廈門海滄海底隧道最大縱坡比選

李鋒

(廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司，福建 廈門 361026)

0 引言

海底隧道不受氣候條件影響，運輸能力強大，已成為世界各國跨海交通的重要方式。海底隧道地質條件復雜、工程投資巨大、風險較高，隧道最大縱坡的合理選擇是海底隧道前期方案研究的中關鍵，直接影響到整個隧道工程建設的規(guī)模、標準、經濟性和安全性。隧道最大縱坡設計，不僅要考慮施工期間的地質、風險和工期等，還需考慮通行能力、行車安全和通風效率等后續(xù)運營管理。因此，合理的縱坡設計方案不僅要保證隧道通行的效率和安全性，也應滿足建設、運營的經濟性。

在以往的研究中:趙勇［1］在瀏陽河隧道關鍵技術研究中，針對深埋、淺埋兩種縱坡方案進行分析，考慮淺埋方案能夠節(jié)省建設投資、降低施工難度，推薦采用淺埋方案。魏景等［2］基于交通安全對南京長江隧道不同最大縱坡組合的縱斷面布置方案進行研究，論證了推薦方案是最優(yōu)的縱斷面布置方案。張志剛等［3］以連接香港、珠海及澳門跨海通道連線工程中的沉管隧道為載體，闡述了公路水下隧道最大縱坡的取值過程，從通行能力、行車安全性、通風性能等論證了該項目隧道進出口段的設計最大縱坡的合理性與科學性。在這些研究中，針對水下隧道最大縱坡的研究主要是基于通行安全、通行效率等因素論證最大縱坡取值的合理性，并沒有從隧道的建設、運營以及車輛成本等方面進行綜合分析。本文基于全壽命周期理念，對隧道建設和運營的影響因素進行成本比較，并考慮車輛通行成本影響，對海滄海底隧道的最大縱坡選擇進行分析，得出海滄隧道的最大縱坡較優(yōu)取值。

1 海滄海底隧道最大縱坡初步選擇

海底隧道最大縱坡的初步選擇從以下幾個方面入手:首先，縱坡擬定需結合項目交通量情況，符合國內相關設計規(guī)范要求;其次，參照國內外已建成的類似工程，使其處于一個合理的取值區(qū)間;再次，結合工程的地質情況，縱坡選擇應使得工程建設難度處于可控范圍。

1.1 工程背景

廈門海滄海底隧道是繼中國內地第1條跨海隧道——廈門翔安隧道建成之后，計劃建設的另一條跨海隧道，全線采用雙向六車道Ⅰ級公路標準建設，兼具城市快速路功能，設計行車速度80 kW/h，采用鉆爆法施工方案。隧道地質情況與翔安隧道類似，暗挖段地質以微弱花崗巖為主，下穿海域存在F1，F6等風化槽，風化槽是在海域幾條構造破碎帶處全－強風化帶異常深厚，而形成風化深槽，巖體強度低、自穩(wěn)能力差，存在發(fā)生滲透破壞的可能。受到兩端結構物及路網銜接限制，隧道兩端洞口的位置已基本確定;同時，從隧道結構安全角度，還應滿足最小覆蓋層厚度要求?？傮w上，本項目客觀條件對縱坡設計限制極大，工程實施難度較大，因此選擇合理的隧道最大縱坡對隧道建設及運營具有重要的意義。

1.2 相關規(guī)范要求

國內相關公路及隧道設計規(guī)范［4－6］規(guī)定:隧道縱坡一般不應大于3%;當條件受制時，可適當加大，但不宜大于4%或5%;當采用較大縱坡時，必須對行車安全性、通風設備和營運費用、施工效率等做充分的技術經濟綜合論證。

交通運輸部擬頒布的《公路水下隧道設計規(guī)范》中提出水下隧道縱斷面線形應考慮隧道工法、施工安全、行車安全、工程規(guī)模、通風方案、營運費用等方面要求，并應符合下列規(guī)定:

1)可根據地形、地質條件設計為“U”形、“V”形、“W”形，但沉管隧道不宜采用“W”形。

2)隧道最小縱坡不宜小于0.5%，最大縱坡不宜大于表1的取值。

表1 水下隧道極限縱坡參考表Table 1 Limits of longitudinal gradients of sub-water tunnels %

1.3 國內外類似工程調研

國內采用相同工法的海底隧道有同區(qū)域的廈門翔安隧道，最大縱坡是3%;青島膠州灣海底隧道，最大縱坡為3.9%，坡長為830 m。國內建成以及在建的水下隧道已經較多，尤其是在上海，水下隧道受控因素較多，國內多數水下隧道最大縱坡取值都較大，除少數水下隧道縱坡能控制在3%以下，多數水下隧道縱坡都大于3%。

在國外，歐美及日本修建的水下隧道較多，其要求［7－8］對隧道最大縱坡的要求較中國的標準較為寬松;根據挪威的統(tǒng)計資料，最大縱坡一般為6%～8%，最大可達10%。但對于大縱坡的隧道，歐洲往往采取交通管制，禁止排污較大的貨車、柴油車駛入，或者增大機械通風規(guī)模。國內外主要水下隧道情況見表2。

表2 國內外主要水下隧道列表Table 2 Parameters of main sub-water tunnels at home and abroad

1.4 隧道最小圍巖覆蓋厚度

鉆爆方案最小巖石覆蓋厚度是影響水下隧道造價和安全的最重要的設計參數之一。足夠的最小巖石厚度是保證鉆爆隧道工程建設能順利實施的關鍵。

采用的方法主要有:挪威經驗曲線、頂水采煤經驗、隔水巖柱經驗及數值分析法等。擬頒布的《公路水下隧道設計規(guī)范》提出:隧道頂部覆蓋層厚度在硬質巖石地段不應小于1.0D(D為隧道開挖跨度)，軟質圍巖地段不應小于1.5D。當斷層破碎帶、風化覆蓋層縱向比例較高時，應適當加大隧道埋深，以減少建設風險。本隧道地質情況與翔安隧道類似，海中段多為微風化花崗巖，因此，頂板基巖覆蓋層厚度按1.0D進行控制。

根據工程地質勘察成果，海滄隧道海域段基巖面比較高，限制鉆爆法巖石頂板厚度的地段主要為兩端的F1，F6風化槽處。針對地質條件最不利的左線行車隧道，除兩處風化槽外，當最大縱坡為3%時，頂板基巖覆蓋層厚度為20～35 m，因此當最大縱坡大于3%時，隧道頂板基巖覆蓋層厚度均能滿足1倍開挖跨度以上的巖石覆蓋層厚度。因此，從工程地質角度，最大縱坡選擇的制約因素主要為隧道穿越風化槽的長度。

1.5 最大縱坡的初步選定

受制于海滄海底隧道兩端接線條件，結合已通車的翔安隧道運行情況，參考相關規(guī)范要求，最初方案的隧道最大縱坡擬以3%進行控制;但隨著地質勘探的進一步揭露及深入研究，發(fā)現適當提高隧道的最大縱坡，將明顯減少隧道穿越的海底不良地質段，當在最大縱坡達3.5%時，隧道可避免直接穿越F1風化槽。風化槽施工是鉆爆法海底隧道的控制性施工難點，縱坡加大可減少穿越風化槽的長度，將明顯降低施工風險和縮短施工工期;但縱坡加大又將對隧道的行車安全性、運營的通風排水及車輛通行等造成一定影響。因F6風化槽深度大，不管采用何種縱坡，均難以避開，故擬對最大縱坡3%和3.5%進行深入對比研究。最大縱坡3.0%/3.5%，兩端接線地質剖面見圖1。

圖1 最大縱坡3.0%/3.5%，兩端接線地質剖面圖Fig.1 Geological profile of BZ line and BY line with the maximum longitudinal gradient being 3.0%/3.5%

2 不同縱坡的對比分析

當隧道縱坡取值初步確定后，首先應分析在某縱坡取值下，車輛通行能力及行車安全性是否能得到保證，在此前提下，對隧道進行全壽命周期的建設、運營成本以及車輛運行成本進行對比，通過量化的指標得出比選結論。

2.1 通行能力及行車安全性分析

表3為交通預測值，表4為預測車型比例。

據表3及表4的交通量預測，本項目小型客貨車的比例超過90%。相關研究表明［9］:道路的通行能力隨著坡度的增加呈現出下降的趨勢，但在小型客貨車比例超過90%，且最大縱坡不超過4%的情況下，道路通行能力隨坡度變化的影響較小。CJJ 37—2012根據《城市道路工程設計規(guī)范》經計算分析，2個縱坡條件下，至遠景年項目道路可維持三級及以上服務水平，適應該區(qū)域的交通需求。

表3 項目各特征年交通量最終預測值Table 3 Predicted traffic volume of the project pcu/d

表4 未來年預測車型比例Tabel 4 Predicted ratios of different types of vehicles in future years %

表5為不同縱坡條件下的最大坡長。從表5可以得到，3%縱坡及3.5%縱坡下的允許最大坡長分別為1 100 m和1 000 m。本項目2種最大縱坡下的設計最大坡長為975 m，能夠滿足要求。研究表明［10－11］，車輛的速度與平均車速相差越大，即車速分布越離散，事故率就會越高;當速度差大于20 km/h時，事故率上升，路段的安全性降低?；谄囆旭偟膭恿W和運動學理論分析［12］，本項目兩種不同縱坡條件下(按各車型所占比例加權計算平均車速)的平均速度差僅10 km/h左右，能夠滿足行車安全性的速度差要求。

表5 不同縱坡條件下的最大坡長Tabel 5 Maximum slope length under different longitudinal gradients m

2.2 不同縱坡條件下的風化槽長度

從地質角度出發(fā)，不同的縱坡主要影響的區(qū)段主要在F1和F6風化槽，采用3.0%和3.5%縱坡時，隧道在2個風化槽段標高差約10 m。

隧道穿越F1風化槽時，采用3%縱坡時，隧道結構頂面巖石覆蓋層厚度大部分小于1倍洞徑，其中左線隧道K13+500～+700和K13+850～+890段，強風化巖層直接侵入隧道;采用3.5%縱坡時，僅局部地段巖石覆蓋層厚度小于1倍洞徑，不存在強風化巖層直接侵入隧道的情況，地質條件改善明顯。隧道穿越F6風化槽時，采用3%縱坡，約140 m強風化巖層直接侵入隧道，在K14+980附近隧道結構頂面巖石覆蓋層厚度僅3.5 m左右。采用3.5%縱坡時，約110 m強風化巖層直接侵入隧道，在K14+980附近隧道結構頂面弱風化巖石覆蓋層厚度加大到13 m左右，地質條件得到改善。

不同縱坡條件穿越風化槽圍巖級別對比見表6。

表6 不同縱坡條件穿越風化槽圍巖級別對比一覽表Table 6 Grades of surrounding rock of tunnel section passing through weathering slot under different longitudinal gradient conditions m

2.3 不同縱坡條件對工期及建安費的影響

根據翔安隧道施工經驗，風化槽侵入隧道段需要采用超前大管棚+全斷面帷幕注漿堵水加固預處理，并采用CRD工法開挖，工程費用高，施工工期長。若風化槽未侵入隧道開挖范圍但圍巖為V(1)級，施工時可采用超前小管棚對拱頂軟弱地層進行注漿加固，采用CRD法開挖。若巖層為III、IV級圍巖，采用超前小導管支護，采用臺階法控制爆破施工，施工費用及工期將明顯減少。

風化槽段施工是工程的主要風險源，因此，風化槽段的工期必須遵循相關規(guī)定嚴格保障。參照翔安隧道的經驗，采用3%縱坡時，控制線路左線F1風化槽段對估計會增加工期300 d以上，F6風化槽段估計會增加工期60 d左右，對工期的影響不容忽視。

根據不同縱坡所穿越的不同風化槽長度，并參照翔安隧道風化槽處理的造價計算，在F1，F6風化槽段，采用3%縱坡時，風化槽處理費用及襯砌加強段費用將較3.5%縱坡方案工程費用增加約5 640萬元。

2.4 不同縱坡條件對運營成本的影響

1)通風。通風系統(tǒng)用電量及用電費用估算見表7。計算分析表明，2種不同的縱坡方案對通風影響不大，本項目各個時期通風以稀釋煙塵所需風量為主要控制指標［13］。若采用最大縱坡3.5%時，左線需風量較采用最大縱坡3.0%增加4%左右，但是各段風量變得不均衡，其中上坡段增加25%，下坡段減小14%;右線需風量與最大縱坡3.0%時基本相當，其中上坡段增加5%，下坡段減小10%。采用3%縱坡時，估算通風裝機容量8 070 kW;采用3.5%縱坡時，估算通風裝機容量8 500 kW;采用3.5%縱坡方案將較采用3%縱坡方案多安裝16臺30 kW的射流風機，工程費用相差約150萬。

年運營成本方面，采用最大縱坡3.5%時，費用將增加128萬元/年。

表7 通風系統(tǒng)用電量及用電費用估算Table.7 Estimation on quantity and cost of electrical power consumed by ventilation system

2)排水。根據翔安隧道施工期及運營階段對不同地質段的出水量測試及分析，風化槽地段的出水量遠大于普通圍巖地段的出水量。由于不同縱坡條件下穿越風化槽的長度及穿越覆蓋層厚度的原因，給工程后期運營排水也造成了一定的影響。參照翔安隧道經驗，風化槽段主洞出水量約4 m3/(d·m)(翔安隧道左洞五通端主洞F1風化槽，長約70 m，出水量288 m3/d)，弱風化基巖段，巖石強度較高，但由于圍巖裂隙的存在，滲水量也較大，主洞出水量約1.2 m3/ (d·m)(翔安隧道右洞翔安端豎井前后，長約700 m，出水量826 m3/d)，一般微風化巖段基巖出水量較少。以此為參照計算，F1，F6風化槽段，采用3%和3.5%縱坡時，每天排水量分別為3 592 m3和2 642 m3，采用3%縱坡每天需多排950 m3水，估算每年需增加抽排水成本40萬元。

2.5 不同縱坡條件下的車輛運行成本分析

車輛在不同的縱坡上運行，其運行成本是不一致的，顯然，更大的縱坡需要更多的燃油。根據按照費用與效益計算范圍口徑對應一致的原則，經濟費用效益分析汽車運輸成本也應作調整。公路條件及交通條件對汽車運輸成本的影響主要是燃料、潤滑油、輪胎、修理費用等，可以計算出各種縱坡條件下，車型運行成本，如表8所示。

根據特征年交通量和車型比例預測結果，可測算出不同縱坡條件下，隧道全壽命期內車輛運行成本。車輛運行成本在隧道下坡及平坡段基本相當，主要差別在于上坡段，海滄隧道左線海滄端上坡段全長約1.95 km，右線島內上坡段全長約2.1 km，估算在上坡段車輛總年運行成本如表9所示。

表8 分車型汽車運行費用Table 8 Operation cost of different types of vehicles元/百車·km

表9 車輛特征年年運行成本對比表Table 9 Annual operation cost of vehicles

2.6 不同縱坡條件的全壽命周期成本分析

據以上分析，采用3.5%最大縱坡較采用3%最大縱坡，能一次性減少建設成本5 640－150=5 490萬元;但在運營成本方面通風將增加128萬元/年、排水將減少40萬元/年，合計增加年運營成本約88萬/年;因隧道埋深增加，隨著通車后交通量增長，車輛年運行成本(CCi)逐年增加。對不同縱坡條件下，進行全壽命周期成本分析［14－15］，計算期按30年，折現率取值8%，同時通風設備使用壽命按15年考慮，采用3.5%最大縱坡較采用3%最大縱坡全壽命周期成本減少5 490－150×2－88×(P/A，8%，30)－2 981萬。

3 結論與討論

本項目以采用3%最大縱坡為基準，當最大縱坡達3.5%時，穿越風化槽的長度將明顯減少，施工風險將降低，工期將縮短360 d以上，且能一次性減少建設成本5 490萬元，雖在年運營成本方面約增加運營成本約88萬/年，且隧道埋深增加造成車輛運行成本增加，但按全壽命周期內計算建設、運營成本及車輛運行成本，全壽命周期成本減少約2 981萬元。因此，本項目最大縱坡擬選擇3.5%。

目前隧道的全壽命周期成本比較方案尚未有一個通行的模式，本文僅考慮縱坡變化對風化槽穿越長度的不同所造成的建設成本和預測的年運營成本進行了對比，而對于不同縱坡帶來的車輛運行成本也進行了簡化對比，對于其他影響因素，如工期變化、施工期通風排水等需要量化的指標，對成本的影響并未有更深的涉及。隧道的全壽命周期成本分析，需要進一步進行總結計算模式，為決策提供依據。

［1］ 趙勇.瀏陽河隧道關鍵技術問題的探討［J］.鐵道標準設計，2006(12):54－56，73.(ZHAO Yong.Study of key technical problems for Liuyang river tunnel［J］.Railway Standard Design，2006(12):54－56，73.(in Chinese))

［2］ 魏景，邊翔.基于交通安全的南京長江隧道縱坡優(yōu)化分析［J］.鐵道勘測與設計，2007(5):66－70.(WEI Jing，BIAN Xiang.Analysis of longitudinal slope of Nanjing Yangtze river tunnel based on traffic safety［J］.Railway Survey and Design，2007(5):66－70.(in Chinese))

［3］ 張志剛，胡金平，劉洪州，等.水下公路隧道最大縱坡取值研究［J］.現代隧道技術，2013(4):8－14.(ZHANG Zhigang，HU Jinping，LIU Hongzhou，et al.Study of the maximum longitudinal gradient of underwater highway tunnels［J］.Modern Tunnelling Technology，2013(4):8－14.(in Chinese))

［4］ JTG D70—2004公路隧道設計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.(JTG D70—2004 Code for design of road tunnel［S］.Beijing:China Communications Press，2004.(in Chinese))

［5］ JTG D20—2006公路路線設計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.(JTG D20—2006 Design specification for highway alignment［S］.Beijing:China Communications Press，2006.(in Chinese))

［6］ CJJ 37—2012城市道路工程設計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.(CJJ 37—2012 Code for design of urban road engineering［S］.Beijing:China Architecture＆Building Press，2012.(in Chinese))

［7］ H Mashimo.State of the road tunnel safety technology in Japan［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2002(17):145－152.

［8］ Highway and rail transit tunnel inspection manual［M］.US: Department of Transportation，2005.

［9］ 李行.城市快速路縱坡路段通行能力研究［D］.長沙:長沙理工大學土木與建筑學院，2012.(LI Xing.Study on the traffic capacity of the longitudinal slope segment on the urban expressway［D］.Changsha:School of Civil Engineering and Architectate，Changsha University of Science＆Technology，2012.(in Chinese))

［10］ 徐源，朱順應，王紅，等基于交通效率、安全和特定交通組成的縱坡合理坡長［J］.公路，2008(1):36－40.(XU Yuan，ZHU Shunying，WANG Hong，et al.Reasonable vertical slope length based on traffic efficiency，safety and specil component［J］.Highway，2008(1):36－40.(in Chinese))

［11］ 周榮貴，江立生，孫家風.公路縱坡坡度和坡長限制指標的確定［J］.公路交通科技，2004(7):1－4.(ZHOU Ronggui，JIANG Lisheng，SUN Jiafeng.The study of highway gradient and grade length limit［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2004(7): 1－4.(in Chinese))

［12］ 莊傳儀，趙一飛，潘兵宏，等.公路縱坡設計關鍵參數研究［J］.中國公路學報，2009(4):39－44.(ZHUANG Chuanyi，ZHAO Yifei，PAN Binghong，et al.Research on key parameter of highway longitudinal grade design［J］.China Journal of Highway and Transport，2009(4):39－44.(in Chinese))

［13］ JTJ026.1—1999公路隧道通風照明設計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000.(JTJ026.1—1999 Specification for design of ventilation and lighting of highway tunnel［S］.Beijing:China Architecture＆Building Press，2002.(in Chinese))

［14］ 陳進杰，陳峰，梁青槐，等.城市軌道交通全壽命周期成本分析［J］.交通運輸工程學報，2010(1):82－87.(CHEN Jinjie，CHEN Feng，LIANG Qinghuai，et al.Whole life-cycle cost analysis of urban rail transit［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2010 (1):82－87.(in Chinese))

［15］ 尹玫，朱合華，閆治國.盾構隧道全壽命周期成本分析方法研究［J］.地下空間與工程學報，2010(6):1393－1397.(YIN Mei，ZHU Hehua，YAN Zhiguo.Study on the LCCA method for shield tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010(6):1393－1397.(in Chinese))