公路隧道建設的技術新趨勢

韓大千

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 公路隧道的蓬勃建設

進入21世紀以來，我國的公路隧道呈現出蓬勃建設的局面。到2013年底，全國公路隧道為11 359處，長度960.56萬m；其中，特長隧道562處、長度250.69萬m，長隧道2 303處、長度393.62萬m。與2012年底相比公路隧道的數量增加了1 337處，公路隧道的長度增加了155.29萬m。

公路隧道的建設，不僅僅表現在數量、長度有大的增幅，而且遇到的地質條件越來越復雜、技術難度不斷增加、功能越來越引起重視、地理位置越來越多樣化。

2 公路隧道建設的技術新趨勢

隨著國內公路隧道的大量建設，技術上也出現了一些新的趨勢，下面筆者針對情況進行一些探討。

2.1 特長、超長隧道及隧道群

近年來，我國公路建設中遇到的長大隧道、隧道群越來越多，長度超過6 km的隧道就有數十座，最有代表性的是西康高速的秦嶺隧道。為了施工通風及加快施工進度的需要，長度L＞6 000 m的公路隧道均建有斜、豎井，建設規模及難度與3 000 m＜L≤6 000 m的隧道存在較大的區別，表1中列舉了部分長大隧道的斜、豎井情況。在《公路隧道設計細則》[1]的校審稿中曾提出，將3 000 m＜L≤6 000 m的確定為特長隧道，將L＞6 000 m的確定為超長隧道。主要是考慮到基于目前汽車技術與防災救援技術，長度大于6 km的公路隧道一般需要設置通風豎井或斜井，隧道防災救援問題突出、災害幾率高，運營管理系統復雜、費用較大，設計、施工難度較大。結合隧道的運營、管理、養護情況來看，筆者建議劃分L＞6 000 m作為超長隧道也是比較合理的，建議在隧道規范修訂時應予以考慮。

圖1 秦嶺特長隧道豎井示意圖

表1 我國部分長大隧道通風井情況表

2.2 淺埋隧道

從理論來看，《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004）[2]中淺埋與深埋的分界，按荷載等效高度值，并結合地質條件、施工方法等因素綜合判定。按荷載等效高度的判定公式為Hp=（2-2.5）hq，Hp為淺埋隧道分界深度，hq為荷載等效高度。通過計算，在Ⅳ-Ⅵ級圍巖中，兩車道淺埋隧道洞頂的覆土分界厚度要分別為12.5 m、25 m、50 m；三車道淺埋隧道洞頂的覆土分界厚度要分別為14.5 m、28 m、60 m。

在Ⅳ-Ⅵ級圍巖中，按照圍巖級別的不同，根據洞頂埋深合理確定隧道淺埋段的范圍主要是為了采取更為穩妥的施工方法（見圖2、圖3），以便于隧道施工能安全、順利。通過調查大量隧道工程的施工資料，由于施工組織及技術人員水平的不同，如果可以將上部覆蓋層厚度不足毛洞跨徑2倍的隧道劃分為淺埋式隧道，將有利于提高施工時的安全系數。

圖2 側壁導坑分部開挖

圖3 中導洞+雙側壁導坑開挖

2.3 大跨及特大跨隧道

在目前，大跨隧道跨度約為14～18 m，包含三車道公路隧道及兩車道隧道的緊急停車帶段（見圖4）；特大跨隧道跨度約為18 m以上，包含四車道公路隧道、連拱隧道、三車道隧道的緊急停車帶段。如山西平陽高速的陽曲隧道，單洞最大開挖寬度19.67 m，三車道；遼寧沈大高速的金州隧道，單洞最大開挖寬度22.5 m，四車道。

圖4 大跨隧道

近年來一些大跨及特大跨隧道的建設，為隧道界積累了一定的經驗，按工序施工，及時進行監控量測就可以安全地完成施工。

相信在將來，在城市及車流量較大的山嶺隧道，如果地質條件允許，將會越來越多地選擇建設大跨及特大跨隧道，為車輛出行提供越來越好的條件。

2.4 小凈距、連拱、分岔式隧道、近接隧道、地下互通立交、螺旋隧道

隧道作為構造物，在L＜3 000 m的情況下，大多數隧道的布設需要服從于路線的布設情況、沿線的地質構造情況，為整個工程的貫通提供支持。由于上述情況，近年來出現了小凈距、連拱、分岔式隧道、近接隧道、地下互通立交、螺旋隧道等多種形式，有效地解決了建設中遇到的難題。

a）小凈距隧道 中間巖柱在5～20 m中間的隧道。

b）連拱隧道 內側結構為整體的隧道。

c）分岔隧道 由大拱或連拱過渡為上下行分離的隧道，典型的如山西晉濟高速拍盤隧道。

圖5 晉濟高速拍盤隧道

d）近接隧道 平面或立面距離較近或有交叉的隧道，如福建金雞山隧道、重慶渝中連接隧道。

e）地下互通立交 我國城市快速發展，交通量急劇增加，導致城市立交發展迅猛。為了減少地面立交工程對區域規劃的破壞以及地形的需要，地下立交成為一個新的發展趨勢。典型工程如長沙市營盤路湘江隧道和廈門市萬石山地下立交工程。

圖6 廈門萬石山地下立交

其中，長沙營盤路隧道通道總長約8.5 km，主線為雙向四車道。它并非簡單的“一個隧道兩個口”，而是一個雙線四匝道八出入口的互通式多通道隧道，相當于在湘江底下建一座“水下互通式立交橋”，為解決隧道出入口擁堵的交通難題提供了新思路。尤其值得一提的是，最淺的地方就只有11 m，且是巖體松散、易破碎、已坍塌的強風化層，施工采用“先兩邊后中間、先上面后下面”的“眼睛法”（也叫“九步開挖法”），順利為我國開挖水下立交隧道積累了經驗。

f）四川雅西高速拖烏山雙螺旋隧道 此為國際首創的雙螺旋小半徑曲線型隧道。干海子和鐵寨子雙螺旋隧道兩座隧道中間相距5.687 km的距離，這段路線總長度約10 km；實現了在4 km的“V”形峽谷范圍內連續爬升300 m，為解決路線爬升、克服海拔高差提供了新范本。

圖7 雙螺旋隧道示意圖

2.5 過海、過江隧道

廈門翔安海底隧道翔安隧道為雙向六車道，隧道開挖寬 17 m、高 12 m，最大開挖斷面達到170 m2，是世界最大斷面的海底隧道。工程全長8.695 km，其中海底隧道長6.05 km，跨越海域寬約4.2 km，總投資31.97億元，已建成通車。

南京長江隧道工程位于長江一橋與三橋之間，是一條解決長江南北過江交通的城市快速路。越江隧址從江北濱江路開始，到江南清河路結束，總長5 853 m。地層主要為第四系全新統沖積層，巖性以粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉細砂為主，隧道主要位于該地層。深部為白堊系下統浦口組地層，巖性以泥巖為主。基巖頂面起伏不大，頂板埋藏深度約55～60 m。

除上述工程外，我國還順利建成了青島海底隧道等。通過積累的工程經驗，我國已經開始規劃山東省蓬萊與旅順的橫跨渤海口的海底通道的建設，預計全長123 km，平均深度20～30 m，最深約70 m，造價超過2 000億。

2.6 零開挖、零擾動進洞、橋隧相接

在一些地質條件差、地形陡峭的路段，為了更好地保護環境，減少施工帶來的滑坡、滑塌等次生災害，已由原來的大刷坡、縮短隧道長度的進洞方式調整為零開挖、零擾動進洞、橋隧相接的方式。

圖8 零開挖、零擾動進洞

圖9 橋隧相接

對不良地質、不利地形條件，可考慮預先地表預加固、超前預加固、反壓回填與擋護。通過延長暗洞、放陡邊坡等方法在有的項目中可將原設計的40多米邊坡降低至10 m以內。在經過技術、經濟比較后，盡可能采用“前置式洞口施工法”施工，在洞外不開挖山腳土體的情況下，采用兩側開槽逐榀施作工字鋼拱架，隨著鋼拱架推進逐漸接近山體，拱架間以縱向鋼筋連接為整體，澆注混凝土形成臨時襯砌，在進洞前以臨時襯砌成洞，回填反壓后再進行內挖法施工。有的洞門為斜洞門時，橋臺設置應順應洞門，設置為斜橋臺。

2.7 棚洞

由于有的路段地質為膨脹性黏土或膨脹性強分化巖，土體內夾雜大小不一的堅硬沙巖石塊，土體內裂隙水豐富，路基大面積開挖時，極易造成塌方和滑坡，大面積開挖極其困難，且施工隱患很大，所以采用明洞施工難以實施，造價太高，工期太長。明洞方案盡管可以一勞永逸，但在此工期無法保證，而采用棚洞方案可以縮短工期，降低工程造價。為防止山體形成的泥石流進入棚洞，邊坡上需進行綠色柔性防護，同時在高邊坡上每隔8 m一個臺階同時設置截水溝。

圖10 典型棚洞

棚洞隨地形和地質條件的不同有多種類型，但其基本構造有內墻、外側支撐結構和頂板支撐結構。地基條件較弱的情況下，還需設置底部支撐結構，相當于涵洞的支撐梁。內墻可做成鋼筋混凝土板墻和外部支撐共同構成樁板式支擋墻。外墻支撐結構可根據地形和地質情況的不同做成剛架式、柱式和墻式。外板可采用T形梁、I型梁或空心板梁截面預制安裝構件。

2.8 洞內防排水

圖11 隧道拱頂滲水結冰

圖12 隧道漏水路面結冰

目前，滲漏水是隧道工程面臨的頑疾，對公路隧道的行車安全影響更為突出。由于在施工及管理中往往突出了結構安全的重要性而沒有足夠重視防排水工程的施工質量，多座隧道運營期出現滲漏水情況，嚴重的出現“水簾洞”、“懸冰洞”情況，對襯砌結構安全、行車安全等形成重大隱患。所以，對長大隧道而言，防排水工程的施工質量就代表著隧道的施工質量，應精細化管理，從嚴抓起。

山西省交通科學研究院正在研究的《山西省運營隧道滲漏水防治技術》課題，對施工縫、防水板、電纜槽等部位通過申請專利、研究，提出了新工藝、新形式，力求能夠改善運營隧道的滲漏水問題。

2.9 地質超前預報

目前，國內應用TSP203、TGP206等技術存在兩個技術問題：其一，對三維地震場波的處理僅來自掌子面前方，忽略了兩側、地表、上覆、下伏地層回波的影響，會造成虛報誤報。應對記錄進行波場分離，取出前方回波，濾除各種側向回波。其二，TSP203、TGP206等觀測方式將檢波器與炮點布置在隧道一側，沒有橫向偏移距，僅能滿足隧道兩側波速分析，影響反射目標的準確定位，造成波速與圍巖特性沒有對應關系。

TST超前預報系統較好地解決了以上問題，應對其推廣應用。

2.10 通風、照明

2.1 0.1 通風

目前，國內開始應用靜電集塵的方法來嘗試解決特長隧道位于環境保護區無法設置斜豎井排煙的問題。靜電集塵廣泛應用于工業除塵，技術較成熟，但費用較高。

此外，由于受坡度、高差和車流工況的影響，雙洞單向隧道兩相鄰洞內需風量往往差異很大，我國已經開始在特長隧道中研究采用雙洞互補式網絡通風方案。構建的雙洞換氣系統不僅保證隧道內的污染物濃度不超過限制值，且比“左線單斜井+右線全射流風機”方案節省了通風系統初投資及運營費用。

2.1 0.2 照明

隧道照明開始廣泛應用節能的LED設備，但有的省份考慮到LED燈的質量參差不齊、造價較高且損失率較高，所以僅在應急照明和中短隧道中采用。

洞內行車段新型反光標志如反光標線、輪廓標等的采用一定程度上減少了燈具的布設及開啟，節省了電能。

此外，有的隧道還引入了低空照明，就是將拱頂的燈具調整到側壁稍高于駕駛員視線的位置，提高了照明效率。

福建省高速公路隧道照明通過節能技術的研究與應用，隧道單洞平均能耗費用由設計初期的30萬元/年公里，降到目前的15萬元/年公里。

浙江省開發了一套智能化公路隧道照明節能控制系統，最低節能效率達到17.3%，最高節能效率達到45%。

陜西省在青蘭高速17座隧道照明系統優化設計中，對長隧道（大于500 m）的部分設計參數和技術指標按最新成果進行了優化調整，特別是提出和采用了在科研成果支撐下的短隧道照明系統設計新方法，還根據交通量的發展，提出和采用了分期修建的原則和方法，無論是建設費用，還是運營費用都比原設計預計節省約一半。

總之，通過公路隧道多年來的運營，通風、照明費用在運營費用中所占比重較大，各省都在積極研究節能的方法。相信通過節能措施，公路隧道能更優質、高效地服務。

3 問題與體會

a）隧道設計形式上是新奧法，但還需要深入仔細研究隧道的圍巖地質特點，這樣開挖后出現施工方法不適應或者變更的情況會有效減少。

b）有的勘察由于地形復雜，便道工程巨大且較難實現，洞頂較難實施鉆探，有的地質勘察難以到位，資料在設計時還不齊全。應出臺相應的制度，允許設計單位在隧道施工中進行補勘，并通過實施超一定比例的變更由設計單位承擔處罰來降低變更風險。

c）對公路隧道建設中的關鍵技術，如深豎井施工技術、通風細部參數、運營監控設施、防災救災預案等系統研究深入程度不夠，造成后期工程建設管理的困難，甚至造成很大的浪費。

d）加固、維修方案更便于大膽地嘗試新技術、新材料，為新建工程的大范圍應用鋪平道路，設計人員應積極參與。

e）應大膽創新，積極地把創新思維植入大腦，積極引入其他行業成熟技術、材料、工藝等解決本行業技術難題，達到事半功倍的效果。如鐵路行業有長大傾角富水斜井快速抽排水施工工法、干燥粉細砂地層大斷面斜井進入正洞挑頂施工工法、黃土隧道仰拱底鼓整治施工工法、隧道高壓富水斷層快速施工工法等可以進行借鑒。

f）新技術、新工藝的發展及創新與設計理念的發展、創新是互相推動、互相促進的。要開放式而不是批判式地去了解新材料、新技術。

g）新技術、新材料、新工藝的發展應用與設計理念的發展是相輔相成、互相推動促進的甚至必要的話可以參與新工藝、新技術、新材料的研發。工程是創新的土壤，科研是設計創新的助推劑。

h）設計人員不能簡單將自己作為設計人員，應考慮施工如何實現；反思和總結經驗教訓推動了技術創新，專業上還有廣闊的創新空間。

4 結語

公路隧道的建設不僅融合了結構、地質、巖土、機電、消防等多個方面的內容，而且隨著公路隧道的蓬勃建設，在新工藝、新材料、新能源、新技術的采用方面還會不斷推陳出新，設計人員應積極更新設計文件。以上是筆者的一些淺見，不當之處，請各位前輩及同仁批評指正。