林偉弟

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510507)

0 引 言

在山區(qū)高速公路工程的建設(shè)過程中，由于山區(qū)地質(zhì)單元較為復(fù)雜，經(jīng)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(xiàn)方案的優(yōu)選與替代。尤其是高速公路的發(fā)展，中短隧道和深挖路塹方案的優(yōu)選現(xiàn)象將越來越普遍。對于工程決策者來說，如何選擇一個經(jīng)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(shù)安全可靠，對生態(tài)環(huán)境和社會影響較小的方案。

按規(guī)范[1]規(guī)定：“是否采用隧道方案應(yīng)綜合考慮社會、經(jīng)濟、環(huán)保、地質(zhì)、工程造價等因素進行比選。當路基設(shè)計中心線處開挖深度達30 m 時，應(yīng)進行短隧道和深挖路塹方案的比較，比選不僅考慮建設(shè)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(yǎng)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(yǎng)護費用角度考慮，對山區(qū)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(yǎng)護費用比深路塹低。

王險峰[3]從工程經(jīng)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(qū)，當軟質(zhì)巖石或強風化硬質(zhì)巖石挖深大于28 m，微、弱風化硬質(zhì)巖石挖深大于34 m時，應(yīng)考慮采用隧道方案的技術(shù)可行性。

趙文彥[4]基于生態(tài)環(huán)境與深路塹、短隧道的關(guān)系，提出在山區(qū)高速中，綜合經(jīng)濟、技術(shù)與生態(tài)各方面因素進行對比，才能夠?qū)⒐方ㄔO(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響減小到最低程度。

伴隨著社會的不斷發(fā)展，人們對安全和環(huán)保的要求不斷提升，同時公路事業(yè)的進一步發(fā)展，公路等級要求也隨之提高，以及向山區(qū)發(fā)展的戰(zhàn)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(huán)境保護與公路建設(shè)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(shè)計速度100 km/h的雙向六車道高速公路標準建設(shè)，路基寬33.5 m。

全線共設(shè)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(zhì)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(jù)地質(zhì)勘察資料及野外地質(zhì)調(diào)繪成果，該路段主要由第四系坡殘積粉質(zhì)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(zhì)構(gòu)造

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪成果，坡體第四系覆蓋層及全～強風化層較厚，植被發(fā)育，坡體范圍未測得地層結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。

2.4 水文地質(zhì)概況

該路段所在地區(qū)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?？紫端饕x存于第四系松散層中，孔隙含水量隨季節(jié)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(cè)向滲流向溝谷流出或蒸發(fā)。

勘探期間在鉆孔深度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)地下水。

3 方案比選研究

3.1 短隧道方案

結(jié)合隧址區(qū)前后復(fù)雜的地形、地貌，初步設(shè)計階段，K475+000 ～ K476+000路段設(shè)置梅壟隧道(連拱)，全長304 m；采取自然通風并設(shè)置照明設(shè)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(cè)墻為半徑R2=505 cm 的弧面墻，洞門采用削竹式。

在K475+450處布設(shè)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(shè)計，復(fù)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(yè)一側(cè)隧道，間隔一段時間再施工作業(yè)另一側(cè)隧道。在兩側(cè)邊墻處設(shè)側(cè)導坑，中墻處設(shè)置中導坑，導坑的斷面尺寸依據(jù)隧道起拱線以下墻部輪廓尺寸，綜合導坑支護方案和內(nèi)層模筑襯砌鋼筋作業(yè)、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(chǎn)生滑坡，對其隧道出口的斜坡的穩(wěn)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(wěn)定。隧道洞口開挖后在洞頂形成的仰坡穩(wěn)定性較差；淺表巖層風化卸荷裂隙發(fā)育，易發(fā)小型崩塌，隧洞開挖可能發(fā)生掉塊或洞口坍塌現(xiàn)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(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，隧道結(jié)構(gòu)要具有一定的剛度，必要時需采取預(yù)注漿加固地層。通過綜合研究分析，對縱斷面進行優(yōu)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(jù)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(wěn)定的前提下，盡量采用適應(yīng)地形的坡率，使邊坡設(shè)計合理化。

(2) 邊坡附近地形變化較大，局部坡頂陡峭，兩側(cè)平緩或反坡，鉆孔揭露基巖出露于一～二級平臺，設(shè)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(wěn)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(shè)計原則，采用適當?shù)募庸谭雷o措施，合理布設(shè)，既保證邊坡穩(wěn)定，同時又注重與環(huán)境協(xié)調(diào)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(nèi)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(shè)計抗拔力為60 kN，錨桿長11.5 m，設(shè)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(nèi)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(yù)應(yīng)力錨索框梁加固，錨索長22 m，錨固段長10 m，梁內(nèi)6 cm客土噴播防護。其余坡面采用6 cm客土噴播防護。預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼絞線編制。錨固段長10 m，錨索設(shè)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(yù)應(yīng)力錨索框梁加固，錨索長22 m，錨固段長10 m，梁內(nèi)三維網(wǎng)植草防護。其余坡面采用三維網(wǎng)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(nèi)三維網(wǎng)植草防護。其余坡面采用三維網(wǎng)植草防護。

⑥六級：全坡面采用人字形骨架三維網(wǎng)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(wěn)定性。

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

表1 邊坡檢算采用的力學參數(shù)

根據(jù)擬定坡形坡率，經(jīng)過檢算，邊坡滑動安全系數(shù)為1.157，為基本穩(wěn)定邊坡；采用加固措施后邊坡整體滑動安全系數(shù)為1.214，符合規(guī)范要求。

3.3 短隧道與深路塹方案比較

隧道的設(shè)計和施工一般取決于地基的性質(zhì)和狀況，地質(zhì)構(gòu)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(shè)備和施工技術(shù)比路塹開挖施工復(fù)雜，機械設(shè)備投入較多、工期長、工藝復(fù)雜，施工人員技術(shù)要求較高。施工關(guān)鍵點是防止地質(zhì)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(jié)構(gòu)受力復(fù)雜[6]。

(2) 空氣污染。相對于深挖路塹，短隧道施工環(huán)境較為封閉，應(yīng)注意在施工的過程中有害氣體對施工的影響，同時也應(yīng)該用排風機和送風機組織隧道內(nèi)部和外部的氣體交換，施工作業(yè)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(nèi)行駛的過程中排放的尾氣，污染物很難擴散，隧道內(nèi)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(shè)施以保證隧道內(nèi)有害氣體的含量不至超標，確保隧道內(nèi)車輛安全行駛。

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

根據(jù)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(yǎng)護。短隧道施工技術(shù)難度大，初期建設(shè)成本與后期運營養(yǎng)護成本(主要是消防、照明等養(yǎng)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(yǎng)護費用與邊坡的水文地質(zhì)條件相關(guān)，只要對其進行科學的設(shè)計，適當?shù)募庸膛c防護，可以有效的降低風險，建設(shè)成本與養(yǎng)護成本較低。

(5) 安全性與通行能力。隧道通常是高速公路網(wǎng)的瓶頸路段，容易發(fā)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(fù)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(huán)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?cè)说囊曈X沒能夠立即適應(yīng)，容易導致交通事故發(fā)生，是交通事故的多發(fā)點。

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

短隧道方案可以避免對山體的大挖方，少占地，對生態(tài)環(huán)境和周邊環(huán)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(zhì)和松軟地層隧道一般都有超前防護，支護結(jié)構(gòu)需要加強，施工工期也比地層好的長，故其造價也比地質(zhì)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(diào)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?？勺畲笙薅鹊乩觅Y源，節(jié)約造價。

優(yōu)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(shè)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(jīng)濟性。

表2 主要工程數(shù)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(jié)合地物、地質(zhì)、水文等自然條件，通過上述綜合研究分析，在降低工程規(guī)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(shè)計優(yōu)化后，本項目在施工圖階段，較初步設(shè)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(xiàn)滑坡、坍塌等自然災(zāi)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(shù)上可靠，經(jīng)濟上合理，在社會、經(jīng)濟等方面均取得較好的效益。

4 結(jié) 論

本文總結(jié)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(xiàn)有植被的破壞，但其造價高，運營養(yǎng)護費用高，施工復(fù)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(qū)修建高速公路，綜合技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)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(qū)短隧道、深路塹與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，能夠?qū)⒐方ㄔO(shè)對生態(tài)環(huán)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(qū)公路建設(shè)與環(huán)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(qū)公路建設(shè)與生態(tài)環(huán)境問題的對策之一。在地質(zhì)條件較好，路基開挖后對生態(tài)環(huán)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(jīng)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(yōu)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(chǎn)生的棄渣來填筑路基，減少橋梁規(guī)模，顯著節(jié)約造價，技術(shù)上可靠，經(jīng)濟上合理，使本項目在社會、經(jīng)濟等方面取得較好的綜合效益。

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