青海省公路隧道建造、養(yǎng)護及運維的創(chuàng)新與發(fā)展

楊桂梅

(青海省湟源公路總段 西寧 810008)

1 青海省公路隧道發(fā)展現(xiàn)狀

由于青海省地處青藏高原，受地形條件限制，隧道工程在青海省公路建設中舉足輕重，得到了迅速的發(fā)展。這緣于其可以滿足高等級公路線形設計要求，降低路線標高，以及可減少大填大挖，保護森林植被，減少水土流失的生態(tài)優(yōu)勢。自1990年起開始修建公路隧道以來，截至目前，青海省營運、在建以及擬建的公路隧道規(guī)模龐大，特殊的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土性質(zhì)、氣象水文以及與之密切相關的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、凍脹沉陷、沙漠風蝕沙埋、黃土濕陷、水土流失等多發(fā)、頻發(fā)和危害嚴重的自然地質(zhì)災害，使得青海公路隧道建設面臨著十分艱巨的任務，需要破解的難題很多，如特殊的高原濕陷性黃土隧道的建設和高原多年凍土隧道的建設。尤其近年來“互助北山”等萬米級以上特長隧道的建設，對高寒高海拔特長隧道的建設技術提出了迫切需求。加之近年來生態(tài)文明建設和綠色發(fā)展理念越來越受到高度重視，青海省作為我國的“中華水塔”，生態(tài)地位重要而特殊，國家自然保護區(qū)、水源保護地眾多，公路建設中，要秉持“不破壞就是最好的保護”，貫徹“保護優(yōu)先、預防為主、防治結(jié)合、綜合治理”的環(huán)保原則。對于隧道工程，要從重視綠色隧道發(fā)展頂層設計、營造有效的政策環(huán)境和體制機制、推廣綠色隧道設計與技術研發(fā)、建立綠色隧道施工標準化、建設綠色隧道典型示范工程幾個方面提升隧道工程綠色發(fā)展水平[1]。這就要求在隧道建設及運維中，要將生態(tài)環(huán)保理念貫穿于隧道規(guī)劃、建設、運營和養(yǎng)護的全過程之中，提升隧道工程綠色發(fā)展水平。

2 青海省公路隧道建造運維中面臨的問題

2.1 建設環(huán)境復雜，施工安全風險高

青海省隧道建設中面臨頻繁穿越巖溶發(fā)育區(qū)、斷層破碎帶、高地應力軟巖區(qū)、多年凍土、高原濕陷性黃土等不良地質(zhì)，隧道建造過程中面臨施工工法轉(zhuǎn)換頻繁，施工程序繁瑣，工藝控制難度大，施工中各種突發(fā)狀況難以預料等諸多難題，將極大增加隧道施工風險。加之受低氣壓、低氣溫、低含氧量等因素的影響，人與機械設備的工作效率嚴重降低，高效安全問題更為突出，也將進一步導致工期壓力巨大。因此，如何在復雜地質(zhì)環(huán)境條件下優(yōu)化和改進施工工法，有效利用新技術、新工藝，安全高效地穿越高海拔地區(qū)復雜地質(zhì)是目前面臨的主要問題之一。

2.2 高原嚴酷環(huán)境對隧道混凝土耐久性提出極高要求

高原地區(qū)具有低氣壓、低氣溫、晝夜溫差大、空氣濕度低等典型氣候特征，嚴酷的服役環(huán)境對混凝土耐久性提出極高要求[2]。隧道區(qū)海拔普遍在3000m以上，隧址區(qū)氣壓、平均氣溫低，多屬嚴寒地區(qū)，日溫差大。勢必要求混凝土應具備優(yōu)良的抗凍及抗開裂等性能。另外，襯砌作為隧道主要受力結(jié)構(gòu)，從已建公路工程隧道看，襯砌開裂、厚度不夠、滲漏水、拱背空洞、表面蜂窩麻面、氣泡等常見的質(zhì)量問題已嚴重影響隧道結(jié)構(gòu)的安全可靠性[3]。因而，如何切實提高隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量已成為提升隧道品質(zhì)工程中面臨的主要問題。因此，為保障高原地區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土耐久性能達到上述要求，切實提升隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)混凝土品質(zhì)，開展高原高寒地區(qū)隧道襯砌混凝土品質(zhì)提升與保障技術至關重要。

2.3 隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，隧道建設運維期對綠色環(huán)保要求高

青海省地處青藏高原，是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地，享有“三江之源、中華水塔、山水之宗”的美譽，同時又是一個生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴重的內(nèi)陸省份。隧道建設中，隧道棄渣、取棄土破壞植被，誘發(fā)水土流失；施工及人員活動影響自然保護區(qū)和野生動物，施工污水及營地生活污水和垃圾、施工物料堆放污染水體，施工廢料、垃圾污染自然環(huán)境；邊仰坡大方量開挖原地貌破壞洞口山體植被環(huán)境，施工造成的地表沉降、塌陷等在青海生態(tài)脆弱地區(qū)難以快速恢復[4]。此外，隧址區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)復雜，涌水量大，易導致隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞等問題，且大量地下水排放，不僅導致水資源浪費，還可能引起地表生態(tài)環(huán)境破壞等嚴重后果。因此，如何針對隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱的特點，研發(fā)新技術新方法，從勘察設計、施工和運營全過程中綜合考慮，在建設的同時切實保障生態(tài)環(huán)境，開展綠色公路隧道建設和隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境保護是青海省隧道工程的關鍵。

2.4 高原超長隧道運維安全隱患高，防災減災任務艱巨

高寒高海拔地區(qū)超長隧道運營過程中易出現(xiàn)車輛碰撞、火災等重大交通事故，通風排煙、應急救援及交通調(diào)度難度大。然而，隧道火災的消防研究在我國還處于初級階段，目前我國尚沒有專門針對長大隧道消防安全的設計規(guī)范和標準，由于火災問題的不確定性，目前我國主要以借鑒國內(nèi)外的經(jīng)驗數(shù)據(jù)為主。因此，有必要進一步深入研究高海拔地區(qū)超長隧道火災工況下通風排煙規(guī)律、消防設施的設置規(guī)模，確定火災報警系統(tǒng)及其與交通監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動，確定隧道火災時交通組織設計、配套設施的組織布置以及人員逃生救援問題。除此之外，針對高海拔超長公路隧道內(nèi)低壓缺氧，為了預防、降低隧道內(nèi)交通隱患，有必要基于駕駛員的生理、心理需求，研究分析公路隧道導致駕駛員駕駛工作負荷增加和降低的原因，確定科學合理而又經(jīng)濟的策略，保證行車安全[5]。圍繞上述問題，開展特長隧道運營安全評價技術、建立內(nèi)外聯(lián)動預警及應急救援管控體系是隧道正常安全運維的重要保障。

3 青海省公路隧道建造運維技術的創(chuàng)新與發(fā)展建議

青海省地處高寒高海拔地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，隧道建造時將頻繁穿越復雜地質(zhì)，隧道結(jié)構(gòu)服役時環(huán)境惡劣，可以預見，未來“數(shù)量多、長度大、大斷面、大埋深”是青海省公路隧道工程發(fā)展的總趨勢。超長公路隧道的建設和發(fā)展對隧道勘察、設計、施工及運營管理提出了極高的技術要求。為更好地實現(xiàn)青海隧道高質(zhì)量的發(fā)展，下面針對青海省公路隧道建造運維中面臨的主要問題，對未來青海省公路隧道建造運維技術的創(chuàng)新與發(fā)展提出如下建議。

3.1 高原復雜地質(zhì)環(huán)境下公路隧道高效安全建造技術

高寒高海拔超長隧道的安全快速施工受控因素多，需根據(jù)工程實際條件全面考慮，使各項施工作業(yè)快速平穩(wěn)進行。因此，未來需進一步開展高寒高海拔地區(qū)深埋長大公路隧道安全高效建造關鍵技術方面的研究，具體可在如下幾方面形成關鍵技術[6]。

(1)基于激光掃描與攝影測量技術完成超長隧道施工期快速地質(zhì)編錄與圍巖分級，實現(xiàn)圍巖精細化分級，為隧道安全高效施工提供技術支撐。

(2)研發(fā)新裝備，提出新工法，以實現(xiàn)高原巖溶發(fā)育區(qū)、斷層破碎帶、高地應力軟巖區(qū)、多年凍土、濕陷性黃土等不良地質(zhì)區(qū)段隧道的快速施工；在高海拔高寒環(huán)境條件下，大力發(fā)展推進隧道施工機械化，制定高原機械化定額，提升施工效率，降低工程造價，保障施工安全。

3.2 高原高寒地區(qū)公路隧道襯砌混凝土品質(zhì)提升與保障技術

高原地區(qū)低溫低氣壓及干燥大溫差等典型氣候特征，對混凝土耐久性能提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，而隧道襯砌混凝土品質(zhì)的提升是一個系統(tǒng)工程。因此，未來建議從材料組成設計、材料質(zhì)量精細控制、混凝土施工方法優(yōu)化等方面形成高原高寒地區(qū)隧道襯砌混凝土品質(zhì)提升與保障技術，具體建議如下。

(1)開展青海省公路工程混凝土材料區(qū)域特性研究，實現(xiàn)隧道混凝土質(zhì)量超前評估與控制。

(2)研發(fā)與材料隧道混凝土施工特性相匹配的隧道高抗?jié)B耐腐噴射混凝及大流態(tài)高性能二襯混凝土的材料組成設計方法。

(3)研究提出隧道大流態(tài)模筑混凝土施工質(zhì)量控制與養(yǎng)護技術，實現(xiàn)混凝土表觀質(zhì)量提升，保障隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性。

3.3 高寒高海拔公路隧道綠色節(jié)能與環(huán)保運維新技術

青海的生態(tài)環(huán)境極其脆弱，環(huán)保對工程建設提出了極高要求[7]。當前《交通強國建設綱要》要求，嚴守生態(tài)保護紅線，將生態(tài)環(huán)保理念貫穿交通基礎設施規(guī)劃、建設、運營和養(yǎng)護全過程[8]。為契合國家發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)合青海自身需求，未來需在高寒高海拔超長隧道綠色節(jié)能與環(huán)保運維方面形成關鍵技術，具體建議如下。

(1)針對高原隧道環(huán)境特點，開展基于自然風(或交通風)有效利用的超長隧道通風智能控制技術研究，實現(xiàn)超長隧道運營期的綠色節(jié)能。

(2)開展環(huán)保型可維修防排水體系設計，提出超長隧道排水系統(tǒng)堵塞機理與疏導處治對策，提升超長隧道防排水體系的服役性能。

(3)研究高原地區(qū)隧道生態(tài)環(huán)境保護評價體系，提出超長隧道限量排放地下水量標準、涌水預測方法，研發(fā)超長隧道運營期間地下水綠色利用及引排技術，實現(xiàn)高原隧區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和地下水綠色綜合利用[9]。

3.4 高海拔超長公路隧道運營安全管控與防災救援技術

青海省地處高原，高山林立，隨著公路隧道不斷延伸，勢必出現(xiàn)諸多萬米級超長隧道。對于超長隧道而言，運維安全隱患高、防災減員任務艱巨。加之高原低氣壓環(huán)境對火災燃燒及擴散特性亦有影響。因此，未來需從如下幾方面開展科技攻關，實現(xiàn)高原高海拔地區(qū)超長公路隧道的安全運維。

(1)提出基于信息化手段的高海拔超長隧道內(nèi)外聯(lián)動預警技術及人員高效疏散技術，實現(xiàn)高海拔超長隧道災害實時預警與災后高效救援。

(2)研究高寒高海拔公路隧道內(nèi)車輛駕駛行為，構(gòu)建基于“人—車—路—環(huán)境”的超長隧道風險評估模型，提出高寒高海拔公路隧道內(nèi)車輛駕駛行為與安全預警體系。

(3)研究超長隧道車輛安全信息快速識別技術及超長隧道交互式通信應用及預警技術，開發(fā)基于交互式通信技術的超長隧道運營安全管理平臺。

4 結(jié)語

《交通強國建設綱要》中明確提出了利用科技創(chuàng)新引領未來交通建設的高質(zhì)量發(fā)展。隨著青海省高速公路的快速發(fā)展，基于青海特殊的地形地質(zhì)條件及脆弱的生態(tài)環(huán)境，隧道工程優(yōu)越性明顯。青海公路隧道建設應緊緊圍繞青海交通發(fā)展需要，重視逐步實現(xiàn)隧道與生態(tài)的一體化，推進隧道施工機械創(chuàng)新化發(fā)展方向，努力提高自主創(chuàng)新能力，大力開展技術攻關，積極總結(jié)探索高原地區(qū)高寒高海拔特長公路隧道施工、運營、維養(yǎng)中的各種新技術，同時因地制宜，研發(fā)推廣適宜的綠色公路隧道技術，推動青海省公路交通跨越發(fā)展、綠色發(fā)展、和諧發(fā)展和統(tǒng)籌發(fā)展[10]。