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摘 要： 摘要:雪崩是高原高寒地區(qū)工程建設(shè)的主要自然地質(zhì)災(zāi)害之一，也是影響鐵路隧道工程建設(shè)和運營的重要因素之一。為了制定合理的雪崩防治方案，通過對隧址區(qū)域自然地理條件現(xiàn)場進行調(diào)查分析，確定隧道兩端洞門上方潛在的雪崩發(fā)生區(qū)域。采用tan參數(shù)作圖法對雪崩擴
摘要:雪崩是高原高寒地區(qū)工程建設(shè)的主要自然地質(zhì)災(zāi)害之一，也是影響鐵路隧道工程建設(shè)和運營的重要因素之一。為了制定合理的雪崩防治方案，通過對隧址區(qū)域自然地理條件現(xiàn)場進行調(diào)查分析，確定隧道兩端洞門上方潛在的雪崩發(fā)生區(qū)域。采用tanα參數(shù)作圖法對雪崩擴散距離及雪崩對洞門的沖擊力進計算分析，提出在主隧道進口設(shè)置25m明洞、洞門頂部設(shè)置導(dǎo)雪墻、出口設(shè)置5m明洞、安全隧道進口設(shè)置15m明洞的雪崩防治方案。方案能有效防止雪崩災(zāi)害對鐵路隧道的威脅，保證鐵路隧道冬季運營安全。
關(guān)鍵詞:高寒地區(qū);鐵路隧道;雪崩;擴散距離;tanα參數(shù)作圖法;防治方案
0引言
隨著我國經(jīng)濟建設(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，對鐵路工程建設(shè)的影響越來越大。藏東南鐵路線路(川藏線、滇藏線)通過相對高差達1000～3000m的南北向排列的高山峽谷，位于極強的雪崩區(qū)，雪害主要是雪崩。雪害的形成機制、類型特征及時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)測性、運動速度快和沖擊力大等特點，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，使社會經(jīng)濟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2165km，其中，有雪害路段為1100km，約占全線的51%，雪崩地點有幾十處，雪害平均每年阻斷行車時間長達3個月以上。近年來，一些學(xué)者對鐵路、公路沿線的雪崩災(zāi)害進行了研究，為鐵路、公路選線以及雪崩防治提供依據(jù)。
文獻[3]介紹了3條進藏鐵路的主要雪崩災(zāi)害，通過理論計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價雪崩發(fā)生的危險度。文獻[4]根據(jù)實地調(diào)查、觀測和對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坡，永久性建筑物或設(shè)施要盡量避開溝槽雪崩運動區(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[6]結(jié)合某國際鐵路的地質(zhì)選線，介紹了雪害的基本類型及選線原則;陳秀義[7]闡述了不同雪害類型、各種雪害發(fā)生機制，提出了風(fēng)吹雪多發(fā)區(qū)路堤和路塹的設(shè)計原則。李立軍等[8]分析研究了精伊鐵路風(fēng)吹雪的特征、類型、影響因素、發(fā)生機制和規(guī)模以及發(fā)生規(guī)律等，計算了最大積雪深度、最大風(fēng)速，并結(jié)合實際工程設(shè)計提出防治風(fēng)吹雪災(zāi)害的工程措施。
蔡強[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題。目前，對高原高寒雪崩災(zāi)害區(qū)公路路基沿線的雪崩災(zāi)害研究較為系統(tǒng)，但對鐵路隧道雪崩災(zāi)害評估及防治的研究較少。烏茲別克斯坦安琶鐵路Qamchiq隧道是“命題作文”式的工程項目，隧道選線時未考慮對雪崩災(zāi)害的繞避。為保障隧道施工和運營安全，需開展雪崩災(zāi)害防治研究。本文依托此隧道，通過分析調(diào)查隧址區(qū)氣候地理條件確定隧道洞門上方區(qū)域雪崩發(fā)生段落，采用圖解法分析雪崩擴散的距離，通過計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工程簡介
烏茲別克斯坦安革連(Angren)—琶布(Pop)單線電氣化鐵路(簡稱安琶鐵路)全長122.7km，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，長度為19.2km的Qamchiq單線隧道是安琶鐵路控制性工程，為“中亞地區(qū)第一長隧”。Qamchiq隧道位于烏茲別克斯坦聯(lián)邦共和國納曼干省巴比斯科區(qū)域內(nèi)，隧道進口端位于塔什干州安格連境內(nèi)，距離A373公路約5km;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29m。
主隧道進口里程為MK39+135，出口里程為MK58+360，隧道全長19.225km;安全隧道進口洞門里程為SK00+000，出口洞門里程為SK19+273，隧道總長19.273km，隧道最大埋深約1260m。
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動時形成，此后，阿爾卑斯造山運動時期對其進一步影響。在地質(zhì)構(gòu)造運動過程中，形成巨大的背斜并發(fā)生強烈的位移，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，有時覆蓋住海西造山運動時形成的褶皺結(jié)構(gòu)，阿爾卑斯地質(zhì)構(gòu)造活動致使此區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造更為復(fù)雜。
隧道區(qū)域?qū)儆趲炖妆承睎|南部區(qū)域、西北部及軸線區(qū)域，背斜軸線與庫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)花崗閃長巖、花崗巖、正長斑巖、正長-花崗正長巖、花崗斑巖、正長閃長巖、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，主要有隧道進口的庫伊尼德河流、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)育段對洞身地下水有入滲補給作用。地下水類型主要有:基巖裂隙水、斷層構(gòu)造水、第四系松散巖類孔隙水等。
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，雪崩危險的特性和等級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Qamchiq隧道位于西部天山山脈的庫拉米山脈中部，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、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、花崗閃長巖，全—弱風(fēng)化，較破碎—破碎。進口側(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個半月至4個半月，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到22.0℃。冬季平均氣溫為-5.4℃，最高氣溫為10.8℃，絕對最低氣溫為-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克河流域，其地理狀況極大地制約了該地區(qū)的降水分布。2700～3300m高的庫拉米山脈阻斷了濕潤氣團對西北—東南走向的恰達克河谷的影響，該地區(qū)各個部分年度降水為80～1300mm。隧道區(qū)域降水量隨著高度增加，從低地的500mm到中高地帶(水平面2070m以上)的1000mm。
在最濕潤地帶(水平面2500～2700m以上)降水在1100～1300mm，最大降水出現(xiàn)在1969年，降水量達到1554mm。隧道區(qū)域冬季出現(xiàn)了2個最大降水周期:第1個(主要的)在3—4月(占年度降水的25%);第2個在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，很少因為新降雪導(dǎo)致，一般情況下，降雪量從10mm到40mm。
2.4風(fēng)況
山區(qū)風(fēng)力活動是形成雪崩的原因之一。隧道進口地區(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)在運動中會從山坡或者山脈逆風(fēng)方向帶起部分積雪。越過山脊的風(fēng)速會降低，形成強烈的渦流，渦流帶走的雪會降落在順風(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5～15m/s，最大陣風(fēng)風(fēng)速可達30m/s，在順風(fēng)的山坡上形成了吹雪和高2.5～3.5m的飛檐，而逆風(fēng)的山坡上積雪幾乎全部被吹走。
2.5積雪
隧道進口地區(qū)1970—2010年(40年)以及隧道出口地1976—2010年(34年)的積雪觀測值。隧道進口地區(qū)山坡穩(wěn)定積雪形成于11月底，次年3月初積雪量達到最大并于4月初積雪開融，雪崩危險期可能持續(xù)100d;隧道出口地區(qū)山坡穩(wěn)定積雪形成于12月初，次年2月底積雪量達到最大并于3月中旬積雪開始融化，雪崩危險期持續(xù)時間達90d。總體來說，隧道附近地區(qū)的積雪強度足以形成雪崩。
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、物理機械因素等。典型的雪崩通常由集雪區(qū)、運動區(qū)和堆積區(qū)3個部分組成。這些區(qū)域之間的界限明顯，并且具有相對性。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。運動區(qū)也稱為活動區(qū)，其主要特征是:縱斷面平直，少彎曲，多波折，橫斷面呈“U”字形，底部寬闊平坦，運動路線上少見植被。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)定性會被破壞，形成雪崩。在更陡峭的山坡上，雪不容易沉積，相對不容易形成大量的積雪。因此，最具雪崩危險性的斜坡坡度為25°～50°。
任何一個區(qū)域如果可能發(fā)生雪崩危險最關(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)段都沒有形成雪崩。Qamchiq隧道進口和出口雪崩多發(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采等因素。
3.1隧道進口
隧道入口附近的山坡坡度為25°～50°。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100～600m。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，少量的樹林和低矮的灌木。在隧道進口現(xiàn)場勘探時，發(fā)現(xiàn)4個雪崩集雪區(qū)，雪崩可能到達隧道入口。
3.2隧道出口
鐵路隧道所在的恰達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大的侵蝕溝，可沉積大量的積雪。此類型雪崩大多發(fā)生在很平緩的區(qū)域，雪崩移動軌跡表現(xiàn)為沿侵蝕溝滑動。現(xiàn)場調(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)，雪崩可能擴散至主隧道隧道口附近的區(qū)域。雪崩集雪區(qū)高程為1600m，平均坡度為25°，坡向南東。
4結(jié)論與建議
1)通過對隧道進口和出口區(qū)域氣象特征進行調(diào)查與分析，可知隧址區(qū)具有雪崩發(fā)生的自然條件。2)通過現(xiàn)場勘查得知，隧道進口區(qū)域存在4個潛在雪崩集雪區(qū)，隧道出口存在1個潛在雪崩集雪區(qū)。3)采用tanα參數(shù)作圖法對雪崩擴散距離進行計算表明，隧道進口1號、2號、3號、4號雪崩的擴散距離分別為20、12、27、14m;隧道出口1號雪崩擴散距離為4m。計算結(jié)果表明隧道進出口雪崩規(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)通過計算雪崩對隧道洞門頂部沖擊力可知，隧道進口1號、2號、3號、4號雪崩沖擊力分別為9.3、5.3、11.2、5.8kPa;隧道出口1號雪崩沖擊力為2.6kPa。5)通過計算隧道進出口雪崩規(guī)模、擴散距離以及沖擊力，采用在隧道進口主隧道設(shè)置25m明洞、安全隧道設(shè)置15m明洞、隧道出口主隧道設(shè)置5m明洞的防治措施;另外，在隧道進口洞門頂部設(shè)置2m高漿砌片石梯形導(dǎo)雪墻，對隧道兩端洞口雪崩災(zāi)害進行防治，取得了很好的效果。
6)對于規(guī)模較小的雪崩，隧道洞口防護措施建議采用防雪棚洞、防雪柵、導(dǎo)雪墻。對于規(guī)模較大的雪崩，如果是側(cè)面雪崩，建議在洞門上方設(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)置隧道明洞等防護措施。7)不同區(qū)域雪崩特點各異，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)在機制的復(fù)雜性，雪崩動力學(xué)機制尚不完善，雪崩動態(tài)模擬是未來重要的研究方向。
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相關(guān)刊物推薦：《地理科學(xué)進展》(月刊)創(chuàng)刊于1982年，是由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所主辦、科學(xué)出版社出版的綜合性學(xué)術(shù)刊物。獲獎情況：全國中文核心期刊。
