泥巴山深埋特长隧道关键技术设计对策

2007年第2期(总第58期)

泥巴山深埋特长隧道关键技术设计对策

田尚志　李玉文

(四川省交通厅公路规划勘察设计研究院　成都　610041)

摘　要　泥巴山隧道长达10km,是雅安至泸沽高速公路上的超特长公路隧道。该隧道具有埋深大、地形、地质复

杂,海拔较高、气候条件复杂等显著特点。隧道的最大埋深达1650m,且山顶起伏极小,形成山体宽厚,导致通风设计、施工难度极大。本文从运营安全和施工安全的角度,分析了泥巴山隧道的关键技术及解决思路,提出了初步对策措施。

关键词　泥巴山隧道　安全设计　对策　措施　

计采用以下对策:

a.洞口施工采用零开挖进洞技术,减小施工对洞口环境的破坏,顺应山势充分利用地形,弱化隧道洞门,加强交通标志的诱导性,使行车在不知不觉中

进入隧道,减轻行车进洞前的紧张心理。

b.在洞口段采用耐磨的沥青混凝土路面,提高路面防滑能力。

c.加强照明,减轻光线和空间变化带来的不安因素。

d.改善特长隧道内平纵线型,在隧道内1/3和2/3处调整了平面线型,增加设置了两个半径为5000m曲线段,提高驾驶人员在隧道内的注意力。

e.隧道两侧边墙分段刷涂颜色变化、诱导性的条带,拱部防火涂料分段采用不同的颜色,路面和拱部设立变化多样、醒目的交通标志及富于变化的灯光带,提高驾驶人员在隧道内的注意力,降低驾驶疲劳感,提高行车安全性。2.2　隧道洞外的行车安全

泥巴山处于气候变化带,雅安端为亚热带季风性气候,雨量充沛,冬天气温较低,常有降雪、积雪和结冰,海拔1500m以上积雪开始增多;多雾,平均雾日130～220d,年最多雾日可达190～260d。泸沽端为高原性气候,气候条件较好。为此,采取如下措施确保车辆雅安端洞外的行车安全:

a.在泥巴山隧道两洞口不同高程上分别建5个气象观测站,包括一个固定站和四个流动站。通过对隧址区不同高程的一个完整气象周年的观测,结合气象资料整编办法、数理统计方法、对比方法、相似方法和高差订正办法等订正手段,分析出泥巴山隧道洞口区域的气象条件,指导设计。同时设置雅

1　概述

雅安至泸沽段高速公路地处雅安市南部、凉山州北部,是国家高速公路网七条首都放射线中北京～昆明的一段,同时也是西部大通道甘肃州～云南磨憨公路的重要组成部分。泥巴山隧道长达10km,是雅泸路上的超特长隧道。隧道埋深特大,最大埋深达1650m,山顶起伏极小,山势雄浑,山体宽厚;隧道洞身埋深超过1000m的宽度达5100m,埋深超过800m的宽度达6118m。隧道穿越山体地形地貌复杂,沟壑交错,丛林密布,人烟稀少;隧道海拔较高,气象条件复杂,处于亚热带季风性气候和高原气候分隔带,山上积雪期长。隧道地质条件复杂,存在岩爆、大变形、高压涌突水、高温热害等地质问题。所有这些特点都给设计、施工、运营安全带来困难。

2　隧道安全设计技术

2.1　隧道内的行车安全

泥巴山隧道长度超过10km,正常行驶需要8～10min。隧道处于一个相对封闭的环境中,空间狭小,环境相对单调,灯光昏暗,空气质量相对较差。一般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,加上路面的磨光和污染使路面防滑能力降低、烟尘使能见度降低以及本能的紧张反应等容易诱发交通事故;在度过不安期后,随着在洞内时间的增长,单调、枯燥的环境使驾乘人员容易产生疲劳,降低注意力,也容易诱发交通事故;从成都和西昌出发的车辆经过泥巴山隧道时,驾乘人员也进入了一个生理疲劳期。针对以上情况,隧道设

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安端的固定站为今后的运营提供气象支持。

b.通过对泥巴山隧址区不同高程的积雪厚度、持续天数及雾日等气象条件分析,结合隧道及线路

技术经济比较,确定最合理的洞口标高。

c.设置能见度传感器,通过控制计算机、可变限速显示牌和雨雪冰雾提示牌等,降低隧道洞口外交通事故。2.3　隧道运营安全

泥巴山隧道超特长、埋深特大、山体宽厚的特点,决定了竖(斜)井深度极大,位置选择极其困难,通风分段实现困难。如何考虑隧道的运营通风、防灾救灾总体方案,是本隧道设计的技术难点。2.3.1　隧道通风方式

通过对国内外长度10km以上隧道的调研发现,特长公路隧道通风方式的发展规律是从横向式通风向纵向式通风方式转变。泥巴山隧道通过对纵

向通风、横向通风、半横向通风方式的比较,拟采用有轨运输斜井分段纵向通风方式。2.3.2　纵向通风分段数和分段长度

通风分段数和分段长度直接影响隧道的通风规模和后期的运营。根据泥巴山隧道通风和防灾的需要,结合隧道本身的地形、地质条件,对隧道分二区段、三区段通风方案进行综合比较,三区段通风方案无论通风道规模、通风条件、防灾救灾条件、工程和运营费用、施工难度等方面都有优势,因此泥巴山隧道拟采用三区段纵向通风方式(图1)。

图1　三区段通风示意图

图2　风速与建设、运营费用关系图

　　分段区间长度取决于通风和防灾救灾的需要,

通过调研国内外10km以上隧道纵向通风的分段长度一般在6km以内。泥巴山隧道经试算分段长度超过5km时,洞内风速将超过8m/s,因此本隧道分

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　公路隧道

段长度控制在5km以内。经比较三区段通风的各种分段长度组合的斜井规模、运营费用、施工难度等,分段采用2500m+5000m+2500m模式技术经济更合理。

2.3.3　通风井经济断面和经济风速

通风井的经济断面积和经济风速直接影响建设投资和运营能耗。一般来说,通风井断面积越大,工程费用就越高,但对运营通风来说,断面积越大,风速越低,运营能耗越小,且风速对能耗更敏感。因此不同的国家和地区的隧道建设水平和国民经济水平的不同,会有不同的经济断面积和经济风速。泥巴山隧道结合我国西部地区隧道建设和运营管理的实际情况,通过比较,通风井风速在13～14m/s时建设费用和20年的运营费用综合最省,因此泥巴山隧道斜井断面大小按井内风速13～14m/s控制(图2)。

2.3.4　斜井断面型式

泥巴山隧道斜井采用左右洞通风系统共用排风道和送风道型式,即修建两个斜井,一个井用于排风,另一个井用于送风。这种布置方式将左右洞相邻的两个排风口的污染空气通过联络风道集中到一个排风井中排出洞外;通过一个送风井供应隧道左右洞相应区段的新鲜风,风量分配通过风门调节。

采用送(排)风道共用的双斜井通风模式具有以下优势:

a.造价与其它方式差不多,但地下风道布置大大简化,有利于提高通风效率。

b.斜井中没有隔板,施工相对简单,土建工程量相对较小,洞外只需设一个排风塔,地面建筑物大大简化。

c.左右线共用风道,对送排风也相对有利,可以动态调节左右线送排风量,提高风道利用率。

d.当左右洞需风量峰值不同出现时,利用错峰送排风,降低斜井风速,也可以通过人为调峰运行风机,从而降低斜井风速,减小通风摩阻,降低营运费用。2.3.5　隧道防灾救灾预案

在隧道火灾救援中“时间”,是最关键的因素。对于长大公路隧道,快速确定交通疏导方案和火灾救援方案,将会极大地降低灾害损失。对于双洞单向交通隧道,在两个平行隧道之间设置横通道,利用横通道,可以及时疏散人流。该方案中以下几点十分关键:

a.火灾发生后,立即关闭两个公路隧道,即只准

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车辆出,不准车辆进入。

b.横通道处的隧道断面上要设车道表示器和可变情报板,同时横通道上方要设明显的标志。

c.一个隧道发生火灾后,另一个隧道暂时变为双向交通,组织车辆迅速驶离隧道。

d.横通道要设防火门,一旦发生火灾,必须立即启动防火门(由中控室计算机自动控制),全部车流疏散后,关闭防火门。

2.3.6　易燃易爆和危险品车辆进入隧道的安全运输管理办法

长大隧道在公路系统中的重要性不言而喻,世界各国对装有易燃、易爆、危险品的车辆进入隧道都建立了一套安全的管理办法,其中主要内容为性措施、检测措施、安全保护措施、正常运输情况的管理措施、事故情况下的处理措施、紧急情况下的救援措施等。针对泥巴山隧道,深入调查分析进入隧道的危险车辆的组成、通过时间等,经过对行使车辆的有效安全管理,将在隧道内的事故率降低到最小。

3　隧道安全施工技术

3.1　斜井施工对策

泥巴山隧道四斜井长度均近1km,倾角23～25°,断面积均在40m2左右,采用有轨运输施工。如此大规模的公路隧道斜井,国内外均属罕见。为此,针对斜井的施工采取相应的安全措施:

a.合理选择斜井洞口位置,使斜井口设在地质条件较好和不受水淹的地方,便于布置井口车场和弃渣场地。

b.选择合理的施工安全配套设备,制定严格操作程序。

c.制定合理的施工组织方案,建立安全可靠的工程运输调度,统一指挥,使施工过程有序可控。

d.确保斜井内有足够的照明及应急照明措施。

e.控制提升绞车运行速度为1.2～3.5m/s,并有相应的防脱轨措施,提升绞车有深度指示器及报警装置,并设有防过卷装置。

f.提升绞车与井口、井底均有色灯和声音信号装置,并有专人负责;每次提升、下放、暂停应有明确的信号规定。

g.井口轨道中心设置安全挡车器,并经常处于关闭状态,放车时方打开;在挡车器下方约5～10m及接近井底前10m处应各设一道防溜车装置。h.禁止上下班人员乘坐箕斗或斗车,设置运送人员的专用设施,并设有专供人行走的安全通道。

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3.2　不良地质的施工安全对策3.2.1　岩爆

通过对隧道场区地应力测试及分析,隧道埋深

超过1500m时,属于极高应力区,可能发生强烈岩爆(Ⅲ),当埋深超过600m时,隧道已进入高应力区,可能出现岩爆。

施工进入岩爆地段,除结构上的防护措施外,针对不同岩爆等级,施工还应分别采取以下安全措施:

a.采用导坑开挖,以释放部分应力;

b.施作超前钻孔,释放部分应力;

c.控制循环进尺,每循环进尺不大于1.5m,采用光面爆破技术;

d.加强爆破后的找顶工作,并对洞壁喷水冲洗,以软化岩体;

e..采用喷钢纤维混凝土及时封闭岩壁,并施作短而密的早强药卷锚杆。3.2.2　大变形

隧道洞身在埋深1400～1500m位置穿越F5断层,断层破碎带和影响带的岩体裂隙、层间次级小褶皱、断裂发育,地下水较大,岩体破碎,软化后呈碎石土、砂土状,其影响带宽度达200m,围岩稳定性极差。隧道洞身穿越该段,可能产生大变形。针对这类大变形,采取以下措施:

a.采用自进式长锚杆(L=8m)主动约束洞周变形;

b.加大预留变形量至25cm,以适应围岩变形;c.增大仰拱矢跨比,改善仰拱受力;

d.加强初期支护,采用C20喷钢纤维混凝土和U25可缩式钢架构成初期支护体系;

e.加强二次模筑混凝土衬砌支护承载力,二次衬砌采用60cm厚钢筋混凝土。

3.2.3　隧道通过F5断层时,可能会有高压涌、突水。主要对策是:

a.超前探测断层地下水发育情况,采取的手段有地质雷达、TSP震测、超前钻孔等。

b.采用全断面超前预注浆,止水并加固地层。3.2.4　高地温

钻孔井温测试,恒温带深度约120m,恒温带平

均温度约10°,平均地温梯度约1.7°;当隧道埋深超过1000m时,洞中原岩地温超过25℃,最大埋深处的地温分别为37℃,超过我国铁路工程技术规范规

定的25℃和矿山劳动条例规定的28℃,属高地温,构成热害。

隧道热害防治一般采用非人工制冷降温措施,特殊情况下采用人工制冷降温措施。

非人工制冷降温措施主要包括:

a.加大通风强度;

b.选择合理的施工通风方式和通风系统;c.洞内喷洒水、放冰块降温;d.在条件恶劣的地方,施工人员穿上冷却服,以实行个体防护。

人工制冷降温的主要措施:在主要工作面采用洞内移动空调系统,局部降温。

4　结束语

泥巴山隧道本着“以人为本,安全至上,全寿命整体安全”的设计理念,从安全角度综合考虑了公路隧道的功能、行车安全、自然环境等因素,对隧道的设计、施工和营运各阶段安全性进行综合评价,提出了各阶段涉及安全的关键技术及初步对策,使隧道在全寿命过程中处于可控状态。

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