中条山特长隧道工程设计

侯豪斌

（1.山西省交通科学研究院，山西 太原 030006；2.郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001）

1 概述

山西运城市解州至陌南（黄河桥头）公路是山西省高速公路网“三纵十二横十二环十五条连接线高速公路网”[1]的重要组成部分，也是山西连通陕西、河南，以及南下两湖、两广的重要战略通道；中条山特长隧道进口位于运城市盐湖区解州镇王窑头村东南，出口位于芮城县陌南镇石坡村，呈南北走向穿越中条山段，隧道全长9 671 m（左线9 670.942 m），最大埋深681.13 m；于2010年开工建设，2014年隧道贯通。

山西运城市解州至陌南（黄河桥头）公路采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度80 km/h，路基宽度24.5 m，中条山特长隧道采用三心圆内轮廓断面，复合式衬砌结构形式，交通工程设施按A级设计，公路隧道工程和一般的公路工程、桥梁工程相比，有其自身的特点,建设管理较为复杂，难度更大[2]。设计中借鉴了国内外长大隧道的建设经验，本着“以人为本、技术先进、安全可靠、经济环保”的理念进行了多方案、多角度的研究、优化，为山西省隧道建设提供了技术参考。

2 工程地质

中条山隧道起点位于中条山北麓，为山麓相洪积扇，地形较为平缓，海拔360～400 m；终点位于中条山南麓南邻芮城盆地，为黄土台地，为中更新统洪积层，海拔约800～400 m，为丘陵沟壑地形。隧道区地貌上为带状侵蚀—剥蚀大—中起伏中山区，最高

山峰海拔1 328.83 m，分水岭海拔多在1 200 m以上，相对高差约800 m。根据地表工程地质调绘及钻孔揭露：只在隧道的陌南出口有少量的第四系黄土；隧址区出露的地层北段主要为变质岩，南段为沉积岩，基岩裸露，主要以太古界涑水群表壳岩组合解州片麻岩（Hgn），中元古界长城系、中元古界蓟县系、下古生界寒武系砂岩组成，隧道洞口有少量第四系黄土，隧道区属于中条山西南段隆起带，构造形迹主要表现为断裂、简单的背斜褶皱构造及伴随次生构造，共发育4条较大断层，施工中有发生岩爆、涌水、坍塌、大变形等风险，工程地质条件较差。

3 隧道设计

3.1 土建工程

3.1.1 建筑限界

图1 隧道建筑限界及内轮廓设计图

中条山特长隧道净宽10.25 m，净高5.0 m，采用三心圆内轮廓断面（拱部R=543 cm）[3]，隧道建筑限界及内轮廓设计见图1；紧急停车带建筑限界净宽为13.00 m，净高5.0 m（拱部R=737 cm）。

3.1.2 衬砌结构

隧道洞身段衬砌按新奥法原理设计。初期支护以喷、锚、网为主要支护手段，喷混凝土采用湿喷工艺；Ⅳ～Ⅴ级围岩及紧急停车带路段增加钢拱架或格栅钢架支护，辅助措施为在Ⅳ～Ⅴ级围岩及紧急停车带段采用超前注浆小导管、超前管棚注浆预加固围岩，Ⅴ级围岩及Ⅳ～Ⅴ级围岩紧急停车带段二次衬砌采用C30钢筋混凝土结构；Ⅲ级围岩采用拱墙设局部锚杆，二次衬砌采用C30混凝土结构；设计参数详见表1。

表1 隧道复合式衬砌支护设计参数表

3.1.3 隧道防排水

隧道防排水设计原则为以排水为主，防、排结合，综合治理，形成完整的防、排水体系，使隧道防水可靠，排水通畅，保证初期支护无大股出水点，二次衬砌背后排水顺畅，运营期间隧道内不渗、不漏，基本干燥，形成完整有效的防、排水系统[4]。隧道完成初期支护后，在初期支护表面全断面铺挂350 g/m2无纺布及1.2 mm厚EVA排水板；环向排水管采用φ100半圆管，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩段纵向分别按20 m、10 m、6 m、4 m间距设置1道；在隧道全段范围沿墙脚设置纵向φ116HDPE双壁半圆打孔波纹管；横向排水管在Ⅲ级围岩段采用φ116HDPE横向双壁波纹管，纵向间距30 m布设，Ⅳ、Ⅴ级围岩段按纵向间距10 m布设；纵向、横向排水管采用三通管连通，以确保隧道排水系统的畅通；在隧道围岩裂缝渗漏水集中处铺设φ50软式弹簧透水圆管，原则上在渗漏水较集中处铺设，纵向间距按Ⅳ、Ⅴ级围岩10 m、5 m设置。中心排水沟设置在仰拱以上，采用预制钢筋混凝土结构，由于中条山隧道为1.883%的单坡排水，结合隧道涌水量预测，前段约4.5 km采用内径φ50中心排水管，后段采用内径φ40中心排水管；从而形成完善的、便于维修的防排水体系。

3.1.4 隧道路面结构

中条山隧道属特长公路隧道，考虑到防灾、救灾及路面耐久性等因素，隧道洞身段采用水泥混凝土路面，面层厚26 cm，混凝土路面的抗弯拉强度不小于5 MPa，面层下设C20混凝土基层，仰拱采用C15片石混凝土填充。考虑到行车舒适、洞内外过渡自然，进出口段各300 m采用沥青混凝土复合路面结构，上面层采用4 cm厚细粒式沥青混凝土、下面层采用6 cm厚中粒式沥青混凝土、下部为26 cm厚水泥混凝土板。隧道内车行横洞及人行横洞采用20 cm厚水泥混凝土路面。

3.1.5 附属设施

a）检修道设计 隧道内设双侧检修道，设计检修道高度45 cm，宽75 cm。

b）紧急停车带与横洞设计 考虑到地下风机房人员设备的交通、运输以及管养人员的逃生，紧急停车带以及横洞根据地下风机房设置做了调整，并且在3处地下风机房增设了3处人行横洞以利于管养人员逃生，中条山隧道共设置紧急停车带12处，车行横洞12处，人行横洞16处。

c）隧道洞内装饰不仅有利于节约长大隧道的洞内照明功率，而且有利于后期养护、运营[5]，内装采用边墙3.1 m高范围内采用瓷砖装饰，洞顶采用深色防火涂料装饰。其中隧道内部装饰墙面瓷砖颜色采用乳白色结合蓝色条带，其规格为（430×220）mm，厚度大于等于8 mm，共13道，并且要求采用亚光釉面瓷砖，砌筑时横竖缝直通，用灰缝材料勾20 mm的横缝与10 mm的竖缝。

3.1.6 隧道斜竖井

中条山隧道设2竖井1斜井供隧道运营通风（图2），均采用地下风机房，地下风机房洞室群包含逃生通道、运输通道、联络排风道、联络送风道、地下风机房、送排风口、排烟通道等，各洞室之间相互交叉、相互影响、且洞室之间的间距小，交叉洞室施工顺序对开挖洞室影响等因素较多，是土建工程设计施工的难点。设计中利用有限元软件对隧道地下风机房洞室群围岩的稳定性进行了分析，通过分析各横向通道与隧道、地下风机房交叉处，以及各横向通道顶部围岩出现了较大范围的拉应力，拱顶的沉降值和拱底的隆起值较大；在横向通道与地下风机房的交叉处，联络排风道与联络送风道的拱顶沉降值和拱底隆起值都比较大；设计中对支护结构和施工工序进行了优化。

图2 斜竖井布置图

3.2 隧道通风、照明及机电工程

3.2.1 供配电

中条山隧道解州和陌南两侧各设置1处隧道变电所，同时在隧道内设3处洞内变电所和3处轴流风机变电所。

3.2.2 通风

根据交通量、交通组成及隧道所处地形、气象环境等因素，通过计算分析确定隧道右线YK8+140处设1号竖井，左线ZK9+480处设2号竖井，右线ZK11+750处设1号斜井（并设联络风道至左线用于火灾排烟）；隧道左线采用两段纵向通风方式，右线采用3段纵向通风方式，采用射流风机+斜、竖井轴流风机送排式通风，地下风机房。

3.2.3 照明设施

综合考虑隧道内近远期交通量，隧道内基本行车段亮度设为3.6坎德拉，采用高压钠灯作为隧道主洞照明光源。除常规的隧道照明设计，在中条山隧道内设计了有源诱导系统，采用LED诱导标间距15 m对称布置在隧道行车方向两侧的检修便道上。在隧道左右洞内各设置1处特殊灯光带照明，采用76套90 W LED配光灯投光产生特殊的灯光效果。

3.2.4 消防救援

采用干、湿混合式消防，主要采用水成膜泡沫灭火装置、消火栓结合干粉灭火器综合消防，单向采用常高压方式供水。隧道配置完善的消防设施、疏散逃生标志、防火门、防火卷帘门、电缆防火封堵、电伴热保温措施，同时在隧道两侧配置消防车等强力消防设施。

3.2.5 通信

通信系统主要包括光纤数字传输系统、业务电话指令电话和对讲电话系统、隧道紧急电话系统、隧道有线广播系统、路侧紧急报警系统、会议电视系统、通信电源及接地系统等。采用40/33（外径40 mm，内径33 mm）硅芯管作为通信管道的主要材料。

3.2.6 监控

设有1处隧道监控所（芮城隧道监控所）、2处隧道救援站，采用“运城片区监控中心——隧道监控所/监控外场”的管理方式。监控系统由火灾自动报警子系统、隧道通风控制子系统、隧道照明控制子系统、电力监控子系统、交通监控子系统、闭路电视监视子系统、紧急电话子系统、指令电话子系统、有线广播子系统等9个子系统构成。

隧道监控运营方案为：隧道正常运行模式、隧道交通控制预案、隧道通风控制预案、隧道照明控制预案、隧道火灾应急联动控制预案。

3.2.7 交通安全设施

在遵循“以人为本、保障安全、利于管理”的基础上，设置了完善的标志、标线、护栏、轮廓标等交通安全设施。

4 技术难点

中条山隧道设计过程中对隧道土建、通风、照明及机电工程等进行了多次论证、优化，并着重对以下几个方面进行了深入研究。

a）中条山特长隧道属超长隧道，路线纵坡为单坡，隧道施工及运营排水都极为不利，勘察过程中对隧道涌水进行了精心的预测，经隧道地质钻探观测，完成的钻孔地下水位埋深为13～164 m，为准确判断地下水涌水情况，分别在ZK8、ZK12进行专门的抽水试验,并对地下水进行模拟计算，指导隧道设计和施工，同时根据涌水预测设计排水设施，中心排水管采用不同直径方便施工、节省投资。

b）通风设计，设计中进行了多方案比较，最后集中在3竖井、1竖井+2斜井与2竖井+1斜井的比较上，最终通过通风效果、建设运营费用、施工难度、运营管理维护难度、防火救灾控制等比较选择了2竖井+1斜井的分段式纵向通风方案。特长隧道发生灾害事故时，逃生、救援难度极大，设计中的排烟通道增加了火灾分区，减短火灾工况下排烟长度，为逃生、救援创造了有利条件。

c）中条山隧道地下风机房洞室群与主洞相互贯通，具有断面多、跨度大、三维交错、结构复杂、间距小、交叉频繁等特点，属于埋深大、受力复杂、结构脆弱的地下洞室群，如何保证施工与运营安全成为设计的难点。设计中通过工程类比、数值模拟等手段进行了优化设计，并对地下风机房洞室群施工工序进行了模拟分析，以确定最优的施工方案和设计参数，达到安全、经济的设计目的。

d）消防救援，隧道消防等级属高危险级，防灾救援难度大，本着“以防为主、防消结合”的思路进行设计，同时结合隧道监控系统、供电照明系统、通风系统和消防系统等设施，配合消防、交警等部门制定多套消防救援方案保证隧道运营安全。

e）本隧道具有埋深大、隧道长、地质情况复杂的特点，施工安全隐患多，设计中制定了岩爆及处治、隧道局部坍塌处治、涌水处治、溶洞处治、软弱围岩大变形处治等多方面的施工预案，保证了隧道建设的顺利进行。