摘要：本研究以高速公路密集隧道群的安全耐久和低碳環(huán)保為主題，旨在探討如何在隧道工程設計和運營中兼顧安全性、耐久性以及對環(huán)境的最小化影響。隧道在現(xiàn)代交通系統(tǒng)中起著關鍵的作用，但隨著交通流量的增加和隧道數(shù)量的增多，安全和環(huán)保問題也日益突顯。對此，文章提出了一種綜合的方法，經實踐應用，確保了高速公路密集隧道群在運營期間保持安全性的同時，降低了對環(huán)境的負面影響。

關鍵詞：隧道工程；密集隧道群；安全耐久性；低碳環(huán)保

中圖分類號：U453"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）S1?0038?04

0 引言

高速公路隧道作為現(xiàn)代交通系統(tǒng)的重要組成部分，在城市化及交通需求增長的背景下，其數(shù)量和規(guī)模不斷增加。然而，隨著隧道數(shù)量的增加和交通流量的上升，安全、耐久和環(huán)保等方面的問題也變得日益突出。因此，對高速公路密集隧道群的安全耐久和低碳環(huán)保工程進行深入研究成為當務之急。

本文針對高速公路密集隧道群的安全性和低碳環(huán)保建設，提出相應的方法和策略，在確保隧道群建設施工安全同時，最大限度地減少對環(huán)境的負面影響。通過跨學科合作和綜合考慮工程技術、材料科學和環(huán)境科學等領域的知識，為未來可持續(xù)發(fā)展的交通建設提供更可靠和環(huán)保的解決方案。

1 工程概況

臨臨高速公路北起山東省淄博市，南至臨沂市，可連通京津冀及長三角區(qū)域，提供省際間及大中城市間長距離、大容量、高速度的交通服務，定位為主要干線公路。該項目采用交通運輸部部頒《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）標準進行建設，設計速度120km/h，雙向六車道，路基寬度34.5m，路基設計洪水頻率為1/100，橋涵設計汽車荷載等級為公路?Ⅰ級，橋涵設計洪水頻率1/100。其中，淄博段全段的地震動峰值加速度為0.10g，臨沂市沂水縣高莊鎮(zhèn)段地震動峰值加速度系數(shù)為0.10g，高莊鎮(zhèn)至終點段地震動峰值加速度系數(shù)為0.15g。路基標準斷面設計如圖1所示。

?該項目隧道工程建設依據(jù)現(xiàn)行《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）、《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》（JTG 3370.1—2018），擬定隧道建筑限界如圖2所示。

隧道內輪廓以建筑限界為基礎，綜合考慮路面超高、襯砌結構受力特點、照明和消防設施布置空間、溝槽尺寸及隧道內裝等，擬定斷面形式及具體參數(shù)。在滿足建筑限界、運營設備安裝空間、方便維修保養(yǎng)等前提下，力求使凈空斷面利用率高，結構受力合理。經對襯砌受力、造價等因素比較，根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》（JTG 3370.1—2018）和《公路工程技術標準》（JTG B01—2014），并結合該項目技術標準和特點擬定出隧道內輪廓，如圖3所示。

2 工程特點與技術需求

2.1 地質特殊，施工安全保障難度大

該項目的南坪山隧道、岳陽山隧道距離“山東第一洞”開元溶洞僅3km左右。南坪山隧道山體與開元溶洞為同一山體，在施工過程中各種類型、大小不一的溶洞頻出。在普遍溶洞處治方法中，由于溶洞內施工安全隱患大，不能進行合理支護，不適宜用錨桿連接回填混凝土的方法。因此針對拱頂溶洞的處治，需要一個系統(tǒng)標準化的解決方案，既能很好地處理現(xiàn)場問題，又能具有可復制性，為其他工程項目形成一個標準化的設計施工示范模板[1]。

2.2 超淺埋施工，生態(tài)保護限制級別高

該項目中魯山隧道、龍鳳山隧道、蒼龍峽隧道等多個隧道存在超淺埋問題，尤其是魯山隧道在穿越魯山國家自然保護區(qū)時，最小淺埋覆土僅4m左右，洞頂?shù)乇頌樯胶闆_溝，土質松軟，因生態(tài)紅線問題嚴禁施工，如圖4所示。因此，施工安全風險極大，一旦冒頂，對生態(tài)保護區(qū)的破壞巨大[2]。

2.3 建筑下穿，施工與安全保障經驗匱乏

黑鐵山抗日武裝起義紀念碑坐落在黑鐵山主峰西側半山腰，如圖5所示。黑鐵山紀念碑具有十分重要的紀念意義和政治意義，黑鐵山紀念館對外開放，紀念碑周圍每天去祭拜的人絡繹不絕，一旦發(fā)生大理石貼片掉落，或者紀念碑損壞將有很大的安全后果。根據(jù)項目需要，黑鐵山隧道從紀念碑的正下方進行下穿施工，因此隧道的支護參數(shù)需要精確計算，爆破施工需要嚴格控制[3]。

2.4 超小凈距，施工難度大

蒼龍峽隧道長約1.6km，由于地形和周邊礦區(qū)的限制，全隧道為小凈距隧道，最大凈距14m，最小凈距僅為7.3m，平均凈距不超過10m。隧址區(qū)為剝蝕低山丘陵地貌區(qū)，主要巖性為古生界奧陶系灰?guī)r，局部夾薄層泥灰?guī)r，海拔高程為254.2～460.3m，相對高差約206.1m，整體較陡，隧道最大埋深約128.0m。

《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70—2004）中分離式雙洞的最小凈距三級圍巖需要二倍洞徑，五級圍巖甚至需要3.5倍洞徑，如果按此布線則會造成十分巨大的用地浪費。因此在設計時將隧道的凈距值修改為0.8～2倍洞徑，這也說明隨著認識的進一步加深和施工水平的逐漸提高，隧道凈距的設計也越來越小[4]。經調研，多數(shù)設計人員將隧道凈距按隧道一倍開挖洞徑確定。該項目隧道最小凈距僅為開挖跨度的0.4倍，因此，后行洞的開挖無論在爆破還是支護受力方面均具有較大難度。

2.5 沿線環(huán)境敏感點多，生態(tài)保護需求度高

臨臨高速公路沿線評價范圍內分布有上百個環(huán)境敏感點，其中對項目影響較大的主要有黑鐵山風景名勝區(qū)、淄博魯山省級自然保護區(qū)等生態(tài)敏感區(qū)、太河水庫飲用水水源準保護區(qū)，以及淄川生態(tài)公益林等8個生態(tài)保護紅線區(qū)。

經過路線比選及優(yōu)化，該項目路線無法避讓上述敏感區(qū)，因此需要在高速公路建設過程中處理好建設與生態(tài)平衡之間的關系，把環(huán)境保護工作納入公路設計、施工、養(yǎng)護與管理的全過程[5]。

3 集隧道群安全耐久關鍵技術

3.1 聚焦圍巖開挖支護設計與技術創(chuàng)新

對巖體結構特征難以準確考慮而導致工程風險和設計偏差，已成為隧道工程安全高效建設的瓶頸問題。臨臨高速各隧道工程通過隨掘隨測技術，獲取全部15條隧道巖體綜合信息并歸納典型巖體結構模式；通過數(shù)值試驗和模型試驗，研究建立強化巖體特征的隧道失穩(wěn)機制及穩(wěn)定性判別指標體系，分析了開挖與支護參數(shù)對不同巖體結構模式隧道穩(wěn)定性影響規(guī)律。針對項目的具體情況，通過現(xiàn)場試驗監(jiān)測反饋，建立強化巖體結構特征的隧道圍巖分類開挖支護設計指南與關鍵技術體系?[6]。項目旨在突破“隧道設計施工中如何恰當考慮巖體結構特征”這一技術關鍵，通過優(yōu)化方案保安全提效率，為解決隧道在設計過程中的難點問題提供可復制、可推廣的方案。

3.2 建立智能化全鏈條技術體系

項目針對臨臨高速公路隧道施工進度、質量、安全等方面的風險因素，引入激光雷達和數(shù)字相機等三維測量技術，研究公路隧道多尺度、高精度快速建模方法，建立公路隧道數(shù)字信息模型輕量化跨平臺查詢技術。根據(jù)施工中的實際問題，研究出適用于公路隧道施工進度、質量、安全風險因素多維數(shù)字信息采集的機器視覺技術，以及隧道多維施工信息實時采集裝備。此外，結合現(xiàn)場的隧道地質信息、地理空間信息、動態(tài)施工信息等，采用多源數(shù)據(jù)融合方法開發(fā)了公路隧道施工動態(tài)施工管理系統(tǒng)，建立隧道施工風險預警機制[7]。項目相關成果將形成公路隧道施工“多維信息采集?數(shù)字信息建模?風險動態(tài)監(jiān)管”全鏈條技術體系。

3.3 監(jiān)控測量信息化管理

圍巖監(jiān)控量測是隧道施工中要使用的重要手段，需對圍巖和支護系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進行監(jiān)測，為初期支護和二次襯砌的參數(shù)調整提供依據(jù)，把經整理和分析后的量測數(shù)據(jù)信息及時反饋到設計和施工中，進一步優(yōu)化設計和施工方案，是施工安全和質量的保障。傳統(tǒng)的隧道監(jiān)控量測業(yè)務采用人工記錄觀測、手動計算數(shù)據(jù)、觀測結果上報的管理模式，存在信息傳遞不及時、觀測效率低下、數(shù)據(jù)真實性無法保證等問題，已無法滿足隧道施工管理的需求。

監(jiān)控量測信息系統(tǒng)是一套集數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、展示及實時預警于一體的隧道監(jiān)控量測信息化的組合管理模式，依托于臨臨項目隧道群，在15座隧道進行全面應用。利用手機APP連接全站儀，實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)實時采集、傳輸、計算，提高觀測效率和保證數(shù)據(jù)真實性，觀測數(shù)據(jù)實時在線多人共享，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性。電腦端利用大數(shù)據(jù)分析技術，集中快速計算原始數(shù)據(jù)，自動匯總、分析結果、及時預警。通過隧道監(jiān)控量測信息化管理，可有效指導隧道施工，確保隧道施工安全，杜絕因管理不到位造成工程影響，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和及時性[8]。

4 隧道初期支護優(yōu)化技術

眾多工程實踐表明，在很多低應力巖質隧道中，錨桿會出現(xiàn)軸力低值甚至負值的現(xiàn)象，在一些特定條件下，甚至出現(xiàn)錨桿支護功效判斷模糊，造成部分條件下錨桿無效、低效的情況。如何準確評價錨桿的支護功效，明確主要影響因素并給出工程條件界定，對于建設的安全高效具有重要意義。

通過系統(tǒng)研究，臨臨高速的隧道項目總結了以下三方面創(chuàng)新成果：（1）構建了隧道初期支護精細化計算分析平臺；（2）建立了錨桿支護功效量化評價體系，明確了各類工程條件對錨桿功效的影響規(guī)律；（3）改進了初期支護設計方法，研發(fā)隧道穩(wěn)定狀態(tài)監(jiān)測評價技術，創(chuàng)新了配套高效施工工法。

經過實地應用，初期支護各構件支護功效顯著提升，減少了錨桿用量約30%，產生經濟效益共計8"040萬元，為隧道建設中該問題的解決起到了推動作用。

5 生態(tài)敏感區(qū)低碳環(huán)保技術研究

5.1 新型自密實橡膠顆粒填料的應用

為解決軟土地區(qū)高速公路改擴建易出現(xiàn)的較大差異沉降，以及橋涵臺背段因填筑施工工作面狹小、路基難壓實而引發(fā)的橋頭跳車等安全質量難題，在考慮環(huán)保材料應用的同時，將廢舊輪胎與粉煤灰資源化再利用，研發(fā)出一種新型自密實橡膠顆粒?流態(tài)粉煤灰路基填料。該填料高流態(tài)、質地輕（密度1"200～1"400kg/m³）、可自密實、無需碾壓和振搗、后期強度高（28d抗壓強度不小于0.8MPa），可大面積應用于軟土地區(qū)路基填筑，并有效避免橋涵臺背段由于施工空間不足而造成的路基壓實質量無法保證等難題。廢舊橡膠顆粒的摻入使填料具有較好韌性、抗沖擊及抗震性能，能顯著提高填料抗凍性，對于穿越北方季節(jié)性凍土地區(qū)的高速公路，可有效減少路基凍融引發(fā)的凍害。

該材料的特點有：（1）施工便捷性：解決橋涵臺背段因施工空間不足而造成的路基壓實質量無法保證問題；（2）性能優(yōu)越性：填料抗壓強度高、質地輕，并具有良好的韌性和抗凍、抗沖擊、抗震性能；（3）?生態(tài)可持續(xù)性：原材料符合固體廢棄物資源化再利用和綠色環(huán)保要求；（4）價格低廉性：材料來源廣、價格?低。

5.2 水環(huán)境自動化安全保障技術應用

針對臨臨高速公路運營階段的敏感水環(huán)境安全保障問題，提出一套基于自動化、模塊化的敏感水環(huán)境安全保障技術，并將其示范應用于臨臨高速各處穿越敏感水環(huán)境路段；針對不同區(qū)域類型、環(huán)境要素和工程條件提出路域敏感水體分級保護策略，研究利用模塊化的系統(tǒng)裝置和自動化的路、橋面徑流控制手段加強高速公路運營階段對敏感水環(huán)境安全保障能力的關鍵技術[9]。

5.3 零碳綠色服務區(qū)技術應用

臨臨高速公路的沂南西服務區(qū)位于主線K161＋560處，地處沂南縣，古屬瑯琊陽都，被譽為“齊魯小敦煌”，也是沂蒙山革命根據(jù)地的中心、沂蒙精神的重要發(fā)源地之一，又被稱為“山東小延安”。該服務區(qū)的設計方案以‘紅色山高’為引領，依托課題《山東省高速公路零碳服務區(qū)建設關鍵技術研究與示范》，首次將裝配技術、光伏發(fā)電技術、風力發(fā)電技術、地源熱泵技術、生物濾塔技術、連續(xù)式有機固廢熱解焚燒技術融入工程設計，同時，設立碳排放監(jiān)測管理系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)，致力于打造全國首個零碳服務區(qū)。

5.4 隧道洞碴綜合利用技術

該項目全線隧道15座合計22.334公里（單洞44.668公里），隧道數(shù)量多、里程長、出渣量大，若棄渣處理不當則易對生態(tài)環(huán)境造成影響，留下隱患。為貫徹綠色公路建設理念，通過對隧道洞渣的綜合利用，達到節(jié)約資源、減小對環(huán)境影響的目的。

項目隧道巖石類型主要為花崗巖、灰?guī)r，通過對石料的技術指標進行試驗檢測，依據(jù)檢測結果，硬質巖石可用于全線砌體防排水工程，如邊溝、排水溝、截水溝、急流槽、拱形護坡等；優(yōu)質石渣加工的性能指標符合要求的碎石、機制砂、礦粉等可用于路面結構層及橋隧混凝土；符合路基填料要求的石渣可用于填筑路基或作臺背填料，部分尾渣可用于修建臨時便道、改路改溝工程。通過以上綜合利用技術，使該項目隧道洞渣綜合利用率達到100%。

6 結論

本研究以高速公路密集隧道群的安全耐久和低碳環(huán)保技術應用為主題，旨在探討如何在隧道工程設計和運營中兼顧安全性、耐久性以及對建筑材料的綜合利用技術，并取得了重要的研究成果，為未來交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展起到一定的促進作用。

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