淺談隧道工程設計對資源的節約集約利用

吳剛

摘要：本研究通過收集并整理相關隧道工程在建設中對資源節約集約的執行情況，提出了隧道工程設計中貫徹資源節約集約理念的策略，為今后資源節約集約設計提供理論依據。

關鍵詞：隧道工程；資源；節約集約

由于經濟和技術的進步和發展，遇到山嶺時，以前繞山走的想法被公路隧道所替代，采用隧道的交通方式，兼具減少土地長度的優點，但是由于處于地下，對周邊的水資源和礦產等資源產生一定的影響。

一、隧道設計對資源節約集約利用的影響

1、對生物資源的影響。隧道建設可能切斷或阻截水流，破壞區域內水域，造成地下水流失，對山體地表植被的生長帶來影響，若疏干的是山上植被賴以生存的含水系，則將可能直接影響山上植被的生長。隧道洞口小面積的林地、灌草地因隧道洞口的開挖和施工便道的開辟而砍伐，引起植物的流失。

同時隧道施工期的爆破噪聲還將對野生動物動物產生驚擾，據估算，1kg炸藥當其密度在1.5g/cm3時，爆破時產生的能量約為4.2*1013erg，采用震級和震源發出的總能源的關系換算，震級相當小于里氏2.5級的地震。

2、對土地資源的影響。隧道施工過程中使用爆破、灌注混凝土等技術，周邊土地收受到沖擊波和氣泡脈動等強壓作用，從而出現土體棱角變形和斷裂，破壞原有土體的狀態。另一方面，爆破過程中使用炸藥等工具，爆破后將形成粉末，覆蓋和融入土體，改變土壤酸堿性，污染土壤，造成土地資源浪費。

隧道棄渣若不采取措施或在洞口附近就地隨意亂棄，棄渣將占用和損壞大量水田。一般來說渣場上游都有一定面積的集水區，遇暴雨天氣，降雨及地表徑流沖刷極易引起水土流失，甚至形成災害，流失的渣土進入下游農田或地表水系對農田和地表水質量產生極大影響。隧道棄土如處置不當（渣場選址不合理、降水系統設置不合理、堆填形成邊坡的坡率值不合理等），在雨季及易造成滑坡、泥石流等次生災害。

二、典型工程案例分析

1、梯子山隧道設計，注重資源節約。寧杭高速公路梯子山隧道位于江蘇、浙江兩省交界處，全長332m，為雙向六車道連拱結構，開挖寬度32.54m，是當時國內開挖寬度最大的公路隧道之一。隧道最大埋深25m，最小埋深僅2.7m（位于穿越104國道段）。從一定程度上體現“環保、旅游、生態、景觀公路”的指導思想。

（1）事先調查地質情況，合理確定施工。梯子山隧道有兩種不良地質現象：一是粘土層，為軟質巖，抗風化能力弱，親水性強，易軟化、泥化，具有弱膨脹性；二是采空區，在路線附近發現多處當地村民采掘粘土巖開鑿的平洞采空區，已發現局部地面塌陷，雖規模小，因其洞口隱蔽，對施工安全有不利影響。

針對這些情況，組織勘察設計單位調查地質情況，盡量避免不良地質區施工。選擇合適的位置和合適的工藝開挖隧道，減少對礦產的壓覆和礦產資源的開發。

（2）斜交暗挖，防護加固，保護土地資源。梯子山隧道下穿104國道段具有大跨、超淺埋、偏壓、地質條件差、洞頂交通量大的特點，這在國內尚屬首例。本段采用斜交暗挖進洞。設計方案預加固措施有兩點：一是地表ф50mm鋼管注漿，間距為1.2m×1.2m梅花型布置，周邊孔加密；二是ф50mm小導管輔助ф108mm大管棚超前支護，環向間距35cm。洞內初期支護參數為：噴C25混凝土30cm，125b工字鋼縱向間距50m，單層ф6鋼筋網，規格20cm×20cm，取消拱部系統錨桿，僅保留邊墻處系統錨桿。防護加強，防止土地流失和生物資源等多種資源破壞。

（3）數據仿真實測，保護地下水資源。隧道設計中，采用軟件仿真爆破破壞力度，不斷修正設計參數，觀察地表水沉降等多種數據，選擇合適的設計參數，使得地表水沉降較少，進而保護水資源。

2、茅山隧道蓋挖法，少開發土方植被量。低山丘陵的地貌特征，使得茅山隧道總體埋深較淺，部分地段超淺埋，甚至負埋深。在設計方案研究過程中，遵循“不破壞就是最大的保護”的設計理念，在隧道結構設計、洞口設計等多方面無不體現出“建一座景觀隧道，還一片碧水藍天”的生態氣息。綜合考慮環保、安全等因素，部分超淺埋區段采用“蓋挖工法”施工。

（1）減少開挖量，保護植被。蓋挖法臨時開挖邊坡坡高較低，坡率較大，大大減少了開挖量，因此破壞林木較少，約400m2，有效保護了自然植被。明挖法臨時開挖邊坡坡高較高，坡率較小，因此破壞林木較多，約1750m2，是蓋挖法的4倍多。因此，采用蓋挖法環保意義重大，可以保護生物資源。

（2）降低開挖高度，保護土地資源。采用蓋挖法，臨時邊坡最大坡高僅8m，若采用明挖，臨時邊坡最大坡高達到約18m。與明挖法相比，蓋挖法大大降低了邊坡開挖高度，降低使用的土地資源和開挖石方，同時降低了施工風險，保障了施工安全。

（3）自然沖溝，防排水。該段地形上為一自然沖溝，解決好雨季施工的防排水問題至關重要。蓋挖法地表施工工期較短，施工范圍較小，能很好地解決施工期間沖溝內的排水問題，解決了跨雨季施工的難題。

3、茅山東隧道洞門，土方回填生態環保。茅山隧道在洞門形式選擇、洞口位置選擇、洞門前處理、洞口截排水溝設計、洞口景觀設計等方面均體現了功能與景觀緊密結合的設計新思路。

（1）融入環境，自然美。茅山隧道洞門設計中重視與周圍環境的協調，盡量不設擋墻，重視明洞回填和地形整治，著眼于洞門的整體布局和協調。注重洞口外的路基路段邊坡設計對洞口景觀的影響的新理念，要求洞門設計與自然環境相協調。

（2）土方回填，植被恢復，生態美。茅山隧道地處句容境內的茅山風景區，隧道設計中非常重視對原有植被的保護。在洞口位置選擇上，盡量降低洞頂仰坡和洞外邊坡的開挖高度，減少對既有植被的破壞。以“零開挖”理念為指導，遵循“早進晚出”的原則，通過適當延長明洞，盡量不擾動山體。重視明洞回填的土方調配和植被恢復。

洞門位置的確定要考慮洞門的形式、地形的變化、洞門頂仰坡高度、洞外邊坡高度、土方調配等因素。綜合考慮這些因素，適當延長明洞，盡量降低邊仰坡高度，合理調配土方進行明洞回填，能夠使被破壞的自然景觀得以恢復，使洞門與周圍自然景觀渾然一體。

（3）動畫模擬，與景觀設計高協調。茅山隧道洞口景觀設計中，采用效果圖、三維動畫模擬，比設計圖紙更形象、直觀的表達洞門的形狀、規模，以及與周圍自然景觀的協調程度。通過三維動畫的模擬將設計方案的總體效果以動態的形式更為形象的反映出來，如汽車駛向洞門由遠及近的景觀效果，從而在方案評價中為設計者提供設計依據。

三、隧道資源節約集約設計策略

1、邊坡綠化防護，保護生物資源。對邊坡進行綠化和防護選定隧道洞口位置時應最大限度維持山體的自然狀態盡可能少的擾動山體，避免洞口出現高邊坡與仰坡，以利于行車安全、保持環境協調為保證運營安全。隧道施工中遵循“早進洞、晚出洞”的原則，隧道出口采用生態洞門，即采取接長明洞的方式，保持了原始地面形態，避免了洞口變仰坡的大挖大刷。

2、退地還田。隧道建設過程中做到不亂砍亂挖，做到盡量選用荒地，少占用耕地、少拆遷。結束后，盡可能退地還田，覆蓋腐質土恢復成農田或栽種樹木。把工程范圍嚴格控制在線路征地界限之內，做好了施工場地周圍的植物和野生動物保護。避免植被破壞和獵殺野生動物。

3、防止被污染的土體亂分布。隧道建設過程中，對土地資源節約集約的設計主要是防止被污染的泥土分布到地面上。設計過程中盡可能將施工基坑設計成最終產品的一部分。引道邊墻可設計成像有不透水芯墻的堤壩，其形式有泥漿墻、塑料板圍幕或是常見的鋼板樁墻。對剛板樁墻增加其擋土的功能，就可節省有價值的空間，而且可容易地達到在水下與不透水底板的連接。底板可以用水下混凝土建成。這種設計自己發展到能控制其高程和表面平整，以致達到在引道完全排干后，可減少修整工作。采用不透水的塑料板材，加鎮重安放于水下以蓋住基坑底部和邊坡。這種方法不僅適用于隧道的引道，而且用于公路的凹槽段。使用大面積的塑料板材，以泥土作鎮重安放到水下，用在主要公路交叉口起到長期良好的效果。此種方法只需用疏浚船開挖溝槽而不必排水。

4、棄渣再利用。對隧道開挖中產生的大量棄渣進行分類處理，對中硬質巖石加工成碎石或機制砂重新利用。其他廢渣用運輸車輛棄置至指定的渣場堆砌整齊。專人清掃施工營地和施工現場，對產生的生活垃圾及廢棄物，做到集中堆放至垃圾回收點，統一管理；經當地環境保護部門同意后，定期運至指定地點進行深埋或焚燒。

（作者單位：蘇交科集團股份有限公司）