道出口地區(qū)主要風(fēng)向是西北風(fēng)。風(fēng)在運(yùn)動(dòng)中會(huì)從山坡或者山脈逆風(fēng)方向帶起部分積雪。越過(guò)山脊的風(fēng)速會(huì)降低,形成強(qiáng)烈的渦流,渦流帶走的雪會(huì)降落在順風(fēng)方向的山坡上,并導(dǎo)致積雪厚度增加。隧道附近區(qū)域的風(fēng)況十分穩(wěn)定,通常風(fēng)速為5～15 m/s, 最大陣風(fēng)風(fēng)速可達(dá)30 m/s,在順風(fēng)的山坡上形成了吹雪和高2.5～3.5 m的飛檐,而逆風(fēng)的山坡上積雪幾乎全部被吹走(見(jiàn)圖1)。

圖1 越嶺地段風(fēng)雪圖Fig. 1 Wind and snow of mountain summit section

2.5 積雪

隧道進(jìn)口地區(qū)1970—2010年(40年)以及隧道出口地1976—2010年(34年)的積雪觀測(cè)值見(jiàn)表1。隧道進(jìn)口地區(qū)山坡穩(wěn)定積雪形成于11月底,次年3月初積雪量達(dá)到最大并于4月初積雪開(kāi)融,雪崩危險(xiǎn)期可能持續(xù)100 d;隧道出口地區(qū)山坡穩(wěn)定積雪形成于12月初,次年2月底積雪量達(dá)到最大并于3月中旬積雪開(kāi)始融化,雪崩危險(xiǎn)期持續(xù)時(shí)間達(dá)90 d?？傮w來(lái)說(shuō),隧道附近地區(qū)的積雪強(qiáng)度足以形成雪崩。

表1 積雪厚度值Table 1 Snow thickness values

3 雪崩潛在發(fā)生區(qū)域確定

發(fā)生雪崩的可能性取決于一系列形成雪崩的復(fù)雜因素: 氣候因素、水文氣象因素、地貌因素、地球植物學(xué)因素、物理機(jī)械因素等。

典型的雪崩通常由集雪區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)和堆積區(qū)3個(gè)部分組成。這些區(qū)域之間的界限明顯,并且具有相對(duì)性。雪崩的集雪區(qū)位于雪崩區(qū)的上部,屬于山坡位置,通常沉積了大量的雪,積雪失去穩(wěn)定性后形成雪崩。集雪區(qū)內(nèi)的積雪在高空風(fēng)的作用下,雪層深厚,往往是當(dāng)?shù)胤e雪的幾倍,有利于雪崩發(fā)生。運(yùn)動(dòng)區(qū)也稱(chēng)為活動(dòng)區(qū),其主要特征是: 縱斷面平直,少?gòu)澢?多波折,橫斷面呈“U”字形,底部寬闊平坦,運(yùn)動(dòng)路線上少見(jiàn)植被。堆積區(qū)位于斜坡下部,常與坡積或沖積、洪積扇重合。

一般情況下,在坡度25°～50°的山坡上積雪穩(wěn)定性會(huì)被破壞,形成雪崩。在更陡峭的山坡上,雪不容易沉積,相對(duì)不容易形成大量的積雪。因此,最具雪崩危險(xiǎn)性的斜坡坡度為25°～50°。

任何一個(gè)區(qū)域如果可能發(fā)生雪崩危險(xiǎn)最關(guān)鍵是確定雪崩潛在發(fā)生區(qū)的最大范圍。雪崩能夠到達(dá)山腳下的界限每年都是不固定的,甚至連續(xù)許多年在雪崩多發(fā)段都沒(méi)有形成雪崩。Qamchiq隧道進(jìn)口和出口雪崩多發(fā)段屬于這種情況。

雪崩潛在發(fā)生區(qū)域根據(jù)地貌標(biāo)志劃分,同時(shí)也要考慮雪崩發(fā)生區(qū)的坡向、山坡的坡度、下墊層以及是否存在植被和礦物的開(kāi)采等因素。

3.1 隧道進(jìn)口

隧道入口附近的山坡坡度為25°～50°(見(jiàn)圖2)。從河口到隧道入口位置,山坡上有許多被侵蝕的沖溝,有發(fā)生雪崩的可能。雪崩集雪區(qū)與堆積區(qū)之間的落差為100～600 m。雪崩的集雪區(qū)表面一般堆積了碎屑巖、碎石和卵石,草皮密度中等,少量的樹(shù)林和低矮的灌木。在隧道進(jìn)口現(xiàn)場(chǎng)勘探時(shí),發(fā)現(xiàn)4個(gè)雪崩集雪區(qū),雪崩可能到達(dá)隧道入口,分布情況見(jiàn)圖3。隧道進(jìn)口雪崩集雪區(qū)具體劃分見(jiàn)表2。

圖2 隧道進(jìn)口段積雪Fig. 2 Snow of tunnel entrance section

圖3 隧道進(jìn)口區(qū)域雪崩發(fā)生區(qū)域Fig. 3 Avalanche area of tunnel entrance section

表2 隧道進(jìn)口雪崩集雪區(qū)Table 2 Snow catchment area of tunnel entrance

3.2 隧道出口

鐵路隧道所在的恰達(dá)克河流谷地的整體方向是東南。谷地狹窄,呈V字型,坡度很大。一些不深且短的斜溝將谷地分為若干個(gè)大的侵蝕溝,可沉積大量的積雪。此類(lèi)型雪崩大多發(fā)生在很平緩的區(qū)域,雪崩移動(dòng)軌跡表現(xiàn)為沿侵蝕溝滑動(dòng)(見(jiàn)圖4)。

圖4 隧道出口雪崩潛在路線Fig. 4 Avalanche potential route of tunnel exit

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明,在主隧道的出口上方存在潛在的雪崩集雪區(qū),雪崩可能擴(kuò)散至主隧道隧道口附近的區(qū)域。雪崩集雪區(qū)高程為1 600 m,平均坡度為25°,坡向南東;隧道出口雪崩潛在發(fā)生區(qū)域見(jiàn)圖5。

圖5 隧道出口雪崩發(fā)生區(qū)域Fig. 5 Avalanche happening area of tunnel entrance

4 雪崩擴(kuò)散距離計(jì)算

根據(jù)俄羅斯和烏茲別克斯坦建筑規(guī)范CH 517—80《防雪崩設(shè)施的設(shè)計(jì)和建筑規(guī)程》[10],采用tanα參數(shù)作圖法計(jì)算雪崩拋程。即在設(shè)定的雪崩位置點(diǎn)做一條斜率為tanα的直線,α為移動(dòng)雪體與地面的摩擦角,直線和縱斷面地面線的交叉點(diǎn)為雪崩擴(kuò)散的終點(diǎn)。參數(shù)tanα的參考值如表3所示。

表3 不同積雪匯聚面積下tan α 參考值Table 3 Reference values of tan α with different snow-cover area

根據(jù)隧道入口和出口的雪崩集雪區(qū)積雪匯聚面積以及平均坡度,各雪崩發(fā)生區(qū)域參數(shù)tanα取值如表4所示。

表4 雪崩發(fā)生區(qū)域 tan α取值Table 4 tan α values of avalanche happening area

根據(jù)tanα參數(shù)作圖法計(jì)算雪崩拋射水平距離,如圖6—10所示,雪崩的堆積區(qū)位于洞口附近的區(qū)域,隧道的入口和出口處于雪崩的堆積區(qū)范圍內(nèi)。具體計(jì)算結(jié)果為: 隧道進(jìn)口區(qū)域1號(hào)雪崩集雪區(qū)的雪體通過(guò)安全隧道和主隧道上方并堆積在距離隧道口20 m以?xún)?nèi)的區(qū)域; 2號(hào)雪崩集雪區(qū)的雪體通過(guò)主隧道上方并堆積在距離隧道口12 m以?xún)?nèi)的區(qū)域; 3號(hào)雪崩集雪區(qū)的雪體越過(guò)安全隧道和主隧道,并堆積在距離安全隧道口27 m以外的區(qū)域; 4號(hào)雪崩集雪區(qū)的雪體越過(guò)安全隧道和主隧道,并堆積在距離安全隧道口14 m以外的區(qū)域; 隧道出口1號(hào)雪崩集雪區(qū)的雪體通過(guò)主隧道隧道口上方,并堆積在距離隧道口4 m以?xún)?nèi)隧道口附近區(qū)域。

圖6 隧道進(jìn)口1號(hào)雪崩擴(kuò)散距離計(jì)算Fig. 6 Calculation of diffusion distance of No.1 avalanche at tunnel entrance

圖7 隧道進(jìn)口2號(hào)雪崩拋程計(jì)算Fig. 7 Calculation of diffusion distance of No.2 avalanche at tunnel entrance

圖8 隧道進(jìn)口3號(hào)雪崩拋程計(jì)算Fig. 8 Calculation of diffusion distance of tunnel entrance No.3 avalanche

圖9 隧道進(jìn)口4號(hào)雪崩拋程計(jì)算Fig. 9 Calculation of diffusion distance of tunnel entrance No.4 avalanche

圖10 隧道出口1號(hào)雪崩拋程計(jì)算Fig. 10 Calculation of diffusion distance of tunnel exit No.1 avalanche

5 雪崩沖擊力計(jì)算

計(jì)算雪崩沖擊力時(shí),假定雪體雪崩在整個(gè)移動(dòng)軌跡上的重力是固定不變的,阻力和垂直于斜坡的雪體重力分量是成正比的,雪崩移動(dòng)速度

式中:g為重力加速度,m/s2;H為雪崩發(fā)源地到堆積區(qū)的高差,m;h為雪崩發(fā)源地到雪崩移動(dòng)線路縱斷面v計(jì)算位置的高差,m;l′為從發(fā)源地到堆積區(qū)極限邊界的雪崩移動(dòng)線路的水平投影長(zhǎng)度,m;l為從發(fā)源地到v計(jì)算位置的水平投影長(zhǎng)度,m。

雪崩對(duì)設(shè)施表面的沖擊力

式中:v為雪崩的移動(dòng)速度;β為雪崩移動(dòng)方向與設(shè)施表面之間的角度;ρ為積雪體的密度;g為重力加速度。

雪崩落雪的密度根據(jù)雪體的類(lèi)型設(shè)置: 對(duì)于新降雪ρ=0.3 g/cm3; 對(duì)于陳雪,ρ= 0.4 g/cm3; 對(duì)于濕雪,ρ= 0.5 g/cm3。在這一區(qū)域最常見(jiàn)的雪體類(lèi)型為新降雪夾帶陳雪, 按ρ= 0.4 g/cm3計(jì)算。

根據(jù)(1)—(2),計(jì)算隧道進(jìn)口和出口各個(gè)雪崩的移動(dòng)速度以及對(duì)隧道洞門(mén)頂部沖擊力,結(jié)果如表5所示。

6 雪崩防治措施方案比選

6.1 雪崩防治措施

在高寒地區(qū),隧道兩端洞口雪崩的防治設(shè)施通常有防雪棚洞、洞口上方防雪柵欄、在隧道洞門(mén)上設(shè)置導(dǎo)雪墻、隧道明洞等。

6.1.1 防雪棚洞[11]

防雪棚洞一般設(shè)置在隧道洞口,可設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)或者鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),主要由頂棚和橫梁組成。當(dāng)發(fā)生雪崩時(shí),高速運(yùn)動(dòng)的雪崩直接沖擊頂棚,速度變緩后沿著頂棚面板滑落至隧道一側(cè),從而避免雪崩災(zāi)害堵塞隧道口,如圖11所示。

圖11 隧道防雪棚洞Fig. 11 Tunnel snow shelter

6.1.2 防雪柵欄

防雪柵欄一般設(shè)置在隧道洞口上方,主要結(jié)構(gòu)由柵欄板條、立柱及混凝土基礎(chǔ)組成。防雪柵欄必須設(shè)置在雪害區(qū)域的上風(fēng)段,并與積雪期的主導(dǎo)風(fēng)向垂直或者近似垂直,防雪柵欄橫向和豎向間隔設(shè)置。柵欄板條一般為木質(zhì)、鐵質(zhì)、鋼質(zhì)或合金材料,由于設(shè)置在室外,所以需做防生銹和防腐處理[12-13]。隧道防雪柵欄如圖12所示。

圖12 隧道防雪柵欄Fig. 12 Tunnel snow fence

6.1.3 導(dǎo)雪墻[14]

導(dǎo)雪墻的主要作用是將雪崩過(guò)程中高速運(yùn)動(dòng)的積雪通過(guò)導(dǎo)雪墻改變運(yùn)動(dòng)堆積的方向,使其遠(yuǎn)離鐵路工程設(shè)施,避免雪崩對(duì)隧道的損害。導(dǎo)雪墻形式、長(zhǎng)度及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況以及雪崩積雪產(chǎn)生的側(cè)向沖擊力而定,如圖13所示。

圖13 導(dǎo)雪墻Fig. 13 Snow retaining wall

6.1.4 隧道明洞

施作隧道明洞的主要作用是將隧道延長(zhǎng),使洞口遠(yuǎn)離雪崩影響區(qū),從而避免雪崩對(duì)隧道的損害。隧道明洞的結(jié)構(gòu)形式、長(zhǎng)度依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況、雪崩積雪影響范圍以及產(chǎn)生的沖擊力大小而定,如圖14所示。

圖14 隧道明洞Fig. 14 Tunnel opening cut

6.2 方案比選

根據(jù)隧道兩端的地形條件、雪崩規(guī)模、拋程等因素,從施作難易程度、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)上述4種雪崩防治措施進(jìn)行比選,見(jiàn)表6。

表6 雪崩防治措施比較Table 6 Measures comparison for avalanche protection and control

通過(guò)比選上述雪崩防治方案,Qamchiq鐵路隧道雪崩防治措施主要采取增設(shè)隧道明洞+隧道洞門(mén)上方設(shè)置導(dǎo)雪墻的方式。主隧道進(jìn)口增設(shè)25 m明洞,安全隧道進(jìn)口增設(shè)15 m明洞,主隧道出口增設(shè)5 m明洞。將雪崩產(chǎn)生的沖擊力作為隧道明洞襯砌靜荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,如圖15所示。

圖15 隧道進(jìn)口洞口段平面布置圖Fig. 15 Layout of tunnel entrance section

明洞襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)為: 5 cm M10水泥砂漿保護(hù)層,全環(huán)350 g/m2無(wú)紡布、1.2 mm EVA防水板、5 cm聚氨酯保護(hù)層、1.2 mm EVA防水板,60 cm厚B25鋼筋混凝土(抗?jié)B強(qiáng)度W4/F300)。主隧道明洞襯砌斷面如圖16所示。

圖16 主隧道明洞斷面圖(單位: cm)Fig. 16 Section of main tunnel opening-cut (unit: cm)

導(dǎo)雪墻為重力式漿砌片石梯形擋墻,頂部為0.5 m, 底部為1.5 m, 高度為2 m,如圖17和圖18所示。

烏茲別克斯坦Qamchiq鐵路隧道自2016年6月通車(chē)以來(lái),經(jīng)受住了寒冬雪崩、風(fēng)吹雪的考驗(yàn),有效防止了雪崩災(zāi)害對(duì)鐵路隧道的威脅,保證了鐵路隧道冬季運(yùn)營(yíng)安全。

圖17 隧道進(jìn)口主隧道洞口段斷面圖(單位: cm)Fig. 17 Section of main tunnel portal at tunnel entrance (unit: cm)

圖18 隧道進(jìn)口洞門(mén)上方導(dǎo)雪墻Fig. 18 Snow retaining wall above the portal at tunnel section

7 結(jié)論與建議

1)通過(guò)對(duì)隧道進(jìn)口和出口區(qū)域氣象特征進(jìn)行調(diào)查與分析,可知隧址區(qū)具有雪崩發(fā)生的自然條件。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查得知,隧道進(jìn)口區(qū)域存在4個(gè)潛在雪崩集雪區(qū),隧道出口存在1個(gè)潛在雪崩集雪區(qū)。

3)采用tanα參數(shù)作圖法對(duì)雪崩擴(kuò)散距離進(jìn)行計(jì)算表明,隧道進(jìn)口1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)雪崩的擴(kuò)散距離分別為20、12、27、14 m; 隧道出口1號(hào)雪崩擴(kuò)散距離為4 m。計(jì)算結(jié)果表明隧道進(jìn)出口雪崩規(guī)模較小、隧道的入口和出口處于雪崩的堆積區(qū)范圍內(nèi)。

4)通過(guò)計(jì)算雪崩對(duì)隧道洞門(mén)頂部沖擊力可知,隧道進(jìn)口1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)雪崩沖擊力分別為9.3、5.3、11.2、5.8 kPa; 隧道出口1號(hào)雪崩沖擊力為2.6 kPa。

5)通過(guò)計(jì)算隧道進(jìn)出口雪崩規(guī)模、擴(kuò)散距離以及沖擊力,采用在隧道進(jìn)口主隧道設(shè)置25 m明洞、安全隧道設(shè)置15 m明洞、隧道出口主隧道設(shè)置5 m明洞的防治措施;另外,在隧道進(jìn)口洞門(mén)頂部設(shè)置2 m高漿砌片石梯形導(dǎo)雪墻,對(duì)隧道兩端洞口雪崩災(zāi)害進(jìn)行防治,取得了很好的效果。

6)對(duì)于規(guī)模較小的雪崩,隧道洞口防護(hù)措施建議采用防雪棚洞、防雪柵、導(dǎo)雪墻。對(duì)于規(guī)模較大的雪崩,如果是側(cè)面雪崩,建議在洞門(mén)上方設(shè)置防雪柵,隧道洞頂設(shè)置導(dǎo)雪墻;如果是正面雪崩,建議設(shè)置隧道明洞等防護(hù)措施。

7)不同區(qū)域雪崩特點(diǎn)各異,雪崩災(zāi)害研究具有復(fù)雜性,不僅體現(xiàn)在其影響因素的多樣性,也表現(xiàn)在雪崩發(fā)生內(nèi)在機(jī)制的復(fù)雜性,雪崩動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚不完善,雪崩動(dòng)態(tài)模擬是未來(lái)重要的研究方向。