唐 中 強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

水電工程移民專(zhuān)業(yè)公路工程項(xiàng)目主要包括復(fù)建水庫(kù)淹沒(méi)道路和新建集鎮(zhèn)、居民點(diǎn)對(duì)外連接道路兩個(gè)類(lèi)型。中華人民共和國(guó)發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的《水電工程移民專(zhuān)業(yè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5379-2007)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“移民專(zhuān)項(xiàng)規(guī)范”)中明確了水電工程建設(shè)征地影響公路復(fù)建的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)總則第“3.0.2”中第1條規(guī)定“對(duì)水電工程建設(shè)征地影響的鐵路、公路、水運(yùn)、電力、電信、廣播電視等設(shè)施需要恢復(fù)的，應(yīng)根據(jù)影響程度，按原規(guī)模、原標(biāo)準(zhǔn)(等級(jí))、恢復(fù)功能的原則，結(jié)合項(xiàng)目所在地的地形、地質(zhì)條件等，選擇經(jīng)濟(jì)合理的復(fù)建方案或處理方案”。根據(jù)上述條款規(guī)定，淹沒(méi)道路為等級(jí)公路的，按照中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)建。對(duì)于四川省境內(nèi)的通村、通鄉(xiāng)公路，按照四川省交通運(yùn)輸廳公路局發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范農(nóng)村公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和審批程序的通知》(交路農(nóng)建函〔2011〕251號(hào))中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)建。對(duì)于淹沒(méi)道路為居民生產(chǎn)區(qū)連接道路、連接少量分散居住居民的道路或主要通行畜力車(chē)等非機(jī)動(dòng)車(chē)及小型拖拉機(jī)的道路，根據(jù)道路功能的不同，按照移民專(zhuān)項(xiàng)規(guī)范中擬定的汽車(chē)便道或機(jī)耕道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)建。

移民專(zhuān)項(xiàng)規(guī)范未擬定汽車(chē)便道及機(jī)耕道標(biāo)準(zhǔn)下隧道工程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。公路行業(yè)隧道建筑限界最小寬度為7.0 m，移民專(zhuān)項(xiàng)規(guī)范汽車(chē)便道路基設(shè)計(jì)寬度為4.5 m，隧道設(shè)計(jì)寬度及工程投資均與汽車(chē)便道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不匹配。因此，在目前的汽車(chē)便道設(shè)計(jì)中，道路平面均采用明線(xiàn)設(shè)計(jì)，在通過(guò)高山峽谷地帶時(shí)，存在路基挖方邊坡過(guò)高、工程投資大、路基開(kāi)挖后防護(hù)施工難度大、易引發(fā)次生災(zāi)害等不利因素。

筆者擬通過(guò)對(duì)移民專(zhuān)項(xiàng)規(guī)范、四川省交通廳針對(duì)通村公路的相關(guān)規(guī)定、公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，結(jié)合道路等級(jí)，在滿(mǎn)足各行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，探討通過(guò)適當(dāng)減小隧道建筑限界寬度以減小公路隧道凈空，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行安全的目的，為等外級(jí)公路設(shè)計(jì)提供另一種選擇。

1 隧道標(biāo)準(zhǔn)的擬定

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)中“4.4隧道橫斷面設(shè)計(jì)”章節(jié)規(guī)定了隧道建筑限界。根據(jù)規(guī)定，四級(jí)公路隧道建筑限界最小寬度為7.0 m。在同時(shí)滿(mǎn)足行業(yè)其他標(biāo)準(zhǔn)的情況下，汽車(chē)可以20 km/h的行駛速度通過(guò)隧道。移民專(zhuān)項(xiàng)規(guī)范中的鄉(xiāng)村道路主要通行少量汽車(chē)、農(nóng)用機(jī)械、畜力車(chē)及小型拖拉機(jī)，交通量小，通行車(chē)輛較為固定，通行速度慢。若按公路行業(yè)規(guī)定的隧道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在功能上會(huì)造成較大浪費(fèi)，且復(fù)建道路造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)性差。

公路行業(yè)在《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中擬定了車(chē)輛橫向布置模型，擬以此模型為基礎(chǔ)，討論擬定隧道建筑限界設(shè)計(jì)寬度。模型中車(chē)輛輪距1.8 m，車(chē)輛總寬2.5 m，車(chē)輛橫向間距0.6 m，車(chē)輪距路側(cè)構(gòu)筑物0.5 m。車(chē)輛橫向布置見(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)輛橫向布置(單位：cm)

鄉(xiāng)村道路上設(shè)計(jì)行車(chē)速度比公路行業(yè)公路設(shè)計(jì)行車(chē)速度慢，車(chē)輛橫向晃動(dòng)幅度較小，擬通過(guò)減小車(chē)輛間距、車(chē)輛與路側(cè)構(gòu)筑物距離的方式，減少車(chē)輛占用寬度，達(dá)到縮短隧道建筑限界寬度的目的。因隧道工程擴(kuò)建困難，考慮地方發(fā)展需求，需提高標(biāo)準(zhǔn)來(lái)擬定隧道建筑限界寬度，以四川省農(nóng)村公路村道路基寬度作為鄉(xiāng)村道路隧道路面凈寬，即隧道內(nèi)路面凈寬5.5 m，橫向建筑限界6.0 m。參照公路行業(yè)車(chē)輛橫向布置方式，初步擬定隧道內(nèi)車(chē)輛橫向布置(見(jiàn)圖2)。

圖2 隧道建筑限界內(nèi)車(chē)輛橫向布置(單位：cm)

由圖2可知，車(chē)輛會(huì)車(chē)間距減少20 cm，車(chē)輪與外側(cè)構(gòu)筑物距離減小10 cm，行車(chē)道寬度由5.9 m降低至5.5 m，減小了6.7%；設(shè)計(jì)行車(chē)速度由20 km/h降低至15 km/h，速度減小了25%，確保了行車(chē)通行的安全。

根據(jù)擬定的建筑限界，設(shè)計(jì)隧道內(nèi)輪廓斷面寬7.6 m、高6.9 m，隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)第“8.4.2”章節(jié)中，提供了隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)參考值。因擬定的鄉(xiāng)村道路隧道內(nèi)輪廓尺寸較等級(jí)公路減小，導(dǎo)致作用于隧道結(jié)構(gòu)的圍巖壓力也相應(yīng)減小。作者擬通過(guò)作用于隧道襯砌結(jié)構(gòu)上圍巖壓力的對(duì)比分析，以公路行業(yè)規(guī)范推薦的隧道支護(hù)參數(shù)參考值為基礎(chǔ)，提出鄉(xiāng)村道路小斷面隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)參考值。

鑒于隧道工程涉及圍巖等級(jí)不同，襯砌所受?chē)鷰r壓力不同，襯砌支護(hù)參數(shù)也不同，受文章篇幅限制，僅以Ⅴ級(jí)圍巖、淺埋隧道為例，利用公路隧道規(guī)范中“表A.0.4-1 各級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值”所給定的Ⅴ級(jí)圍巖力學(xué)指標(biāo)中間值進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 襯砌圍巖壓力對(duì)比

隧道襯砌所受的圍巖壓力主要是拱頂土體的垂直壓力、拱側(cè)土體的側(cè)向壓力，土體受自身重力以及土體內(nèi)假象破裂面對(duì)土體的摩擦反力影響。利用ANSYS有限元分析軟件，分別對(duì)不同寬度的隧道襯砌受力進(jìn)行分析，其軸力及彎矩見(jiàn)圖4，隧道襯砌受力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

計(jì)算對(duì)比揭示，隧道凈空隨建筑限界減小后，隧道襯砌所受彎矩及軸力占等級(jí)公路最小凈空襯砌受力的56.34%、67.35%。通過(guò)適當(dāng)減小隧道內(nèi)輪廓尺寸，可降低隧道襯砌受力，因此減少支護(hù)措施以降低隧道單位造價(jià)是可行的。

2.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及對(duì)比

隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用常規(guī)的復(fù)合式襯砌，按照公路行業(yè)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)程規(guī)范計(jì)算擬定襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)。

計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)法理論，分別計(jì)算隧道拱圈承受的豎向及橫向荷載，將隧道沿襯砌環(huán)向、每25 cm分解成一個(gè)小的受力單元，利用有限元分析軟件計(jì)算其安全系數(shù)。由于受力單元由帶鋼架的噴射混凝土(初期支護(hù))或配筋的模筑混凝土(二次襯砌)組成，計(jì)算過(guò)程中，將其看做是鋼筋混凝土受壓構(gòu)件。同時(shí)，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中“7.1.2”章節(jié)給定的最大裂縫寬度計(jì)算公式，計(jì)算出鋼筋混凝土最大裂縫寬度。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)理論及計(jì)算原則，擬定并驗(yàn)算隧道不同內(nèi)輪廓尺寸在Ⅴ級(jí)圍巖淺埋工況下最大埋深的安全系數(shù)，據(jù)此確定隧道支護(hù)參數(shù)。不同內(nèi)輪廓尺寸隧道主要支護(hù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

圖4 隧道襯砌受力分析

表1 隧道襯砌受力對(duì)比統(tǒng)計(jì)

根據(jù)擬定的支護(hù)參數(shù)，計(jì)算隧道襯砌工程量及工程投資。根據(jù)計(jì)算成果，6.0 m建筑限界對(duì)應(yīng)的隧道每延米估算投資為5.5萬(wàn)元，7.0 m建筑限界對(duì)應(yīng)的隧道每延米估算投資為7.5萬(wàn)元。隧道內(nèi)輪廓尺寸減小后，投資減少約27%。

3 工程應(yīng)用分析

本文選取大崗山水電站紅花崗村對(duì)外連接道路項(xiàng)目樁號(hào)K1+000 m～K1+100 m段做為對(duì)比分析路段，分別采用明線(xiàn)與隧道設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)比分析，論證隧道方案在等外級(jí)公路應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性與可行性。

3.1 項(xiàng)目等級(jí)

大崗山水電站紅花崗村對(duì)外道路連接大渡河右岸的南投村與省道211線(xiàn)。南投村被劃為水庫(kù)蓄水滑坡影響區(qū)，但影響區(qū)內(nèi)居民已搬離，影響區(qū)線(xiàn)外仍有大量耕地，需要規(guī)劃建設(shè)對(duì)外交通道路以滿(mǎn)足居民生產(chǎn)需要。

對(duì)外交通道路命名為紅花崗村對(duì)外連接道路，主要用于通行農(nóng)用車(chē)輛，擬定其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為移民專(zhuān)項(xiàng)規(guī)范中的機(jī)耕道。該道路路基寬4.5 m，路面寬3.5 m，采用水泥混凝土路面。

3.2 地形地貌條件

紅花崗村對(duì)外連接道路樁號(hào)K1+000 m～K1+100 m對(duì)比分析段位于瀘定縣得妥鄉(xiāng)境內(nèi)大渡河右岸傾向大渡河的單面山坡上，地面橫坡53°～57°。道路沿線(xiàn)路基由晉寧期石英閃長(zhǎng)巖組成，中等風(fēng)化，巖體完整性差，卸荷強(qiáng)烈，巖體多呈散體狀結(jié)構(gòu)。

3.3 設(shè)計(jì)方案對(duì)比

3.3.1 明線(xiàn)方案

明線(xiàn)方案路線(xiàn)平面沿地形等高線(xiàn)布設(shè)，對(duì)比段設(shè)計(jì)明線(xiàn)長(zhǎng)120 m，范圍內(nèi)設(shè)計(jì)3個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)，圓曲線(xiàn)半徑從15～30 m不等，最短圓曲線(xiàn)長(zhǎng)9.5 m，最長(zhǎng)圓曲線(xiàn)24.5 m。受地形條件限制，圓曲線(xiàn)長(zhǎng)度較短，雖滿(mǎn)足行車(chē)安全要求，但行車(chē)舒適性受到一定影響。明線(xiàn)方案平面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

由于道路通過(guò)路段地面橫坡較陡，路基開(kāi)挖工程量大，路塹最大開(kāi)挖邊坡高65 m，最小開(kāi)挖邊坡高41 m，最大斷面開(kāi)挖土石方454 m3。該段路基設(shè)計(jì)開(kāi)挖土石方37 590 m3，平均每公里路基土石方開(kāi)挖37.6萬(wàn)m3，較四級(jí)公路平均每公里路基土石方開(kāi)挖3萬(wàn)m3，增加10倍有余。

該項(xiàng)目于2013年開(kāi)始實(shí)施。2014年7月，工程所在地遇超標(biāo)準(zhǔn)局部暴雨，部分完工工程由于暴雨影響，受到不同程度的損壞。對(duì)比段挖方邊坡受開(kāi)挖卸荷及暴雨沖刷雙重影響，樁號(hào)K1+020 m～K1+057 m挖方邊坡部分垮塌。因邊坡較高，落石沖擊能量大，砸壞部分已建路基，另有一些塌方滾落進(jìn)大渡河，一些仍堆積在路基。

為確保道路正常、安全使用，對(duì)該對(duì)比段邊坡垮塌部分進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)內(nèi)容包括清除塌方、清除坡面松動(dòng)圍巖、新建衡重式路肩墻補(bǔ)足路基寬度。直至項(xiàng)目實(shí)施完成，對(duì)比段道路明線(xiàn)設(shè)計(jì)投資約368萬(wàn)元，工程投資及主要工程量見(jiàn)表3。

表3 紅花崗村對(duì)外連接道路樁號(hào)K1+000 m～K1+100 m對(duì)比段投資分析

3.3.2 隧道方案

隧道方案在道路樁號(hào)K1+000 m處垂直等高線(xiàn)進(jìn)洞，在明線(xiàn)樁號(hào)K1+100 m處垂直于等高線(xiàn)出洞，隧道長(zhǎng)70 m，最大埋深26 m。隧道擬采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用22 cm厚鋼架?chē)娚浠炷?，二次襯砌采用45 cm厚C25鋼筋混凝土。隧道方案平面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖6 樁號(hào)K1+000 m～K1+100 m對(duì)比段隧道方案平面設(shè)計(jì)

根據(jù)本文3.2章節(jié)估算的隧道單位投資，估算出該段道路隧道方案工程投資約385萬(wàn)元。

3.4 對(duì)比及結(jié)論

本文從施工難易程度、施工風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量控制、使用風(fēng)險(xiǎn)、工程投資幾個(gè)方面，對(duì)明線(xiàn)方案和隧道方案進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

在施工難易程度方面，明線(xiàn)方案涉及施工臨時(shí)便道及土方開(kāi)挖的組織實(shí)施；隧道方案涉及防護(hù)、開(kāi)挖、支護(hù)等施工工藝，且各步驟銜接緊密。明線(xiàn)方案施工工藝相對(duì)容易。

在施工風(fēng)險(xiǎn)方面，隧道方案只能按隧道施工工藝實(shí)施，施工風(fēng)險(xiǎn)可控；明線(xiàn)高邊坡開(kāi)挖施工過(guò)程中，施工規(guī)范允許的分層開(kāi)挖施工周期長(zhǎng)，成本高，施工單位幾乎不會(huì)按規(guī)范施工，多采用掏腳開(kāi)挖，施工風(fēng)險(xiǎn)較難控制。

在質(zhì)量控制和使用風(fēng)險(xiǎn)方面，因明線(xiàn)施工采用掏腳開(kāi)挖，高邊坡較高的開(kāi)挖面無(wú)法采用機(jī)械修坡，坡面不可避免地出現(xiàn)松動(dòng)石塊，在施工和運(yùn)營(yíng)的前幾年，會(huì)出現(xiàn)高空落石，存在落石砸壞路基、砸傷過(guò)往行人及車(chē)輛等風(fēng)險(xiǎn)。由于隧道工作面小，所有工作面都必須采用機(jī)械施工，且成型后基本無(wú)裸露面，質(zhì)量控制更可靠，使用風(fēng)險(xiǎn)更小，且隧道平面線(xiàn)形順暢，行車(chē)舒適性較好。

在工程投資方面，因減小了隧道凈空輪廓，隧道投資大幅降低，兩個(gè)方案工程投資相差不到5%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從水電移民項(xiàng)目交通恢復(fù)工程無(wú)隧道設(shè)計(jì)指標(biāo)，導(dǎo)致采用的公路行業(yè)隧道設(shè)計(jì)指標(biāo)與水電移民工程不匹配的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)行車(chē)寬度進(jìn)行分析，提出降低隧道建筑限界寬度，從而達(dá)到減小隧道內(nèi)輪廓、降低隧道投資的目的。

表4 明線(xiàn)方案、隧道方案對(duì)比分析

筆者在文中分析了降低隧道建筑限界寬度的合理性。根據(jù)降低后的隧道建筑限界尺寸，擬定了隧道內(nèi)輪廓尺寸，對(duì)新擬定的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。根據(jù)分析結(jié)果顯示，隧道內(nèi)輪廓尺寸減小后，隧道襯砌所受彎矩及軸力分別減少43.66%、32.65%，隧道單位投資減少27%。

通過(guò)大崗山水電站紅花崗村對(duì)外連接道路K1+000 m～K1+100 m段工程設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)明線(xiàn)方案與隧道方案進(jìn)行對(duì)比。相較于明線(xiàn)設(shè)計(jì)方案，隧道設(shè)計(jì)方案雖然施工較復(fù)雜，但施工風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量控制、使用風(fēng)險(xiǎn)等方面均優(yōu)于明線(xiàn)方案，且隧道方案投資增加不足5%。

因此，筆者認(rèn)為小交通量等外級(jí)公路設(shè)計(jì)中，對(duì)于高山峽谷地帶地面橫坡較陡路段，采用隧道方案設(shè)計(jì)是合理可行的，具有一定的推廣價(jià)值。