中條山特長隧道工程設計

侯豪斌

（1.山西省交通科學研究院，山西 太原 030006；2.鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001）

1 概述

山西運城市解州至陌南（黃河橋頭）公路是山西省高速公路網“三縱十二橫十二環十五條連接線高速公路網”[1]的重要組成部分，也是山西連通陜西、河南，以及南下兩湖、兩廣的重要戰略通道；中條山特長隧道進口位于運城市鹽湖區解州鎮王窯頭村東南，出口位于芮城縣陌南鎮石坡村，呈南北走向穿越中條山段，隧道全長9 671 m（左線9 670.942 m），最大埋深681.13 m；于2010年開工建設，2014年隧道貫通。

山西運城市解州至陌南（黃河橋頭）公路采用雙向四車道高速公路標準建設，設計速度80 km/h，路基寬度24.5 m，中條山特長隧道采用三心圓內輪廓斷面，復合式襯砌結構形式，交通工程設施按A級設計，公路隧道工程和一般的公路工程、橋梁工程相比，有其自身的特點,建設管理較為復雜，難度更大[2]。設計中借鑒了國內外長大隧道的建設經驗，本著“以人為本、技術先進、安全可靠、經濟環保”的理念進行了多方案、多角度的研究、優化，為山西省隧道建設提供了技術參考。

2 工程地質

中條山隧道起點位于中條山北麓，為山麓相洪積扇，地形較為平緩，海拔360～400 m；終點位于中條山南麓南鄰芮城盆地，為黃土臺地，為中更新統洪積層，海拔約800～400 m，為丘陵溝壑地形。隧道區地貌上為帶狀侵蝕—剝蝕大—中起伏中山區，最高

山峰海拔1 328.83 m，分水嶺海拔多在1 200 m以上，相對高差約800 m。根據地表工程地質調繪及鉆孔揭露：只在隧道的陌南出口有少量的第四系黃土；隧址區出露的地層北段主要為變質巖，南段為沉積巖，基巖裸露，主要以太古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖（Hgn），中元古界長城系、中元古界薊縣系、下古生界寒武系砂巖組成，隧道洞口有少量第四系黃土，隧道區屬于中條山西南段隆起帶，構造形跡主要表現為斷裂、簡單的背斜褶皺構造及伴隨次生構造，共發育4條較大斷層，施工中有發生巖爆、涌水、坍塌、大變形等風險，工程地質條件較差。

3 隧道設計

3.1 土建工程

3.1.1 建筑限界

圖1 隧道建筑限界及內輪廓設計圖

中條山特長隧道凈寬10.25 m，凈高5.0 m，采用三心圓內輪廓斷面（拱部R=543 cm）[3]，隧道建筑限界及內輪廓設計見圖1；緊急停車帶建筑限界凈寬為13.00 m，凈高5.0 m（拱部R=737 cm）。

3.1.2 襯砌結構

隧道洞身段襯砌按新奧法原理設計。初期支護以噴、錨、網為主要支護手段，噴混凝土采用濕噴工藝；Ⅳ～Ⅴ級圍巖及緊急停車帶路段增加鋼拱架或格柵鋼架支護，輔助措施為在Ⅳ～Ⅴ級圍巖及緊急停車帶段采用超前注漿小導管、超前管棚注漿預加固圍巖，Ⅴ級圍巖及Ⅳ～Ⅴ級圍巖緊急停車帶段二次襯砌采用C30鋼筋混凝土結構；Ⅲ級圍巖采用拱墻設局部錨桿，二次襯砌采用C30混凝土結構；設計參數詳見表1。

表1 隧道復合式襯砌支護設計參數表

3.1.3 隧道防排水

隧道防排水設計原則為以排水為主，防、排結合，綜合治理，形成完整的防、排水體系，使隧道防水可靠，排水通暢，保證初期支護無大股出水點，二次襯砌背后排水順暢，運營期間隧道內不滲、不漏，基本干燥，形成完整有效的防、排水系統[4]。隧道完成初期支護后，在初期支護表面全斷面鋪掛350 g/m2無紡布及1.2 mm厚EVA排水板；環向排水管采用φ100半圓管，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖段縱向分別按20 m、10 m、6 m、4 m間距設置1道；在隧道全段范圍沿墻腳設置縱向φ116HDPE雙壁半圓打孔波紋管；橫向排水管在Ⅲ級圍巖段采用φ116HDPE橫向雙壁波紋管，縱向間距30 m布設，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段按縱向間距10 m布設；縱向、橫向排水管采用三通管連通，以確保隧道排水系統的暢通；在隧道圍巖裂縫滲漏水集中處鋪設φ50軟式彈簧透水圓管，原則上在滲漏水較集中處鋪設，縱向間距按Ⅳ、Ⅴ級圍巖10 m、5 m設置。中心排水溝設置在仰拱以上，采用預制鋼筋混凝土結構，由于中條山隧道為1.883%的單坡排水，結合隧道涌水量預測，前段約4.5 km采用內徑φ50中心排水管，后段采用內徑φ40中心排水管；從而形成完善的、便于維修的防排水體系。

3.1.4 隧道路面結構

中條山隧道屬特長公路隧道，考慮到防災、救災及路面耐久性等因素，隧道洞身段采用水泥混凝土路面，面層厚26 cm，混凝土路面的抗彎拉強度不小于5 MPa，面層下設C20混凝土基層，仰拱采用C15片石混凝土填充。考慮到行車舒適、洞內外過渡自然，進出口段各300 m采用瀝青混凝土復合路面結構，上面層采用4 cm厚細粒式瀝青混凝土、下面層采用6 cm厚中粒式瀝青混凝土、下部為26 cm厚水泥混凝土板。隧道內車行橫洞及人行橫洞采用20 cm厚水泥混凝土路面。

3.1.5 附屬設施

a）檢修道設計 隧道內設雙側檢修道，設計檢修道高度45 cm，寬75 cm。

b）緊急停車帶與橫洞設計 考慮到地下風機房人員設備的交通、運輸以及管養人員的逃生，緊急停車帶以及橫洞根據地下風機房設置做了調整，并且在3處地下風機房增設了3處人行橫洞以利于管養人員逃生，中條山隧道共設置緊急停車帶12處，車行橫洞12處，人行橫洞16處。

c）隧道洞內裝飾不僅有利于節約長大隧道的洞內照明功率，而且有利于后期養護、運營[5]，內裝采用邊墻3.1 m高范圍內采用瓷磚裝飾，洞頂采用深色防火涂料裝飾。其中隧道內部裝飾墻面瓷磚顏色采用乳白色結合藍色條帶，其規格為（430×220）mm，厚度大于等于8 mm，共13道，并且要求采用亞光釉面瓷磚，砌筑時橫豎縫直通，用灰縫材料勾20 mm的橫縫與10 mm的豎縫。

3.1.6 隧道斜豎井

中條山隧道設2豎井1斜井供隧道運營通風（圖2），均采用地下風機房，地下風機房洞室群包含逃生通道、運輸通道、聯絡排風道、聯絡送風道、地下風機房、送排風口、排煙通道等，各洞室之間相互交叉、相互影響、且洞室之間的間距小，交叉洞室施工順序對開挖洞室影響等因素較多，是土建工程設計施工的難點。設計中利用有限元軟件對隧道地下風機房洞室群圍巖的穩定性進行了分析，通過分析各橫向通道與隧道、地下風機房交叉處，以及各橫向通道頂部圍巖出現了較大范圍的拉應力，拱頂的沉降值和拱底的隆起值較大；在橫向通道與地下風機房的交叉處，聯絡排風道與聯絡送風道的拱頂沉降值和拱底隆起值都比較大；設計中對支護結構和施工工序進行了優化。

圖2 斜豎井布置圖

3.2 隧道通風、照明及機電工程

3.2.1 供配電

中條山隧道解州和陌南兩側各設置1處隧道變電所，同時在隧道內設3處洞內變電所和3處軸流風機變電所。

3.2.2 通風

根據交通量、交通組成及隧道所處地形、氣象環境等因素，通過計算分析確定隧道右線YK8+140處設1號豎井，左線ZK9+480處設2號豎井，右線ZK11+750處設1號斜井（并設聯絡風道至左線用于火災排煙）；隧道左線采用兩段縱向通風方式，右線采用3段縱向通風方式，采用射流風機+斜、豎井軸流風機送排式通風，地下風機房。

3.2.3 照明設施

綜合考慮隧道內近遠期交通量，隧道內基本行車段亮度設為3.6坎德拉，采用高壓鈉燈作為隧道主洞照明光源。除常規的隧道照明設計，在中條山隧道內設計了有源誘導系統，采用LED誘導標間距15 m對稱布置在隧道行車方向兩側的檢修便道上。在隧道左右洞內各設置1處特殊燈光帶照明，采用76套90 W LED配光燈投光產生特殊的燈光效果。

3.2.4 消防救援

采用干、濕混合式消防，主要采用水成膜泡沫滅火裝置、消火栓結合干粉滅火器綜合消防，單向采用常高壓方式供水。隧道配置完善的消防設施、疏散逃生標志、防火門、防火卷簾門、電纜防火封堵、電伴熱保溫措施，同時在隧道兩側配置消防車等強力消防設施。

3.2.5 通信

通信系統主要包括光纖數字傳輸系統、業務電話指令電話和對講電話系統、隧道緊急電話系統、隧道有線廣播系統、路側緊急報警系統、會議電視系統、通信電源及接地系統等。采用40/33（外徑40 mm，內徑33 mm）硅芯管作為通信管道的主要材料。

3.2.6 監控

設有1處隧道監控所（芮城隧道監控所）、2處隧道救援站，采用“運城片區監控中心——隧道監控所/監控外場”的管理方式。監控系統由火災自動報警子系統、隧道通風控制子系統、隧道照明控制子系統、電力監控子系統、交通監控子系統、閉路電視監視子系統、緊急電話子系統、指令電話子系統、有線廣播子系統等9個子系統構成。

隧道監控運營方案為：隧道正常運行模式、隧道交通控制預案、隧道通風控制預案、隧道照明控制預案、隧道火災應急聯動控制預案。

3.2.7 交通安全設施

在遵循“以人為本、保障安全、利于管理”的基礎上，設置了完善的標志、標線、護欄、輪廓標等交通安全設施。

4 技術難點

中條山隧道設計過程中對隧道土建、通風、照明及機電工程等進行了多次論證、優化，并著重對以下幾個方面進行了深入研究。

a）中條山特長隧道屬超長隧道，路線縱坡為單坡，隧道施工及運營排水都極為不利，勘察過程中對隧道涌水進行了精心的預測，經隧道地質鉆探觀測，完成的鉆孔地下水位埋深為13～164 m，為準確判斷地下水涌水情況，分別在ZK8、ZK12進行專門的抽水試驗,并對地下水進行模擬計算，指導隧道設計和施工，同時根據涌水預測設計排水設施，中心排水管采用不同直徑方便施工、節省投資。

b）通風設計，設計中進行了多方案比較，最后集中在3豎井、1豎井+2斜井與2豎井+1斜井的比較上，最終通過通風效果、建設運營費用、施工難度、運營管理維護難度、防火救災控制等比較選擇了2豎井+1斜井的分段式縱向通風方案。特長隧道發生災害事故時，逃生、救援難度極大，設計中的排煙通道增加了火災分區，減短火災工況下排煙長度，為逃生、救援創造了有利條件。

c）中條山隧道地下風機房洞室群與主洞相互貫通，具有斷面多、跨度大、三維交錯、結構復雜、間距小、交叉頻繁等特點，屬于埋深大、受力復雜、結構脆弱的地下洞室群，如何保證施工與運營安全成為設計的難點。設計中通過工程類比、數值模擬等手段進行了優化設計，并對地下風機房洞室群施工工序進行了模擬分析，以確定最優的施工方案和設計參數，達到安全、經濟的設計目的。

d）消防救援，隧道消防等級屬高危險級，防災救援難度大，本著“以防為主、防消結合”的思路進行設計，同時結合隧道監控系統、供電照明系統、通風系統和消防系統等設施，配合消防、交警等部門制定多套消防救援方案保證隧道運營安全。

e）本隧道具有埋深大、隧道長、地質情況復雜的特點，施工安全隱患多，設計中制定了巖爆及處治、隧道局部坍塌處治、涌水處治、溶洞處治、軟弱圍巖大變形處治等多方面的施工預案，保證了隧道建設的順利進行。