許瑞寧

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 石家莊市 050011)

1 項(xiàng)目背景

延慶至崇禮高速公路(以下簡(jiǎn)稱延崇高速公路)起自延慶西羊坊，止于崇禮太子城，是奧運(yùn)交通的主通道和冬奧會(huì)交通重點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目作為交通運(yùn)輸部首批綠色公路典型示范工程、新一代國(guó)家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)[1]，勘察設(shè)計(jì)及后期服務(wù)需牢固樹立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享五大發(fā)展理念，全面貫徹交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略精神，認(rèn)真落實(shí)“四個(gè)交通”發(fā)展要求，協(xié)同推進(jìn)項(xiàng)目高質(zhì)量發(fā)展，以服務(wù)奧運(yùn)和滿足奧運(yùn)后經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展為根本出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，以“品質(zhì)優(yōu)良、資源節(jié)約、生態(tài)環(huán)保、節(jié)能高效、服務(wù)提升”為根本，扎實(shí)推進(jìn)綠色公路、品質(zhì)工程、科技示范等典型示范工程建設(shè)，以“突出特色、打造亮點(diǎn)、滿足需求”為主軸，將延崇高速公路打造成“平安、綠色、智慧、人本”的奧運(yùn)品質(zhì)示范工程[2]。

2 工程概況

延崇高速公路河北段由主線、延伸工程及赤城支線三條路段組成，路線全長(zhǎng)113.684km。其中主線長(zhǎng)81.552km，延伸工程長(zhǎng)17.073km，赤城支線長(zhǎng)15.059km。

2.1 隧道建設(shè)規(guī)模

項(xiàng)目主線設(shè)置特長(zhǎng)隧道5座，中隧道1座，短隧道2座，棚洞1座；雙洞平均長(zhǎng)度累計(jì)27488m，占主線全長(zhǎng)33.7%。

延伸工程設(shè)置特長(zhǎng)隧道2座，雙洞平均長(zhǎng)度累計(jì)11625m，占延伸工程全長(zhǎng)68.1%。

赤城支線設(shè)置中隧道1座，雙洞平均長(zhǎng)度累計(jì)699m，占赤城支線全長(zhǎng)4.6%。

2.2 隧道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)公路等級(jí)：雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。

(2)設(shè)計(jì)時(shí)速：100km/h、80km/h。

(3)建筑限界：特長(zhǎng)隧道(除金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道外)凈寬11m，凈高5.5m；金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道、中隧道(除大嶺堡隧道外)、短隧道凈寬13m，凈高5.5m；赤城支線大嶺堡隧道凈寬12.75m，凈高5.5m。

(4)荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-I級(jí)

2.3 典型隧道工程

(1)京津冀地區(qū)最長(zhǎng)高速公路隧道—松山特長(zhǎng)隧道

松山特長(zhǎng)隧道地處冀北地區(qū)，全長(zhǎng)9.216km，為京津冀地區(qū)最長(zhǎng)高速公路隧道。隧道河北段起點(diǎn)位于京冀界，終點(diǎn)位于金家口村村南，隧道最大埋深約731m；該隧道在河北界內(nèi)布設(shè)兩座通風(fēng)斜井(兼具施工斜井功能)，1號(hào)斜井長(zhǎng)約900m，2號(hào)斜井長(zhǎng)約1099m。

(2)近距離穿越既有省道S241—杏林堡特長(zhǎng)隧道

杏林堡隧道右幅長(zhǎng)4998m、左幅長(zhǎng)5012m。隧道延慶端下穿省道S241，豎向凈距僅5.56m。如果設(shè)計(jì)措施和施工工法選擇不當(dāng)，極易引發(fā)S241省道開裂甚至陷落的工程風(fēng)險(xiǎn)。

(3)世界最長(zhǎng)高速公路螺旋隧道—金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道

金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道路線平面采用螺旋展線(左幅半徑890m、右幅半徑860m)，隧道左幅長(zhǎng)4228m、右幅長(zhǎng)4104m，為目前世界最長(zhǎng)高速公路螺旋隧道。隧道縱坡為單向坡，左幅縱坡1.84%，右幅縱坡1.91%，最大埋深314m，設(shè)置施工斜井1座。

(4)河北省界內(nèi)最長(zhǎng)高速公路隧道—翠云山特長(zhǎng)隧道

翠云山特長(zhǎng)隧道左幅長(zhǎng)8402m，右幅長(zhǎng)8438m，為河北省第一長(zhǎng)高速公路隧道。該隧道采用通風(fēng)豎井方案，豎井深約420m、內(nèi)徑7m，為省內(nèi)深度最深、直徑最大的豎井。同時(shí)創(chuàng)造性地采用施工斜井分叉方案，比計(jì)劃工期縮短半年貫通。

3 隧道設(shè)計(jì)總結(jié)

3.1 橋隧相連進(jìn)洞方案

松山特長(zhǎng)隧道延慶端洞口位置山體陡峭，高差較大，約有52m。且該路段為橋隧相連，橋臺(tái)耳墻尾端距隧道口最小距離僅2m。

為避免施工便道較大規(guī)模展線對(duì)環(huán)境的破壞，降低困難路段高擋墻的出現(xiàn)，減少對(duì)洞口邊仰坡的開挖，設(shè)計(jì)選擇在松山特長(zhǎng)隧道右幅右側(cè)設(shè)置約57m長(zhǎng)側(cè)導(dǎo)洞方案，有效地保障了隧道冬季施工要求，為項(xiàng)目按期完工奠定了基礎(chǔ)。

3.2 緩解司乘人員在隧道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間行駛的視覺疲勞

松山隧道全長(zhǎng)約9.2km，是京津冀地區(qū)最長(zhǎng)的高速公路隧道，為緩解駕乘人員長(zhǎng)期行駛的視覺疲勞，隧道洞身段設(shè)置了疲勞喚醒段，通過燈光、彩繪等表達(dá)手法，豐富行車感官體驗(yàn)，避免行車壓抑感。

3.3 近距離穿越既有省道S241方案

杏林堡隧道右幅長(zhǎng)4998m、左幅長(zhǎng)5012m。隧道延慶端近距離(豎向凈距僅5.56m)穿越省道S241，采用何種設(shè)計(jì)、施工方案不僅關(guān)系到隧道施工的安全，也關(guān)系到既有省道S241正常運(yùn)營(yíng)的安全。

設(shè)計(jì)階段采用數(shù)值仿真模擬技術(shù)，模擬分析了杏林堡特長(zhǎng)隧道延慶端先行洞采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、后行洞采用CD法的方案。見圖1。

圖1 數(shù)值仿真模型示意圖

從數(shù)值模擬角度來看，既有省道S241在新建隧道左、右幅開挖施工擾動(dòng)的情況下路基沉降較大，不利于行車安全；新建隧道先行洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)有開裂的可能。為保障近距離穿越既有省道S241施工、運(yùn)營(yíng)安全，采用明挖法施工。

3.4 特長(zhǎng)螺旋隧道安全運(yùn)營(yíng)綜合保障措施

(1)針對(duì)螺旋展線開展行車安全性評(píng)價(jià)及駕駛模擬研究

利用UC-winRoad系統(tǒng)，依據(jù)地形、平面、縱面和橫斷面等資料建立三維駕駛環(huán)境模型，虛擬駕駛?cè)藛T進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先水平的八自由度駕駛模擬器開展虛擬駕駛。對(duì)隧道內(nèi)車輛運(yùn)行速度、車輛車道偏移、情緒變化等進(jìn)行處理與分析。

在較大圓曲線半徑及大回轉(zhuǎn)角度下，隧道內(nèi)運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性良好。模擬駕駛表明，駕駛?cè)藛T車道偏移范圍小，可接受，但應(yīng)注意洞口在特定時(shí)間的減光措施，且虛擬駕駛?cè)藛T情緒變化波動(dòng)較小，可接受。路線評(píng)價(jià)及模擬駕駛各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，該曲線半徑螺旋隧道方案可行。三維駕駛環(huán)境模擬見圖2。

圖2 三維駕駛環(huán)境模擬

(2)利用BIM技術(shù)開展隧道智能化全景虛擬空間安全預(yù)測(cè)仿真

金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道基于螺旋隧道路段線形條件、交通流特性等要素，以實(shí)現(xiàn)螺旋隧道誘導(dǎo)功能、車距確認(rèn)功能為目標(biāo)，利用BIM技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)、出口和洞內(nèi)行駛安全視距及夜間炫光進(jìn)行了模擬分析，有效地提升了螺旋隧道內(nèi)車輛行駛安全保障能力。模擬車輛在隧道內(nèi)行駛示意圖見圖3。

圖3 模擬車輛在隧道內(nèi)行駛示意圖

(3)照明與視覺誘導(dǎo)融合技術(shù)

金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道采用“準(zhǔn)連續(xù)帶狀+外弧引導(dǎo)性照明+洞頂涂裝藍(lán)天白云”的照明與視覺誘導(dǎo)融合技術(shù)，提高了駕駛員位置判斷準(zhǔn)確度和空間定位能力。

(4)應(yīng)急救援通道設(shè)置

洞內(nèi)：在隧道洞內(nèi)布置了15處人行橫通道及4處車行橫通道，平均間距約210m，以便緊急情況下的應(yīng)急救援。

洞外：在金家莊螺旋隧道崇禮端左側(cè)設(shè)置應(yīng)急救援聯(lián)絡(luò)通道和30m長(zhǎng)活動(dòng)護(hù)欄，用于緊急情況下，人員和車輛的疏散。

(5)冰雪條件下車輛在隧道洞外安全行駛的保障措施

金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道附近海拔高、氣溫低，易出現(xiàn)路面凝冰和積雪。鑒于此，選取試驗(yàn)段鋪筑抑凝冰路面。經(jīng)冬季使用驗(yàn)證，抑凝冰效果好，顯著降低了除雪難度，有效提高了運(yùn)營(yíng)安全性。

(6)智慧為高速公路隧道賦能，發(fā)揮保駕護(hù)航的作用

在金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道崇禮方向配置了導(dǎo)軌式智能巡檢與應(yīng)急機(jī)器人，可以實(shí)時(shí)開展交通狀況監(jiān)控、路面狀況檢測(cè)，煙霧、火點(diǎn)探測(cè)，應(yīng)急監(jiān)控、輔助指揮疏導(dǎo)救援，異常情況自動(dòng)提醒和報(bào)警；同時(shí)已實(shí)現(xiàn)在隧道內(nèi)全頻段廣播信號(hào)覆蓋，結(jié)合洞口智能門架，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警；通過引入北斗高精度定位，探索封閉空間定位技術(shù)；加之車路協(xié)同實(shí)現(xiàn)2類(安全、效率)13項(xiàng)(危險(xiǎn)路段預(yù)警、隧道內(nèi)高精度車輛定位等)應(yīng)用場(chǎng)景。真正地給高速公路隧道賦予了智慧功能。

3.5 嚴(yán)寒地區(qū)隧道防凍保溫綜合保障措施

國(guó)內(nèi)外大量鐵路、公路隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的實(shí)踐證明，在高緯度或高海拔的寒冷地區(qū)，尤其是多年或季節(jié)性凍土地區(qū)，加之地下水比較發(fā)育時(shí)，隧道常常會(huì)發(fā)生凍害。

為預(yù)防隧道漏水、凍害，保證隧道整個(gè)排水系統(tǒng)通暢，設(shè)計(jì)過程中聯(lián)合高校，結(jié)合隧址區(qū)氣溫、風(fēng)向、凍結(jié)深度等因素，對(duì)隧道防凍保溫進(jìn)行專項(xiàng)研究，采取如下綜合防凍保溫措施。

(1)防水設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)采用防滲等級(jí)P8混凝土；防水層采用1.5mm厚EVA高分子防水卷材；施工縫舍去遇水膨脹止水條，采用背貼式止水帶+中埋式橡膠止水帶防水。

(2)排水設(shè)計(jì)：采用深埋中心排水溝；環(huán)向排水管采用類似于“方便面”的MF12矩形塑料盲溝；縱向排水管和橫向排水管采用內(nèi)壁光滑的HDPE雙壁波紋管。

(3)保溫加熱設(shè)計(jì)：在洞口1100～1500m范圍內(nèi)二襯表面設(shè)置防凍保溫層；對(duì)中心排水管出水口、縱向排水管、中心排水管檢查井以及沉沙井進(jìn)行保溫；在縱向排水管埋深較淺的地段采用電伴熱主動(dòng)加熱措施。

3.6 螺旋隧道節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)

(1)隧道環(huán)保路面

為有效降低汽車尾氣對(duì)人與環(huán)境的危害，金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道路面采用降解尾氣的光催化材料，減少排入空氣中有害的濃度，控制汽車所產(chǎn)生的尾氣污染，為實(shí)現(xiàn)“生態(tài)環(huán)?！钡脑O(shè)計(jì)理念提供技術(shù)保障。降解尾氣路面實(shí)景圖見圖4。

圖4 降解尾氣路面實(shí)景圖

(2)隧道多功能綠色環(huán)保電纜溝蓋板

隧道采用多功能綠色環(huán)保電纜溝蓋板(圖5)，提高回收利用率。該蓋板以聚丙烯廢棄塑料為原材料，具有阻燃、輕質(zhì)、耐高溫、耐腐蝕、高韌性等特點(diǎn)，破損后可回收利用，減少了污染排放。

圖5 多功能綠色環(huán)保電纜溝蓋板實(shí)景圖

(3)隧道節(jié)能照明燈具

照明采用綠色節(jié)能變色溫LED燈具，通過智能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管控誘導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行無級(jí)調(diào)光控制和冷暖色溫調(diào)控。

(4)隧道新型節(jié)能通風(fēng)模式

為滿足螺旋隧道內(nèi)遠(yuǎn)期通風(fēng)需求，金家莊螺旋隧道設(shè)置互補(bǔ)式通風(fēng)結(jié)構(gòu)(圖6)，用于降低遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)通風(fēng)耗能。該結(jié)構(gòu)與純射流通風(fēng)模式相比，正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)工況下，可降低耗能約30%～40%。

圖6 互補(bǔ)式通風(fēng)結(jié)構(gòu)模型圖

3.7 隧道精細(xì)化設(shè)計(jì)

金家莊螺旋隧道洞門結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地貌進(jìn)行多方案對(duì)比，著重對(duì)延慶端洞門進(jìn)行了景觀打造，針對(duì)端墻式洞門、城墻跺形式和位置及洞口景觀打造進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)，最終選擇適合當(dāng)?shù)卦氐亩撮T方案。

3.8 河北省內(nèi)第一長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)方案

翠云山特長(zhǎng)隧道左幅長(zhǎng)8402m，右幅長(zhǎng)8438m，為河北省第一長(zhǎng)高速公路隧道。為滿足正常工況下規(guī)范中對(duì)洞內(nèi)空氣質(zhì)量的要求和火災(zāi)工況下對(duì)煙霧最大行程距離的要求，結(jié)合隧址區(qū)地形、景觀、滑雪場(chǎng)規(guī)劃等因素，充分考慮項(xiàng)目安全、工期、投資和施工難度，從8個(gè)比選方案中選擇了通風(fēng)豎井方案。即通風(fēng)豎井采用圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑7m，深度約420m，豎井底部連接地下風(fēng)機(jī)房，上部連接簡(jiǎn)易地面風(fēng)塔。

圖7 通風(fēng)豎井三維模型示意圖

3.9 河北省內(nèi)第一長(zhǎng)公路隧道快速施工設(shè)計(jì)方案

翠云山特長(zhǎng)隧道作為項(xiàng)目延伸工程控制性工程，為河北省內(nèi)第一長(zhǎng)隧道。

為確保翠云山特長(zhǎng)隧道工期可控，加快隧道主洞施工進(jìn)度。充分考慮冬季施工、冬奧測(cè)試賽等不可控因素對(duì)工期的影響，主要從兩個(gè)方面采取措施：采用施工斜井分叉方案；為提高通風(fēng)能力和降低斜井內(nèi)施工車輛相互干擾，加高、加寬施工斜井?dāng)嗝妗?/p>

4 結(jié)束語

通過對(duì)延崇高速公路典型隧道設(shè)計(jì)與施工過程中重難點(diǎn)問題的保障措施與解決方案的研究，深感隧道后續(xù)服務(wù)的重要性和必要性。同時(shí)結(jié)合近年來隧道設(shè)計(jì)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)提出了一些想法，供業(yè)內(nèi)同行參考，不足之處請(qǐng)批評(píng)指正。