中條山特長(zhǎng)隧道工程設(shè)計(jì)

侯豪斌

（1.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 概述

山西運(yùn)城市解州至陌南（黃河橋頭）公路是山西省高速公路網(wǎng)“三縱十二橫十二環(huán)十五條連接線高速公路網(wǎng)”[1]的重要組成部分，也是山西連通陜西、河南，以及南下兩湖、兩廣的重要戰(zhàn)略通道；中條山特長(zhǎng)隧道進(jìn)口位于運(yùn)城市鹽湖區(qū)解州鎮(zhèn)王窯頭村東南，出口位于芮城縣陌南鎮(zhèn)石坡村，呈南北走向穿越中條山段，隧道全長(zhǎng)9 671 m（左線9 670.942 m），最大埋深681.13 m；于2010年開(kāi)工建設(shè)，2014年隧道貫通。

山西運(yùn)城市解州至陌南（黃河橋頭）公路采用雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度24.5 m，中條山特長(zhǎng)隧道采用三心圓內(nèi)輪廓斷面，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式，交通工程設(shè)施按A級(jí)設(shè)計(jì)，公路隧道工程和一般的公路工程、橋梁工程相比，有其自身的特點(diǎn),建設(shè)管理較為復(fù)雜，難度更大[2]。設(shè)計(jì)中借鑒了國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)大隧道的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，本著“以人為本、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)?！钡睦砟钸M(jìn)行了多方案、多角度的研究、優(yōu)化，為山西省隧道建設(shè)提供了技術(shù)參考。

2 工程地質(zhì)

中條山隧道起點(diǎn)位于中條山北麓，為山麓相洪積扇，地形較為平緩，海拔360～400 m；終點(diǎn)位于中條山南麓南鄰芮城盆地，為黃土臺(tái)地，為中更新統(tǒng)洪積層，海拔約800～400 m，為丘陵溝壑地形。隧道區(qū)地貌上為帶狀侵蝕—?jiǎng)兾g大—中起伏中山區(qū)，最高

山峰海拔1 328.83 m，分水嶺海拔多在1 200 m以上，相對(duì)高差約800 m。根據(jù)地表工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔揭露：只在隧道的陌南出口有少量的第四系黃土；隧址區(qū)出露的地層北段主要為變質(zhì)巖，南段為沉積巖，基巖裸露，主要以太古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖（Hgn），中元古界長(zhǎng)城系、中元古界薊縣系、下古生界寒武系砂巖組成，隧道洞口有少量第四系黃土，隧道區(qū)屬于中條山西南段隆起帶，構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為斷裂、簡(jiǎn)單的背斜褶皺構(gòu)造及伴隨次生構(gòu)造，共發(fā)育4條較大斷層，施工中有發(fā)生巖爆、涌水、坍塌、大變形等風(fēng)險(xiǎn)，工程地質(zhì)條件較差。

3 隧道設(shè)計(jì)

3.1 土建工程

3.1.1 建筑限界

圖1 隧道建筑限界及內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖

中條山特長(zhǎng)隧道凈寬10.25 m，凈高5.0 m，采用三心圓內(nèi)輪廓斷面（拱部R=543 cm）[3]，隧道建筑限界及內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1；緊急停車(chē)帶建筑限界凈寬為13.00 m，凈高5.0 m（拱部R=737 cm）。

3.1.2 襯砌結(jié)構(gòu)

隧道洞身段襯砌按新奧法原理設(shè)計(jì)。初期支護(hù)以噴、錨、網(wǎng)為主要支護(hù)手段，噴混凝土采用濕噴工藝；Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖及緊急停車(chē)帶路段增加鋼拱架或格柵鋼架支護(hù)，輔助措施為在Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖及緊急停車(chē)帶段采用超前注漿小導(dǎo)管、超前管棚注漿預(yù)加固圍巖，Ⅴ級(jí)圍巖及Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖緊急停車(chē)帶段二次襯砌采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；Ⅲ級(jí)圍巖采用拱墻設(shè)局部錨桿，二次襯砌采用C30混凝土結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.1.3 隧道防排水

隧道防排水設(shè)計(jì)原則為以排水為主，防、排結(jié)合，綜合治理，形成完整的防、排水體系，使隧道防水可靠，排水通暢，保證初期支護(hù)無(wú)大股出水點(diǎn)，二次襯砌背后排水順暢，運(yùn)營(yíng)期間隧道內(nèi)不滲、不漏，基本干燥，形成完整有效的防、排水系統(tǒng)[4]。隧道完成初期支護(hù)后，在初期支護(hù)表面全斷面鋪掛350 g/m2無(wú)紡布及1.2 mm厚EVA排水板；環(huán)向排水管采用φ100半圓管，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段縱向分別按20 m、10 m、6 m、4 m間距設(shè)置1道；在隧道全段范圍沿墻腳設(shè)置縱向φ116HDPE雙壁半圓打孔波紋管；橫向排水管在Ⅲ級(jí)圍巖段采用φ116HDPE橫向雙壁波紋管，縱向間距30 m布設(shè)，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段按縱向間距10 m布設(shè)；縱向、橫向排水管采用三通管連通，以確保隧道排水系統(tǒng)的暢通；在隧道圍巖裂縫滲漏水集中處鋪設(shè)φ50軟式彈簧透水圓管，原則上在滲漏水較集中處鋪設(shè)，縱向間距按Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖10 m、5 m設(shè)置。中心排水溝設(shè)置在仰拱以上，采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于中條山隧道為1.883%的單坡排水，結(jié)合隧道涌水量預(yù)測(cè)，前段約4.5 km采用內(nèi)徑φ50中心排水管，后段采用內(nèi)徑φ40中心排水管；從而形成完善的、便于維修的防排水體系。

3.1.4 隧道路面結(jié)構(gòu)

中條山隧道屬特長(zhǎng)公路隧道，考慮到防災(zāi)、救災(zāi)及路面耐久性等因素，隧道洞身段采用水泥混凝土路面，面層厚26 cm，混凝土路面的抗彎拉強(qiáng)度不小于5 MPa，面層下設(shè)C20混凝土基層，仰拱采用C15片石混凝土填充。考慮到行車(chē)舒適、洞內(nèi)外過(guò)渡自然，進(jìn)出口段各300 m采用瀝青混凝土復(fù)合路面結(jié)構(gòu)，上面層采用4 cm厚細(xì)粒式瀝青混凝土、下面層采用6 cm厚中粒式瀝青混凝土、下部為26 cm厚水泥混凝土板。隧道內(nèi)車(chē)行橫洞及人行橫洞采用20 cm厚水泥混凝土路面。

3.1.5 附屬設(shè)施

a）檢修道設(shè)計(jì) 隧道內(nèi)設(shè)雙側(cè)檢修道，設(shè)計(jì)檢修道高度45 cm，寬75 cm。

b）緊急停車(chē)帶與橫洞設(shè)計(jì) 考慮到地下風(fēng)機(jī)房人員設(shè)備的交通、運(yùn)輸以及管養(yǎng)人員的逃生，緊急停車(chē)帶以及橫洞根據(jù)地下風(fēng)機(jī)房設(shè)置做了調(diào)整，并且在3處地下風(fēng)機(jī)房增設(shè)了3處人行橫洞以利于管養(yǎng)人員逃生，中條山隧道共設(shè)置緊急停車(chē)帶12處，車(chē)行橫洞12處，人行橫洞16處。

c）隧道洞內(nèi)裝飾不僅有利于節(jié)約長(zhǎng)大隧道的洞內(nèi)照明功率，而且有利于后期養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)[5]，內(nèi)裝采用邊墻3.1 m高范圍內(nèi)采用瓷磚裝飾，洞頂采用深色防火涂料裝飾。其中隧道內(nèi)部裝飾墻面瓷磚顏色采用乳白色結(jié)合藍(lán)色條帶，其規(guī)格為（430×220）mm，厚度大于等于8 mm，共13道，并且要求采用亞光釉面瓷磚，砌筑時(shí)橫豎縫直通，用灰縫材料勾20 mm的橫縫與10 mm的豎縫。

3.1.6 隧道斜豎井

中條山隧道設(shè)2豎井1斜井供隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)（圖2），均采用地下風(fēng)機(jī)房，地下風(fēng)機(jī)房洞室群包含逃生通道、運(yùn)輸通道、聯(lián)絡(luò)排風(fēng)道、聯(lián)絡(luò)送風(fēng)道、地下風(fēng)機(jī)房、送排風(fēng)口、排煙通道等，各洞室之間相互交叉、相互影響、且洞室之間的間距小，交叉洞室施工順序?qū)﹂_(kāi)挖洞室影響等因素較多，是土建工程設(shè)計(jì)施工的難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中利用有限元軟件對(duì)隧道地下風(fēng)機(jī)房洞室群圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，通過(guò)分析各橫向通道與隧道、地下風(fēng)機(jī)房交叉處，以及各橫向通道頂部圍巖出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力，拱頂?shù)某两抵岛凸暗椎穆∑鹬递^大；在橫向通道與地下風(fēng)機(jī)房的交叉處，聯(lián)絡(luò)排風(fēng)道與聯(lián)絡(luò)送風(fēng)道的拱頂沉降值和拱底隆起值都比較大；設(shè)計(jì)中對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工工序進(jìn)行了優(yōu)化。

圖2 斜豎井布置圖

3.2 隧道通風(fēng)、照明及機(jī)電工程

3.2.1 供配電

中條山隧道解州和陌南兩側(cè)各設(shè)置1處隧道變電所，同時(shí)在隧道內(nèi)設(shè)3處洞內(nèi)變電所和3處軸流風(fēng)機(jī)變電所。

3.2.2 通風(fēng)

根據(jù)交通量、交通組成及隧道所處地形、氣象環(huán)境等因素，通過(guò)計(jì)算分析確定隧道右線YK8+140處設(shè)1號(hào)豎井，左線ZK9+480處設(shè)2號(hào)豎井，右線ZK11+750處設(shè)1號(hào)斜井（并設(shè)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道至左線用于火災(zāi)排煙）；隧道左線采用兩段縱向通風(fēng)方式，右線采用3段縱向通風(fēng)方式，采用射流風(fēng)機(jī)+斜、豎井軸流風(fēng)機(jī)送排式通風(fēng)，地下風(fēng)機(jī)房。

3.2.3 照明設(shè)施

綜合考慮隧道內(nèi)近遠(yuǎn)期交通量，隧道內(nèi)基本行車(chē)段亮度設(shè)為3.6坎德拉，采用高壓鈉燈作為隧道主洞照明光源。除常規(guī)的隧道照明設(shè)計(jì)，在中條山隧道內(nèi)設(shè)計(jì)了有源誘導(dǎo)系統(tǒng)，采用LED誘導(dǎo)標(biāo)間距15 m對(duì)稱(chēng)布置在隧道行車(chē)方向兩側(cè)的檢修便道上。在隧道左右洞內(nèi)各設(shè)置1處特殊燈光帶照明，采用76套90 W LED配光燈投光產(chǎn)生特殊的燈光效果。

3.2.4 消防救援

采用干、濕混合式消防，主要采用水成膜泡沫滅火裝置、消火栓結(jié)合干粉滅火器綜合消防，單向采用常高壓方式供水。隧道配置完善的消防設(shè)施、疏散逃生標(biāo)志、防火門(mén)、防火卷簾門(mén)、電纜防火封堵、電伴熱保溫措施，同時(shí)在隧道兩側(cè)配置消防車(chē)等強(qiáng)力消防設(shè)施。

3.2.5 通信

通信系統(tǒng)主要包括光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)、業(yè)務(wù)電話指令電話和對(duì)講電話系統(tǒng)、隧道緊急電話系統(tǒng)、隧道有線廣播系統(tǒng)、路側(cè)緊急報(bào)警系統(tǒng)、會(huì)議電視系統(tǒng)、通信電源及接地系統(tǒng)等。采用40/33（外徑40 mm，內(nèi)徑33 mm）硅芯管作為通信管道的主要材料。

3.2.6 監(jiān)控

設(shè)有1處隧道監(jiān)控所（芮城隧道監(jiān)控所）、2處隧道救援站，采用“運(yùn)城片區(qū)監(jiān)控中心——隧道監(jiān)控所/監(jiān)控外場(chǎng)”的管理方式。監(jiān)控系統(tǒng)由火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警子系統(tǒng)、隧道通風(fēng)控制子系統(tǒng)、隧道照明控制子系統(tǒng)、電力監(jiān)控子系統(tǒng)、交通監(jiān)控子系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視子系統(tǒng)、緊急電話子系統(tǒng)、指令電話子系統(tǒng)、有線廣播子系統(tǒng)等9個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。

隧道監(jiān)控運(yùn)營(yíng)方案為：隧道正常運(yùn)行模式、隧道交通控制預(yù)案、隧道通風(fēng)控制預(yù)案、隧道照明控制預(yù)案、隧道火災(zāi)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制預(yù)案。

3.2.7 交通安全設(shè)施

在遵循“以人為本、保障安全、利于管理”的基礎(chǔ)上，設(shè)置了完善的標(biāo)志、標(biāo)線、護(hù)欄、輪廓標(biāo)等交通安全設(shè)施。

4 技術(shù)難點(diǎn)

中條山隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)隧道土建、通風(fēng)、照明及機(jī)電工程等進(jìn)行了多次論證、優(yōu)化，并著重對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了深入研究。

a）中條山特長(zhǎng)隧道屬超長(zhǎng)隧道，路線縱坡為單坡，隧道施工及運(yùn)營(yíng)排水都極為不利，勘察過(guò)程中對(duì)隧道涌水進(jìn)行了精心的預(yù)測(cè)，經(jīng)隧道地質(zhì)鉆探觀測(cè)，完成的鉆孔地下水位埋深為13～164 m，為準(zhǔn)確判斷地下水涌水情況，分別在ZK8、ZK12進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的抽水試驗(yàn),并對(duì)地下水進(jìn)行模擬計(jì)算，指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)根據(jù)涌水預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)排水設(shè)施，中心排水管采用不同直徑方便施工、節(jié)省投資。

b）通風(fēng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中進(jìn)行了多方案比較，最后集中在3豎井、1豎井+2斜井與2豎井+1斜井的比較上，最終通過(guò)通風(fēng)效果、建設(shè)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、施工難度、運(yùn)營(yíng)管理維護(hù)難度、防火救災(zāi)控制等比較選擇了2豎井+1斜井的分段式縱向通風(fēng)方案。特長(zhǎng)隧道發(fā)生災(zāi)害事故時(shí)，逃生、救援難度極大，設(shè)計(jì)中的排煙通道增加了火災(zāi)分區(qū)，減短火災(zāi)工況下排煙長(zhǎng)度，為逃生、救援創(chuàng)造了有利條件。

c）中條山隧道地下風(fēng)機(jī)房洞室群與主洞相互貫通，具有斷面多、跨度大、三維交錯(cuò)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、間距小、交叉頻繁等特點(diǎn)，屬于埋深大、受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)脆弱的地下洞室群，如何保證施工與運(yùn)營(yíng)安全成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中通過(guò)工程類(lèi)比、數(shù)值模擬等手段進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)地下風(fēng)機(jī)房洞室群施工工序進(jìn)行了模擬分析，以確定最優(yōu)的施工方案和設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)目的。

d）消防救援，隧道消防等級(jí)屬高危險(xiǎn)級(jí)，防災(zāi)救援難度大，本著“以防為主、防消結(jié)合”的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合隧道監(jiān)控系統(tǒng)、供電照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等設(shè)施，配合消防、交警等部門(mén)制定多套消防救援方案保證隧道運(yùn)營(yíng)安全。

e）本隧道具有埋深大、隧道長(zhǎng)、地質(zhì)情況復(fù)雜的特點(diǎn)，施工安全隱患多，設(shè)計(jì)中制定了巖爆及處治、隧道局部坍塌處治、涌水處治、溶洞處治、軟弱圍巖大變形處治等多方面的施工預(yù)案，保證了隧道建設(shè)的順利進(jìn)行。