[收稿日期]2005—12—02[作者简介]柯小华(1967—),男,江西湖口人,高级工程师,从事隧道设计和研究工作。
大坪里特长隧道方案设计柯小华,王全海(中交第二公路勘察设计研究院,湖北武汉 430072)[摘 要]大坪里隧道全长2×12.3km ,作为目前国内为数不多的特长公路隧道,其路线平、纵方案的合理选择直接影响到本路段的工程投资、运营成本及行车安全,也控制着隧道通风与防灾及救援方案、照明与交通监控等机电设施的设置规模。
[关键词]隧道;路线;方案比选[中图分类号]U 452.2 [文献标识码]B [文章编号]1002—1205(2006)01—0116—04Conceptual Design on Dapingli Extra Long TunnelKE Xiaohua ,WANG Q uanhai(China C ommunications Second Highway Survey Design and Research Institute ,Wuhan 430052,China ) [K ey w ords ]tunnel route ;conceptual 甘肃省牛背至天水高速公路是连霍国道主干线的重要组成部分,也是甘肃省东出口必不可缺的重要运输通道。
拟建的大坪里隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路特长隧道,隧道进口位于甘肃省天水市北道区东岔镇境内,隧道洞身穿越秦岭主脊,出口位于甘肃省天水市北道区利桥乡境内。
左线起讫桩号为:Zk22+542～Zk34+828,全长12286m ;右线起讫桩号为:Y k22+518～Y k34+808,全长12290m 。
隧道左右线平面大部分处于直线范围,两端洞口段位于平曲线上。
隧道左线纵坡+1.562%,右线纵坡为1.58%。
路线所经区域为天然林保护区,植被较为发育,为多年生乔木,系省级自然保护林。
隧道穿越秦岭之北麓,地形陡峻,山高沟深,属中山峡谷地貌,具强烈的剥蚀、切割作用。
根据天水及宝鸡气象站资料统计,区内多年平均气温11℃,极端最高气温:32.8℃,极端最低气温:-17.4℃。
降雪期为10月20日～次年4月15日。
根据工程地质勘察报告,公路走廊带地层较单一,地质构造较简单,岩土物理力学性能良好,不良地质现象欠发育。
总体来讲,隧道区域工程地质条件良好,适宜建造桥梁、隧道等构筑物。
根据地质测绘、钻探揭露及物探揭示,隧址区出露地层主要为第四系全新统角砾、燕山期花岗岩、中元古界深变质岩组片岩、大理岩和片麻岩。
沿线地表水系发育,工程建设水源丰富。
沿线植被极为发育,一般不会突发巨大洪水,对工程建设较为有利。
本区抗震设防烈度为Ⅷ度(第1组),抗震设防要求较高。
1 初步设计路线方案的选择1.1 路线布设原则路线布设依据工可所确定的路线走廊和主要控制点,结合沿线的地形、地貌、水文、地质等自然条件,遵照线形设计标准进行。
路线布设主要遵循以下原则:①地质选线:始终把地质条件作为确定路线方案的第一要素,虽走廊带内地质条件复杂,但尽量将线位选在较好的地段,确保本项目的可实施性并避免因不良地质条件而造成的不必要的损失。
②地形选线:线形设计尽可能以曲线为主,合理利用有利地形,最大程度与沿线的地形地貌相协调,路线方案不片面追求高指标,特别是陡坡坡面路线具体位置,均经平纵横综合考虑后确定。
③环保选线:路线布设尽量与沿线地形、地物、环境、景观协调,减少工程对自然环境的破坏。
④考虑气候条件对行车安全的影响:本地区雨雪雾天气较多,对公路营运及行车安全有较大影响,路线方案的确定要充分研究本地区气候条件。
⑤合理确定大型构造物的位置:本项目路线所经地区地形相对高差大,隧道和桥梁密集,线位确第31卷,第1期2006年2月中南公路工程Central S outh Highway EngineeringV ol.31,N o.1Feb .,2006定的同时要从大型构造物位置的合理性、工程的经济性、工程的可实施性等方面考虑。
⑥高边坡的控制:本项目山体横坡较陡,即使路基中心挖方较小或是少量填方,但路基边线足以导致高边坡的出现,高边坡防护工程量大,施工困难,对自然环境破坏较大,影响美观,定线时尽量避免出现高边坡尤其是挖方高边坡。
⑦考虑施工难易程度:本项目所经地区地形起伏较大,山体坡面陡峻,交通条件不良,为减小施工难度,降低工程造价,布线时尽可能考虑施工的方便。
1.2 主要技术指标采用情况本项目地处西秦岭山区之内,沿线以山岭为主体,地形变化大。
线形设计充分研究了沿线地形、地质特点,在运用标准时,尽可能合理利用地形。
针对本路段桥隧比例高的特点,尽可能运用曲线为主的平面线形较好地与沿线山区地形协调,合理利用山坡台地、缓地以减少工程造价。
在不过多增加工程量时,线形尽可能采用较高的技术标准。
1.3 路线方案山区高速公路线形设计的关键在路线纵面线形设计。
本路段绝大部分为翻山越岭和跨越深沟峡谷,纵面线形设计受到高差的控制,其设计直接影响工程投资,同时也影响汽车的行驶速度、行车安全以及设计公路的通行能力。
本设计范围受高程控制路段为东岔至白杨岭段,该段为山岭区地形,地势起伏大,纵面设计主要受大坪里特长隧道进口高程的控制,设计时纵断面上极力争取标高。
经过对路线走廊带内地形地貌及地质条件的充分研究,初步设计阶段共提出E 、H 、A 这3个各具特色的路线方案进行同深度比较(见图1)。
图1 E 、H 、A 路线方案示意 a .E 线方案(Ek7+900～Ek39+179.834)。
E 方案为高线方案(或称高架桥方案),全长39.198km 。
路线在该段主要受秦家沟口标高1575m 控制,起点标高为842m ,经李家庄、曹家坪、张家门、桃花坪、大块地至白杨岭(Ek22+000,标高1311m )。
在白杨岭路线建朱家庄隧道折向南,穿越白杨岭隧道后,线位沿大水峪沟继续升坡至大坪里隧道(Ek25+600,标高1426m )。
连续上坡里程17.48km ,平均纵坡3.3%,在大水峪沟以西穿越特长隧道———大坪里隧道(6800m )至秦家沟口(Ek32+500,标高1575m ),路线上升到地面,跨越上仙坪沟,建上仙坪隧道(3150m )进入散岔河谷。
为克服高差,线位大部分布设于山体中部边坡,少部分布设于山顶。
越岭时采用2个长隧道分断形式(大坪里隧道6900+上仙坪隧道3150m ),分段点为全线最高点———秦家沟口。
E 线在张家门至瓦窑堡(Ek13+000～Ek22+000)线位较高,多走行于山顶或山腰处,山体陡峭,地形起伏大,桥梁施工对自然植被有一定影响,陡坡地段易造成坍塌。
E 线特大桥11854m Π8座,大桥2775m Π7座,其中最长桥达2650m ,最高桥达94.2m ,最大跨径为150m 。
本方案桥隧比例最大,达84.4%。
优点是无需展线,且将长隧道分断。
缺点是造价高,桥梁施工对环境影响破坏大,高地震烈度区桥梁稳定有隐患,气候条件对行车安全有一定的影响。
由于路段跨越深沟峡谷,纵面线形设计受到高差的控制,其设计直接影响工程投资,同时也影响汽车的行驶速度、行车安全和高速公路的通行能力。
按工可阶段的交通量调查结果,在现有通道机动车交通量中,大中货和大中客车占60.3%。
由此可见该路段上重货车交通量占较高的比例。
因此,本项目的停车视距采用大型车标准进行检验,以确保全路段的交通顺畅和安全。
E 方案从李家庄至白杨岭段连续17km 升坡,平均纵坡为3.4%,该方案在后期运营存在安全隐患。
b .A 线方案(Ak7+900～Ak43+298.391)。
A 线方案全长43.53km ,为螺旋展线方案,其特点为了解决E 方案连续17km 升坡及降低E 方案高桥规模。
提出了A 方案,保证大坪里隧道内较好的路线纵坡。
它采用在大坪里长隧道(6830m )进口白杨岭段以及大水峪沟沟口附近,进行螺旋展线的方式就地来提升线路高程,曲线半径采用650m 。
越岭时,线位与E 方案完全相同,即在秦家沟口将隧道分断为两个隧道(6830m +3150m )形式。
但该方案展线时,线路长度增加了4.3km ,且展线全部在桥梁上及隧道内进行。
A 线方案桥梁全长15.9km ,隧道全长18.95km ,桥隧所占比重为80.2%,路线长度较H 线方案增长6.96km 。
A 方案白杨岭以东瓦窑堡至张家门范围纵面大711第1期柯小华,等:大坪里特长隧道方案设计 为改善,桥梁最高为35m,桥梁长度也相应减短,大坪里隧道内纵坡由原来E方案的2.2%降至2.0%。
和E线相比,缺点是线路增长4.37km,且增加2座隧道,长度为3450m。
后期公路运营费高,用本方案减缓了大坪里隧道纵坡且减小张家门至瓦窑堡段桥梁规模。
c.H线方案(Hk7+900～Hk36+324.419)。
H线方案为长隧道方案,全长36.56km,越岭时以大坪里特长隧道直接通过。
方案起于E线方案的边家园东侧(k7+900=Hk7+900),向西经东岔河、张家门、桃花坪、大块地至得食下(Hk19+900),此段约12km的范围内其平面线位与A线完全相同。
得食下以西,H线向南偏出,经瓦窑堡附近引出,在大水峪沟沟口不再折向南而直接以长隧道方式越岭到达散岔河谷,隧道长12.246km,洞内纵坡采用1.58%。
本方案桥隧比例为80.3%,线位低,最高桥只有37m,且桥梁全部为小跨径标准梁,施工十分便利。
H方案线位大部分走行于山脚、河边,较好地适应地形,全线无高填深挖,对路线所经自然地貌、植被几无影响,保护了林场的原始地貌和线路周围自然景区的环境。
路线纵坡均匀、缓和,满足国道主干线对“安全、美观、快捷、舒适”的要求,并在整体上缩短了营运里程,降低了运输成本。
这对以重车、大车为主的宝天高速公路来讲,尤为合适。
本方案唯一的缺点是12246m特长隧道施工难度大,后期运营通风、照明、监控、消防费用高。
1.4 初步设计方案比选各方案路线工程地质条件没有太大的差别,相对而言,H方案桥梁、路基基本位于东岔河谷阶地上,沿线岩土物理力学性能良好,不良地质现象不发育,工程地质条件最好;A方案大多数桥梁、路基位于东岔河谷阶地上,沿线岩土物理力学性能良好,不良地质现象不发育,工程地质条件次之;E方案多半桥梁、路基位于东岔河谷两侧山坡上,虽然目前未发现明显的不良地质现象,但由于山高坡陡,工程施工可能破坏大量植被,从而引发滑坡、崩塌等地质灾害。
另外EK14～Ek15段与断裂构造F2平行,在Ek15～Ek22段,反复小角度跨越区域性大断裂F1,构造背景不利。
H、A、E各方案桥隧(贯通)各项费用估算,见表1。
表1 H、A、E各方案费用比较方案名称桥梁工程Π万元隧道工程Π万元隧道通风设备投资Π万元通风运营费用合计Π(万元・(10a)-1)长隧道方案H8420097968292443620螺旋线方案A97200115816300626810高线方案E12080090600238224350 各方案经济概算:长隧道方案H为321610.3万元,螺旋线方案A为367301.9万元,高线方案E 为396087.9万元。