山區高速公路短隧道與深挖邊坡方案比選研究

林偉弟

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510507)

0 引 言

在山區高速公路工程的建設過程中，由于山區地質單元較為復雜，經常會穿過不同的地形地貌，在路線方案基本確定的情況下，局部路段不可避免地出現方案的優選與替代。尤其是高速公路的發展，中短隧道和深挖路塹方案的優選現象將越來越普遍。對于工程決策者來說，如何選擇一個經濟合理、安全可靠的穿越山體方式，就是要從中短隧道和深挖路塹中選擇一種工程造價低，技術安全可靠，對生態環境和社會影響較小的方案。

按規范[1]規定：“是否采用隧道方案應綜合考慮社會、經濟、環保、地質、工程造價等因素進行比選。當路基設計中心線處開挖深度達30 m 時，應進行短隧道和深挖路塹方案的比較，比選不僅考慮建設成本及施工難度，還要考慮通車后車輛的行駛安全、行駛費用，以及運營管理和養護維修的費用”。

近些年來，許多專家學者對深路塹與隧道方案進行了較多的研究，并取得了一些有實際意義的成果。

徐向葉等[2]從運營安全和養護費用角度考慮，對山區高速鐵路深路塹和隧道進行了綜合比較，提出當開挖高度大于40 m時，隧道與深路塹的施工難度基本相同，但其運營養護費用比深路塹低。

王險峰[3]從工程經濟角度對路塹與隧道工程可替代方案的費用進行分析，得到在山嶺重丘區，當軟質巖石或強風化硬質巖石挖深大于28 m，微、弱風化硬質巖石挖深大于34 m時，應考慮采用隧道方案的技術可行性。

趙文彥[4]基于生態環境與深路塹、短隧道的關系，提出在山區高速中，綜合經濟、技術與生態各方面因素進行對比，才能夠將公路建設對生態環境的影響減小到最低程度。

伴隨著社會的不斷發展，人們對安全和環保的要求不斷提升，同時公路事業的進一步發展，公路等級要求也隨之提高，以及向山區發展的戰略目標，深挖路塹邊坡與隧道方案選擇上將是一個重要課題，如何在環境保護與公路建設間尋找平衡點，合理選擇深路塹與短隧道通過方式意義重大。

1 項目概況

武(漢)深(圳)高速公路仁化至博羅段第A5合同段，路線起點樁號K432+500，終點樁號K483+485.95，路線總長50.919 km。其中(K474+000～K483+500.4)采用設計速度100 km/h的雙向六車道高速公路標準建設，路基寬33.5 m。

全線共設置大橋9 212.1 m/25座，中橋482.45 m/8座；涵洞125道；長隧道2 778.5 m/2座；互通立交5處；橋梁占路線總長的比例為19.04%，隧道占路線總長的比例為5.46%，橋隧比例為24.50%，全線計價土石方1 767.2萬m3，其中挖方1 290.8萬m3，填方1 007.4萬m3。

2 典型工點水文地質條件

2.1 地形地貌

K475+000～K476+000路段，地處低緩丘陵，地形起伏較大，坡體地面標高約75～179 m，自然坡角最大約40°，線路走向206°，邊坡傾向296°。山體植物茂密，種植桉樹及各種灌木、蕨類植物。

2.2 地層巖性

根據地質勘察資料及野外地質調繪成果，該路段主要由第四系坡殘積粉質黏土和侏羅系花崗片麻巖、燕山期花崗巖及其風化層組成。

2.3 地質構造

根據工程地質調繪成果，坡體第四系覆蓋層及全～強風化層較厚，植被發育，坡體范圍未測得地層結構面產狀。

2.4 水文地質概況

該路段所在地區氣候溫和，雨量充沛，地表徑流對邊坡坡面坡腳的沖刷較大。地下水主要補給來源為大氣降水。地下水主要類型為基巖裂隙水及孔隙水。孔隙水主要賦存于第四系松散層中，孔隙含水量隨季節變化；基巖裂隙水賦存于巖石裂隙中，其賦水性及透水性極不均勻。地下水通過側向滲流向溝谷流出或蒸發。

勘探期間在鉆孔深度內未發現地下水。

3 方案比選研究

3.1 短隧道方案

結合隧址區前后復雜的地形、地貌，初步設計階段，K475+000 ～ K476+000路段設置梅壟隧道(連拱)，全長304 m；采取自然通風并設置照明設施等。隧道洞身選擇三心圓曲墻式襯砌斷面，承載能力較好，主洞尺寸拱頂為110°圓弧，半徑R1=840cm，左右側墻為半徑R2=505 cm 的弧面墻，洞門采用削竹式。

在K475+450處布設企山大橋(7×25,P.C.小箱梁)，如圖1、圖2所示。

圖1 K475～K476路段路線平面方案示意圖

圖2 K475～K476路段路線縱斷面示意圖

隧道襯砌采用新奧法原理設計，復合式襯砌。施工主要采用先墻后拱的三導坑方法，先開挖作業一側隧道，間隔一段時間再施工作業另一側隧道。在兩側邊墻處設側導坑，中墻處設置中導坑，導坑的斷面尺寸依據隧道起拱線以下墻部輪廓尺寸，綜合導坑支護方案和內層模筑襯砌鋼筋作業、隧道初期支護架立鋼架及施工需要擬定。

風險評價：在隧道洞口處有兩條小型斷層分布及山體較陡，土體易產生滑坡，對其隧道出口的斜坡的穩定性影響較大，洞口位于坡殘積土斜坡上，在斜坡坡腳處深切，將直接影響洞口斜坡的穩定。隧道洞口開挖后在洞頂形成的仰坡穩定性較差；淺表巖層風化卸荷裂隙發育，易發小型崩塌，隧洞開挖可能發生掉塊或洞口坍塌現象。

3.2 深路塹方案

由于地形、地層形成嚴重偏壓，短隧道埋深淺、圍巖較差，隧位結構受力復雜，隧道結構要具有一定的剛度，必要時需采取預注漿加固地層。通過綜合研究分析，對縱斷面進行優化，取消了梅壟隧道，改為深挖路塹方案，如圖3、圖4所示。

圖3 K475+665～K475+995路段路塹邊坡立面圖

圖4 K475+665～K475+995路段路塹邊坡橫斷面圖

(1) 根據本段山坡地形起伏大的特點，在保證每級邊坡開挖施工自身穩定的前提下，盡量采用適應地形的坡率，使邊坡設計合理化。

(2) 邊坡附近地形變化較大，局部坡頂陡峭，兩側平緩或反坡，鉆孔揭露基巖出露于一～二級平臺，設計在坡腳采用陡坡率，上部采用寬平臺緩坡率，減少加固措施，邊坡以自穩為主，第一至第三級坡率為1∶0.75，第四至第六級坡率為1∶1.0。

(3) 本著“固腳強腰”的設計原則，采用適當的加固防護措施，合理布設，既保證邊坡穩定，同時又注重與環境協調美觀。

①一級：K475+706～K475+772、K475+846～K475+924段采用4排錨桿格梁加固，錨桿長8 m，格梁內6 cm客土噴播防護。其余坡面采用6 cm客土噴播防護。錨桿鉆孔直徑130 mm，錨桿采用φ32 mm的HRB400鋼筋。錨桿長8m，設計抗拔力為60 kN，錨桿長11.5 m，設計抗拔力為90 kN，采用一次注漿，灌注強度為M30的水泥砂漿，注漿壓力不小于0.6 MPa。

②二級：K475+724～K475+772、K475+815～K475+888段采用4排錨桿格梁加固，錨桿長11.5 m，格梁內6 cm客土噴播防護。其余坡面采用6 cm客土噴播防護。

③三級：K475+773～K475+839段采用4排錨桿格梁加固，錨桿長11.5 m；K475+742～K475+772段采用3排預應力錨索框梁加固，錨索長22 m，錨固段長10 m，梁內6 cm客土噴播防護。其余坡面采用6 cm客土噴播防護。預應力錨索鉆孔直徑φ150 mm，錨索體采用4束φ15.2 mm，標準抗拉強度為1 860 MPa的高強度、低松弛的普通預應力鋼絞線編制。錨固段長10 m，錨索設計張拉力400 kN，鎖定拉力為480 kN。采用一次注漿，灌注強度為M30的水泥砂漿，注漿壓力不小于1.0 MPa。

④四級：K475+758～K475+818段采用3排預應力錨索框梁加固，錨索長22 m，錨固段長10 m，梁內三維網植草防護。其余坡面采用三維網植草防護。

⑤五級：K475+767～K475+809段采用4排錨桿格梁加固，錨桿長11.5 m，格梁內三維網植草防護。其余坡面采用三維網植草防護。

⑥六級：全坡面采用人字形骨架三維網植草防護。

(4) 采用有效的排水措施，疏排邊坡地下水及地表水，增加邊坡的穩定性。

為進一步研究分析深路塹邊坡的穩定性，選取了K475+780左側斷面按圓弧滑動法進行穩定性分析，檢算采用的力學參數見表1。

表1 邊坡檢算采用的力學參數

根據擬定坡形坡率，經過檢算，邊坡滑動安全系數為1.157，為基本穩定邊坡；采用加固措施后邊坡整體滑動安全系數為1.214，符合規范要求。

3.3 短隧道與深路塹方案比較

隧道的設計和施工一般取決于地基的性質和狀況，地質構造簡單、巖體完整、地層單一是理想的選址，而深路塹必然伴隨著高邊坡，挖方量大，破面防護排水量大，如何在兩者之間取得平衡點需進行多方面的比較[5]。

(1) 施工難度。隧道與深路塹相比，隧道施工前的準備工作為“三管兩線”“五通一平”，施工設備和施工技術比路塹開挖施工復雜，機械設備投入較多、工期長、工藝復雜，施工人員技術要求較高。施工關鍵點是防止地質破碎帶和淺埋開挖的坍塌，進出口條件要求較高。由于地形、地層形成嚴重偏壓，隧位結構受力復雜[6]。

(2) 空氣污染。相對于深挖路塹，短隧道施工環境較為封閉，應注意在施工的過程中有害氣體對施工的影響，同時也應該用排風機和送風機組織隧道內部和外部的氣體交換，施工作業面狹窄，給施工帶來了一定的困難[7]。另外隧道是個相對狹小的空間，在公路運營期間，車輛在隧道內行駛的過程中排放的尾氣，污染物很難擴散，隧道內有害氣體的濃度會逐漸積累。僅僅通過自然通風是不可能全部排出去的，特別是距離較長的隧道，需要安裝通風設施以保證隧道內有害氣體的含量不至超標，確保隧道內車輛安全行駛。

(3) 噪聲污染。隧道內的噪聲主要由車輛行駛過程中產生的噪聲和射流風機運轉的噪聲兩部分組成，其中車輛行駛產生的噪聲是主要的。

根據對已有隧道測試資料[8]顯示，營運期間，整個隧道主體工程都處于噪聲的高污染帶之中。檢測路段車流量約1 028輛/時，在隧道口處測得等效 A 聲最低為80 dB，隧道中部達到了95 dB，可見隧道噪聲污染嚴重。

(4) 營運養護。短隧道施工技術難度大，初期建設成本與后期運營養護成本(主要是消防、照明等養護維修成本)較高。相對而言，深路塹雖然存在潛在滑塌的風險，但養護費用與邊坡的水文地質條件相關，只要對其進行科學的設計，適當的加固與防護，可以有效的降低風險，建設成本與養護成本較低。

(5) 安全性與通行能力。隧道通常是高速公路網的瓶頸路段，容易發生交通安全事故，具有安全隱患大，且事故危害程度大、事故后處理復雜困難等特點[6]。

相對于一般路基段而言，隧道屬于半封閉環境，具有與一般路基路段不一致的行駛條件——隧道進出口路段照度變化大，在明暗交替變化的過程中，變化過程時間太短，駕駛人的視覺沒能夠立即適應，容易導致交通事故發生，是交通事故的多發點。

(6) 環境影響。深路塹施工對環境影響大，開挖坡面較陡，單純靠自然生長，植被難以恢復。對周邊環境的影響與開挖邊坡高度、路塹施工的長度有關，隨路塹的高度、開挖面積增加而加劇，特別是自然環境比較脆弱的地區。

短隧道方案可以避免對山體的大挖方，少占地，對生態環境和周邊環境影響較小，基本對附近的交通和居民生活影響小。

(7) 造價。隧道每延米的單價包含進、出口洞門的費用，在短隧道中，其每延米的單價要比較長的隧道高。土質和松軟地層隧道一般都有超前防護，支護結構需要加強，施工工期也比地層好的長，故其造價也比地質條件好的要高。

該路段開挖土石方約47萬m3，為最大程度地移挖作填，減少棄方，減少棄渣場對土地的占用，通過縱向調配，取消企山大橋(7×25m)，改為高填路堤，填高約35 m，有效減少了廢方41.5萬m3。可最大限度地利用資源，節約造價。

優化前后工程量對比見表2。

從表2中可以看出，隧道方案在初期建設的造價為8 864.3萬元，深路塹方案造價為2 024.6萬元，比隧道方案減少6 839.7萬元，可大大減少項目的工程造價，提高工程經濟性。

表2 主要工程數量比較

考慮到本路段橋遂比例較高為：24.50%，沿線地形陡峭，施工難度大，結合地物、地質、水文等自然條件，通過上述綜合研究分析，在降低工程規模的前提下，本工點采用深路塹方案。

采用同樣評價方法，通過設計優化后，本項目在施工圖階段，較初步設計階段降低了橋梁比例11.16%，降低了隧道比例6.8%。

該項目自通車運營以來，并未出現滑坡、坍塌等自然災害，證明在深入剖析、綜合對比分析之后，采用深路塹方案，技術上可靠，經濟上合理，在社會、經濟等方面均取得較好的效益。

4 結 論

本文總結了深挖路塹方案和中短隧道方案的主要特點，并從項目全生命周期對比分析了兩種不同方案存在的問題。短隧道可避免對山體的大挖方，減少對現有植被的破壞，但其造價高，運營養護費用高，施工復雜，行車噪聲大，安全性與通行能力低；深路塹則反之。

論證表明，在山區修建高速公路，綜合技術、經濟、環保等方面的因素來選取短隧道與深路塹方案，正確處理山區短隧道、深路塹與生態環境的關系，能夠將公路建設對生態環境的影響減小到最低程度。合理地選取短隧道與深路塹方案，在山區公路建設與環境保護之間尋找新的平衡點，本著“不遺漏任何有價值方案”的原則，是處理山區公路建設與生態環境問題的對策之一。在地質條件較好，路基開挖后對生態環境破壞小，邊坡處理費用較低，且附近又有路堤需要較多填料的情況下，貫徹因地制宜、資源整合再利用的原則，采用深路塹方案經濟合理。

本項目橋遂比例高，沿線地形陡峭，梅壟隧道所處位置，山坡地形起伏大，通過綜合研究分析，認真進行方案研究，對平縱線形進行優化，提出了深路塹方案。該方案沒有占用良田，不存在拆遷難的問題，并且可利用挖方所產生的棄渣來填筑路基，減少橋梁規模，顯著節約造價，技術上可靠，經濟上合理，使本項目在社會、經濟等方面取得較好的綜合效益。

在山區修建高速公路，短隧道與深路塹方案的比選，不能只憑經濟指標，要在取得充分和確切的工程地質資料前提下，綜合考慮技術、經濟、工期、棄方、運營安全以及養護維修等各方面因素。科學選擇路與隧設計方案，對提高今后高速公路建設工程安全性和經濟性都有很大指導意義。