高速公路特長隧道路線方案研究

作者簡介：

石忠利（1990—），工程師，碩士，主要從事道路工程的設(shè)計與研究工作。

長度>5 000 m的特長公路隧道方案選擇和勘察設(shè)計難度很大，且隧道路線方案的控制因素很多。文章以廣西南丹至天峨下老高速公路燕來隧道的勘察設(shè)計為依托，同時結(jié)合相鄰省份高速公路特長隧道的建設(shè)運營情況，研究特長隧道的路線方案選擇及相應(yīng)的輔助坑道設(shè)計，為特長隧道路線方案的選擇提供借鑒和參考。

特長隧道;路線方案選擇;輔助坑道

U452A401384

0 引言

近年來，隨著高速公路建設(shè)的發(fā)展及隧道修建技術(shù)的提高，越來越多的高速公路選擇特長隧道作為穿越山嶺的工程形式[1]。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，當建造長度超過5 000 m的特長隧道時，隧道勘察設(shè)計、施工和運營管理難度都明顯增加，選擇正確的特長隧道線位對高速公路的順利推進起著至關(guān)重要的作用。目前，廣西尚未有長度>5 000 m的隧道，本文以廣西在建的南丹至天峨下老高速公路燕來隧道為依托，同時調(diào)查相鄰省份高速公路特長隧道的建設(shè)運營情況，研究特長隧道的路線方案選擇及相應(yīng)的輔助坑道設(shè)計，為特長隧道的路線方案選擇提供借鑒和參考。

1 特長隧道路線方案選擇的控制因素

南丹至天峨下老高速公路位于河池市的南丹縣和天峨縣境內(nèi)，是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃》（2018—2030）高速公路網(wǎng)布局方案中的“橫2”線，是廣西通往貴州方向的高速公路通道，是連接G75蘭海口高速公路和G69銀百高速公路的重要紐帶通道，路線全長104.9 km，橋隧比為74.3%，而燕來隧道是全線的重要控制性工程之一。

燕來隧道設(shè)有1處斜井作為通風坑道和施工專用。該隧道下穿燕來鄉(xiāng)，隧道最大埋深為435 m，最淺埋深為41 m。隧址區(qū)存在斷層5條，隧道洞頂存在沖溝2條，沖溝覆蓋層較薄，且存在滑坡堆積，隧道出口存在淺埋偏壓，隧道路線方案的布設(shè)受限制因素多。該隧道在沖溝處設(shè)置斜井，斜井對施工工期起到關(guān)鍵性作用。根據(jù)燕來隧道在設(shè)計中遇到的問題，對特長隧道路線方案選擇的控制因素進行總結(jié)。

確定高速公路特長隧道走廊帶的控制因素有：

（1）村莊分布情況。根據(jù)項目周邊村莊分布情況，分析項目的建設(shè)是否對周邊居民生活環(huán)境造成影響。

（2）工程規(guī)模。在滿足周邊交通需求的同時，選擇經(jīng)濟、實用、合理的隧道布設(shè)方案。

（3）水文地質(zhì)條件。隧道施工及運營受地下水影響較大，需詳細調(diào)查隧道走廊帶內(nèi)與周邊飲用水源區(qū)、地下河及水庫的位置關(guān)系及相互影響。

確定特長隧道路線考慮的4個控制因素：（1）特長隧道作為控制性工程，隧道位置的選擇決定著路線方案的成敗，特長隧道應(yīng)進行不同位置和長度的比選;（2）特長隧道埋深大且地質(zhì)條件復雜，不良地質(zhì)分布廣泛，工程地質(zhì)勘察和圍巖劃分的準確度直接影響隧道造價和安全;（3）隧道輔助坑道的勘察設(shè)計決定著隧道建設(shè)工期和施工成本，輔助坑道設(shè)置應(yīng)考慮其作用、規(guī)模、形式，結(jié)合地形、地質(zhì)、水文、環(huán)保等客觀因素[2-3];（4）項目周邊工程情況，看工程是否會影響周邊自然保護區(qū)、水源保護區(qū)、村莊、公路、水利等設(shè)施。

2 特長隧道路線走廊帶選擇

特長隧道作為高速公路重要控制性工程之一，首先，需考慮擬建高速公路能滿足方便周邊民眾出行和促進經(jīng)濟發(fā)展的需要，盡可能選擇對地方環(huán)境影響和破壞少的線位，綜合比選分析工程造價和路線長短。同時，特長隧道的比選應(yīng)充分考慮地質(zhì)因素，做好地質(zhì)勘察才能保證隧道施工和運營期間的安全和經(jīng)濟合理。地質(zhì)條件是隧道造價、施工和運營的一個重要影響因素，例如當隧道遇到涌水突泥等不良地質(zhì)時極易造成施工安全事故，使工期和造價均會大幅增加。

燕來隧道在初步設(shè)計階段設(shè)有兩個走廊帶方案：南線走廊帶隧道設(shè)1.4 km隧道和4.2 km隧道組合，中間有800 m路基;北線走廊帶設(shè)6.3 km隧道方案。兩個方案比選情況如下：

（1）南線走廊帶以路基和橋梁從燕來鄉(xiāng)后經(jīng)過，隧道長度短，隧道地質(zhì)條件好，工程造價低。兩隧道間路基和橋梁占用部分基本農(nóng)田。燕來隧道進口處位于原燕來鄉(xiāng)中心所在地，入口附近房屋密集，與燕來鄉(xiāng)幼兒園和小學相距均不足100 m，路基上有5級順層高邊坡，施工噪音大，擾亂居民生活，且施工爆破時可能造成民房受損或邊坡塌方。

（2）北線走廊帶在南線走廊帶的基礎(chǔ)上往北側(cè)偏移500 m，以隧道的形式下穿燕來鄉(xiāng)，避免占用基本農(nóng)田，對村莊和學校沒有干擾，且無順層高邊坡、滑坡堆積等不良地質(zhì)，沿線拆遷少，隧道長度長，造價高。

因此，考慮減少高速公路對沿線居民生活的影響，降低征拆難度，減少占用基本農(nóng)田，打造綠色公路與品質(zhì)工程，選擇北線走廊帶。

3 特長隧道路線方案的選擇

燕來隧道段路線方案在北線走廊帶的基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道洞口位置、洞身地質(zhì)條件及前后構(gòu)造物設(shè)置條件設(shè)計兩個方案進一步研究比選。

方案一采用高縱坡方案，采用燕來1號（長1 610 m）、燕來2號（長325 m）和燕來3號隧道（長4 226 m）組成的隧道群方案。由于燕來1號隧道出口地勢較高，路線縱坡較大，導致洞口前橋梁長度長，存在很多60 m以上的高墩，且這段路均為橋隧相接，無預(yù)制梁廠，施工難度大。

方案二采用低縱坡方案，將燕來1號、燕來2號和燕來3號隧道合成一個燕來隧道（6 311 m），增加隧道埋深，降低洞口前高程，從而使洞口前橋墩高度降低，同時將部分橋梁改成路基。

燕來隧道段兩方案構(gòu)造物設(shè)置情況和主要經(jīng)濟技術(shù)指標對比見表1和表2。

根據(jù)以上對比可知：

（1）技術(shù)指標：方案一最大縱坡為3.5%，隧道內(nèi)縱坡為2.5%，均明顯大于方案二，方案二技術(shù)指標優(yōu)于方案一。

（2）工程規(guī)模：方案二與方案一相比，隧道規(guī)模大，且增加一處265 m的斜井，橋梁規(guī)模小，土石方數(shù)量少，整體工程規(guī)模小，工程造價低。

（3）施工難易程度：方案一橋梁最大墩高為80 m，且該路段均為橋隧，無路基做預(yù)制梁廠，橋梁施工難度大;方案二橋梁最大墩高降低了30 m，且在燕來隧道洞口段增加一段550 m長的路基，可作為橋梁預(yù)制梁廠，極大地方便了橋梁施工。方案一采用隧道群方案，由燕來1號、燕來2號和燕來3號隧道組成，隧道施工工作面多，但洞口多，且部分洞口存在滑坡堆積;方案二隧道長6.3 km，設(shè)置斜井作為施工掌子面，施工工作面少，但洞口無須處治不良地質(zhì)。因此，兩方案隧道施工難度相當，但方案二施工難度更低。

（4）地質(zhì)條件：方案一中3座隧道間洞口均為沖溝，沖溝常年流水，且沖溝兩側(cè)廣泛分布滑坡堆積，洞口均需加強處治;方案二縱坡下壓，洞身埋深增加，圍巖等級較方案一占優(yōu)，且無須處治洞口滑坡堆積體。方案二地質(zhì)條件更優(yōu)。

（5）運營安全：對兩方案進行安全性評價和運行速度檢驗，兩方案沿線相鄰路段之間的技術(shù)指標合理，相鄰路段線性設(shè)計連續(xù)性好，兩方案運營安全性相當。

從以上五方面進行綜合比選分析，方案二技術(shù)指標較優(yōu)，施工難度低，地質(zhì)條件好，工程造價低，因此確定了方案二為最終施工圖設(shè)計方案。

4 輔助坑道的設(shè)計

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范（第二冊 交通工程與附屬設(shè)施）》[4]，采用縱向排煙的單向交通隧道，排煙設(shè)計的火災(zāi)煙霧最大行程在隧道內(nèi)不宜>5 000 m，因此，為滿足通風和項目工期的要求，長度>5 000 m的特長隧道一般需設(shè)置輔助坑道，輔助坑道采用斜井居多。輔助坑道僅作為施工通道時，應(yīng)綜合考慮工程造價和施工工期。如何布置最為合理，當采用斜井作為施工通道和通風作用時，應(yīng)綜合考慮施工工期、通風方式和工程造價等因素，選擇合理的斜井位置。

（1）施工工期

南丹至天峨下老高速公路計劃工期為36個月，燕來隧道長6 311 m，根據(jù)廣西其他在建和已建成項目的隧道建設(shè)經(jīng)驗，各級圍巖段隧道單向綜合掘進速度為：Ⅲ級圍巖段120 m/月;Ⅳ級圍巖段80 m/月;Ⅴ級圍巖段35 m/月。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，燕來隧道圍巖情況見表3。

若不設(shè)斜井采用對頭掘進施工，估算其工期為41個月，不滿足工期要求。為確保項目及時通車，需合理選擇斜井位置。燕來隧道左側(cè)120 m處有一處高程快速下降的山谷，可設(shè)計一條長約266 m的順坡排水施工/通風斜井，斜井采用順坡自然排水，掌子面不積水利于施工安全及進度，主洞斜井接入位置距離燕來隧道進口1 775 m，距離隧道出口4 536 m，因此燕來隧道的施工工期取決于斜井至出口段的施工時間。根據(jù)圍巖估算燕來隧道工期為28.8月，再考慮剩余的電纜溝、路面和機電設(shè)施施工時間，燕來隧道估算工期為32個月，同時考慮到特殊地質(zhì)對隧道施工的影響，工期考慮富余部分時間以確保項目按時通車。

（2）通風方案

燕來隧道為特長隧道，輔助坑道的設(shè)置須結(jié)合防災(zāi)救援系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮，因此，選擇合適的輔助坑道影響隧道通風方案的設(shè)計。目前廣西尚未有建成長度>5 000 m的隧道，調(diào)查相鄰省份高速公路特長隧道斜井情況及通風方式見表4。

由此可見，長度>5 500 m的高速公路隧道采用分段式通風方式居多，而采用分段式通風方式的隧道基本采用送排式通風方式。燕來隧道在正常通風工況下，可采用“斜井送排式+全射流縱向”通風方式，在火災(zāi)工況下采用單排式排煙方案，在該處設(shè)置斜井后排煙行程滿足規(guī)范中對排煙行程≤5 000 m的要求。

5 結(jié)語

（1）特長隧道作為高速公路的控制性工程，項目的建設(shè)對周邊村莊、水資源的保護、地方經(jīng)濟的促進作用影響比較大，是特長隧道走廊帶的控制性因素。

（2）特長隧道的工程造價和安全受地質(zhì)條件影響較大，應(yīng)做好工程地質(zhì)勘察，對不同的隧道位置和路線方案進行技術(shù)經(jīng)濟比選。

（3）輔助坑道的設(shè)計方案是影響特長隧道方案的關(guān)鍵因素，輔助坑道的設(shè)計決定了隧道施工工期、通風方案、施工成本、運營成本。工期估算時，必須考慮特殊地質(zhì)對隧道施工的影響。

[1]路仕洋.當金山特長隧道設(shè)計方案研究[J].隧道建設(shè)，2014（5）：452-459.

[2]翟正平.特長公路隧道方案選擇[J].中外公路，2018，38（4）：223-229.

[3]楊長健，吳湘濱.特長隧道施工地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價與控制研究[J].西部交通科技，2006（3）：100-104.

[4]JTG D70/2-2014，公路隧道設(shè)計規(guī)范（第二冊交通工程與附屬設(shè)施）[S].