公路隧道建設(shè)的技術(shù)新趨勢

韓大千

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 公路隧道的蓬勃建設(shè)

進入21世紀以來，我國的公路隧道呈現(xiàn)出蓬勃建設(shè)的局面。到2013年底，全國公路隧道為11 359處，長度960.56萬m；其中，特長隧道562處、長度250.69萬m，長隧道2 303處、長度393.62萬m。與2012年底相比公路隧道的數(shù)量增加了1 337處，公路隧道的長度增加了155.29萬m。

公路隧道的建設(shè)，不僅僅表現(xiàn)在數(shù)量、長度有大的增幅，而且遇到的地質(zhì)條件越來越復雜、技術(shù)難度不斷增加、功能越來越引起重視、地理位置越來越多樣化。

2 公路隧道建設(shè)的技術(shù)新趨勢

隨著國內(nèi)公路隧道的大量建設(shè)，技術(shù)上也出現(xiàn)了一些新的趨勢，下面筆者針對情況進行一些探討。

2.1 特長、超長隧道及隧道群

近年來，我國公路建設(shè)中遇到的長大隧道、隧道群越來越多，長度超過6 km的隧道就有數(shù)十座，最有代表性的是西康高速的秦嶺隧道。為了施工通風及加快施工進度的需要，長度L＞6 000 m的公路隧道均建有斜、豎井，建設(shè)規(guī)模及難度與3 000 m＜L≤6 000 m的隧道存在較大的區(qū)別，表1中列舉了部分長大隧道的斜、豎井情況。在《公路隧道設(shè)計細則》[1]的校審稿中曾提出，將3 000 m＜L≤6 000 m的確定為特長隧道，將L＞6 000 m的確定為超長隧道。主要是考慮到基于目前汽車技術(shù)與防災救援技術(shù)，長度大于6 km的公路隧道一般需要設(shè)置通風豎井或斜井，隧道防災救援問題突出、災害幾率高，運營管理系統(tǒng)復雜、費用較大，設(shè)計、施工難度較大。結(jié)合隧道的運營、管理、養(yǎng)護情況來看，筆者建議劃分L＞6 000 m作為超長隧道也是比較合理的，建議在隧道規(guī)范修訂時應(yīng)予以考慮。

圖1 秦嶺特長隧道豎井示意圖

表1 我國部分長大隧道通風井情況表

2.2 淺埋隧道

從理論來看，《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70—2004）[2]中淺埋與深埋的分界，按荷載等效高度值，并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定。按荷載等效高度的判定公式為Hp=（2-2.5）hq，Hp為淺埋隧道分界深度，hq為荷載等效高度。通過計算，在Ⅳ-Ⅵ級圍巖中，兩車道淺埋隧道洞頂?shù)母餐练纸绾穸纫謩e為12.5 m、25 m、50 m；三車道淺埋隧道洞頂?shù)母餐练纸绾穸纫謩e為14.5 m、28 m、60 m。

在Ⅳ-Ⅵ級圍巖中，按照圍巖級別的不同，根據(jù)洞頂埋深合理確定隧道淺埋段的范圍主要是為了采取更為穩(wěn)妥的施工方法（見圖2、圖3），以便于隧道施工能安全、順利。通過調(diào)查大量隧道工程的施工資料，由于施工組織及技術(shù)人員水平的不同，如果可以將上部覆蓋層厚度不足毛洞跨徑2倍的隧道劃分為淺埋式隧道，將有利于提高施工時的安全系數(shù)。

圖2 側(cè)壁導坑分部開挖

圖3 中導洞+雙側(cè)壁導坑開挖

2.3 大跨及特大跨隧道

在目前，大跨隧道跨度約為14～18 m，包含三車道公路隧道及兩車道隧道的緊急停車帶段（見圖4）；特大跨隧道跨度約為18 m以上，包含四車道公路隧道、連拱隧道、三車道隧道的緊急停車帶段。如山西平陽高速的陽曲隧道，單洞最大開挖寬度19.67 m，三車道；遼寧沈大高速的金州隧道，單洞最大開挖寬度22.5 m，四車道。

圖4 大跨隧道

近年來一些大跨及特大跨隧道的建設(shè)，為隧道界積累了一定的經(jīng)驗，按工序施工，及時進行監(jiān)控量測就可以安全地完成施工。

相信在將來，在城市及車流量較大的山嶺隧道，如果地質(zhì)條件允許，將會越來越多地選擇建設(shè)大跨及特大跨隧道，為車輛出行提供越來越好的條件。

2.4 小凈距、連拱、分岔式隧道、近接隧道、地下互通立交、螺旋隧道

隧道作為構(gòu)造物，在L＜3 000 m的情況下，大多數(shù)隧道的布設(shè)需要服從于路線的布設(shè)情況、沿線的地質(zhì)構(gòu)造情況，為整個工程的貫通提供支持。由于上述情況，近年來出現(xiàn)了小凈距、連拱、分岔式隧道、近接隧道、地下互通立交、螺旋隧道等多種形式，有效地解決了建設(shè)中遇到的難題。

a）小凈距隧道 中間巖柱在5～20 m中間的隧道。

b）連拱隧道 內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)為整體的隧道。

c）分岔隧道 由大拱或連拱過渡為上下行分離的隧道，典型的如山西晉濟高速拍盤隧道。

圖5 晉濟高速拍盤隧道

d）近接隧道 平面或立面距離較近或有交叉的隧道，如福建金雞山隧道、重慶渝中連接隧道。

e）地下互通立交 我國城市快速發(fā)展，交通量急劇增加，導致城市立交發(fā)展迅猛。為了減少地面立交工程對區(qū)域規(guī)劃的破壞以及地形的需要，地下立交成為一個新的發(fā)展趨勢。典型工程如長沙市營盤路湘江隧道和廈門市萬石山地下立交工程。

圖6 廈門萬石山地下立交

其中，長沙營盤路隧道通道總長約8.5 km，主線為雙向四車道。它并非簡單的“一個隧道兩個口”，而是一個雙線四匝道八出入口的互通式多通道隧道，相當于在湘江底下建一座“水下互通式立交橋”，為解決隧道出入口擁堵的交通難題提供了新思路。尤其值得一提的是，最淺的地方就只有11 m，且是巖體松散、易破碎、已坍塌的強風化層，施工采用“先兩邊后中間、先上面后下面”的“眼睛法”（也叫“九步開挖法”），順利為我國開挖水下立交隧道積累了經(jīng)驗。

f）四川雅西高速拖烏山雙螺旋隧道 此為國際首創(chuàng)的雙螺旋小半徑曲線型隧道。干海子和鐵寨子雙螺旋隧道兩座隧道中間相距5.687 km的距離，這段路線總長度約10 km；實現(xiàn)了在4 km的“V”形峽谷范圍內(nèi)連續(xù)爬升300 m，為解決路線爬升、克服海拔高差提供了新范本。

圖7 雙螺旋隧道示意圖

2.5 過海、過江隧道

廈門翔安海底隧道翔安隧道為雙向六車道，隧道開挖寬 17 m、高 12 m，最大開挖斷面達到170 m2，是世界最大斷面的海底隧道。工程全長8.695 km，其中海底隧道長6.05 km，跨越海域?qū)捈s4.2 km，總投資31.97億元，已建成通車。

南京長江隧道工程位于長江一橋與三橋之間，是一條解決長江南北過江交通的城市快速路。越江隧址從江北濱江路開始，到江南清河路結(jié)束，總長5 853 m。地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層，巖性以粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細砂為主，隧道主要位于該地層。深部為白堊系下統(tǒng)浦口組地層，巖性以泥巖為主?；鶐r頂面起伏不大，頂板埋藏深度約55～60 m。

除上述工程外，我國還順利建成了青島海底隧道等。通過積累的工程經(jīng)驗，我國已經(jīng)開始規(guī)劃山東省蓬萊與旅順的橫跨渤?？诘暮５淄ǖ赖慕ㄔO(shè)，預計全長123 km，平均深度20～30 m，最深約70 m，造價超過2 000億。

2.6 零開挖、零擾動進洞、橋隧相接

在一些地質(zhì)條件差、地形陡峭的路段，為了更好地保護環(huán)境，減少施工帶來的滑坡、滑塌等次生災害，已由原來的大刷坡、縮短隧道長度的進洞方式調(diào)整為零開挖、零擾動進洞、橋隧相接的方式。

圖8 零開挖、零擾動進洞

圖9 橋隧相接

對不良地質(zhì)、不利地形條件，可考慮預先地表預加固、超前預加固、反壓回填與擋護。通過延長暗洞、放陡邊坡等方法在有的項目中可將原設(shè)計的40多米邊坡降低至10 m以內(nèi)。在經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟比較后，盡可能采用“前置式洞口施工法”施工，在洞外不開挖山腳土體的情況下，采用兩側(cè)開槽逐榀施作工字鋼拱架，隨著鋼拱架推進逐漸接近山體，拱架間以縱向鋼筋連接為整體，澆注混凝土形成臨時襯砌，在進洞前以臨時襯砌成洞，回填反壓后再進行內(nèi)挖法施工。有的洞門為斜洞門時，橋臺設(shè)置應(yīng)順應(yīng)洞門，設(shè)置為斜橋臺。

2.7 棚洞

由于有的路段地質(zhì)為膨脹性黏土或膨脹性強分化巖，土體內(nèi)夾雜大小不一的堅硬沙巖石塊，土體內(nèi)裂隙水豐富，路基大面積開挖時，極易造成塌方和滑坡，大面積開挖極其困難，且施工隱患很大，所以采用明洞施工難以實施，造價太高，工期太長。明洞方案盡管可以一勞永逸，但在此工期無法保證，而采用棚洞方案可以縮短工期，降低工程造價。為防止山體形成的泥石流進入棚洞，邊坡上需進行綠色柔性防護，同時在高邊坡上每隔8 m一個臺階同時設(shè)置截水溝。

圖10 典型棚洞

棚洞隨地形和地質(zhì)條件的不同有多種類型，但其基本構(gòu)造有內(nèi)墻、外側(cè)支撐結(jié)構(gòu)和頂板支撐結(jié)構(gòu)。地基條件較弱的情況下，還需設(shè)置底部支撐結(jié)構(gòu)，相當于涵洞的支撐梁。內(nèi)墻可做成鋼筋混凝土板墻和外部支撐共同構(gòu)成樁板式支擋墻。外墻支撐結(jié)構(gòu)可根據(jù)地形和地質(zhì)情況的不同做成剛架式、柱式和墻式。外板可采用T形梁、I型梁或空心板梁截面預制安裝構(gòu)件。

2.8 洞內(nèi)防排水

圖11 隧道拱頂滲水結(jié)冰

圖12 隧道漏水路面結(jié)冰

目前，滲漏水是隧道工程面臨的頑疾，對公路隧道的行車安全影響更為突出。由于在施工及管理中往往突出了結(jié)構(gòu)安全的重要性而沒有足夠重視防排水工程的施工質(zhì)量，多座隧道運營期出現(xiàn)滲漏水情況，嚴重的出現(xiàn)“水簾洞”、“懸冰洞”情況，對襯砌結(jié)構(gòu)安全、行車安全等形成重大隱患。所以，對長大隧道而言，防排水工程的施工質(zhì)量就代表著隧道的施工質(zhì)量，應(yīng)精細化管理，從嚴抓起。

山西省交通科學研究院正在研究的《山西省運營隧道滲漏水防治技術(shù)》課題，對施工縫、防水板、電纜槽等部位通過申請專利、研究，提出了新工藝、新形式，力求能夠改善運營隧道的滲漏水問題。

2.9 地質(zhì)超前預報

目前，國內(nèi)應(yīng)用TSP203、TGP206等技術(shù)存在兩個技術(shù)問題：其一，對三維地震場波的處理僅來自掌子面前方，忽略了兩側(cè)、地表、上覆、下伏地層回波的影響，會造成虛報誤報。應(yīng)對記錄進行波場分離，取出前方回波，濾除各種側(cè)向回波。其二，TSP203、TGP206等觀測方式將檢波器與炮點布置在隧道一側(cè)，沒有橫向偏移距，僅能滿足隧道兩側(cè)波速分析，影響反射目標的準確定位，造成波速與圍巖特性沒有對應(yīng)關(guān)系。

TST超前預報系統(tǒng)較好地解決了以上問題，應(yīng)對其推廣應(yīng)用。

2.10 通風、照明

2.1 0.1 通風

目前，國內(nèi)開始應(yīng)用靜電集塵的方法來嘗試解決特長隧道位于環(huán)境保護區(qū)無法設(shè)置斜豎井排煙的問題。靜電集塵廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵，技術(shù)較成熟，但費用較高。

此外，由于受坡度、高差和車流工況的影響，雙洞單向隧道兩相鄰洞內(nèi)需風量往往差異很大，我國已經(jīng)開始在特長隧道中研究采用雙洞互補式網(wǎng)絡(luò)通風方案。構(gòu)建的雙洞換氣系統(tǒng)不僅保證隧道內(nèi)的污染物濃度不超過限制值，且比“左線單斜井+右線全射流風機”方案節(jié)省了通風系統(tǒng)初投資及運營費用。

2.1 0.2 照明

隧道照明開始廣泛應(yīng)用節(jié)能的LED設(shè)備，但有的省份考慮到LED燈的質(zhì)量參差不齊、造價較高且損失率較高，所以僅在應(yīng)急照明和中短隧道中采用。

洞內(nèi)行車段新型反光標志如反光標線、輪廓標等的采用一定程度上減少了燈具的布設(shè)及開啟，節(jié)省了電能。

此外，有的隧道還引入了低空照明，就是將拱頂?shù)臒艟哒{(diào)整到側(cè)壁稍高于駕駛員視線的位置，提高了照明效率。

福建省高速公路隧道照明通過節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用，隧道單洞平均能耗費用由設(shè)計初期的30萬元/年公里，降到目前的15萬元/年公里。

浙江省開發(fā)了一套智能化公路隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)，最低節(jié)能效率達到17.3%，最高節(jié)能效率達到45%。

陜西省在青蘭高速17座隧道照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中，對長隧道（大于500 m）的部分設(shè)計參數(shù)和技術(shù)指標按最新成果進行了優(yōu)化調(diào)整，特別是提出和采用了在科研成果支撐下的短隧道照明系統(tǒng)設(shè)計新方法，還根據(jù)交通量的發(fā)展，提出和采用了分期修建的原則和方法，無論是建設(shè)費用，還是運營費用都比原設(shè)計預計節(jié)省約一半。

總之，通過公路隧道多年來的運營，通風、照明費用在運營費用中所占比重較大，各省都在積極研究節(jié)能的方法。相信通過節(jié)能措施，公路隧道能更優(yōu)質(zhì)、高效地服務(wù)。

3 問題與體會

a）隧道設(shè)計形式上是新奧法，但還需要深入仔細研究隧道的圍巖地質(zhì)特點，這樣開挖后出現(xiàn)施工方法不適應(yīng)或者變更的情況會有效減少。

b）有的勘察由于地形復雜，便道工程巨大且較難實現(xiàn)，洞頂較難實施鉆探，有的地質(zhì)勘察難以到位，資料在設(shè)計時還不齊全。應(yīng)出臺相應(yīng)的制度，允許設(shè)計單位在隧道施工中進行補勘，并通過實施超一定比例的變更由設(shè)計單位承擔處罰來降低變更風險。

c）對公路隧道建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)，如深豎井施工技術(shù)、通風細部參數(shù)、運營監(jiān)控設(shè)施、防災救災預案等系統(tǒng)研究深入程度不夠，造成后期工程建設(shè)管理的困難，甚至造成很大的浪費。

d）加固、維修方案更便于大膽地嘗試新技術(shù)、新材料，為新建工程的大范圍應(yīng)用鋪平道路，設(shè)計人員應(yīng)積極參與。

e）應(yīng)大膽創(chuàng)新，積極地把創(chuàng)新思維植入大腦，積極引入其他行業(yè)成熟技術(shù)、材料、工藝等解決本行業(yè)技術(shù)難題，達到事半功倍的效果。如鐵路行業(yè)有長大傾角富水斜井快速抽排水施工工法、干燥粉細砂地層大斷面斜井進入正洞挑頂施工工法、黃土隧道仰拱底鼓整治施工工法、隧道高壓富水斷層快速施工工法等可以進行借鑒。

f）新技術(shù)、新工藝的發(fā)展及創(chuàng)新與設(shè)計理念的發(fā)展、創(chuàng)新是互相推動、互相促進的。要開放式而不是批判式地去了解新材料、新技術(shù)。

g）新技術(shù)、新材料、新工藝的發(fā)展應(yīng)用與設(shè)計理念的發(fā)展是相輔相成、互相推動促進的甚至必要的話可以參與新工藝、新技術(shù)、新材料的研發(fā)。工程是創(chuàng)新的土壤，科研是設(shè)計創(chuàng)新的助推劑。

h）設(shè)計人員不能簡單將自己作為設(shè)計人員，應(yīng)考慮施工如何實現(xiàn)；反思和總結(jié)經(jīng)驗教訓推動了技術(shù)創(chuàng)新，專業(yè)上還有廣闊的創(chuàng)新空間。

4 結(jié)語

公路隧道的建設(shè)不僅融合了結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、巖土、機電、消防等多個方面的內(nèi)容，而且隨著公路隧道的蓬勃建設(shè)，在新工藝、新材料、新能源、新技術(shù)的采用方面還會不斷推陳出新，設(shè)計人員應(yīng)積極更新設(shè)計文件。以上是筆者的一些淺見，不當之處，請各位前輩及同仁批評指正。