陈光明等 大坪 山特长隧道设计 中的关键技术 3 注重环保 尽可能降低隧道修建对原有 自然 生态 的破坏 特别注意对地下水资源的保护 4 本着 安全可靠 经济合理 以人 为本 的原 则 隧道 内设置与隧道规模 交通量相适应的运营管 理设施 提供一个安全 舒适的运营环境 4 隧道设计关键技术 4 1 隧道平面 纵面设计 4 1 1 超特长隧道方案与绕行方案的比较 大坪山特长隧道作为谷城至竹溪高速公路 的控 制性工程 为尽量缩短隧道长度 降低施工难度与风 险 在 工程可性行研究 论证的路线走廊带 主要控 制点和方案 比较 的基础上 初步设计从不 同海拔高 程 不同越岭位置 不同接线方案等方面 进行 了多 方案 比选 主要对超特长隧道方案 K 实施 方案 与 沿南河绕行方案 B进行了比较 具体比较见表 1 表 1 超特 长隧道方案与绕行方案主要 工程量比较表 主要工程量 项 目 单位 超特长 隧道方 案 K 沿南河绕行方案 B 路线长度 k m 1 l 4 1 8 1 6 3 4 9 路基土石方 1 0 0 0 0 m3 3 9 9 8 3 5 6 9 4 4 4 0 防护排水工程 1 0 0 0 m3 3 3 O 9 1 7 4 3 3 路面 1 0 0 0 m2 3 8 6 2 7 0 9 6 特大桥 m 座 o o 1 9 5 0 2 大桥 m 座 1 6 9 6 5 5 2 9 0 1 1 特长隧道 m 座 7 6 6 O 1 3 4 0 0 1 长隧道 m 座 o o 1 3 0 0 1 中 短隧道 m 座 4 5 4 1 1 0 3 0 3 房屋拆迁 1 0 0 0 m2 7 0 2 9 6 5 永久 占地 田 3 7 5 6 2 9 5 9 9 9 工程造价 万元 1 2 6 7 8 9 8 5 1 8 5 8 4 3 6 0 通过分析 比较 沿南河绕行方案 B的优点是将 本项 目最长隧道长度 由 7 6 6 0 m 降低到 3 4 0 0 m 一定 程度上缩短建设工期 降低隧道施工难度 减少了运 营期消防和防灾救援的难度 但存在如下缺点 路线建设里程长 4 9 3 1 m 路线迂 回 工程造价 较高 拆迁 占地数量较大 对 当地居 民影响大 路线多次跨越南河 施工及营运期间对生态 环境影响较大 路线多次跨越省道石开线 S 2 2 2 施工期 间 将对原有交通造成一定程度的干扰甚至中断 未能避开开封峪及其前后省道石开线走廊内 的滑坡 坍塌等不良地质地带 经过综合比较 初步设计推荐超特长隧道方案 K 4 1 2隧道 平 面 纵 面的优 化 施工图设计阶段 根据隧址区地质勘察报告 青 峰断裂对大坪山隧道影响专题研究报告 地应力测 试报告 遵循地质选线 地形选线 环保选线 尽可能 避开地质不 良地段 在选线 时对 隧道可能的位置进 行充分的论证和比较 综合考虑路线 桥梁与隧道的 布置 隧道平面在符合路线总体走向前提下 结合地 形 地貌及工程地质与水文地质条件 通风井布置 两端接线 车辆运行安全和施工条件 对初步设计推 荐方案进行 了全面优化 隧道进 口为避让 F 1 F 3 断层破 碎带 向东偏移 3 0 0 5 0 0 m 避 免 了 F 1 F 3 断层与隧道小角度相交 隧道出口为避免高速公路 对村庄 的影响 向西偏移 1 0 0 m 远离南河和村庄 降 低 了对生态环境及当地居 民的影响 优化后线位改 善 了隧道进 出口线形 扩展了洞 口视野 更利于行车 安全 根据隧道进 出口两端接线地形条件 隧道进 口 标高比出 口标高高 l 6 1 1 5 m 进出 口标高相差较小 考虑隧道里程长 地下水发育 在满足排水要求 的前 提下尽量降低纵坡 经过通风计算 隧道涌水量 的 预测及排水沟水力计算 隧道纵坡采用 0 5 1 一 0 8 9 人字坡 变坡点基本位于隧道中心 考虑竖曲 线对行车视距的影响 设计采用大半径竖曲线 并保 证凸形竖 曲线的最小半径和最小长度 隧道纵面设 计具有以下优点 最大化减少 了反坡施工长度 降低施工期间 抽排地下水费用 减少突泥涌水事故带来的灾害 方 便施工 运营期间双向排水 可减少排水沟尺寸 降低 造价 响应 国家 节能减排 号 召 减少运营期汽车 能耗的 降低营运通风费用 并保证行车安全 4 2 斜井设计 为解决特长隧道施工组织及运营期间通风 防 灾救援等主要技术难题 常需设置斜井或竖井等辅 助坑道 以增加隧道工作面 改善施工条件 提高施 工进度 利用斜井 竖井作为通风井 将隧道分成数 段 充分地利用了分段纵 向式通风无需增加 隧道断 面 又能充分利用车辆的活塞作用 是一种节能型通 风方式 大坪山隧道地形地貌复杂 埋深特大 最大埋深 4 1 公路隧道 2 0 1 3年第 2期 总第 8 2期 达 9 6 0 m 山顶起伏小 山体宽厚 适合设置通风井 位置少 需综合考虑隧道通风 防灾救援和施工组 织 对通风井方案进行认真的比选和研究 4 2 1 斜井 竖井类型的选择 如何选择斜井或竖井需要从地形地貌 工程地 质 施工组织 工程造价 营运费用和工程 的难易各 方面综合考虑 大坪山隧址区进 口前段地势相对较 低 中后段地势均整体较高 施工进场交通不便 且 人烟稀少 通风井设置位置经 比选只能选择在隧址 区前段 考虑隧道适合设置通风井位置偏于靠近隧道进 口 不利于隧道通风分段 如选择斜井 将斜井井 口 设在隧道轴线两侧地势较低处 保证井 口不被洪水 淹没 调整斜井轴线与隧道轴线夹角 可以达到优 化隧道通风分段的目的 具有如下优点 在大坪山隧道特定 的交通量 平纵断面及地 形条件下 设置斜井可使隧道通风分段合理 具体为 3 5 1 l m 4 7 5 2 m 达到 了比较理想 的状态 隧道可 相对于三段式纵 向通风 可减少通风井数量 土建工 程费用和营运通风费用均较省 可利用斜井辅助主洞施工 缩短工期 斜井施 工较竖井施工方便 安全 工程难度小 土建费用较 竖井低 斜井可有效降低井 口标高 从而减少通风井 长度 并减少上山的施工便道 既满足了洞 口自然坡 体和植被不被破坏的要求 又解决 了隧道便道坡度 大 施工车辆安全保障性低 的难题 4 2 2 斜 井衬砌设 计 斜井衬砌按新奥法原理设计 采用复合式衬砌 以锚杆 钢筋网 湿喷混凝土 格栅钢架等为初期支 护 并辅以超前小导管 超前锚杆等支护措施 充分 发挥围岩的自承能力 二次衬砌在洞 口浅埋地段及 V级围岩地段采用钢筋混凝土结构 在 级围岩 深埋地段采用素混凝土结构 考虑到斜井二次衬砌 由于中隔板需要等到通风井贯通后浇注 设计 上对 初期支护的强度适度加强 斜井复合式衬砌参数见 采用两段式纵向通风 左右洞只需各设置 1 座斜井 表 2 衬砌结构见图 2 表 2 斜 井复合式衬砌结构参数表 衬砌 围岩 初期支护 二次衬砌 类型 级别 锚杆 钢筋 网 喷射砼 钢拱架 C2 5 备注 S X 5 V 02 2药卷锚杆 L 3 O m 双层 06 C 2 0喷射砼 2 4 c m 02 5格栅钢架 间距 6 0 c m 仰拱 4 0 c m 洞 口段二衬为钢筋砼 S X 4 02 2药卷锚杆 L 3 O m 双层 06 C 2 0喷射砼 2 0 c m 02 2格栅钢架 间距 l O O c m 仰拱 3 5 c m S X 3 02 2药卷锚杆 L 一2 5 m 局部 06 C 2 0喷射砼 l O c m 3 0 c m 图 2 斜 井净空及衬砌 结构 图 尺寸单位 c m 4 2 3 斜 井 井底 叉 洞段 设 计 斜井井底设计是难点和关键 一则斜井和联络 风道净空断面类型多 变化大 斜井为 圆形断面 联 络风道考虑施工方便 采用半圆形拱形断面 两者在 形状 高度 宽度上差异大 且斜井需同时与送风 排 风联络风道衔接 二则通风技术要求风流顺畅 减 少通风风流局部风压损失 各类衬砌断面变化处应 42 平顺 不宜有突变 L A L日c 上 D E 上 r L e LH 图 3 斜井 井底 叉洞段平面布置 图 尺寸单位 c m 陈光明等 大坪山特长隧道设计 中的关键技 术 在设计 中借鉴分岔式隧道设计 开展技术创新 斜井井底采用叉洞结构 由大拱段 连拱段 小净距 段三部分组成 减少断面变化 平面布置见 图 3 在 选定联络风道净空断面的过程 中 合理选定 拱部半 径与直墙高度 以利于斜井与大拱段 大拱段与连拱 段的连接 同时 斜井井底 曲墙式衬砌与叉 洞大拱 段直墙式衬砌之间设置 3 m渐变段 使斜井与送排 风联络风道连接平顺 顺畅 减少通风阻力 4 3 安全运营设计技术 大坪山隧道长度超过 8 2 k m 正常行驶需要 6 7 mi n 洞 内行 车 时间长 隧道 为 相对 密 闭 的环 境 空间狭小 环境单调 驾乘人员在进入 隧道后 随 着环境的突然变化会产生不安 恐惧心理 由于汽 车尾气排放 隧道 内烟雾和一氧化碳 等有 害气体浓 度高 导致空气质量差 视线不 良 隧道路面在车辆 长期作用下 路面表层棱角被磨掉 再加上汽车尾气 和油污污染 使路面防滑能力降低 长时间 单调枯 燥的环境使驾乘人员产生疲劳 降低 注意力 也容易 诱发交通事故 为此隧道设计采用如下措施 在满足排水要 求 的前提下 尽量采用 较小纵 坡 增加了行车舒适 保证行车安全 减少汽 车尾气 的排放 降低能耗 优化隧道平 面线形 隧道进 出 口分别位 于半 径 2 0 0 0 m和 2 4 0 0 m 的曲线段 隧道 中间段为直线 平面线形布置扩展了洞 口视野 提高了驾乘人员在 隧道 内的注意力 有利于行车安全 隧道纵坡采用人字坡 避免在雨天和雪天时 雨水沿路 面流人 隧道 隧道两端洞 口设 置宽 8 5 c m 的透水沥青层 采用路面渗水方式 流人 隧道洞 口两 侧 的边沟沉沙井 减少雨水引起路面的湿滑 隧道进 出口 3 0 0 m 范围采用沥青砼路 面 与 洞外路段保持一致 保证洞 内外路 面面层抗滑性能 一 致 隧道进出 口均采用削竹式洞 门 两端均设置 转 向车道 加强景观设计和交通标志的诱导性 可减 轻行车进洞前的紧张心理 采用合理纵 向通风分段 与全射流纵 向通风 相 比 降低隧道 内风速 减少扬尘 确保隧道 内良好 卫生条件和行车视距 同时也缩短 了火灾发生时排 烟路径 隧道 内设置变化多样 醒 目的交通标志 发光 的可变情报板 诱导标示 隧道 内定期广播 提高驾 驶人员注意力 力 强照明 减轻光线和空间变化带来 的不安全因素 隧道设置完善 的通风 消防 照明 供配电系 统 以及报警 监测 与控制装置 由中心计算 机系统 统一控制 指挥 管理 4 4 断层破碎带设计对策 大坪山隧道处于扬子克拉通 扬子准地台 与南 秦岭构造带两个一级大地构造单元的接壤部位 并 且隧址区分布有著名的青峰断裂带 主要有 F 3 F 4 F 5 F 6 F 7 F 8 F 9 F 1 0 F l l F 2 6等 1 O条逆 冲断 层 破碎带及韧性剪切带 以不同角度穿越隧道 区 破碎带宽度较大 另外有两条断层未穿越隧道 区 在隧道进 口附近形成破碎带 断层破碎带围岩稳定性差 隧道开挖扰动后 极 易发生涌水 突泥现象 施工难度大 威胁施工安全 不但影响工程进度 而且容 易造成重大安全 事故 因此能否安全穿越断层破碎带是大坪山隧道施工成 败的关键 4 4 1 动 态设计 和信 息化 施 工 针对施工 中可能会遇到断层 突泥 涌水 溶洞 软弱破碎带等不良地质条件 采用动态设计和信息 化施工可 以做到有备无患 沉着应对可能发生 的地 质变化 设计采用 T S P T E M 瞬变电磁仪法 及超前地 质探孔三种超前地质预报手段 首先采用 TS P隧 道地震探测仪进行远距离 2 0 0 m 较宏观长期预报 对于初步判断可能发生涌水段 提前 2 0 3 0 m采取 T E M 瞬变 电磁仪法 探测地下水 等情况 在部分重 点地段结合 T S P T E M 等预报结果确定 是否需要 打探孔 以及探孔