羅　劍（湖南省交通科學(xué)研究院，湖南　長沙　410000）

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山區(qū)高速公路隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

羅劍（湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長沙410000）

山區(qū)高速公路其地質(zhì)、地形復(fù)雜，因此需要適當(dāng)建設(shè)隧道，但其建設(shè)難度進(jìn)一步加大，因而必須重視前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)。隧道設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)在重視技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，確保安全、功能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)“安全與效益”的統(tǒng)一，提高我國山區(qū)的高速公路隧道建設(shè)技術(shù)水平，本文即對(duì)此結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了探討，以供參考。

山區(qū)；高速公路；隧道；設(shè)計(jì)

1　引言

山區(qū)高速公路受地形限制，其高速公路隧道的建設(shè)難度較高，為了實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的安全、環(huán)保、舒適與和諧，必須通過提升山區(qū)高速公路隧道設(shè)計(jì)的科學(xué)性、可行性和安全性，從而為我國的山區(qū)高速公路發(fā)展提供助力，使其能夠更好地為經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

2　高速公路隧道設(shè)計(jì)

我國的山區(qū)地形通常較為狹窄，地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，其工程的建設(shè)必須通過統(tǒng)籌規(guī)劃，對(duì)于隧道的設(shè)計(jì)，更需要在設(shè)計(jì)中服從路線需要，綜合考慮實(shí)際地形地質(zhì)，注重與隧道“功能”和周邊“環(huán)境”的和諧統(tǒng)一，進(jìn)行合理的地形選線、地質(zhì)選線、環(huán)保選線和安全選線，結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)，保證路線可以與實(shí)際環(huán)境條件相適應(yīng)，滿足通行質(zhì)量和行車安全。

在設(shè)計(jì)高速公路隧道時(shí)，應(yīng)當(dāng)從隧道選址開始，提出可行方案，明確其自然建設(shè)條件、建設(shè)規(guī)模和運(yùn)營管理技術(shù)的難度與費(fèi)用等問題，進(jìn)行系統(tǒng)的論證和比選，最終在基本符合路線總體要求的前提下，確定設(shè)計(jì)方案。例如對(duì)于低線方案路線，通常其地形、地質(zhì)條件較好，路線的平縱指標(biāo)高，但由于隧道較長，通風(fēng)照明方面的運(yùn)營費(fèi)用相對(duì)較高；而高線方案因?yàn)槁肪€需要提前展線提坡，但隧道較短，路線線形標(biāo)準(zhǔn)偏低，地質(zhì)條件則相應(yīng)較差。

3　山區(qū)高速公路隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1洞口段線形設(shè)計(jì)

就多次事故來看，許多與隧道相關(guān)的交通事故通常發(fā)生在隧道引道，或距離隧道前200m的范圍內(nèi)。主要是因?yàn)樵谕挥鏊淼罆r(shí)，駕駛員視野會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)性中斷，在進(jìn)出隧道時(shí)，由于光線變化而影響了駕駛?cè)藛T的反映速度，導(dǎo)致一時(shí)間難以適應(yīng)明暗交替，導(dǎo)致非正常操作，因而發(fā)生交通事故。因此，可以設(shè)計(jì)隧道洞口段線形的連續(xù)性，在隧道進(jìn)出口的位置進(jìn)行平縱線形施工處理，以改善司機(jī)的適應(yīng)光過度，從而提升行車安全性。

3.2路線總設(shè)計(jì)

由于在山區(qū)進(jìn)行高速公路建設(shè)，必然會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)造成一定的破壞，同時(shí)為了減少資源的浪費(fèi)，隧道設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)兼顧多種因素，路線總體設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)注重實(shí)際需求和環(huán)境協(xié)調(diào)，綜合考慮地形、地質(zhì)、環(huán)保和安全方面的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，如果是一級(jí)公路，可以使用分離式方案，分析施工過程中存在的經(jīng)濟(jì)效益與施工技術(shù)，全面了解長、中、短隧道方案各自的優(yōu)劣，以確保經(jīng)濟(jì)效益為前提，采取多種隧道長度相結(jié)合的辦法，提高隧道路線設(shè)計(jì)靈活性。

3.3隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行隧道橫截面設(shè)計(jì)時(shí)，要求能夠保證其具有一定耐久性，同時(shí)綜合考慮行車的安全、后期養(yǎng)護(hù)便捷、災(zāi)害防治以及生態(tài)影響等。為確保行車的安全，隧道結(jié)構(gòu)形式除了可以在路口段設(shè)置明洞，還可以運(yùn)用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的方式。如果出現(xiàn)斜交進(jìn)洞情況，則可適當(dāng)采用斜交襯砌結(jié)構(gòu)，注意斜交角度在原則上應(yīng)當(dāng)大于45°。設(shè)計(jì)中，還應(yīng)當(dāng)重視圍巖變形監(jiān)測、信息反饋，作為重要的設(shè)計(jì)參考。

3.4隧道通風(fēng)方式的選擇

對(duì)于一些特長隧道的設(shè)計(jì)，由于隧道需要深入山體，其中會(huì)出現(xiàn)氧氣量少的狀況，甚至混雜有害氣體，影響了隧道空氣質(zhì)量，嚴(yán)重威脅施工人員身體健康。當(dāng)前，使用壓入式通風(fēng)獨(dú)頭通風(fēng)的最大長度為3400m，而使用巷道式通風(fēng)，則可以極大延長通風(fēng)長度。隧道通風(fēng)主要是為了使洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境得以改善。由于不同的施工工序?qū)Χ磧?nèi)環(huán)境造成的污染不同，并且隨著隧道挖掘深度的增加，通風(fēng)量也會(huì)變大。因此，要分階段設(shè)計(jì)通風(fēng)方案，在制定通風(fēng)方案之前，應(yīng)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)需要的風(fēng)壓和風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。

3.5防排水設(shè)計(jì)

山區(qū)隧道必須重視防排水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以“防、排、堵、截”為原則，在洞內(nèi)設(shè)計(jì)形成一套完整、通暢、容易維護(hù)的防排水系統(tǒng)?？紤]到氣候可能對(duì)防排水系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，在設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)時(shí)，可以考慮在隧道初期支護(hù)、二次襯砌之間，設(shè)置保溫層，以保證防排水系統(tǒng)即便在嚴(yán)寒環(huán)境下，也可以正常使用。

4　山區(qū)高速公路隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)例分析

4.1工程概況

某公路隧道地勢西北高東南低，由于地質(zhì)構(gòu)造特征，該工程隧道地質(zhì)特征也比較復(fù)雜。該公路隧道進(jìn)口段主要被花崗巖覆蓋，分布不均，其他為砂土填充，砂層厚度超過2m，屬于V級(jí)圍巖。隧道出口鄰近U字形溝槽，溝槽內(nèi)常年積水。對(duì)該工程造成影響的地質(zhì)因素主要是隧道進(jìn)口多塊石堆積層，經(jīng)雨水沖刷容易在洞門外淤積。

4.2該公路隧道設(shè)計(jì)原則

①遵循《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）中的相關(guān)規(guī)定；②洞口要設(shè)置洞門，洞門結(jié)構(gòu)可以是柱式、端墻式、臺(tái)階式等，洞門結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)洞口的具體地質(zhì)情況和施工特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；③當(dāng)隧道中線和隧道洞口地形的等高線斜交時(shí)，洞門結(jié)構(gòu)宜采用斜交式，線路中線和端墻的交角應(yīng)大于45°；④隧道內(nèi)部輪廓的設(shè)計(jì)除了要符合隧道建設(shè)規(guī)定，同時(shí)要保證洞內(nèi)設(shè)備齊全，比如洞內(nèi)的排水設(shè)施、通風(fēng)、檢修道、照明以及運(yùn)營管理等設(shè)施；⑤公路隧道施工圖的設(shè)計(jì)遵照 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）中推薦的隧道內(nèi)輪廓建設(shè)；⑥位于風(fēng)景區(qū)、城鎮(zhèn)、車站附近的隧道洞門設(shè)計(jì)要符合建筑美觀要求，與城市建設(shè)和環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)；⑦注重隧道“監(jiān)控量測”和“地質(zhì)超前預(yù)報(bào)”。

4.3高速公路隧道設(shè)計(jì)

4.3.1洞門設(shè)計(jì)

隧道洞口位置的確定應(yīng)遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則，注意邊坡及仰坡的穩(wěn)定。應(yīng)與周圍自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，隧道洞口應(yīng)避開居民點(diǎn)，當(dāng)不能避開時(shí)，應(yīng)考慮施工爆破對(duì)人身及房屋等設(shè)施的影響和采取環(huán)境保護(hù)措施。隧道洞口位置的選擇應(yīng)與隧道前后構(gòu)造物協(xié)調(diào)。在橋隧緊接的情況下，應(yīng)綜合考慮洞口與橋跨布局、結(jié)構(gòu)處理的整體性，避免橋隧工程施工相互干擾。隧道洞口的選擇主要受地形和地質(zhì)條件控制：

①隧道洞口中線，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)與地形的等高線為垂直狀態(tài)。如果施工條件有限，可以大角度斜交的方式進(jìn)洞，從而避免與等高線平行進(jìn)洞；②隧道洞口應(yīng)選擇在山坡穩(wěn)定、地質(zhì)條件較好處，不應(yīng)設(shè)置在偏壓很大及嚴(yán)重不良地質(zhì)地段。溝谷和山凹往往是地表水和地下水的匯集之處，地質(zhì)構(gòu)造也多較為軟弱破碎，洞口位置應(yīng)避開溝谷和山凹的中心，盡量在凸出的山坡附近進(jìn)洞。當(dāng)溝底高程較高或上跨其他構(gòu)造物時(shí)，應(yīng)對(duì)地表徑流作妥善處置，并加強(qiáng)洞口段的防水和排水措施；③對(duì)于不穩(wěn)定巖層，在開挖之后非常容易導(dǎo)致順層滑動(dòng)或坍塌，應(yīng)當(dāng)宜提早進(jìn)洞。當(dāng)隧道避開堆積層進(jìn)洞有困難時(shí)，不宜采用清方的辦法縮短洞口。應(yīng)維護(hù)山體的穩(wěn)定和洞口施工的安全，采取接長明洞或采用洞口大管棚及洞口地表注漿加固等工程措施。隧道洞口基本與等高線垂直情況如圖1所示。

在本隧道工程中，為了確保不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，在隧道的洞口結(jié)合當(dāng)?shù)氐孛驳匦翁卣鲗?shí)施了整體設(shè)計(jì)，并且在洞口周圍種植與地形特征相符的綠色植物。

圖1　基本與等高線垂直進(jìn)洞的隧道

4.3.2隧道襯砌設(shè)計(jì)

本路段隧道襯砌結(jié)構(gòu)主要根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件及施工條件分為淺埋和深埋段復(fù)合式襯砌、明洞襯砌。除Ⅴ級(jí)圍巖土質(zhì)的隧道可以使用礦山法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)以外，其他襯砌均使用新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)施工；通過工程類比等計(jì)算方法確定襯砌設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)；在圍巖比較差的地段，其襯砌應(yīng)向圍巖較好的地段延長10m左右，并且在主洞與車行橫通道交叉地段設(shè)置加強(qiáng)段襯砌，襯砌材料均使用鋼筋凝土；明洞襯砌的拱墻、仰拱鋼筋混凝土強(qiáng)度為C25。

4.3.3通風(fēng)與照明設(shè)計(jì)

①根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際自然環(huán)境，本隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)為射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)式通風(fēng)；②本隧道考慮到其長度應(yīng)設(shè)置電纜槽。隧道內(nèi)供電采用380/220V的三相四線系統(tǒng)以及380V動(dòng)力設(shè)備。

4.3.4防排水設(shè)計(jì)

①洞內(nèi)的防排水。為及時(shí)排出襯砌背后的積水，在該隧道內(nèi)沿著巖面環(huán)向設(shè)置透水管，透水管和墻底部縱向排水管（φ100mm）相連，并且每30m布設(shè)一處橫向引水管，把縱向排水管里的水引入到側(cè)溝內(nèi)，再由側(cè)溝從引水道排向隧道外；②洞外防排水。在隧道進(jìn)口端洞外的側(cè)溝布設(shè)5%的反坡排水，并且在距洞口外1～2m處地面設(shè)一處深3m、寬4m的橫向盲溝來攔截路面水；③明洞防排水。明洞采用黏土隔水層及外貼式防水層；④隧道防排水。隧道防排水采用“防、截、排、堵”相結(jié)合的防滲方案。在施工前根據(jù)掌握的資料結(jié)合地形對(duì)地下出水情況進(jìn)行分析和水量計(jì)算，制定最佳的排水措施。除此之外要對(duì)該公路隧道內(nèi)部的出水位置、水量大小、變化規(guī)律以及水質(zhì)成分等做好相關(guān)的勘測與記錄，達(dá)到邊墻和拱部不滲水、道床不冒水不積水的效果。

5　結(jié)語

山區(qū)高速公路由于地質(zhì)地形非常復(fù)雜，建設(shè)的難度大，設(shè)計(jì)工作需要考慮到大量的干擾因素，對(duì)隧道整體的安全性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性綜合分析，設(shè)計(jì)之前一定要大量研究當(dāng)?shù)仡愃乒こ痰脑O(shè)計(jì)過程，吸取類似公路隧道建設(shè)和施工的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，確保隧道的施工安全和施工質(zhì)量。

［1］徐國平，蘇權(quán)科，李貞新，等.外海超長沉管隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.公路，2015（4）：1～7.

［2］付香才.城市公路隧道設(shè)計(jì)和施工中的要點(diǎn)探討［J］.城市建設(shè)理論研究：電子版，2014（1）：56～57.

［3］張晉毅.復(fù)雜地質(zhì)條件下軌道交通長大隧道設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2015，11（1）：46～47.

羅 劍（1978-），男，工程師，碩士，主要從事公路工程質(zhì)量檢測等工作。

U452.2

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2095-2066（2016）11-0176-02

2016-3-25