高寒高海拔山區隧道及其引線工程地質選線

錢 芳，潘致遠

(1.安徽宏泰交通工程設計研究院有限公司 科研與技術開發部，安徽 合肥 230051；2.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；3.安徽交通職業技術學院 土木工程系，安徽 合肥 230051)

0 引言

當前，位于西昆侖的主要國道為G219線新疆葉城至西藏阿里段、G580和田至康西瓦段(在建)、G216民豐至黑石北湖段(在建)，以上國道基本構成了我國西部沿邊軍事運輸、保障的通道，逐步形成多方向、多通道的抵邊運輸網。但由于建設時期早、資金投入少等歷史原因，既有道路指標低，服務水平差，亟需進行升級改造，尤以G219線新疆段矛盾最為突出。西昆侖處于我國地勢輪廓的第一階梯，新構造運動強烈，山體抬升，溝谷深切，褶皺、斷裂發育，地形地貌險峻，地質條件復雜。[1]同時，受海拔影響，西昆侖腹地年平均地溫低，多年凍土發育，道路凍土病害嚴重。根據李昆等[2]對西昆侖典型山區凍土的調查研究成果，西昆侖多年凍土下界在陽坡位置位于海拔4 800 m處，在陰坡位置位于海拔4 650 m處，在東西坡位置位于海拔4 700 m處，多年凍土分布面積3 136.3 km2，占區域總面積的89.4%。G219線新疆段自山前平原葉城進入西昆侖山后，先后沿柯克亞河、賽圖拉河、喀喇喀什河及阿克賽欽湖展線，其間，翻越庫地達坂、麻扎達坂、黑恰達坂、康西瓦達坂、奇臺達坂和界山達坂。受沿線地形地質條件及工程投資限制，道路以沿河、沿溪線為主，達坂路段采用連續回頭展線翻越，指標較差，最近一次升級改造也僅僅是在以前道路基礎上對全線路面進行黑色化，道路等級及指標未有較大提升，因此，針對G219線新疆段道路工程實踐的研究主要集中在低溫環境下路面設計及施工技術方面。其次，該區域內目前尚無建成運營的公路隧道，針對區域內隧道及其引線的工程地質選線研究及論述較少。筆者以參與G219線達坂路段升級改造工程設計的切身體會，分析區域內主要工程地質問題，總結達坂路段隧道及其引線的工程地質選線原則及經驗，以期為該區域內道路新建及升級改造提供參考和借鑒。

1 研究區概況

研究區既有G219路線長度為9.42 km，位于葉爾羌河水系支溝翻越達坂至喀喇喀什河水系支流河谷段，達坂堀口高程為4 935 m，西坡與溝谷高差為258 m，坡面自然縱坡為19.608%；東坡與河谷高差為95 m，坡面自然縱坡為6.135%。總體呈西側低而陡、東側高而緩的不對稱形態。根據地形地貌特征，項目區為克服高差，達坂西坡連續設置13處回頭曲線，回頭曲線最小半徑為18 m，最大縱坡為 7.462%，平均縱坡為4.887%/5.268 km，且西坡多年凍土連續分布，路基斷面形式多為半填半挖，隨著氣溫上升，凍土界限變化，熱融滑塌、路基翻漿及沉陷病害嚴重。升級改造采用以隧帶路的方式穿越達坂路段，旨在解決達坂路段指標差，路基凍土病害嚴重的問題。[3]

研究區地層巖性主要以二疊系中下統黃羊嶺群炭質板巖和第四系殘坡積物及沖洪積物為主。近項目區分布兩條斷裂，喀喇塔格斷裂(F1)位于達坂西側，屬于康西瓦斷裂的分支斷裂，且距離路線較遠，對擬升級改造路線無影響。康西瓦斷裂(F2)是區域斷裂康西瓦斷裂主支的一部分，總體走向近EW，是一條大型的左旋走滑斷裂帶。根據衛星影像特征和前人的研究資料，康西瓦斷裂距隧道最近距離約700 m、距公路最近約500 m，走滑特征明顯，垂直位移較小，變形寬度一般小于500 m，隧道和公路均可不考慮主斷裂的抗斷問題。研究區地震加速度為0.20 g，對應地震基本烈度8度，地震動反應譜特征周期為0.45 s。[4]

2 主要工程地質問題

研究區由于氣候復雜多變，地形起伏懸殊，地質構造復雜，寒凍作用明顯，地震及新構造運動強烈[5]，為各類地質災害的孕育和發展提供了良好條件。區內主要不良地質為崩塌、坡面溜塌、泥石流[6]；特殊性巖土主要為凍土(多年凍土及季節性凍土)。

2.1 崩塌

研究區高山區內，由于溝谷兩側山坡陡峻，加之公路施工開挖擾動，形成了易于變形和松動的臨空面，邊坡的穩定程度降低。特別是硬質巖邊坡，地形陡峻，巖體受各種內外應力的影響，風化剝蝕強烈，節理裂隙發育，易形成不穩定的塊體，塊體墜落形成落石。另外，一些坡積層覆蓋較厚的陡坡，也易形成碎落和落石，研究區道路路側落石現象普遍存在，對公路行車影響較大。

2.2 坡面溜塌

坡面溜塌為淺表層滑坡的一種類型，規模及危害性相對較小，是高寒地區特有的一種不良地質現象，一般發育在基巖淺埋、植被稀少斜坡段。破碎基巖在寒凍、風化等作用下局部破碎呈“礫砂”“角礫”狀，沿坡面松散堆積。由于公路施工開挖，形成相對的臨空面，加之堆積體本身結構松散，在重力及各種外因的誘發下極易失穩。研究區隧道進口左側為一大型坡面溜塌，該處基巖節理裂隙發育，加之高寒地區的寒凍、風化嚴重，形成厚層松散堆積體，沿自然坡面松散堆積，受重力作用，底部厚度較大、頂部厚度較小，區內其他路段廣泛分布小型坡面溜塌，對公路選線具有一定影響。

2.3 泥石流

第三紀末以來，受喜馬拉雅運動的影響，昆侖山表現為強烈的上升運動，形成了研究區山高溝窄的地形特點。由于地勢陡、河床縱坡大，因此，區域內地形條件有利于泥石流的形成和流通，但項目區降水量小，降雨強度弱，主要地表徑流為季節性融雪水，僅在研究區起點位置發育一小型泥石流，目前已處于衰退期。

2.4 凍土

凍土是指具有負溫或零溫度并含有冰的巖土，包括多年凍土和季節性凍土。研究區位于高寒高海拔山區，平均海拔高于4 700 m，高海拔多年凍土發育。受地貌、地下水條件、巖性、地表植被等條件的影響，研究區多年凍土含冰類型主要為低含冰量凍土(少冰凍土、多冰凍土)和高含冰量凍土(富冰、飽冰凍土、含土冰層)。根據現場測溫結果，研究區多年凍土類型為高溫多年凍土，年平均地溫為-0.5～0 ℃，屬高溫極不穩定多年凍土。[7]15-36多年凍土區季節活動層為銜接多年凍土區上限以上地層或不銜接多年凍土區上限以上季節凍深范圍內地層，該層季節變化反復凍融，可引起其上構筑物產生病害。研究區季節性融化層巖性主要為沖洪積碎(卵)石、砂性土及粉土，其凍脹等級一般為Ⅱ～Ⅲ級(弱凍脹～強凍脹)；中高山區季節性融化層巖石性質主要為殘積層、坡積層碎石、角礫，地下水埋藏深度較大，凍脹等級多為Ⅱ級(弱凍脹)，局部因凍結層上水發育或處于沖溝路段凍脹等級可達到Ⅲ級(強凍脹)，基巖區凍脹等級為Ⅰ級(不凍脹)。多年凍土層發育長度為6.356 km，低含冰量多年凍土層為5.795 km，高含冰量多年凍土層為0.57 km。

3 工程地質選線原則

隧道工程為研究區控制性工程，隧道的定位在服從路線基本走向的同時，為了選擇較佳的隧道位置，需要優先在合理的范圍內選定隧道位置。隧道前后引線在保證平面順適、縱坡均衡、橫斷面合理的前提下需要綜合考慮路線范圍內不良工程地質現象和特殊性巖土的影響。綜合考慮以上因素，確定研究區公路工程地質選線原則[8]如下：

(1)隧道進出口位置的選擇：在符合路線總體走向的前提下，盡量選擇基巖出露，緩坡進、出洞，避開崩塌、坡面溜塌、熱融滑塌等不良地質現象，工程設計階段避開邊仰坡地質病害，減小不良地質現象對施工期、運營期的不利影響。

(2)路線通過大型且正在發育階段的崩塌體時，調整平面線位進行繞避，與崩塌體保持一定安全距離，防止崩塌體墜落上路，影響行車安全；路線通過小型崩塌體時，需評估繞避工程所產生的工程造價，造價合理的情況下采用繞避方案，造價過高時應在徹底清除危巖及進行攔擋防護后通過。

(3)大型坡面溜塌徹底根治難度大，工程造價高，研究區路線通過大型坡面溜塌，避免切削坡腳誘發滑塌體失穩，優先采用繞避換岸展線，在繞避換岸展線存在困難的情況下，可沿坡腳采用填方路基通過；路線通過小型坡面溜塌時，應徹底清除溜塌體，避免切坡失穩及基底翻漿等道路工程病害。

(4)熱融滑塌為多年凍土區典型斜坡病害，路線通過后擾動改變原始邊坡熱平衡條件后，滑塌區域不斷擴張發展，難以采用工程措施根治，因此，研究區隧道的定位及其引線工程平面位置的選擇，應徹底避開熱融滑塌發育區域。

(5)研究區多年凍土區路線選線，依據凍土發育情況，遵循JTG/T D31-04—2012《多年凍土地區公路設計與施工技術細則》，即在多年凍土區路線盡量選擇干燥陽坡部位展線，路基斷面形式盡量選擇填方路基。

4 工程地質選線實例

根據研究區地形地貌及不良地質病害發育特征制定區內工程地質的選線原則，重點研究隧道工程的定位及隧道引線的布設。

4.1 隧道工程選線

研究區隧道方案布設的主要影響因素包括隧址區工程地質條件、隧道長度和縱坡、隧道進口接線方案，隧道方案的比選主要針對以上3個方面進行研究論證。[9]

4.1.1 隧址區工程地質條件

研究區達坂西側為葉爾羌河支溝，溝道狹窄，坡面陡峭。隧道進出口選線在項目工程可行性研究基礎上，對進出口溝道坡面工程地質條件進行全面調查，主要目的在于提前查明進出口坡面不良地質病害，保證隧道在定位階段能及早繞避。

隧道進口位置，根據項目工程可行性研究階段初步選定的進口溝道及坡面工程地質條件進一步篩選。隧址區地層巖性較為單一，主要為二疊系中下統黃羊嶺群炭質板巖，根據研究區勘察階段的取樣試驗成果，炭質板巖飽和抗壓強度為13.5 kPa～28.5 kPa，屬軟巖～較軟巖。受地層巖性及高寒高海拔山區寒凍風化作用的影響，炭質板巖極易風化為砂礫，在重力作用下形成坡面溜塌堆積在坡面上，根據研究區坡面溜塌的分布現狀，陽坡坡面溜塌發育數量和規模明顯大于陰坡。項目工程可行性研究階段選定的隧道進口位于一大型的坡面溜塌體上，經現場調查，隧道進洞及邊仰坡開挖極易導致溜塌體失穩，隧道施工進洞過程及溜塌體后期治理難度大，因此，在隧道定位階段對溜塌體西、南側坡面進行全面調查，分別在隧道進洞位置西、南兩側選擇3處具備進洞條件的洞口位置。A1洞口位于隧道入口西北方向260 m處，洞口標高為4 654 m，洞口坡面基巖出露，節理裂隙發育，坡面上方危巖體發育；A2洞口位于隧道入口以南150 m處，洞口標高為4 667 m，洞口坡面零星基巖出露，仰坡較緩，進口上方為一小型坡面堆積體，堆積體方量小，可采用工程措施治理；A3洞口位于隧道入口以南215 m處，洞口標高為4 670 m，洞口坡面基巖完全出露，仰坡較緩，工程地質條件最佳。

4.1.2 隧道長度和縱坡

依據隧址區工程地質條件選定的3處進洞位置及2處出洞位置進行組合，形成5個具有比較價值的隧道方案，各隧道方案的指標見表1。

表1 各隧道方案的指標

依據JTG D20—2017《公路路線設計規范》相關規定，隧道內縱坡應小于3%，考慮到高寒高海拔氣候條件對行車影響，高海拔地區隧道縱坡建議小于2.5%，因此，可排除D線方案、E線方案及E2線方案，保留的可供論證比選的方案為K線方案和C線方案。

4.1.3 隧道進口接線

C線方案和K線方案隧道出口位置完全一致，隧道選址區的工程地質條件、施工難易程度、技術指標及工程投資差異小。但C線方案隧道進口A3位置較A2位置靠近溝道上游，主溝道在此處為“S”型蜿蜒分布，隧道進口南側山體偏薄，限制了隧道進口引線路線方位角指向，造成隧道引線需橫穿隧道進口前山脊，根據勘察資料驗證該山脊淺表層為碎石土，屬于富冰～飽冰多年凍土，路線橫穿將導致多年凍土大面積開挖暴露，極不利于凍土邊坡的穩定。因此，隧道進口前引線的選擇應盡量避免橫穿進口西南側山脊導致邊坡兩側暴露，盡量沿山體前緣展線，采用緩邊坡、寬平臺的方案暴露單側邊坡通過山脊，現場施工證明采取該措施后多年凍土邊坡整體穩定，是較為理想的處置措施，由此可排除C線方案而保留K線方案，完成了隧道的定位工作。

4.2 隧道引線選線

研究區隧道前引線布線溝道狹窄，溝道兩側不良地質病害廣泛發育，對前引線布線構成主要影響的不良地質病害為坡面溜塌及多年凍土，繞避和處置坡面溜塌及多年凍土成為隧道前引線工程地質選線的關鍵所在。

4.2.1 坡面溜塌路段選線

研究區高寒高海拔自然氣候條件和薄弱的地質生態環境為坡面溜塌的形成提供了條件，隧道定位后，引線在坡面溜塌路段的工程地質選線，應遵循繞避大型坡面溜塌、處置小型坡面溜塌的原則。隧道入口溝道北側為陽坡，發育有兩處大型坡面溜塌，因此，在展線過程中優先考慮沿溝道南側，即在陰坡展線，但受高寒高海拔氣候條件及研究區工程地質條件的影響，溝道南側(陰坡)也存在發育不連續的坡面溜塌體，但總體規模較陽坡小。因隧道進口標高限制，路線標高整體較高，為避免路線沿不連續坡面溜塌體上挖方通過，導致路基運營期產生不均勻沉降的風險增加，選線主要沿斜坡坡腳通過，臨河設置擋墻，但溝道狹窄，路基斷面不可避免會在坡腳產生挖方，由此導致部分坡面病害，需設置上邊坡支擋工程，研究區主要采用路塹墻或攔石墻進行防護。

4.2.2 多年凍土路段選線

研究區多年凍土主要集中分布在隧道前引線展線的溝道陰坡側，多年凍土類型為富冰、飽冰凍土，天然上限3 m，多年凍土厚度為8～30 m，多年凍土平均地溫為-0.4 ℃，屬高溫高含冰量凍土。多年凍土區下伏地層為碎石(厚度3～25 m，為多年凍土層)、強風化和中風化炭質板巖。前期工程地質調查和勘察過程中受認識與技術的限制，未查清多年凍土發育及分布特征，雖然路線沿溝道陰坡坡腳填方通過，但局部路段不可避免出現半填半挖甚至挖方斷面，在路基工程實施過程中發現有多年凍土發育，導致工程方案變更。依據JTG/T D31-04—2012《多年凍土地區公路設計與施工技術細則》[7]46-76，路線在通過該類多年凍土路段時宜在融凍坡積層緩坡上部或高臺地上通過，不宜沿融區附近的多年凍土邊緣地帶布線。根據當地實際情況，研究區地形條件不存在可供展線的高臺地，但研究區位于一條主溝道上游，溝道匯水量小，由于多年凍土病害處置難度高，工程代價大，經濟合理的方案應該擠壓河道填方通過，不擾動既有發育多年凍土的天然斜坡，此類地形地貌及工程地質條件在西昆侖高山深谷區廣泛發育，可作為有效借鑒。

5 結語

基于對研究區地形地質條件認識和工程實踐總結，提出西昆侖高寒高海拔山區隧道及其引線的工程地質選線方法，并應用于工程實踐。

(1)隧道作為山區公路的控制性工程，制約著路線總體方案的制定，隧道規模、進出口標高直接影響隧道前后引線展線條件的優劣，路線總體設計應平衡各種因素。

(2)隧道選址區的選擇在服從路線總體走向的前提下，應建立在對研究區大范圍的地質調繪基礎上，隧道選址工程地質條件的優劣決定了工程投資和難易程度。西昆侖高寒高海拔山區隧道選址，尤其需要重視寒凍風化形成的坡面溜塌和多年凍土對隧道結構及仰坡穩定性的影響。

(3)西昆侖高寒高海拔山區工程地質選線不能忽視的特殊性巖土為多年凍土，路線總體方案的制定必須建立在凍土分布和特征調查基礎上。挖方路基或半填半挖路基為多年凍土區道路選線的“大忌”，路線盡量選擇沿高位基巖分布區域通過或設置臨河高路堤通過，切忌削坡腳、剝山皮。