李鋒

(廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司，福建 廈門 361026)

0 引言

海底隧道不受氣候條件影響，運(yùn)輸能力強(qiáng)大，已成為世界各國(guó)跨海交通的重要方式。海底隧道地質(zhì)條件復(fù)雜、工程投資巨大、風(fēng)險(xiǎn)較高，隧道最大縱坡的合理選擇是海底隧道前期方案研究的中關(guān)鍵，直接影響到整個(gè)隧道工程建設(shè)的規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)性和安全性。隧道最大縱坡設(shè)計(jì)，不僅要考慮施工期間的地質(zhì)、風(fēng)險(xiǎn)和工期等，還需考慮通行能力、行車安全和通風(fēng)效率等后續(xù)運(yùn)營(yíng)管理。因此，合理的縱坡設(shè)計(jì)方案不僅要保證隧道通行的效率和安全性，也應(yīng)滿足建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性。

在以往的研究中:趙勇［1］在瀏陽河隧道關(guān)鍵技術(shù)研究中，針對(duì)深埋、淺埋兩種縱坡方案進(jìn)行分析，考慮淺埋方案能夠節(jié)省建設(shè)投資、降低施工難度，推薦采用淺埋方案。魏景等［2］基于交通安全對(duì)南京長(zhǎng)江隧道不同最大縱坡組合的縱斷面布置方案進(jìn)行研究，論證了推薦方案是最優(yōu)的縱斷面布置方案。張志剛等［3］以連接香港、珠海及澳門跨海通道連線工程中的沉管隧道為載體，闡述了公路水下隧道最大縱坡的取值過程，從通行能力、行車安全性、通風(fēng)性能等論證了該項(xiàng)目隧道進(jìn)出口段的設(shè)計(jì)最大縱坡的合理性與科學(xué)性。在這些研究中，針對(duì)水下隧道最大縱坡的研究主要是基于通行安全、通行效率等因素論證最大縱坡取值的合理性，并沒有從隧道的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)以及車輛成本等方面進(jìn)行綜合分析。本文基于全壽命周期理念，對(duì)隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的影響因素進(jìn)行成本比較，并考慮車輛通行成本影響，對(duì)海滄海底隧道的最大縱坡選擇進(jìn)行分析，得出海滄隧道的最大縱坡較優(yōu)取值。

1 海滄海底隧道最大縱坡初步選擇

海底隧道最大縱坡的初步選擇從以下幾個(gè)方面入手:首先，縱坡擬定需結(jié)合項(xiàng)目交通量情況，符合國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求;其次，參照國(guó)內(nèi)外已建成的類似工程，使其處于一個(gè)合理的取值區(qū)間;再次，結(jié)合工程的地質(zhì)情況，縱坡選擇應(yīng)使得工程建設(shè)難度處于可控范圍。

1.1 工程背景

廈門海滄海底隧道是繼中國(guó)內(nèi)地第1條跨海隧道——廈門翔安隧道建成之后，計(jì)劃建設(shè)的另一條跨海隧道，全線采用雙向六車道Ⅰ級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，兼具城市快速路功能，設(shè)計(jì)行車速度80 kW/h，采用鉆爆法施工方案。隧道地質(zhì)情況與翔安隧道類似，暗挖段地質(zhì)以微弱花崗巖為主，下穿海域存在F1，F(xiàn)6等風(fēng)化槽，風(fēng)化槽是在海域幾條構(gòu)造破碎帶處全－強(qiáng)風(fēng)化帶異常深厚，而形成風(fēng)化深槽，巖體強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，存在發(fā)生滲透破壞的可能。受到兩端結(jié)構(gòu)物及路網(wǎng)銜接限制，隧道兩端洞口的位置已基本確定;同時(shí)，從隧道結(jié)構(gòu)安全角度，還應(yīng)滿足最小覆蓋層厚度要求?？傮w上，本項(xiàng)目客觀條件對(duì)縱坡設(shè)計(jì)限制極大，工程實(shí)施難度較大，因此選擇合理的隧道最大縱坡對(duì)隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)具有重要的意義。

1.2 相關(guān)規(guī)范要求

國(guó)內(nèi)相關(guān)公路及隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［4－6］規(guī)定:隧道縱坡一般不應(yīng)大于3%;當(dāng)條件受制時(shí)，可適當(dāng)加大，但不宜大于4%或5%;當(dāng)采用較大縱坡時(shí)，必須對(duì)行車安全性、通風(fēng)設(shè)備和營(yíng)運(yùn)費(fèi)用、施工效率等做充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合論證。

交通運(yùn)輸部擬頒布的《公路水下隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出水下隧道縱斷面線形應(yīng)考慮隧道工法、施工安全、行車安全、工程規(guī)模、通風(fēng)方案、營(yíng)運(yùn)費(fèi)用等方面要求，并應(yīng)符合下列規(guī)定:

1)可根據(jù)地形、地質(zhì)條件設(shè)計(jì)為“U”形、“V”形、“W”形，但沉管隧道不宜采用“W”形。

2)隧道最小縱坡不宜小于0.5%，最大縱坡不宜大于表1的取值。

表1 水下隧道極限縱坡參考表Table 1 Limits of longitudinal gradients of sub-water tunnels %

1.3 國(guó)內(nèi)外類似工程調(diào)研

國(guó)內(nèi)采用相同工法的海底隧道有同區(qū)域的廈門翔安隧道，最大縱坡是3%;青島膠州灣海底隧道，最大縱坡為3.9%，坡長(zhǎng)為830 m。國(guó)內(nèi)建成以及在建的水下隧道已經(jīng)較多，尤其是在上海，水下隧道受控因素較多，國(guó)內(nèi)多數(shù)水下隧道最大縱坡取值都較大，除少數(shù)水下隧道縱坡能控制在3%以下，多數(shù)水下隧道縱坡都大于3%。

在國(guó)外，歐美及日本修建的水下隧道較多，其要求［7－8］對(duì)隧道最大縱坡的要求較中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)較為寬松;根據(jù)挪威的統(tǒng)計(jì)資料，最大縱坡一般為6%～8%，最大可達(dá)10%。但對(duì)于大縱坡的隧道，歐洲往往采取交通管制，禁止排污較大的貨車、柴油車駛?cè)耄蛘咴龃髾C(jī)械通風(fēng)規(guī)模。國(guó)內(nèi)外主要水下隧道情況見表2。

表2 國(guó)內(nèi)外主要水下隧道列表Table 2 Parameters of main sub-water tunnels at home and abroad

1.4 隧道最小圍巖覆蓋厚度

鉆爆方案最小巖石覆蓋厚度是影響水下隧道造價(jià)和安全的最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。足夠的最小巖石厚度是保證鉆爆隧道工程建設(shè)能順利實(shí)施的關(guān)鍵。

采用的方法主要有:挪威經(jīng)驗(yàn)曲線、頂水采煤經(jīng)驗(yàn)、隔水巖柱經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值分析法等。擬頒布的《公路水下隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》提出:隧道頂部覆蓋層厚度在硬質(zhì)巖石地段不應(yīng)小于1.0D(D為隧道開挖跨度)，軟質(zhì)圍巖地段不應(yīng)小于1.5D。當(dāng)斷層破碎帶、風(fēng)化覆蓋層縱向比例較高時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大隧道埋深，以減少建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。本隧道地質(zhì)情況與翔安隧道類似，海中段多為微風(fēng)化花崗巖，因此，頂板基巖覆蓋層厚度按1.0D進(jìn)行控制。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果，海滄隧道海域段基巖面比較高，限制鉆爆法巖石頂板厚度的地段主要為兩端的F1，F(xiàn)6風(fēng)化槽處。針對(duì)地質(zhì)條件最不利的左線行車隧道，除兩處風(fēng)化槽外，當(dāng)最大縱坡為3%時(shí)，頂板基巖覆蓋層厚度為20～35 m，因此當(dāng)最大縱坡大于3%時(shí)，隧道頂板基巖覆蓋層厚度均能滿足1倍開挖跨度以上的巖石覆蓋層厚度。因此，從工程地質(zhì)角度，最大縱坡選擇的制約因素主要為隧道穿越風(fēng)化槽的長(zhǎng)度。

1.5 最大縱坡的初步選定

受制于海滄海底隧道兩端接線條件，結(jié)合已通車的翔安隧道運(yùn)行情況，參考相關(guān)規(guī)范要求，最初方案的隧道最大縱坡擬以3%進(jìn)行控制;但隨著地質(zhì)勘探的進(jìn)一步揭露及深入研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高隧道的最大縱坡，將明顯減少隧道穿越的海底不良地質(zhì)段，當(dāng)在最大縱坡達(dá)3.5%時(shí)，隧道可避免直接穿越F1風(fēng)化槽。風(fēng)化槽施工是鉆爆法海底隧道的控制性施工難點(diǎn)，縱坡加大可減少穿越風(fēng)化槽的長(zhǎng)度，將明顯降低施工風(fēng)險(xiǎn)和縮短施工工期;但縱坡加大又將對(duì)隧道的行車安全性、運(yùn)營(yíng)的通風(fēng)排水及車輛通行等造成一定影響。因F6風(fēng)化槽深度大，不管采用何種縱坡，均難以避開，故擬對(duì)最大縱坡3%和3.5%進(jìn)行深入對(duì)比研究。最大縱坡3.0%/3.5%，兩端接線地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 最大縱坡3.0%/3.5%，兩端接線地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of BZ line and BY line with the maximum longitudinal gradient being 3.0%/3.5%

2 不同縱坡的對(duì)比分析

當(dāng)隧道縱坡取值初步確定后，首先應(yīng)分析在某縱坡取值下，車輛通行能力及行車安全性是否能得到保證，在此前提下，對(duì)隧道進(jìn)行全壽命周期的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本以及車輛運(yùn)行成本進(jìn)行對(duì)比，通過量化的指標(biāo)得出比選結(jié)論。

2.1 通行能力及行車安全性分析

表3為交通預(yù)測(cè)值，表4為預(yù)測(cè)車型比例。

據(jù)表3及表4的交通量預(yù)測(cè)，本項(xiàng)目小型客貨車的比例超過90%。相關(guān)研究表明［9］:道路的通行能力隨著坡度的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但在小型客貨車比例超過90%，且最大縱坡不超過4%的情況下，道路通行能力隨坡度變化的影響較小。CJJ 37—2012根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》經(jīng)計(jì)算分析，2個(gè)縱坡條件下，至遠(yuǎn)景年項(xiàng)目道路可維持三級(jí)及以上服務(wù)水平，適應(yīng)該區(qū)域的交通需求。

表3 項(xiàng)目各特征年交通量最終預(yù)測(cè)值Table 3 Predicted traffic volume of the project pcu/d

表4 未來年預(yù)測(cè)車型比例Tabel 4 Predicted ratios of different types of vehicles in future years %

表5為不同縱坡條件下的最大坡長(zhǎng)。從表5可以得到，3%縱坡及3.5%縱坡下的允許最大坡長(zhǎng)分別為1 100 m和1 000 m。本項(xiàng)目2種最大縱坡下的設(shè)計(jì)最大坡長(zhǎng)為975 m，能夠滿足要求。研究表明［10－11］，車輛的速度與平均車速相差越大，即車速分布越離散，事故率就會(huì)越高;當(dāng)速度差大于20 km/h時(shí)，事故率上升，路段的安全性降低。基于汽車行駛的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析［12］，本項(xiàng)目?jī)煞N不同縱坡條件下(按各車型所占比例加權(quán)計(jì)算平均車速)的平均速度差僅10 km/h左右，能夠滿足行車安全性的速度差要求。

表5 不同縱坡條件下的最大坡長(zhǎng)Tabel 5 Maximum slope length under different longitudinal gradients m

2.2 不同縱坡條件下的風(fēng)化槽長(zhǎng)度

從地質(zhì)角度出發(fā)，不同的縱坡主要影響的區(qū)段主要在F1和F6風(fēng)化槽，采用3.0%和3.5%縱坡時(shí)，隧道在2個(gè)風(fēng)化槽段標(biāo)高差約10 m。

隧道穿越F1風(fēng)化槽時(shí)，采用3%縱坡時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)頂面巖石覆蓋層厚度大部分小于1倍洞徑，其中左線隧道K13+500～+700和K13+850～+890段，強(qiáng)風(fēng)化巖層直接侵入隧道;采用3.5%縱坡時(shí)，僅局部地段巖石覆蓋層厚度小于1倍洞徑，不存在強(qiáng)風(fēng)化巖層直接侵入隧道的情況，地質(zhì)條件改善明顯。隧道穿越F6風(fēng)化槽時(shí)，采用3%縱坡，約140 m強(qiáng)風(fēng)化巖層直接侵入隧道，在K14+980附近隧道結(jié)構(gòu)頂面巖石覆蓋層厚度僅3.5 m左右。采用3.5%縱坡時(shí)，約110 m強(qiáng)風(fēng)化巖層直接侵入隧道，在K14+980附近隧道結(jié)構(gòu)頂面弱風(fēng)化巖石覆蓋層厚度加大到13 m左右，地質(zhì)條件得到改善。

不同縱坡條件穿越風(fēng)化槽圍巖級(jí)別對(duì)比見表6。

表6 不同縱坡條件穿越風(fēng)化槽圍巖級(jí)別對(duì)比一覽表Table 6 Grades of surrounding rock of tunnel section passing through weathering slot under different longitudinal gradient conditions m

2.3 不同縱坡條件對(duì)工期及建安費(fèi)的影響

根據(jù)翔安隧道施工經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)化槽侵入隧道段需要采用超前大管棚+全斷面帷幕注漿堵水加固預(yù)處理，并采用CRD工法開挖，工程費(fèi)用高，施工工期長(zhǎng)。若風(fēng)化槽未侵入隧道開挖范圍但圍巖為V(1)級(jí)，施工時(shí)可采用超前小管棚對(duì)拱頂軟弱地層進(jìn)行注漿加固，采用CRD法開挖。若巖層為III、IV級(jí)圍巖，采用超前小導(dǎo)管支護(hù)，采用臺(tái)階法控制爆破施工，施工費(fèi)用及工期將明顯減少。

風(fēng)化槽段施工是工程的主要風(fēng)險(xiǎn)源，因此，風(fēng)化槽段的工期必須遵循相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格保障。參照翔安隧道的經(jīng)驗(yàn)，采用3%縱坡時(shí)，控制線路左線F1風(fēng)化槽段對(duì)估計(jì)會(huì)增加工期300 d以上，F(xiàn)6風(fēng)化槽段估計(jì)會(huì)增加工期60 d左右，對(duì)工期的影響不容忽視。

根據(jù)不同縱坡所穿越的不同風(fēng)化槽長(zhǎng)度，并參照翔安隧道風(fēng)化槽處理的造價(jià)計(jì)算，在F1，F(xiàn)6風(fēng)化槽段，采用3%縱坡時(shí)，風(fēng)化槽處理費(fèi)用及襯砌加強(qiáng)段費(fèi)用將較3.5%縱坡方案工程費(fèi)用增加約5 640萬元。

2.4 不同縱坡條件對(duì)運(yùn)營(yíng)成本的影響

1)通風(fēng)。通風(fēng)系統(tǒng)用電量及用電費(fèi)用估算見表7。計(jì)算分析表明，2種不同的縱坡方案對(duì)通風(fēng)影響不大，本項(xiàng)目各個(gè)時(shí)期通風(fēng)以稀釋煙塵所需風(fēng)量為主要控制指標(biāo)［13］。若采用最大縱坡3.5%時(shí)，左線需風(fēng)量較采用最大縱坡3.0%增加4%左右，但是各段風(fēng)量變得不均衡，其中上坡段增加25%，下坡段減小14%;右線需風(fēng)量與最大縱坡3.0%時(shí)基本相當(dāng)，其中上坡段增加5%，下坡段減小10%。采用3%縱坡時(shí)，估算通風(fēng)裝機(jī)容量8 070 kW;采用3.5%縱坡時(shí)，估算通風(fēng)裝機(jī)容量8 500 kW;采用3.5%縱坡方案將較采用3%縱坡方案多安裝16臺(tái)30 kW的射流風(fēng)機(jī)，工程費(fèi)用相差約150萬。

年運(yùn)營(yíng)成本方面，采用最大縱坡3.5%時(shí)，費(fèi)用將增加128萬元/年。

表7 通風(fēng)系統(tǒng)用電量及用電費(fèi)用估算Table.7 Estimation on quantity and cost of electrical power consumed by ventilation system

2)排水。根據(jù)翔安隧道施工期及運(yùn)營(yíng)階段對(duì)不同地質(zhì)段的出水量測(cè)試及分析，風(fēng)化槽地段的出水量遠(yuǎn)大于普通圍巖地段的出水量。由于不同縱坡條件下穿越風(fēng)化槽的長(zhǎng)度及穿越覆蓋層厚度的原因，給工程后期運(yùn)營(yíng)排水也造成了一定的影響。參照翔安隧道經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)化槽段主洞出水量約4 m3/(d·m)(翔安隧道左洞五通端主洞F1風(fēng)化槽，長(zhǎng)約70 m，出水量288 m3/d)，弱風(fēng)化基巖段，巖石強(qiáng)度較高，但由于圍巖裂隙的存在，滲水量也較大，主洞出水量約1.2 m3/ (d·m)(翔安隧道右洞翔安端豎井前后，長(zhǎng)約700 m，出水量826 m3/d)，一般微風(fēng)化巖段基巖出水量較少。以此為參照計(jì)算，F(xiàn)1，F(xiàn)6風(fēng)化槽段，采用3%和3.5%縱坡時(shí)，每天排水量分別為3 592 m3和2 642 m3，采用3%縱坡每天需多排950 m3水，估算每年需增加抽排水成本40萬元。

2.5 不同縱坡條件下的車輛運(yùn)行成本分析

車輛在不同的縱坡上運(yùn)行，其運(yùn)行成本是不一致的，顯然，更大的縱坡需要更多的燃油。根據(jù)按照費(fèi)用與效益計(jì)算范圍口徑對(duì)應(yīng)一致的原則，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用效益分析汽車運(yùn)輸成本也應(yīng)作調(diào)整。公路條件及交通條件對(duì)汽車運(yùn)輸成本的影響主要是燃料、潤(rùn)滑油、輪胎、修理費(fèi)用等，可以計(jì)算出各種縱坡條件下，車型運(yùn)行成本，如表8所示。

根據(jù)特征年交通量和車型比例預(yù)測(cè)結(jié)果，可測(cè)算出不同縱坡條件下，隧道全壽命期內(nèi)車輛運(yùn)行成本。車輛運(yùn)行成本在隧道下坡及平坡段基本相當(dāng)，主要差別在于上坡段，海滄隧道左線海滄端上坡段全長(zhǎng)約1.95 km，右線島內(nèi)上坡段全長(zhǎng)約2.1 km，估算在上坡段車輛總年運(yùn)行成本如表9所示。

表8 分車型汽車運(yùn)行費(fèi)用Table 8 Operation cost of different types of vehicles元/百車·km

表9 車輛特征年年運(yùn)行成本對(duì)比表Table 9 Annual operation cost of vehicles

2.6 不同縱坡條件的全壽命周期成本分析

據(jù)以上分析，采用3.5%最大縱坡較采用3%最大縱坡，能一次性減少建設(shè)成本5 640－150=5 490萬元;但在運(yùn)營(yíng)成本方面通風(fēng)將增加128萬元/年、排水將減少40萬元/年，合計(jì)增加年運(yùn)營(yíng)成本約88萬/年;因隧道埋深增加，隨著通車后交通量增長(zhǎng)，車輛年運(yùn)行成本(CCi)逐年增加。對(duì)不同縱坡條件下，進(jìn)行全壽命周期成本分析［14－15］，計(jì)算期按30年，折現(xiàn)率取值8%，同時(shí)通風(fēng)設(shè)備使用壽命按15年考慮，采用3.5%最大縱坡較采用3%最大縱坡全壽命周期成本減少5 490－150×2－88×(P/A，8%，30)－2 981萬。

3 結(jié)論與討論

本項(xiàng)目以采用3%最大縱坡為基準(zhǔn)，當(dāng)最大縱坡達(dá)3.5%時(shí)，穿越風(fēng)化槽的長(zhǎng)度將明顯減少，施工風(fēng)險(xiǎn)將降低，工期將縮短360 d以上，且能一次性減少建設(shè)成本5 490萬元，雖在年運(yùn)營(yíng)成本方面約增加運(yùn)營(yíng)成本約88萬/年，且隧道埋深增加造成車輛運(yùn)行成本增加，但按全壽命周期內(nèi)計(jì)算建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本及車輛運(yùn)行成本，全壽命周期成本減少約2 981萬元。因此，本項(xiàng)目最大縱坡擬選擇3.5%。

目前隧道的全壽命周期成本比較方案尚未有一個(gè)通行的模式，本文僅考慮縱坡變化對(duì)風(fēng)化槽穿越長(zhǎng)度的不同所造成的建設(shè)成本和預(yù)測(cè)的年運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行了對(duì)比，而對(duì)于不同縱坡帶來的車輛運(yùn)行成本也進(jìn)行了簡(jiǎn)化對(duì)比，對(duì)于其他影響因素，如工期變化、施工期通風(fēng)排水等需要量化的指標(biāo)，對(duì)成本的影響并未有更深的涉及。隧道的全壽命周期成本分析，需要進(jìn)一步進(jìn)行總結(jié)計(jì)算模式，為決策提供依據(jù)。

［1］ 趙勇.瀏陽河隧道關(guān)鍵技術(shù)問題的探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(12):54－56，73.(ZHAO Yong.Study of key technical problems for Liuyang river tunnel［J］.Railway Standard Design，2006(12):54－56，73.(in Chinese))

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［5］ JTG D20—2006公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.(JTG D20—2006 Design specification for highway alignment［S］.Beijing:China Communications Press，2006.(in Chinese))

［6］ CJJ 37—2012城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.(CJJ 37—2012 Code for design of urban road engineering［S］.Beijing:China Architecture＆Building Press，2012.(in Chinese))

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