大凉山1号隧道设计与施工关键技术.pdf
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1、大凉山1号隧道设计与施工关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024收稿日期:2024-01-15修回日期:2024-01-31作者简介:李玉文(1966-),男,硕士,教授级高级工程师,主要从事公路隧道的设计和研究工作,E-mail:.通讯作者:蔚艳庆(1979-),男,硕士,正高级工程师,主要从事隧道及地下工程方面的设计和研究工作,E-mail:.大凉山1号隧道设计与施工关键技术李玉文 蔚艳庆(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,
2、成都 610041)摘要:乐西高速大凉山1号隧道地质条件复杂、气候条件恶劣,受自然保护区限制选线困难。文章提出最大限度降低越岭高程的设计思路,以保障运营安全。通过设置贯通平导、选择隧道掘进机法与钻爆法组合的施工工法、优化隧道通风方案,解决超特长隧道施工工期、防灾救援等难题,降低了施工风险,提高了防灾救援效率,项目总体功能和施工运营安全性达到较优。通过项目实施及研究表明,超特长隧道采用主线隧道+贯通平导的建设方案是可行的,对于西部山区超特长高速公路隧道的建设具有一定的借鉴意义。关键词:总体设计;特长隧道;贯通平导;敞开式掘进机;设备改造中图分类号:U452;U455文献标志码:A文章编号:100
3、9-6582(2024)02-0232-09DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.021引文格式:李玉文,蔚艳庆.大凉山1号隧道设计与施工关键技术J.现代隧道技术,2024,61(2):232-240.LI Yuwen,WEI Yanqing.Key Technologies for Design and Construction of the Daliangshan No.1 TunnelJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2):232-240.1工程概况大凉山1号隧道位于乐西高速马边至昭觉段,隧道全长15.324 km,设计速度8
4、0 km/h,隧道设置1座贯通平导+1座斜井,是我国西南地区在建项目最长的高速公路隧道,是国内首条平导采用敞开式掘进机、主洞采用钻爆法施工的高速公路隧道,也是国内首条采用单斜井+贯通平导通风模式的超特长公路隧道,隧道掘进机开挖直径为7.93 m。项目地理位置如图1所示。图1 项目地理位置图Fig.1 Project location map2项目特点与难点大凉山1号隧道位于云贵高原与川西南山地过渡带,紧邻大风顶国家级自然保护区、四川省嘛咪泽自然保护区,东北部与四川盆地毗连,地势西高东低,呈北东向倾斜,属大凉山系。隧道主要受哈都洛背斜、黄果洛向斜和斯依阿莫倒转背斜控制,地层岩性主要以玄武岩、砂岩
5、、粉砂岩、灰岩为主,隧道穿越F1断层、F2断层,不良地质有涌突水、瓦斯、断层破碎带、大变形和岩溶等,黄果洛向斜核部和F1、F2断层破碎带为富水地层,预测最大涌水量达32 179 m/d,隧道地质图如图2所示。(1)建设规模超大,建设风险极高。大凉山1号隧道是我国西南地区在建项目最长的高速公路隧道,在环境敏感区修建15 km的超特长隧道面临施工作业面少、环境敏感、地质条件复杂等难题,项目建设条件极其艰难。(2)地质条件复杂,不良地质发育。隧道穿越背斜、向斜、断层等构造,不良地质有断层破碎带、涌水、瓦斯、软岩、岩溶、岩爆等,其中黄果洛向斜四周高、中间低,似一口“平底锅”,是储水构造,涌突水风险极高
6、。232大凉山1号隧道设计与施工关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版(3)生态环境敏感,环保要求极严。隧道紧邻大风顶国家级自然保护区、四川省嘛咪泽自然保护区等大熊猫栖息地保护区(图3),环保要求极其严格,隧道选线、施工受限极大。图3 自然保护区与隧道的关系Fig.3 Relationship between nature reserves and thetunnel(4)防灾救援困难,运营风险极大。隧道受嘛咪泽自然保护区的影响,
7、进口端约8 km范围内无法设置斜竖井,隧道发生火灾等紧急情况后,救援车辆通行时间长、人员逃生距离长、火灾烟气蔓延范围大,大大增加了防灾救援难度(图4)。图4 特长隧道常规救援模式示意Fig.4 Schematic diagram of conventional rescue mode forextra-long tunnels3总体设计3.1降低越岭高程,减轻冰雪集中等小气候灾害影响乐西高速线路由北向南随地形起伏较大,大凉山1号隧道的海拔高度达到2 000 m以上,设计阶段开展了大高差艰险山区高速公路线形方案比选研究,通过降低隧道越岭高程最大程度地绕避冰雪灾害地段,减轻全线海拔最高区域“暗冰”
8、危害,将积雪冰冻路段降低为轻度影响程度,保证运营期间准全天候通行。乐西高速路线由北向南随地形起伏形成两条越岭线(黄茅埂越岭线、昭觉北上山线)、三段连续长纵坡,海拔高度按照坡底坡顶坡底坡顶的顺序依次为马边河特大桥约640 m、穿越黄茅埂的大凉山1号隧道村约2 290 m、子莫格尼特大桥约1 564 m、昭觉县菩提村约2 090 m,大凉山1号隧道为乐西高速全线海拔最高的一段,因此大凉山1号隧道进出口标高的选择与越岭线越岭标高的选择相关联。为深入研究大凉山1号隧道的越岭高程,设计团队拟定了高线、中线、底线等多个路线方案进行比选。从全线连续长纵坡坡度、积雪冰冻情况、环境保护要求、互通设置、环境因素等
9、多方面进行比选,提出了最优方案。结合省内雅安至西昌高速公路的运营情况,该高速公路海拔最高的拖乌山路段冬季常常受积雪灾害影响,无法全天候行车。因此,大凉山1号隧道轴线方案的选择首先考虑后期的运营安全,最终选择了海拔最低、隧道最长的轴线方案。该方案有效地降低了全线的平均纵坡,减小了积雪冰冻路段的长度,消除了中度影响积雪路段,同时明线路段布置在阳山坡,有利于运营安全(图5)。图2 大凉山1号隧道地质简图Fig.2 Geological map of the Daliangshan No.1 Tunnel233大凉山1号隧道设计与施工关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING T
10、ECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图5 乐西高速全线纵断面示意Fig.5 Schematic diagram of longitudinal profile of theLeshan-Xichang Expressway3.2贯通平导与单斜井组合的隧道通风方案3.2.1交通量及交通组成乐西高速谷堆美姑段近、远期交通流量预测见表1。3.2.2辅助通风通道的边界条件大凉山1号隧道全长15.3 km,隧道前段约8.2 km表1 交通量预测结果(单位:pcu/d)Table 1 Traffic vol
11、ume forecast results(Unit:pcu/d)路段谷堆美姑2022年7 0702025年9 0432030年12 6792041年22 1562051年32 327位于四川省嘛咪泽自然保护区试验区。由于环境保护的严格限制,除隧道主洞洞口外,洞身穿越嘛咪泽自然保护区试验区,不能设置其他通风井口。结合隧道排烟长度要求,隧道进口至少要设置一处排烟平导,长度大于3.2 km。(1)隧道进口8 km范围隧道前段穿越龙头山,山体浑厚,属于四川省嘛咪泽自然保护区。由于环境保护的严格要求,除隧道主洞洞口外,在保护区无法再设置其他通风井口。因此隧道进口端约8 km范围内只能设置平行导坑,平行导
12、坑的洞口与主洞设置在同一处(图6)。图6 自然保护区与隧道的关系(红色虚线范围内无法设置斜竖井)Fig.6 Relationship between nature reserve and tunnel(no inclined or vertical shafts can be set within the red dashed line range)(2)隧道出口7 km范围隧道出口7 km位于嘛咪泽自然保护区范围外,同时隧道轴线距离县道X163距离较近,斜井洞口施工条件较好,具备设置斜井的条件。3.2.3通风斜井方案比选结合大凉山1号隧道的地形及地质条件,拟定了3个通风方案进行经济技术比选。
13、(1)方案一:进口端设置3 km平导,出口端设置2座斜井,组成3区段斜井送排式通风系统(图7)。(2)方案二:进口端设置8 km平导,出口端设置2座斜井,组成3区段斜井送排式通风系统(图8)。(3)方案三:全隧道设置15.3km贯通平导,出口端设置1座斜井,组成2区段斜井送排式通风系统(图9)。大凉山1号隧道为超特长隧道,隧道通风斜井方案应兼顾规模、工期、防灾救援等方面进行综合比选(表2)。图7 3 km平导+斜井分段通风示意Fig.7 Schematic diagram of 3 km parallel heading+inclinedshaft sectional ventilation由
14、表2可知,方案一(3 km平导)投资节约,但黄果洛向斜涌突水风险高、工期不可控。方案二(8 km平导)利用超前平导降低了工期风险,但平导利用效率较低。方案三(贯通平导)投资最高,但降低了工期风险,同时隧道平均纵坡较小,社会能耗更低。在234大凉山1号隧道设计与施工关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版图8 8 km平导+斜井分段通风示意Fig.8 Schematic diagram of 8 km parallel heading
15、+inclinedshaft sectional ventilation图9 贯通平导+斜井分段通风示意Fig.9 Schematic diagram of full-length parallel heading+inclined shaft sectional ventilation表2 大凉山1号隧道通风方案比较Table 2 Comparison of ventilation schemes for theDaliangshan No.1 Tunnel方案隧道纵坡/%斜井规模/m平导规模/m施工工期/月工期风险排烟距离防灾救援投资/亿元方案一(3 km平导)0.8/1 160 m,0.
16、5/6 790 m,-1.93/7370m1 655+7723 00084黄果洛向斜涌突水风险高、工期不可控最短3 km,最长5 km左右洞互为救援27.9方案二(8 km平导)0.8/1 160 m,0.5/6 790 m,-1.93/7 370 m1 655+7728 16860工期可控平导段排烟距离750 m,其他段约3.3 km设置平导段可就近救援32.9方案三(贯通平导)0.8/1 160 m,0.5/2805m,-1/11 343 m1 51915 32460工期可控全隧道排烟距离750 m全隧道利用平导快速救援34.8隧道左右线之间设置贯通平导,救援车辆能快速到达事故地点,将救援
17、车辆到达事故地点时间缩短到常规模式的四分之一,排烟距离由5 000 m缩短至750 m,极大地提升了应急救援能力。经综合比较,推荐采用方案三。3.3贯通平导设置位置根据平导的位置关系,平导可设置在主线隧道中间或一侧。平导设置在主线隧道中间有利于辅助主洞施工、逃生救援,且检修养护较为便捷、应急救援能力强,但平导与行车横通道会形成多次十字交叉口,施工难度大。平导设置在主线隧道一侧,沿袭了常规高速公路左右洞互为救援的传统模式,未能充分发挥平导的防灾救援功能。综合考虑左右洞辅助施工、防灾救援、检修养护及辅助通风等方面的因素,平导布设在主线隧道中间优势明显(图10)。图10 大凉山1号隧道断面布置Fig
18、.10 Cross-sectional layout of the Daliangshan No.1 Tunnel3.4平导兼具应急交通和排烟功能平导在施工期作为辅助施工通道。未施作二次衬砌前,平导断面大小为5.9 m4 m,具备施工车辆双向通行的能力。在运营期利用隔板将平导断面分割为上下2个部分,上方作为排烟通道,下方作为交通及辅助送风通道(图11、图12)。4工程技术创新基于大凉山1号隧道地质条件复杂、环境敏感、气候条件恶劣等重难点,秉承“安全、快捷、绿色”的建设理念,项目积极开展科技创新,在设计和施工中开展了多项具有行业引领性的探索和实践。235大凉山1号隧道设计与施工关键技术现 代 隧
19、 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图11 平导辅助施工期断面示意Fig.11 Cross-sectional schematic of the parallel headingduring construction图12 平导运营期断面示意Fig.12 Cross-sectional schematic of the parallel headingduring operation4.1安全设计创新(1)主洞+贯通平导结构布置型式,破解特长隧道
20、防灾救援难题大凉山1号隧道受四川省嘛咪泽自然保护区的布线制约,进口端约8 km范围内无法设置斜竖井等辅助通道,项目创新设计“一隧三洞”隧道型式,在隧道中间设置贯通平导,平导与主洞相互联通,利用平导实现快速救援,救援时间可缩短为左右洞互为救援模式的1/4,排烟距离由5 000 m缩短至750 m。(2)多功能交通转换带,提高特长隧道防灾救援能力大凉山1号隧道设置2处多功能交通服务带,均匀将隧道分为3段,当其中一段发生事故或维修时,其余段交通通行能力不受其影响,提高防灾救援能力,实现“长隧短运”(图13)。4.2建设创新(1)优化隧道内轮廓断面,提高隧道通行能力图13 多功能交通转换带示意Fig.
21、13 Schematic diagram of multi-functional traffic transitionzones目前常规高速公路隧道与路基衔接处的左右侧存在突变,造成明显的隧道内墙效应,降低了通行能力,增加了安全隐患。乐西高速大凉山1号隧道左右侧进行加宽设计,消除了左侧洞内外行车的突变,提高了洞内外运行速度协调性,隧道断面可满足100 km/h的运行速度,行车右侧侧向宽度满足消防摩托车行驶空间,提高了防灾救援的能力(图14)。图14 路面加宽设计Fig.14 Road pavement widening design(2)积极推进机械化施工技术,加快特长隧道施工进度大凉山1号隧
22、道地质条件复杂、涌突水风险高,施工作业面少,根据工期测算,采用传统钻爆法施工,工期长达89 a。建设团队首次在高速公路隧道领域提出平导采用隧道掘进机法、主洞采用钻爆法施工的设计方案,填补了国内高速公路采用敞开式掘进机辅助主线隧道施工的空白,将建设工期缩短为5 a。平导于2020年10月正式开始掘进,2023年9月底平导贯通,其中钻爆法工区累计掘进2 995 m,掘进机工区累计掘进12 321 m。“月城凉山号”掘进机先后创造了国内隧道掘进机独头日掘进49.12 m、月236大凉山1号隧道设计与施工关键技术现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61
23、,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版掘进723.82 m的全国纪录,并多次刷新全国高速公路隧道掘进机最快掘进施工纪录,连续6个月掘进3 680 m、连续12个月掘进6 387 m、连续18个月掘进8 825 m,创造了多项“全国之最”。敞开式掘进机在平导施工中的应用,实现了特长隧道的快速掘进,隧道掘进机平均工效达到常规钻爆法施工的45倍,施工工期节约34 a(图15、图16)。图15 平导掘进机法施工进度Fig.15 Progress of parallel heading excavation using TBM图16 大
24、凉山1号隧道平导施工工法示意Fig.16 Schematic diagram of construction methods forDaliangshan No.1 Tunnel parallel heading(3)三洞并行施工通风,实现节能减排项目建设期间,依托高等院校研发的“风洞实验室”模拟大凉山1号的隧道施工通风,影响通风效率的因素主要有风管直径、风管出口端距掌子面的距离、风管挂设位置、风管贴壁程度等,经研究优化了主洞及平导的通风参数。根据测算,采用优化的通风参数进行独头压入式通风可节约能耗10%以上,采用巷道式通风可节约能耗15%左右(图17)。图17 主洞与平导组成巷道式通风系统(
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