寒區(qū)超特長公路隧道總體設(shè)計(jì)方案研究

蘭富安，蔚艷慶

（1.四川樂西高速公路有限責(zé)任公司，四川成都 610000；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610000）

0 引言

隨著公路網(wǎng)向地形地貌陡峻、地質(zhì)條件復(fù)雜的西部艱險(xiǎn)山區(qū)延伸，線路橋隧比例急劇增加。合理規(guī)劃路線方案是山區(qū)高速選線的關(guān)鍵，特別是長大隧道平面位置、越嶺高程的選擇，關(guān)乎全線路線方案和平均縱坡，可以有效節(jié)約成本，踐行綠色環(huán)保交通理念，實(shí)現(xiàn)全壽命周期的設(shè)計(jì)理念。

樂山至西昌高速公路位于四川省以南的樂山市、涼山州境內(nèi)，大涼山1 號(hào)隧道長度超過10km，是樂西高速馬邊至昭覺段的重大控制性工程之一。本文以大涼山1 號(hào)隧道為依托，研究長大隧道的總體設(shè)計(jì)方案。

1 工程背景

大涼山1 號(hào)隧道采用高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80km/h，隧道長15.324km，設(shè)置1 座貫通平導(dǎo)+1 座斜井。

圖1 大涼山1 號(hào)隧道平面線位

圖2 大涼山1 號(hào)隧道斷面布置型式

1.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育。大涼山1 號(hào)隧道隧道主要地質(zhì)構(gòu)造為兩背斜+一向斜，并伴生F1、F2 兩條逆斷層，隧道穿越斷層破碎帶、突涌水段、瓦斯地段、軟巖大變形段和巖溶地段，其中黃果洛向斜四周高、中間低，似一口“平底鍋”，是儲(chǔ)水構(gòu)造，涌突水風(fēng)險(xiǎn)極高，向斜段正常涌水量達(dá)32179m3/d。隧道穿越了多套地層，從老到新依次為玄武巖、砂巖、粉砂巖、泥巖、灰?guī)r等。

圖3 大涼山1 號(hào)隧道地質(zhì)縱斷面

1.2 環(huán)境條件

隧道緊鄰大風(fēng)頂國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、四川省嘛咪澤自然保護(hù)區(qū)，對(duì)隧道選線存在很大限制。大涼山1 號(hào)隧道從嘛咪澤自然保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)通過，隧道進(jìn)口端約8km 無法設(shè)置施工作業(yè)面。

2 總體設(shè)計(jì)方案比選

樂西高速路線由北向南隨地形起伏形成兩條越嶺線（黃茅埂越嶺線、昭覺北上山線）三段連續(xù)長縱坡，海拔高度按照坡底→坡頂→坡底→坡頂?shù)捻樞蛞来螢轳R邊河特大橋約640m、穿越黃茅埂的大涼山1 號(hào)隧道約2290m、子莫格尼特大橋約1564m、昭覺縣菩提約2090m，大涼山1 號(hào)隧道為樂西高速全線最高的一段，因此大涼山1 號(hào)隧道進(jìn)出口標(biāo)高的選擇與越嶺線越嶺標(biāo)高的選擇相關(guān)聯(lián)，如圖4 所示。

為深入研究大涼山1 號(hào)隧道的越嶺高程，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)擬定了高線、中線、低線四個(gè)路線方案進(jìn)行比選。

從全線連續(xù)長縱坡坡度、積雪冰凍、環(huán)境保護(hù)、互通設(shè)置、環(huán)境因素等多方面進(jìn)行比選，提出最優(yōu)方案，如圖5 所示。

圖4 樂西高速全線縱斷面

圖5 大涼山1 號(hào)隧道軸線方案比選

2.1 軸線方案

黃茅埂越嶺線北坡（馬邊至大風(fēng)頂段）不具備降低設(shè)計(jì)標(biāo)高的條件，平均縱坡可采取迂回展線方式減緩，僅進(jìn)口端的谷堆鄉(xiāng)路段（坡頂臺(tái)地）具有小幅降低的可能性。擬定高線和低線2 個(gè)高程方案。

黃茅埂越嶺線南坡（主要指美姑縣城過境段─大涼山1 號(hào)隧道出口至大涼山2 號(hào)隧道進(jìn)口段）受南北展布地美姑縣城及其遠(yuǎn)景規(guī)劃，以及美姑河河谷地形深切影響，大涼山1 號(hào)隧道出口具備大幅降低設(shè)計(jì)標(biāo)高的條件，平均縱坡可采取降低大涼山1號(hào)隧道出口設(shè)計(jì)標(biāo)高的方式減緩。因此大涼山1 號(hào)隧道出口端擬定了高線、中線、低線四個(gè)高程方案。

表1 大涼山1 號(hào)隧道各方案隧道規(guī)模及高程

2.2 方案比選

2.2.1 高程方案比選

黃茅埂越嶺線北坡段：大風(fēng)頂隧道出口至大涼山1 號(hào)隧道進(jìn)口段處于黃茅埂越嶺線北坡的頂部區(qū)域和積雪冰凍為“嚴(yán)重”的地區(qū)，且位于嘛咪澤省級(jí)自然保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，B9 線方案降低了進(jìn)口高程，有利于谷堆互通的布置和長大縱坡安全檢查站及隧道應(yīng)急救援站的設(shè)置，不僅可全天候確保樂西高速超特長隧道和長大縱坡的運(yùn)營安全，對(duì)穿越實(shí)驗(yàn)區(qū)的環(huán)境影響也較小。

黃茅埂越嶺線南坡段：K 線方案的平均縱坡及坡長為2.06%/20415m，B9 線方案的平均縱坡及坡長為1.92%/13562m。B9 線方案降低了谷堆互通、美姑互通與既有縣道的高程，便于周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)上下高速及互通的設(shè)置。

因此，降低大涼山1 號(hào)隧道出口段標(biāo)高，采用B9 線方案，可減緩連續(xù)長縱坡的平均縱坡，利于行車安全。

表2 大涼山1 號(hào)隧道進(jìn)出口標(biāo)高選擇

2.2.2 積雪冰凍

黃茅埂越嶺線北坡段：高線方案和低線方案均處于冰雪災(zāi)害嚴(yán)重影響路段，但B9 線方案平均縱坡較小，明線長度較短，有利于運(yùn)營安全。

表3 大涼山1 號(hào)隧道進(jìn)口段主要技術(shù)指標(biāo)

黃茅埂越嶺線南坡段：高線方案K 線兩隧道洞口之間海拔高度為2275～1856m，均受積雪冰凍影響。B9 線方案兩隧道洞口之間海拔高度為1990～1767m，位于輕度影響路段。

表4 大涼山1 號(hào)隧道出口端積雪冰凍影響程度

B9 線方案進(jìn)出口設(shè)計(jì)標(biāo)高大幅降低后，不僅大大減輕了積雪冰凍影響，縮短了冰雪災(zāi)害路段的長度，而且減緩了黃茅埂越嶺線南坡的平均縱坡。

2.2.3 地形條件

陽山坡較陰山坡較優(yōu)，東西向的路線易布置在朝南的山坡，南北向的路線宜布置在朝東南—西南的山坡，因?yàn)殛柹狡乱话惴e雪歷時(shí)短、消融較快，積雪對(duì)路線危害程度是比較輕的。

B9 線方案和B10 線方案路線布置在陽山坡，K 線方案和B5線方案路線布置陰山坡，因此B9 線方案和B10 線方案利于行車安全。

圖6 地形條件與路線方案的關(guān)系

2.2.4 環(huán)境保護(hù)影響分析

根據(jù)規(guī)劃，該路段東西走向的樂西高速與南北布局的嘛咪澤省級(jí)自然保護(hù)區(qū)和大風(fēng)頂國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)存在交叉關(guān)系。若采用明線長度短、填方區(qū)以路基為主、互通方案緊湊及互通連接線短的B9 線方案，則占用實(shí)驗(yàn)區(qū)土地面積可控，與K 線方案相比，B9 線方案線位更靠近谷堆鄉(xiāng)居民區(qū)，將大大減輕人類活動(dòng)對(duì)保護(hù)區(qū)動(dòng)植物的影響。

2.2.5 美姑互通設(shè)置條件

美姑縣城出行方式主要以汽車為主，縣城道路較窄，通行車輛較多，縣城內(nèi)通行壓力較大。

B9 線方案美姑互通方案連接線與S103 銜接，避免上下高速車輛對(duì)縣城交通干擾。

K 線方案美姑互通方案連接美姑縣環(huán)城路，環(huán)城路路況較差，互通設(shè)于此處會(huì)造成美姑縣進(jìn)出城交通壓力增大，交通組織困難。

因此B9 線方案與地方規(guī)劃契合度更好。

圖7 地方規(guī)劃與路線方案的關(guān)系

2.2.6 建設(shè)條件

大涼山1 隧道由隧道進(jìn)口至出口主要構(gòu)造行跡依次為斯依阿莫倒轉(zhuǎn)背斜、黃果洛向斜及哈都洛背斜，K 線方案地質(zhì)條件相對(duì)簡單，B9 線方案和B10 線方案地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

表5 大涼山1 號(hào)隧道地質(zhì)構(gòu)造對(duì)照

2.2.7 比選結(jié)論

結(jié)合地形地質(zhì)條件，B9 線方案對(duì)改善安全行車條件和減小對(duì)保護(hù)區(qū)影響其成效十分顯著，主要體現(xiàn)在進(jìn)口端由最大填高50m 降低至26m，路線遠(yuǎn)離自然保護(hù)區(qū)，在谷堆互通采取路堤方式填筑既消化大量洞渣，又減輕全線海拔最高區(qū)域“暗冰”的危害；出口積雪冰凍影響路段減少和平均縱坡減緩上，提高行車的安全性，同時(shí)避免上下高速公路車輛對(duì)美姑縣城交通的干擾。

3 平導(dǎo)方案比選

3.1 交通量及交通組成（見表6）

表6 交通量預(yù)測結(jié)果 單位：pcu/d

3.2 隧道通風(fēng)斜井的邊界條件

3.2.1 隧道進(jìn)口8km 范圍內(nèi)

隧道前段穿越龍頭山，山體渾厚，屬于四川省嘛咪澤自然保護(hù)區(qū)。由于環(huán)境保護(hù)的嚴(yán)格要求，除隧道主洞洞口外，在保護(hù)區(qū)無法再設(shè)置其他通風(fēng)井口，隧道進(jìn)口端約8km 范圍內(nèi)只能設(shè)置平行導(dǎo)坑，平行導(dǎo)坑的洞口與主洞設(shè)置在同一處。

3.2.2 隧道出口7km 范圍內(nèi)

隧道出口7km 范圍內(nèi)位于嘛咪澤自然保護(hù)區(qū)范圍外，同時(shí)隧道軸線距離縣道X163 距離較近，斜井洞口施工條件較好，具備設(shè)置斜井的條件。

3.3 通風(fēng)斜井方案比選

結(jié)合大涼山1 號(hào)隧道的地形及地質(zhì)條件，擬定3 個(gè)通風(fēng)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選。

方案一：進(jìn)口端設(shè)置3km 平導(dǎo)，出口端設(shè)置2 座斜井，組成3區(qū)段斜井送排式通風(fēng)。

圖8 3km 平導(dǎo)斜井分段

方案二：進(jìn)口端設(shè)置8km 平導(dǎo)，出口端設(shè)置2 座斜井，組成3區(qū)段斜井送排式通風(fēng)。

圖9 8km 平導(dǎo)斜井分段

方案三：全隧道設(shè)置15.3km 貫通平導(dǎo)，出口端設(shè)置1 座斜井，組成2 區(qū)段斜井送排式通風(fēng)。

圖10 貫通平導(dǎo)斜井分段

大涼山1 號(hào)隧道為超特長隧道，隧道斜井的選擇應(yīng)兼顧規(guī)模、工期、防災(zāi)救援等方面進(jìn)行綜合必選。

表7 大涼山1 號(hào)隧道地質(zhì)構(gòu)造對(duì)照

方案一（3km 平導(dǎo)）投資節(jié)約，但黃果洛向斜涌突水風(fēng)險(xiǎn)高、工期不可控。

方案二（8km 平導(dǎo)）利用超前平導(dǎo)降低了工期風(fēng)險(xiǎn)，但平導(dǎo)利用效率較低。

方案三（貫通平導(dǎo)）投資最高，降低了工期風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)隧道平均縱坡較小，社會(huì)耗能更低。在隧道左右線之間設(shè)置貫通平導(dǎo)，救援車輛能快速到達(dá)事故點(diǎn)，將救援車輛到達(dá)事故點(diǎn)時(shí)間縮短到常規(guī)模式的1/4，排煙距離由5000m 縮短至750m，極大地提升應(yīng)急救援能力。

4 項(xiàng)目實(shí)施情況

大涼山1 號(hào)隧道采用主洞+平導(dǎo)的斷面布置型式，主洞采用鉆爆法施工，平導(dǎo)進(jìn)口端采用鉆爆法施工，平導(dǎo)出口端采用TBM法施工，其施工長度詳見圖11。

圖11 大涼山1 號(hào)隧道施工工法

大涼山1 號(hào)隧道于2020 年3 月開工建設(shè)，截至2021 年1月，隧道主洞開挖總進(jìn)尺1099m，隧道平導(dǎo)總開挖總進(jìn)尺1318m，隧道斜井總開挖總進(jìn)尺985m，預(yù)計(jì)2024 年建成通車。

圖12 大涼山1 號(hào)現(xiàn)場平面

5 結(jié)論

受黃茅埂越嶺高程的限制，大涼山1 號(hào)隧道的軸線選擇綜合考慮了地形條件、運(yùn)營安全、環(huán)境條件等方面因素，最終選擇超特長隧道方案，既保障樂西高速的運(yùn)營安全，也遵循綠色交通可持續(xù)發(fā)展理念。研究取得了以下結(jié)論。

（1）結(jié)合省內(nèi)雅安至西昌高速公路的運(yùn)營情況，該高速公路海拔最高的拖烏山路段冬季常常受積雪災(zāi)害影響，無法全天候行車。大涼山1 號(hào)隧道軸線方案的選擇首先考慮后期的運(yùn)營安全，選擇海拔高度最低、隧道最長的軸線方案，該方案有效地降低了全線的平均縱坡，縮短積雪冰凍路段的長度，消除中度影響積雪路段，同時(shí)明線路段布置在陽山坡，有利于運(yùn)營安全。

（2）隧道穿越保護(hù)區(qū)的方案以隧道下穿為主。明線路段盡可能短，以填方路基為主，占地最小，同時(shí)B9 線方案更接近谷堆鄉(xiāng)居民區(qū)，減輕人類活動(dòng)對(duì)保護(hù)區(qū)動(dòng)植物的影響。

（3）由于大涼山1 號(hào)隧道進(jìn)口無法在保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)置斜井，輔助主洞施工及通風(fēng)，通過設(shè)置貫通平導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)大涼山1 號(hào)隧道快速施工、快速救援、快速疏散、快速排煙的功能。