粵東山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下特長公路隧道路段線路方案研究

王宏權(quán)

(廣東省南粵交通大豐華高速公路管理中心, 廣東 梅州 514300)

近年來，伴隨著高速公路的建設(shè)熱潮和隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展，山區(qū)高速公路的建設(shè)里程和規(guī)模也不斷提高。山區(qū)地形具有高海拔、高陡坡、深溝谷等特點(diǎn)，區(qū)域斷裂、古滑坡、巖溶等不良地質(zhì)不同程度地發(fā)育，地質(zhì)情況復(fù)雜、多變，同時(shí)由于環(huán)保、水保及施工精細(xì)化水平要求的提高，山區(qū)高速公路的建設(shè)形勢和困難也日益突出。在山區(qū)高速公路建設(shè)中，如何貫徹新時(shí)代綠色公路建設(shè)理念，最大程度地減少對沿線自然保護(hù)區(qū)、生態(tài)嚴(yán)控區(qū)的影響，做好山區(qū)高速公路不良地質(zhì)處理、降低工程造價(jià)和區(qū)域環(huán)境保護(hù)等，均對高速公路線路設(shè)計(jì)和比選論證工作提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

該文以大(埔)豐(順)(五)華高速公路豐順至五華段關(guān)鍵控制性工程——鴻圖嶂特長隧道為依托，通過選取項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)過程中的不同線路方案，并對不同線路方案進(jìn)行比較和分析，在此基礎(chǔ)上對特長隧道路線方案進(jìn)行研究和討論。

1 項(xiàng)目背景及工程概況

大(埔)豐(順)(五)華高速公路是廣東省規(guī)劃高速公路網(wǎng)中的加密聯(lián)絡(luò)線，是梅州市南部區(qū)縣相互連接的交通主干線，與大潮高速、汕梅高速、興華高速等一起構(gòu)成粵東北快捷的出省通道交通網(wǎng)絡(luò)。項(xiàng)目路線長40.149 km，橋隧比例為39.41%，采用雙向高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100 km/h。

鴻圖嶂隧道地處豐順縣湯西鎮(zhèn)和五華縣郭田鎮(zhèn)，位于中低山地貌區(qū)，山體起伏較大，穿越蓮花山山脈八鄉(xiāng)山，全長6 336.5 m，隧道最大埋深740 m，最大縱坡為2%，是大(埔)豐(順)(五)華高速公路項(xiàng)目關(guān)鍵控制性工程。

2 山區(qū)特長深埋公路隧道選線原則

隨著山區(qū)高速公路建設(shè)的不斷發(fā)展，公路隧道特長隧道修建長度也不斷刷新紀(jì)錄。山區(qū)采用越嶺隧道雖具有減少爬山高度，縮短路線長度，改善行車條件等優(yōu)點(diǎn)，但隧道位置和線路的選擇及線形的設(shè)計(jì)直接關(guān)系著隧道的安全運(yùn)營。

根據(jù)前期選線方案調(diào)研及勘察設(shè)計(jì)過程評審優(yōu)化，鴻圖嶂特長深埋公路隧道的選線主要堅(jiān)持以下原則：

(1) 堅(jiān)持地形選線、地質(zhì)選線，重視生態(tài)選線。

(2) 山區(qū)公路建設(shè)，不良地質(zhì)在所難免，強(qiáng)化地質(zhì)選線，應(yīng)優(yōu)先繞避大型不良地質(zhì)。路線總體設(shè)計(jì)要“對自然心存敬畏”，要“趨利避害”，改變“先有路線、再做地勘”和“過于依賴鉆探”的做法，要前置性開展地質(zhì)工作。地質(zhì)勘察深度極為重要，勘察時(shí)必須從宏觀到微觀。

(3) 路線設(shè)計(jì)要解決好線形舒展和地形地質(zhì)的矛盾。對于中間地勢高前后地勢低的傳統(tǒng)越嶺線，連續(xù)長大坡的平面指標(biāo)要有意識地控制，可在縱坡允許條件下盡量爬坡以獲取最短隧道長度；對于大高差梯階爬坡路段，可克服高差，可綜合回頭曲線、螺旋曲線等方案充分展線以爭取高程。

(4) 特長隧道設(shè)置要正確處理好運(yùn)營安全、工程安全、工程造價(jià)、養(yǎng)護(hù)成本的關(guān)系，路線指標(biāo)的均衡對行車安全極為重要。

3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

初步設(shè)計(jì)過程中，綜合采用遙感解譯、工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、大地電磁法、高密度電法、鉆孔聲波測試、水文地質(zhì)試驗(yàn)、巖土及放射性試驗(yàn)、水文地質(zhì)專項(xiàng)研究等多種手段詳細(xì)查明隧址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。主要完成勘探工作量見表1。

表1 主要勘探工作量統(tǒng)計(jì)

3.1 地形地貌

隧道穿過中低山地貌區(qū)，地面標(biāo)高為245～1 060 m，相對高差約為715 m，山體植被發(fā)育，分布多條溝谷，其中K90+000～K91+000、K91+000～K93+500為山頂段、山體抬升段，地形為陡崖，坡腳堆積滾石。設(shè)計(jì)隧道底標(biāo)高為239～344 m，隧道最大埋深約為739 m。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)主要受區(qū)域構(gòu)造蓮花山斷裂帶、蓮花山斷裂伴生北西向斷裂、桐子洋復(fù)向斜褶皺影響。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪資料、遙感及物探資料，隧址區(qū)揭露豐良-橫崗斷裂帶配套斷裂、雞心山斷裂帶配套斷裂、榕江斷裂帶配套斷層、佛岡-豐良斷裂帶配套斷層共16條斷層破碎帶。

3.3 地層巖性

3.4 斷裂分布與水文地質(zhì)

鴻圖嶂隧道隧址區(qū)分布有18條各期次斷裂構(gòu)造，其中F0-3、F0-6、F1-7、F2-6、F2-7、F2-8、F2-9、F4-3、F4-4、F4-5、F5-2等分別與擬建隧道相交。隧址區(qū)主要分布有飛泉水庫和黃棉湖水庫，路線范圍內(nèi)地表水系發(fā)育，分布眾多溪流，隧址區(qū)地表水體為位于狹窄溝谷內(nèi)的溪流，多屬季節(jié)性溪流。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)特征，隧址區(qū)地下水受構(gòu)造影響較大，其中張扭性北東向斷層裂隙帶(F1-7、F2-6、F4-4、F0-2、F0-3、F5-2、F14、F2-7 等)為地下水的主要分布區(qū)，水量豐富。隧址區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水，以潛水為主，含水層主要為中～微風(fēng)化巖，預(yù)測隧道正常涌水量為26 484.36 m3/d。

4 特長隧道路段路線方案研究

4.1 隧道線路方案及描述

根據(jù)工可特長隧道方案及隧道前后地形、地質(zhì)條件，對穿越蓮花山山脈的路段提出了K線、A1線、A2線、A3線4個(gè)方案(圖1)，其中K線為推薦線。

圖1 路線方案比選圖

K線：鴻圖嶂特長隧道長6 175 m，入口高程約為240 m，出口高程約為358 m，為單坡隧道，平均縱坡為2.83%，穿越蓮花山脈路段線路總長為6 509 m。路線方案縱斷面圖詳見圖2。

圖2 K線縱斷面圖(右線)

A1線：為北線高線，相對K線往北約250 m，為特長隧道最短的路線方案，入口高程約為289 m，出口高程約為384 m，單坡隧道，平均縱坡為3.16%，穿越蓮花山脈路段線路總長為6 111 m。路線方案縱斷面圖詳見圖3。

圖3 A1線縱斷面圖(右線)

A2線：為北線低線，特長隧道較短路線方案，特長隧道長5 866 m，出洞后以約330 m的橋梁跨越三渡水水庫，再進(jìn)入豬麻崠隧道(長910 m)，平均縱坡為2.7%，穿越蓮花山脈路段線路總長為6 786 m。路線方案縱斷面圖見圖4。

圖4 A2線縱斷面圖(右線)

A3線：為南線低線，隧道總長度較短的方案，在穿越蓮花山路段只設(shè)置一個(gè)特長隧道，長6 245 m，平均縱坡為2.34%。路線方案縱斷面圖詳見圖5。

圖5 A3線縱斷面圖(右線)

4.2 線路定性分析

根據(jù)初測評審意見，K線為推薦線，A1線為同深度比較線，A2線、A3線為定性比較線。

K線進(jìn)入南磜隧道(短隧道)后，進(jìn)入南磜森林公園，隨后經(jīng)過約40 m的路基段露頭，進(jìn)入鴻圖嶂特長隧道，后在三渡水水庫東南側(cè)出洞，隨后路線在三渡水水庫以南的山腰布線。該路線方案主要的問題在于特長隧道較長，且隧道有部分路段從黃棉湖水庫下經(jīng)過(覆蓋層厚度約為690 m)，該水庫面積較大，水深約為15 m，旱季蓄水量較少，雨季蓄水量較多，主要承擔(dān)湯西鎮(zhèn)南磜電站、八鄉(xiāng)山鎮(zhèn)夜半溪電站的發(fā)電作用、灌溉作用，并兼做南磜森林公園揭?guī)X飛泉瀑布水源之一。

A1線為相對K線更往北靠、走高線的路線方案，該路線方案的平均高程比K線高40～50 m，使得特長隧道入口標(biāo)高約為289 m，比K線高約55 m。該方案的主要問題為路線高程高、縱坡陡、平縱面指標(biāo)較低；特長隧道之后，再設(shè)置一座1 km左右的中(長)隧道，該隧道的平面線形較差、平曲線為S形曲線；另外，隧道進(jìn)口端的湯西互通立交設(shè)置較困難，匝道長、橋梁規(guī)模大、路線指標(biāo)較低。

A2線從K線分出后繞著倒斗壩村北部邊緣布線，取消了特長隧道之前的短隧道(南磜隧道)，隧道在三渡水水庫上游東岸出洞跨越水庫之后，再進(jìn)入豬麻崠隧道(隧道長約912 m)，出隧道跨越S228與K線匯合，但隧道總長度較K線、A1線長。

A3線為隧道總長度較短的南線方案，只設(shè)1座隧道長6 243 m，線形指標(biāo)較好，行車安全性較好，路線繞避了飛泉水庫、黃棉湖水庫。

4.3 主要技術(shù)指標(biāo)對比

各路線的主要技術(shù)指標(biāo)比較見表2。

(1) 路線縱斷面指標(biāo)

結(jié)合圖1～5及表2，各線路縱斷面指標(biāo)如下：

K線：K85+450～K88+660段存在平均縱坡為2.834%的陡坡，長度為3.21 km，基本消解了長大縱坡問題。

A1線：K86+090～K89+110段存在平均縱坡為3.16%的陡坡，長度為3.02 km，K94+440～K97+960段存在平均縱坡為-3.12%的陡坡，長度為3.52 km，長大縱坡問題明顯。

A2線：K85+450～K89+020段存在平均縱坡為2.70%的陡坡，長度為3.57 km，基本消解了長大縱坡問題。

A3線：K85+450～K89+380段存在平均縱坡為2.34%的陡坡，長度為3.93 km，消解了長大縱坡問題。

通過分析，A1線長大縱坡問題較明顯，K線、A2的長陡坡問題基本相當(dāng)，但是均已基本消除，A3線消除了長大縱坡問題。同時(shí)，最小圓曲線半徑K線R=1 250 m，A1線R=1 300 m，最大縱坡K線、A1線路線指標(biāo)相當(dāng)，但平均縱坡K線優(yōu)，且K線平縱指標(biāo)較高，安全性較好。

(2) 線路安全性評價(jià)

K線：特長隧道工程地質(zhì)條件和施工條件較A1線～A3線略好，施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)較A1線～A3線略低。同時(shí)，因基本消除了長大縱坡問題，行車安全及舒適性較好，但特長隧道較長，為提高后期隧道運(yùn)營期的安全性，需設(shè)置豎井或斜井輔助通風(fēng)。

A1線：特長隧道線路長度小于5 km，較K線、A2線、A3線短，不需設(shè)置豎井或斜井輔助通風(fēng)。但特長隧道工程地質(zhì)條件和施工條件較差，且A1線在隧道起點(diǎn)前湯西鎮(zhèn)路段存在長大縱坡問題，需設(shè)置避險(xiǎn)車道，并需布置較多高墩橋梁，行車安全和舒適性較差。

A2線：平縱面指標(biāo)較好，且基本消除了長大縱坡影響，但特長隧道工程地質(zhì)條件和施工條件較差，隧道總長度和總數(shù)量較K線、A1線、A3線長，施工過程中安全風(fēng)險(xiǎn)較高。同時(shí)，特長隧道長度仍超過5 km，需設(shè)置豎井或斜井輔助通風(fēng)，因此僅對A2線做定性比較。

A3線：平縱面指標(biāo)較好，且路線繞避了飛泉水庫和黃棉湖水庫，施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)較其他線路均較低。但因隧道起點(diǎn)路段約有1 km長路線進(jìn)入了南磜森林公園，并采用隧道形式穿越八鄉(xiāng)山自然保護(hù)區(qū)，安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)較高，且地方強(qiáng)烈反對。

(3) 工期指標(biāo)

特長隧道為控制項(xiàng)目工期的關(guān)鍵工程，總體來看，各線路特長隧道長度雖有差別，但總體工期差別不大。其中，K線總體工期約為39個(gè)月，較A1線、A2線多2～3個(gè)月，較A3線少1個(gè)月。工期僅作為隧道選線的參考指標(biāo)，非控制指標(biāo)。

(4) 工程規(guī)模及造價(jià)對比

因A3線地方強(qiáng)烈反對，A2線隧道總長度較K線、A1線長，綜合縱斷面指標(biāo)分析，另對K線、A1線特長隧道路段工程規(guī)模及造價(jià)進(jìn)行對比，詳見表3。

表3 特長隧道路段K線與A1線主要工程數(shù)量比較

與K線相比，A1線橋梁增長1 712.9 m，隧道減少310.5 m；不需設(shè)置斜井/豎井，但要設(shè)置爬坡車道及避險(xiǎn)車道，填方增加7.3萬m3，挖方增加50.2萬m3，棄方增加16.1萬m3，隧道路段工程造價(jià)增加5 229.3萬元。

(5) 建設(shè)條件及環(huán)境影響對比

結(jié)合工程地質(zhì)條件和區(qū)域地質(zhì)概況，與K線相比，A1線地形條件均較為復(fù)雜，地質(zhì)條件略差，且較遠(yuǎn)離地方S228省道，施工便道規(guī)模大；同時(shí)，A1線隧道出口臨近三渡水水庫，施工條件略差，施工措施環(huán)保要求高，對環(huán)境影響方面較K線差。

綜合分析，K線特長隧道雖長度較長，但隧道總長度適中，線形指標(biāo)較好，施工組織較便利、工期適中，且施工及運(yùn)營安全較好、對環(huán)境的影響較小，因此擬定K線為推薦方案。

4.4 豎井或斜井設(shè)計(jì)

為保證隧道內(nèi)行車舒適性和安全性，結(jié)合已建或在建公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)隧址區(qū)工程地質(zhì)條件和特長隧道近似全單坡的縱斷面方案，并基于隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果和隧道運(yùn)營全壽命費(fèi)用周期考慮，經(jīng)多次設(shè)計(jì)比選，鴻圖嶂隧道最終采用了豎井通風(fēng)送排式通風(fēng)方案，豎井設(shè)置在出口段，設(shè)計(jì)樁號為K94+200位置附近。

4.5 設(shè)計(jì)過程遇到的問題

因隧道建設(shè)條件復(fù)雜，環(huán)保、水保要求高，勘察設(shè)計(jì)過程中主要遇到以下問題：

(1) 特長隧道單坡較長問題。初測、初設(shè)及定測階段，鴻圖嶂特長隧道均采用單坡，不利于施工組織。方案評審優(yōu)化階段，結(jié)合路線整體向北移動，在大樁號側(cè)設(shè)置約1 km長反坡，并結(jié)合縱斷面調(diào)整，進(jìn)一步加大了反坡長度，降低了施工難度。

(2) 隧道排水問題。因路線往北移，出隧道口路段設(shè)置長約350 m路基段及約210 m長的三渡水大橋，隧道內(nèi)排水及路面排水不能排入水庫。后經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，在填方路基段土路肩外側(cè)增設(shè)一道邊溝，收集路面水和隧道內(nèi)排水，通過改溝排至水庫范圍以外。

4.6 設(shè)計(jì)體會和啟發(fā)

通過對鴻圖嶂特長隧道的勘察設(shè)計(jì)，總結(jié)以下幾點(diǎn)體會和啟發(fā)：

(1) 長大縱坡線形設(shè)計(jì)及運(yùn)營安全需全盤考慮。路線走廊帶地形中間高，兩端低，線路方案中間最高點(diǎn)設(shè)特長隧道，兩端需設(shè)長大縱坡逐步降坡，路線平面展線、縱面要充分進(jìn)行核驗(yàn)，并結(jié)合運(yùn)營期安全性綜合評價(jià)，進(jìn)行必要的安全設(shè)施、爬坡車道、避險(xiǎn)車道設(shè)計(jì)。

(2) 注重生態(tài)環(huán)保選線，加強(qiáng)與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。設(shè)計(jì)過程需結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，重視環(huán)保及景觀設(shè)計(jì)工作，最大程度地保護(hù)沿線自然生態(tài)，切實(shí)貫徹“綠色公路”建設(shè)新理念，實(shí)現(xiàn)工程與環(huán)境的和諧統(tǒng)一。

(3) 加強(qiáng)地質(zhì)選線，深化特長隧道的選址比選。特長隧道洞口選址要在環(huán)保選線的基礎(chǔ)上，深入貫徹地質(zhì)選線的原則，加強(qiáng)對洞口路段地質(zhì)條件及可能發(fā)生災(zāi)害的調(diào)查，盡量避免在地形凹陷位置或沖溝匯集位置進(jìn)出洞，力爭實(shí)現(xiàn)“零開挖”進(jìn)洞。特長隧道線位要進(jìn)行多線路方案比選，綜合考慮巖爆、地?zé)峒巴荒嘤克炔涣嫉刭|(zhì)災(zāi)害問題。

(4) 注意保護(hù)耕地和節(jié)約用地。對山嶺重丘區(qū)和低山丘陵區(qū)，線路部分路段將不可避免地占用河谷盆地，但河谷盆地多為耕地和規(guī)劃用地，山地多為經(jīng)濟(jì)林，耕地資源稀少，土地開發(fā)利用價(jià)值較高。路線方案的選擇既要有利于土地的有效利用，同時(shí)也要注意工程規(guī)模與道路功能之間的平衡。

5 結(jié)語

基于線路定性分析、工程技術(shù)指標(biāo)對比、工期、造價(jià)及規(guī)模、環(huán)境影響及建設(shè)條件對比總結(jié)等方法，針對鴻圖嶂特長隧道路段線路方案開展研究分析，總結(jié)了勘察設(shè)計(jì)過程遇到的主要問題，闡述了設(shè)計(jì)體會和啟發(fā)，為粵東山區(qū)特長隧道選線設(shè)計(jì)提供了思路和理念，對未來粵東高速公路建設(shè)具有一定的借簽和參考。