山区复杂地形涵洞勘测与设计

山区复杂地形涵洞勘测与设计

王晓宁

中交铁道设计研究总院有限公司北京100088

摘要：山区涵洞是山区铁路排水的重要组成部分，是沟通路基两侧水流，宣泄山区雨水的主要构造物。涵洞具有造价低，设计、施工相对简单的特点。就单体而言,涵洞工程数量及投资相对桥梁较小,但对整条铁路建设项目来说，尤其是山区铁路，沿线水文、地质、地形情况较复杂，导致涵洞数量较多。涵洞布置数量较多时，其工程量占整个工程的比重就比较大。在实际工作中经常出现由于设计重视不够，涵洞在施工时经常出现修改、变更，影响了施工进度，影响了设计单位的声誉，也给铁路运营留下了不少的隐患。因此，涵洞位置及形式选择是否合理，是否能满足排灌要求，对保证铁路路基稳定及节省工程投资起着重要的作用。

关键词：山区涵洞；地形复杂；勘测设计

本文结合部分铁路项目的勘测设计经验，抛砖引玉，其目的是让大家重视并做好山区涵洞的勘测与设计工作。

1、山区涵洞类型的选择

目前山区涵洞主要采用框架涵和盖板涵两种类型：

1.1、钢筋混凝土框架涵：

该类型涵洞圬工量小，体量轻，低填土时，框架涵整体性好，该涵洞对地基承载力的要求较低，在软土地基或地势平缓、路堤填土不高地区使用，较为适合。由于框架涵为钢筋混凝土结构，边墙、顶底板较薄，在土石山区，当泥石流通过框架涵洞时，对涵节磨损剧烈，钢筋易于裸露，且由于顶底板较薄，涵节错节布置受限，不适用于坡度较陡的山区。

1.2、钢筋混凝土盖板涵：

盖板涵是山区铁路使用最广泛的一种形式，具有地形适应性好，构造形式灵活，水利消减效果好，施工快速等优点。盖板涵圬工量大，施工条件要求简单，底板可以满足较大的纵坡，在山区新建铁路时，适应范围很广，当通过调整盖板的类型，填土高可以达到40m。盖板涵采用整体式刚性基础，通过调整涵节的布置，错节、逐段平置，涵洞纵坡可以很大。涵洞盖板可以预制，施工工期短。适用于地形陡峭的山区。

2、山区涵洞设计常见的几种复杂地形

山区涵洞的主要作用是排水（立交涵除外），如果起不到排水作用，无论它自身质量多好，外观多漂亮，都不能算是好的设计。山区地形复杂、山势险峻，坡陡沟深、沟壑多变。以某铁路施工图为例，常见的山区涵洞地形有以下几种情况：

2.1、冲沟，一般位于隧道之间或路堑与路堤分界处，特点是沟深，沟形明显，多为“S”形。见图一。

图二

2.3、沟尾，距离山脚较近，线位一般位于半坡处，特点是沟宽，流量大，上游坡度陡，下游坡度较缓。见图三。

图四

3、山区复杂地形条件下涵洞位置的确定

山区涵洞位置确定的是否合理是保证水流顺畅的关键。山区外业勘测时，涵洞位置的确定应注意以下几点：

3.1、涵洞位置确定的主要任务是确定涵洞的中心里程及斜交角度。涵洞位置的布设应与线路平面、纵断面及路基排水系统结合考虑，山区涵洞位置的确定应根据路基断面、站场断面及线路资料草算涵长（带帽子），在1/2000平面上放图定位，以便确定涵洞出入口位置和角度，以及保证外业测量的涵轴断面长度满足设计要求。如果只根据调查资料确定，有可能由于通视条件限制，难以全面了解地形，继而难以合理定出涵位。

3.2、当路基填土较高，且涵位处于沟形弯曲的地形时，涵洞中心里程不一定是线路与沟心的交点，涵洞斜交角度也不一定是线路附近的沟心与线路的交角。而应根据草算涵长确定的进出口位置及沟形的弯曲程度综合确定。

举例：某铁路肋板涵，涵洞位于某车站内，根据涵长确定涵洞右角126.5°，涵洞进出口位置较为合理。若是按实际沟心和线位处角度确定涵位，则下游出口处位于山坡，造成开挖和防护工程量增大，出水不顺畅的弊端。见图五。

图五

3.3、对于线位上下游冲沟分叉，或线位处沟弯曲程度较大，涵轴若沿沟心设置进出口受地形地物限制时，可考虑涵轴不沿沟心设置，将涵位移到较缓沟岸，涵洞入口采取设置导流建筑物、护坡等，出口采取加大铺砌，增加防护等措施改沟拦水。

举例：某铁路肋板涵，线位位于上游主沟与支沟分叉交汇处，涵位布置时，将涵位移至大里程山坡处，入口偏向主沟方向，并在支沟处沿路基设置导流堤，出口外局部顺沟。见图六。

图六

3.4、山区涵洞设置一般情况下一沟一涵，但在地势起伏较大，冲沟密集的“鸡爪地形”，汇水面积较小，流量不大，此时并不一定要逢沟设涵，可利用线路的截水沟、边沟、排水沟等将相邻几条冲沟的水导向同一方向，并在最低处设置涵洞。

举例：某铁路涵洞，此处线位跨域4条冲沟，但此处汇水面积不大，每条冲沟流量均为1m3/s左右，若逢沟设涵，则不到200m线路长度范围内需设置4座排洪涵，形成涵洞群。由于此处流量不大，取消中间2座涵洞，只保留大小里程2座涵洞，并与线路专业协商后，采用通过线路排水沟将中间两沟的水分别引向大、小里程的涵洞处。见图七。

图八

4、山区陡坡及大长涵洞的设计

山区排洪涵洞的孔径，除应根据流量确定外，还应根据河沟断面、河床地质、河道纵坡等因素综合考虑。对于流量不大，但断面较宽，或坡度较陡，流速较大的冲沟，应适当加大孔径。对于路基填土高度不足或涵前积水较深，应选用较大孔径或设置双孔涵洞。

4.1、陡坡涵洞设置坡度不宜超过30%，如沟床实际地面坡度大于30%时，可加大入口端洞身埋置深度，上游采用沟槽铺砌并顺沟处理。为减少上游顺沟及刷坡工程，根据实际情况可在上游设置跌水、急流槽、缓流井、竖井等消能建筑物。急流槽的作用是将落差大的水流从上游引至涵洞或将出水口水流引至下游河道。缓流井又称跌水井，作用是短距离消减水流过大的动能，减轻对涵洞的冲刷，并把入口较宽的河槽与较窄的涵洞入口衔接起来。某铁路肋板涵，位于车站内，填土较高，涵洞坡度较陡，涵长较长，为减少入口处顺沟工程，避免大刷坡影响上游房屋，在入口处设置急流槽及缓流井。见图九。

图九

由于缓流井设置高度有限，对于入口处埋深较大，流量较小的涵洞工点，可将缓流井替换为竖井，以减少入口处挖方及顺沟工程。

4.2、陡坡涵洞涵节间一般采用错台布置，为方便涵节布置，每节涵节不宜过长，盖板和基础均可采用最小尺寸，一般盖板1m一节，基础2m一节。

错台高度应满足规范要求，同时在错台处架设接头墙，还要注意做好沉降缝、防水层的处理。为使边墙底截面保持一致，错台处基础需加厚，对于有立交要求的涵洞基顶应抹成斜坡。图十。

4.3、近几年山区排洪涵洞排水出路问题不断引起重视，有的项目由于设计时未考虑涵洞排水出路问题，给施工时带来极大不便。因此在山区排洪涵设计时，应充分考虑下游排水出路问题。对于涵洞出口处无明显沟形、涵洞下游是农田或公路等建筑物，涵洞出口外可采用沟槽铺砌并顺沟至农田或公路等建筑物以外。

图十

5、设计中遇到的问题及改进意见

5.1、涵洞的位置问题

某铁路施工图设计中，个别少数山区涵洞遇到涵位和角度不合理的问题，有的涵洞入口或出口撞山，导致无法起到排洪作用，或出入口外顺沟、刷坡工程量巨大等问题，个别涵洞需重新补测涵轴断面。山区外业勘测期间，涵位的确定一定要根据上序资料“带帽子”，在平面图上放出涵位，确定角度、出入口位置是否合适。若上序资料不稳定，或对复杂地形涵位不确定时，可在涵位附近测绘1:500地形，以便设计时如需变化涵位，可在1:500地形图中点绘涵轴。对于设桥设涵不确定的工点，勘测时应同时实测桥址与涵轴。

5.2、陡坡涵洞地质资料问题

对于高填土、站内的陡坡涵洞，往往涵长较长，上下游流水面高差大。某铁路涵洞有的涵长达到上百米，出入口流水面高差近20m。而涵洞地质资料只有一个钻孔，或有两个钻孔的，没有地质纵断面，对于山区超长陡坡涵洞往往上下游地质变化较大，地质资料不能满足设计要求。此类问题，在勘测期间，对于山区陡坡涵洞应将涵轴断面提供地质专业，要求地质专业填绘地质，对于超长的陡坡涵洞应提醒地质专业增加钻探，设计时除了提供地质柱状图外还应提供涵轴的地质横断面图。

5.3、陡坡涵洞地基处理问题

陡坡涵洞上游有消能建筑物且坡度较陡，在地基处理时应避免采用深换填的方式，否则挖基和换填深度过深，会造成上游开挖工程太大。某铁路施工图设计过程中发现个别涵洞存在高填土设缓坡，但上游接急流槽和竖井，涵身基础下换填较深的情况，应加大涵节纵坡，减少上游消能建筑物的开挖工程，基底以下采用打桩处理。

5.4、挡墙地段涵洞问题

山区铁路，为减少路基填方、不占压河道或公路，往往需设置路基挡墙。而挡墙地段涵洞出入口与路基挡墙衔接问题，往往成了设计时的制约因素。目前铁路路基常用的挡墙形式除常见的重力式挡墙外，还有桩板式挡墙、扶壁式挡墙等。据了解，重力式挡墙的开孔自由性相对较大，受涵洞角度及孔径的限制较小，桩板式挡墙桩间距一般为3~6m，受桩间距控制，无法跨越大孔径及斜交角度大的涵洞，扶壁式挡土墙一般不好开孔，某铁路施工图设计的处理方式是在涵洞处断开挡墙。

而很多项目设计时，相关专业为了规避风险，不同意在涵洞处将挡墙开孔，只同意将挡墙在涵洞处断开，涵洞板顶以上填土让我专业负责设计挡土措施。遇到此种情况时，应通知项目总体，由总体协商解决，必要时可申请院总召开技术质量会议，专题探讨。对于挡土墙地段的涵洞，还应注意提醒相关专业涵洞基础开挖对挡土墙基础的影响，施工前提醒施工单位应现场核对涵洞与挡土墙相对位置关系，明确施工顺序。

结语：涵洞设计质量的好坏对整条铁路建设项目有着重大的意义，而涵洞勘测资料质量直接影响设计质量，外业期间水文组长要有涵洞布置及设计的基本理念，要以减小设计时的负担和返工率为出发点。在选线和确定涵洞位置时不能只是简单拟个角度布个断面，尤其山区涵洞。切忌只重视桥梁，而忽视涵洞。每个施工项目中，往往涵洞的设计变更率要高于桥梁，山区涵洞的复杂性一点不比梁式桥小。通过交流学习，旨在引起广大设计者重视，从而不断完善涵洞总体设计理念和认识。

参考文献：

[1]TB10002-2017铁路桥涵设计规范[S].

[2]TB10093-2017铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[3]铁路工程设计技术手册-桥渡水文[S].