分析公路隧洞环保设计观念创新

高速公路的建设和发展是促进经济和人民生活水平提高的基本条件。当前是我国高速公路建设的高峰期，在加速公路建设的同时，环境保护问题是一个不可忽视的问题。公路建设对环境的影响涉及社会环境、生态环境、水环境、大气环境、声环境等方面。公路隧道的建设投资巨大，使用期长，是高速公路项目中重要的构造物，隧道的建设是百年大计，因此其对环境的影响必须加以重视，综合考虑。湖北沪蓉西高速公路象鼻山隧道受山区高速公路线位限制，所处地形极其陡峭，地质条件很差，按传统的大挖大填会严重的破坏生态环境和自然景观，并易导致坍塌、滚石、滑坡、高边坡失稳等灾害。故该隧道在勘察设计中引入环保理念，充分考虑了环境保护问题，从方案拟定、洞口及结构设计、施工工序设计、支护设计、弃渣设计、防排水设计等方面着手研究，最大限度地减小对环境的影响，取得很好的效果，为今后公路隧道的环保设计提供了宝贵的经验。
1公路隧道建设中主要的环境影响问题
1．1对生态环境影响
1．1．1隧道洞口的环境影响
隧道洞口施工的传统方法一般是洞口边仰坡开挖、防护，达到一定的进洞条件后再进洞施工，这对洞口环境的破坏是非常严重的，而且需要作庞大的边坡防护工程。因为一般情况下，隧道洞口所处的地质条件较差，岩石破碎、松散、风化严重、风化层深等，所以一般洞口边坡较缓，需要开挖大量土石方。大规模的开挖进洞还会破坏山体原有的平衡状态，极易产生坍塌、顺层滑动、古滑坡复活等现象。同时增加了隧道征地规模和拆迁数量，对隧址区的自然环境造成极大破坏。同时隧道洞门结构是隧道唯一的外露部分，是展现在人们面前的最为突出部位，按照“整体协调性和自然性原则”，公路隧道洞门设计不应强调人工化，应与周围环境协调。隧道洞门形式不提倡宏大、雄伟、醒目，应提倡简洁、隐蔽、淡化洞口处理，营造"悄悄"进洞氛围，使车辆自然驶入隧道［1］。但是由于技术上、观念上的误区，很多隧道在洞口建设上都是大兴土木，留下了各式各样非常壮观的洞门结构，这种洞门与其周围的环境极不协调，严重破坏自然和谐。
1．1．2隧道弃渣的环境影响
隧道建设必然产生相应的弃渣，建设弃渣不良弃置会造成植被破坏、环境污染、水土流失等一系列问题，其主要危害如下:
①所占土地原有绿色植被受到破坏，自然景观受到影响;
②山区陡峻沟谷内的弃渣极易引起泥石流灾害;
③山坡坡地的大量弃渣易触发局部滑坡;
④河道中随意弃渣会造成河道行洪断面不足、堵塞，容易发生洪灾;
⑤弃渣不断的流失会危害农田、抬高河床、妨碍道路交通等［2］。
1．2对水环境影响
公路隧道建设对水环境的破坏主要表现在2个方面:①隧道区地下水系的破坏;②施工运营过程中产生的污水。现行常规做法是将这些污水收集到路侧边沟，或者引到中心排水沟，然后排到路基边沟中。如果隧道较短，洞口地区受污染的程度可能较小。如果隧道长达数公里，隧道内部的污水全部由洞口地区的自然环境来承担，这时的污染力就可能远远超过自然环境的承受能力，自然环境不仅不能将污水吸收处理掉，相反还会被污水污染［2］。
2象鼻山隧道工程概述
湖北沪蓉西高速公路象鼻山隧道位于恩施土家族苗族自治州巴东县野三关镇平坦村、三叉河北岸，属野鸡包侵蚀溶蚀峰丛“V”型谷地貌。象鼻山隧道中部为陡岩体，岩层几乎水平并略倾向于隧道一侧，风化裂隙发育。岩体上方发育两条沿路线方向卸荷裂隙，倾向340～350°，倾角80～85°，在地表作用下形成宽10～100cm的溶蚀裂隙或溶洞，表层岩石受切割后在自重作用下易与母岩分离，在工程扰动下易导致崩塌和滑坡。进出口两端表层为坡积碎石土层，厚度约0．5～3m，基层为强～弱风化含燧石结核灰岩。象鼻山隧道设计为两车道的高速公路单洞隧道，与桥梁同宽(见图1，图2)。隧道起讫桩号为Zk113+310～Zk113+342，全长32m。建筑限界净宽11．25m，净高5．0m，采用三心圆曲墙式衬砌，净空面积74.01m2。地下水主要为基岩裂隙水，接受大气降水补给，水量微弱。右侧河床第四系堆积层中含孔隙潜水，水量不大。
3象鼻山隧道设计中的环保措施
3．1方案比选
湖北沪蓉西高速公路象鼻山隧道在选线后主要进行了高边坡方案和隧道方案的比选，高边坡路基方案相比隧道方案工程造价要低很多，但高边坡路基方案会导致以下几个问题:①整个山体坡脚将要全部挖除，土石方开挖量很大、弃方量很大;②会造成高边坡，边坡防护工程巨大，并存在运营安全隐患;③对山体的扰动和破坏很大，易产生坍塌、滚石、滑坡等灾害;④对生态环境和自然景观破坏严重。本着“不破坏是最大的保护”的理念，同时按照“整体协调性和自然性”原则［1］，最终选择了隧道方案，因为隧道方案可以降低公路建设对原始地形地貌的自然性和稳定性的影响，较好的保持自然景观的完整性，与周围环境协调，最大限度地减小对原生态环境的破坏，也避免了运营安全隐患。
3．2洞口及结构设计
在确定隧道方案后，如按照隧道洞口施工的传统方法:先进行洞口边仰坡开挖、防护，达到一定的进洞条件后再进洞施工，这对洞口环境的破坏是非常严重的，而且需要作庞大的边坡防护工程。大规模的开挖进洞还会破坏山体原有的平衡状态，对隧址区的自然环境造成极大破坏。目前隧道行业较为先进的国家已经摒弃了传统进洞方法而采取被称为“绿色洞口”的前置式洞口工法进行隧道洞口施工，即不切坡进洞，而是在洞外不开挖山脚土体的情况下，采用开槽施工的方法先修建明洞，然后采用在明洞内暗洞施工，采用震动破碎或小型爆破进洞。这样可从真正意义上实现“早进洞、晚出洞”的原则，保全洞口山坡及原生植被，减小洞口仰坡防护工程，是保证仰坡稳定较为理想的方法［3］。象鼻山隧道根据地形条件，以“早进洞，晚出洞”为原则确定洞口位置。该隧道进、出口地形偏压严重，边坡极其陡峭，几乎为直立状，为尽量不破坏原有地形地貌，同时保证施工运营安全，隧道在洞口段均紧贴边坡面设置护拱，隧道开挖在护拱保护下进行。由于隧道跨度较大，净空较高，为了保证边仰坡在施工与使用期间的稳定，使隧道建成后尽量恢复洞口自然景观，设计时在洞口设置了一段棚洞。隧道洞口设置超前大管棚，以保证隧道开挖的稳定与安全。隧道边、仰坡都较陡峭，为保证洞口段开挖时边坡稳定及开挖暗洞时原自然坡面稳定，在边坡面上及原自然坡面清表后根据需要采用10m长的25预应力锚杆进行防护。从而确保了隧道进洞的安全，也最大限度的保护了洞口生态环境(见图3)。
同时象鼻山隧道洞口段无论在施工期间还是使用期间均注意做好对地表水体的处理。设计要求先期施作河道的改移、加固和防护等，然后进行洞口段的开挖。在开挖过程中要求处理好施工用水与降雨的排放，防止其软化边坡坡脚的土体。
3．3施工工序设计
象鼻山隧道全线沿着陡坡坡脚，整个设计分为洞口护拱段和洞身挡墙暗挖段。整个隧道施工都是在护拱或挡墙的保护下进行了，尽可能减少了对山体的开挖，保证了施工安全，也避免了高边坡。护拱段施工时采用上下台阶法施工(见图4)，施工主要步骤:①沿刷坡线开挖外侧土体;②清除坡脚表面浮土及全、强风化岩，再浇筑C15片石砼基础;③清除全、强风化岩边坡，再喷锚支护;④护拱底板及护拱浇筑;⑤上台阶开挖;⑥主洞上半部初期支护;⑦下台阶开挖;⑧主洞下半部初期支护;⑨施作主洞边墙基础;⑩施作二次衬砌。施工时严格控制炸破用炸药用量，采用小药量、多爆次、短进尺开挖，以减小振动影响。洞身挡墙暗挖段采用双侧壁导坑法开挖，先期贯通左(内侧)导洞，再进行右(外侧)导洞开挖;双侧壁导坑施工完成后，拱部采用环形导坑分步开挖，只有在拱部初期支护钢支撑完全闭合后，才能拆除侧壁导坑的内支撑，最后进行核心开挖，及时封闭仰拱，加强监测，保证施工安全。施工主要步骤(见图5):①施做右侧挡墙;②左侧导坑开挖;③左侧初期支护;④右侧导坑开挖;⑤拱部及核心土第一次开挖;⑥拱部初期支护;⑦核心土第二次开挖;⑧浇注两侧二次衬砌混凝土基础;⑨施作拱墙部二次衬砌。施工开挖总体上要求拱部采用光面爆破，边墙部采用预裂爆破，以最大限度地保护周边岩体的完整性，减小振动。
3．4支护设计
象鼻山隧道全线地质较差，岩体极其破碎，初期支护使用普通的单层锚杆稳定加固岩体效果不明显，故经过研究计算，象鼻山隧道初期支护采用了交叉D25中空预应力注浆锚杆(见图6)，在实际应用中取得了良好的效果。
3．5弃渣环保设计
象鼻山隧道开挖的洞渣尽量纵向调配，优质石渣可经过加工后作为砌体材料和混凝土粗集料，或用于路基填筑。对于必须弃方的石渣必须运至全线统一的弃渣场地内，不得随意堆放。弃渣场地应根据地形、地貌，合理规划，并作好坡脚防护，设计专门的防护挡墙以确保稳定防止水土流失，工程完工后应在渣顶覆土，复耕还田或植草绿化。
3．6防排水环保设计
象鼻山隧道排水按照地下水与地面水分开引排的原则进行设计。地下水为清洁水，直接排放不会对环境造成影响，故隧道开挖后，根据各级围岩地下水的发育状况，在岩面环向布设Ω型弹簧排水管;在初期支护与防水层之间每间隔10m设置一处HC—3．5半圆软式透水管(环向)，通过横向引水管，将水引入路面下方Φ10cm排水盲管排出隧道外，并可直接作为生产生活用水。同时在路面平整层下设置MF7横向盲沟以排除隧道底部渗水，横向盲沟与路面下两侧的Φ10cm盲沟连通。而清洗路面结构所产生的水为污水则由路面外侧设置的Φ10cm排水管排除隧道外，并每6m设置一处地漏将隧道清洗污水进行沉淀处理，以免对隧道外环境造成污染，危及农业及居民的用水安全。
4结语
21世纪是地下空间大开发的世纪，更是可持续发展的世纪，而隧道建设又是地下工程的重要部分，对于可持续发展来说，环境保护至关重要。在公路隧道建设中，我们必须结合隧道工程本身的特点采取相应的对策，保护好自然环境，使工程建设与环境保护同时进行，以免后患。
湖北沪蓉西高速公路象鼻山隧道现已顺利贯通，其勘察设计中的环保理念和措施取得了很好的效果。可以为今后公路隧道设计所借鉴的经验主要有以下几点:
①方案拟定上要引入环保理念，应尽可能减小对生态环境和自然景观的破坏，避免大挖大填和高边坡。
②当地形偏压严重，边坡极其陡峭时，隧道洞口段可紧贴边坡面设置护拱，隧道在护拱保护下进洞。这样可从真正意义上实现极陡地形下隧道洞口“早进洞、晚出洞、零开挖”的原则，减少了对洞口山坡及原生植被的破坏，减小了洞口边仰坡防护工程，较好的保证了边仰坡稳定。
③当隧道全线沿着陡坡坡脚，可根据地形沿整个隧道纵向设置护拱或挡墙，使隧道施工都在护拱或挡墙的保护下进行，这样既能够减少对山体的开挖，又能够保证施工安全，也避免了高边坡所带来的运营安全隐患。
④隧道围岩岩体极其破碎段，初期支护采用交叉预应力注浆锚杆加固效果良好。