九綿高速公路白馬隧道總體設計

李泳伸，高世軍，王 聯

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

九寨溝至綿陽高速公路白馬隧道位于九寨溝縣與平武縣交界處。隧道處于大熊貓棲息地，穿越勿角省級自然保護區。項目按雙向四車道高速公路設計。隧道長度為13.006 5 km。隧址受控于文縣弧形構造帶、岷江～雪山～虎牙關斷裂帶和龍門山斷裂帶所圍限的楔形地塊上三大構造帶；穿7條斷裂構造，平行發育1條斷裂構造；基本烈度為Ⅷ度高震區。洞身主要穿越上古生界泥盆系中統三河口組板巖、砂巖夾炭質板巖、極少量的印支期中酸花崗斑巖。

1 隧道走廊方案研究

本項目為G8513平涼至綿陽高速公路重要組成路段，由甘肅省隴南市武都區兩水鎮與現有蘭海高速十字交叉，向西南延伸入川。白馬隧道地理位置敏感，位于川甘交界區域，故工可階段對該隧道進行了詳細的走廊方案比選(見圖1)。根據特殊的地形、地質環境條件，結合川甘兩省路網規劃、提出了A線走廊，接線點青龍橋；W線走廊，接線點摩天嶺兩個接線點。以青龍橋為節點的A方案和W方案進行同精度比選論證。

圖1 白馬隧道走廊比選圖

工可階段A線走廊方案的控制性工程白馬隧道長13 km左右，最大埋深1 112 m。隧道穿越地層主要以深灰色砂巖、粉砂巖、炭質板巖及雞窩狀無煙煤為主，受斷層影響，巖層較破碎。

隧道為高海拔、超特長、瓦斯隧道，隧址進出口地勢開闊，與地方道路相距較近，建設條件較好，計劃工期6年。工可階段W線走廊方案的控制性工程摩天嶺隧道長18 km左右，最大埋深1 995 m。隧道穿越地層主要以淺變質砂巖、結晶灰巖、結晶白云巖及巖漿巖等為主，受構造強烈擠壓，次級構造及斷裂發育，局部可能會出現突、涌水可能，瓦斯、大變形、巖爆等不良地質處治難度大。本隧道為超特長、瓦斯隧道。隧址進出口溝谷狹窄，棄碴異常困難，建設條件較差，工期約8年。

相比較而言W方案走廊帶工程地質條件較差，地質災害風險較大，控制性工程難度更大。

從路網功能、環境影響等多方面，對兩走廊方案主要比較因素見表1。

表1 白馬隧道走廊比選

2 施工圖隧道軸線及縱坡設計

2.1 隧道總體平面線形的確定

充分利用洞口地形、地質、兩端接線條件，通過經濟比較，確定了兩端洞口段采用小凈距曲線、洞身采用正常直線的平面設計。

九寨溝端洞口段左右測量線間距約28 m，分別位于半徑R左=1390 m和R右=1450 m的圓曲線上；綿陽端洞口段左右測量線間距約20 m，分別位于半徑為R左=1150 m、R左=1150 m的曲線上；洞身段約11.822 km間距約35 m，線型為直線。

2.2 隧道縱坡的確定

對于超特長隧道的縱坡問題，業界存在一定分歧。從行駛舒適性和運營通風效率來看，采用單向坡較好，但施工時會出現逆坡排水問題。

白馬隧道縱面線型的設計除了考慮地形、通風、排水、施工及隧道兩端的接線條件等因素外，還重點結合以下條件謹慎選擇。

1)充分借鑒S205線黃土梁隧道經驗。S205線黃土梁隧道全長4 895 m，最大埋深800 m。該隧道在白馬隧道上方，設計為2%單向坡。在施工過程中，遭遇到較大涌突水和較長段落初期支護變形侵限、坍方等工程難題，導致施工進度受阻且增加工程投資。分析認為該隧道設置為單向坡，導致反坡段施工地段軟巖在地下水浸泡下急劇軟化從而導致支護體系失效是造成施工進度慢和投資增加的重要原因。

2)考慮本隧道地質條件。隧道受構造影響強烈，且V級圍巖占71.5%，Ⅳ圍巖占27.5%，Ⅲ級圍巖僅占1%。可能存在雞窩狀煤層。預測最大涌水量近7萬m3/d。

3)縱坡變坡點位置確定因素。結合施工需要，白馬隧道設置兩處永久輔助井，將白馬隧道劃分為三個工區。經過工期測算，將變坡點設置在靠近出口距綿陽端4.2 km左右，將隧道設置為8.8 km和4.2 km兩段人字坡，可以基本滿足各工區主洞開挖以順坡為主，同時豎井可在其下方主洞開挖完成后再進行開挖，很大程度上減小主洞和豎井段開挖中涌突水風險，提高施工安全。

綜合以上因素，確定白馬隧道縱斷面采用人字坡，更有利于施工過程保證圍巖穩定，減少大變形、利于斜井輔助主洞施工工區及豎井開挖避免涌突水危險等災害問題。左線設計縱坡+2.85/33,+1.98/8 680,-0.35/4 300；右線設計縱坡+2.85/76,+1.98/8 680,-0.35/4 244。

3 運營通風方案及通風井選擇

3.1 通風要求

白馬隧道長度13 km左右，通風計算其左線遠期最大需風量將達到8 745 m3/s，右線遠期最大需風量將達到905 m3/s，全縱向射流通風風速超過13 m/s，需考慮設置兩處輔助通風排煙通道進行分段通風及救援排煙。

3.2 施工組織

項目批復工期要求緊，如不采用輔助井輔助主洞施工，采用鉆爆法開挖工期不可控。輔助井以縱坡相對較小的平導、橫洞、斜井為好，豎井輔助施工難度較大，盡量不作為首選方案。

為解決白馬隧道主洞九寨溝端進洞困難，減小對于山體的開挖和對于下方既有省道的運營影響，保護原洞口生態環境，在隧道九寨溝端洞口附近設置一長238 m的施工支洞。設計充分考慮利用支洞及斜井參與主洞施工，將隧道施工分為前述的三個工區。設計未考慮豎井參與主洞施工。經計算，隧道土建總工期72個月。其中：施工準備期1個月，隧道開挖65個月，路面及其他附屬工程滯后6個月完成。

3.3 地形及地質的結合

白馬隧道處于大熊貓棲息地，穿越勿角省級自然保護區。隧道設置必須滿足相關環保要求。

隧道受構造影響強烈，圍巖以軟質炭質板巖為主，設置地下風機房施工難度大。應優先考慮采用地面風機房。

綜合相關因素，最終確定在九寨溝端設置一組長度1 200 m無軌斜井，綿陽端設置一組長度333 m的豎井，將隧道分成長度分別為4.4、4.8、3.8 km的三區段縱向通風。

4 隧道復雜地質條件的結構設計

4.1 襯砌類型設計

隧道暗洞襯砌均按新奧法原理設計和施工，支護體系結構均為復合式襯砌。設計根據圍巖級別、隧道斷面及埋深條件擬定并選擇相應的襯砌類型，支護參數的選擇以工程類比法為主，并通過數值分析進行校核，合理確定支護體系的各種參數。

設計對于大變形、巖爆、涌突水等問題的處理方式是采用“預設計”理念：基于圍巖級別劃分，結合相關圍巖物理力學參數，在縱斷面中確定相對采用較多的一種襯砌類型，但在段落統計表中“預留”出一定比例可能會采用的襯砌類型，以便于現場各方結合開挖實際揭露合理采用。

4.2 大變形對策措施

根據對基礎資料的分析，本隧道軟弱巖性均為大變形提供了物質基礎。其可能產生大變形的原因是受到高地應力條件發生的擠出性變形。綜合判定，本隧道發生大變形的等級為中級及強烈大變形。

大變形結構設計遵循“先柔后剛、先放后抗、控制變形、及時封閉”的原則，采取“主動適應+強支撐”的綜合處治方式。

考慮到大變形是本隧道的主要工程問題，且大變形的特點存在一定差異，設計對輕微、中等、強烈三級大變形均進行了結構設計，并對發生的段落做了初步預判，建議根據實際施工情況對大變形的強度等級及段落范圍進行動態調整。

初級大變形主要措施為：擴大預留變形量、初期支護鋼架和二次襯砌加強。

對于中級及強烈大變形均對隧道斷面采用加深仰拱減小矢跨比、初期支護邊墻拐角采用較大半徑的圓弧過渡的優化，改善隧道承受的荷載和結構承載能力；同時采用自進式錨桿與注漿小導管結構的長短錨桿結合形式加強初期支護；針對強烈大變形，在中級大變形結構基礎上，增加了一層初期支護，進一步增強初期支護的強度，達到控制變形的目的。

4.3 現場管理辦法

現場施工時首先應進行超前地質預報，結合超前地質預報和現場掌子面的情況，分段確定前方的圍巖級別和支護參數，當現場情況和縱斷面設計圖中所給出的一致時，必須按圖進行施工。減弱或加強均需現場參建各方參與確認后實施。

5 體 會

1)超特長隧縱坡設置需要綜合考慮。白馬隧道在確定縱坡的時候，就產生過兩種觀點，到底是設置為一字坡更好或是人字坡更好呢？持“一字坡”觀點認為運營期間可以節省通風費用，降低社會成本。但現在看來，白馬隧道大部分已揭示段落圍巖以炭質板巖為主，本身強度極低(小于5 MPa)，開挖后大約15天時間內，由于地下水的進入，導致圍巖軟化及劣化嚴重，穩定性急劇下降。施工中順坡開挖使得地下水可以以更好地自然條件排出，對于保護圍巖不被水長期浸泡軟化，提升施工安全顯得十分有必要。因此，筆者仍然支持設置為“人字坡”的觀點。

2)白馬隧道九寨溝端設置施工支洞進行主洞開挖，將該端洞口場地充分利用到與隧道相鄰的橋臺施工及邊坡保護防護，減小對該端洞口下運營省道S205的影響意義重大。有理由相信，設置支洞替代直接從洞口方向掘進的思路在西南地區山嶺隧道的建設中會得到越來越多的運用。

3)項目開工以來，開挖揭示隧道地質情況與原勘察總體基本相符，但是由于地質構造復雜，圍巖級別界限與實際情況可能存在一定差異，大變形段落劃分及強度等級綜合分析預測成果與實際開挖不可能做到完全一致、小型涌水涌泥點位無法在設計勘察階段精準預測。

圖2為初支扭曲變形圖，圖3為水平收斂變形圖。

圖2 初支扭曲變形

圖3 水平收斂變形

特別是2017 年8 月8 日阿壩州九寨溝縣發生的7.0 級地震，震中比芒村距離隧道直線距離很近，隧址區震感十分強烈，強烈的地震致使原有圍巖結構遭到不同程度的破壞，持續的余震使地質體在雙向往復力作用下逐漸朝更不穩定的方向發展。頻發的地震對正在建設的隧道周圍的地質條件、圍巖體結構和強度產生惡化效應。因此，如何充分利用現有手段，更好地對軟巖隧道變形進行超前地質預報，利用監控量測手段對變形及其支護參數進行合理分級，確保安全、經濟、高效建設好白馬隧道，是參建各方要共同面臨的關鍵問題。

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