公路隧道建设的技术新趋势

韩大千

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 公路隧道的蓬勃建设

进入21世纪以来，我国的公路隧道呈现出蓬勃建设的局面。到2013年底，全国公路隧道为11 359处，长度960.56万m；其中，特长隧道562处、长度250.69万m，长隧道2 303处、长度393.62万m。与2012年底相比公路隧道的数量增加了1 337处，公路隧道的长度增加了155.29万m。

公路隧道的建设，不仅仅表现在数量、长度有大的增幅，而且遇到的地质条件越来越复杂、技术难度不断增加、功能越来越引起重视、地理位置越来越多样化。

2 公路隧道建设的技术新趋势

随着国内公路隧道的大量建设，技术上也出现了一些新的趋势，下面笔者针对情况进行一些探讨。

2.1 特长、超长隧道及隧道群

近年来，我国公路建设中遇到的长大隧道、隧道群越来越多，长度超过6 km的隧道就有数十座，最有代表性的是西康高速的秦岭隧道。为了施工通风及加快施工进度的需要，长度L＞6 000 m的公路隧道均建有斜、竖井，建设规模及难度与3 000 m＜L≤6 000 m的隧道存在较大的区别，表1中列举了部分长大隧道的斜、竖井情况。在《公路隧道设计细则》[1]的校审稿中曾提出，将3 000 m＜L≤6 000 m的确定为特长隧道，将L＞6 000 m的确定为超长隧道。主要是考虑到基于目前汽车技术与防灾救援技术，长度大于6 km的公路隧道一般需要设置通风竖井或斜井，隧道防灾救援问题突出、灾害几率高，运营管理系统复杂、费用较大，设计、施工难度较大。结合隧道的运营、管理、养护情况来看，笔者建议划分L＞6 000 m作为超长隧道也是比较合理的，建议在隧道规范修订时应予以考虑。

图1 秦岭特长隧道竖井示意图

表1 我国部分长大隧道通风井情况表

2.2 浅埋隧道

从理论来看，《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）[2]中浅埋与深埋的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。按荷载等效高度的判定公式为Hp=（2-2.5）hq，Hp为浅埋隧道分界深度，hq为荷载等效高度。通过计算，在Ⅳ-Ⅵ级围岩中，两车道浅埋隧道洞顶的覆土分界厚度要分别为12.5 m、25 m、50 m；三车道浅埋隧道洞顶的覆土分界厚度要分别为14.5 m、28 m、60 m。

在Ⅳ-Ⅵ级围岩中，按照围岩级别的不同，根据洞顶埋深合理确定隧道浅埋段的范围主要是为了采取更为稳妥的施工方法（见图2、图3），以便于隧道施工能安全、顺利。通过调查大量隧道工程的施工资料，由于施工组织及技术人员水平的不同，如果可以将上部覆盖层厚度不足毛洞跨径2倍的隧道划分为浅埋式隧道，将有利于提高施工时的安全系数。

图2 侧壁导坑分部开挖

图3 中导洞+双侧壁导坑开挖

2.3 大跨及特大跨隧道

在目前，大跨隧道跨度约为14～18 m，包含三车道公路隧道及两车道隧道的紧急停车带段（见图4）；特大跨隧道跨度约为18 m以上，包含四车道公路隧道、连拱隧道、三车道隧道的紧急停车带段。如山西平阳高速的阳曲隧道，单洞最大开挖宽度19.67 m，三车道；辽宁沈大高速的金州隧道，单洞最大开挖宽度22.5 m，四车道。

图4 大跨隧道

近年来一些大跨及特大跨隧道的建设，为隧道界积累了一定的经验，按工序施工，及时进行监控量测就可以安全地完成施工。

相信在将来，在城市及车流量较大的山岭隧道，如果地质条件允许，将会越来越多地选择建设大跨及特大跨隧道，为车辆出行提供越来越好的条件。

2.4 小净距、连拱、分岔式隧道、近接隧道、地下互通立交、螺旋隧道

隧道作为构造物，在L＜3 000 m的情况下，大多数隧道的布设需要服从于路线的布设情况、沿线的地质构造情况，为整个工程的贯通提供支持。由于上述情况，近年来出现了小净距、连拱、分岔式隧道、近接隧道、地下互通立交、螺旋隧道等多种形式，有效地解决了建设中遇到的难题。

a）小净距隧道 中间岩柱在5～20 m中间的隧道。

b）连拱隧道 内侧结构为整体的隧道。

c）分岔隧道 由大拱或连拱过渡为上下行分离的隧道，典型的如山西晋济高速拍盘隧道。

图5 晋济高速拍盘隧道

d）近接隧道 平面或立面距离较近或有交叉的隧道，如福建金鸡山隧道、重庆渝中连接隧道。

e）地下互通立交 我国城市快速发展，交通量急剧增加，导致城市立交发展迅猛。为了减少地面立交工程对区域规划的破坏以及地形的需要，地下立交成为一个新的发展趋势。典型工程如长沙市营盘路湘江隧道和厦门市万石山地下立交工程。

图6 厦门万石山地下立交

其中，长沙营盘路隧道通道总长约8.5 km，主线为双向四车道。它并非简单的“一个隧道两个口”，而是一个双线四匝道八出入口的互通式多通道隧道，相当于在湘江底下建一座“水下互通式立交桥”，为解决隧道出入口拥堵的交通难题提供了新思路。尤其值得一提的是，最浅的地方就只有11 m，且是岩体松散、易破碎、已坍塌的强风化层，施工采用“先两边后中间、先上面后下面”的“眼睛法”（也叫“九步开挖法”），顺利为我国开挖水下立交隧道积累了经验。

f）四川雅西高速拖乌山双螺旋隧道 此为国际首创的双螺旋小半径曲线型隧道。干海子和铁寨子双螺旋隧道两座隧道中间相距5.687 km的距离，这段路线总长度约10 km；实现了在4 km的“V”形峡谷范围内连续爬升300 m，为解决路线爬升、克服海拔高差提供了新范本。

图7 双螺旋隧道示意图

2.5 过海、过江隧道

厦门翔安海底隧道翔安隧道为双向六车道，隧道开挖宽 17 m、高 12 m，最大开挖断面达到170 m2，是世界最大断面的海底隧道。工程全长8.695 km，其中海底隧道长6.05 km，跨越海域宽约4.2 km，总投资31.97亿元，已建成通车。

南京长江隧道工程位于长江一桥与三桥之间，是一条解决长江南北过江交通的城市快速路。越江隧址从江北滨江路开始，到江南清河路结束，总长5 853 m。地层主要为第四系全新统冲积层，岩性以粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉细砂为主，隧道主要位于该地层。深部为白垩系下统浦口组地层，岩性以泥岩为主。基岩顶面起伏不大，顶板埋藏深度约55～60 m。

除上述工程外，我国还顺利建成了青岛海底隧道等。通过积累的工程经验，我国已经开始规划山东省蓬莱与旅顺的横跨渤海口的海底通道的建设，预计全长123 km，平均深度20～30 m，最深约70 m，造价超过2 000亿。

2.6 零开挖、零扰动进洞、桥隧相接

在一些地质条件差、地形陡峭的路段，为了更好地保护环境，减少施工带来的滑坡、滑塌等次生灾害，已由原来的大刷坡、缩短隧道长度的进洞方式调整为零开挖、零扰动进洞、桥隧相接的方式。

图8 零开挖、零扰动进洞

图9 桥隧相接

对不良地质、不利地形条件，可考虑预先地表预加固、超前预加固、反压回填与挡护。通过延长暗洞、放陡边坡等方法在有的项目中可将原设计的40多米边坡降低至10 m以内。在经过技术、经济比较后，尽可能采用“前置式洞口施工法”施工，在洞外不开挖山脚土体的情况下，采用两侧开槽逐榀施作工字钢拱架，随着钢拱架推进逐渐接近山体，拱架间以纵向钢筋连接为整体，浇注混凝土形成临时衬砌，在进洞前以临时衬砌成洞，回填反压后再进行内挖法施工。有的洞门为斜洞门时，桥台设置应顺应洞门，设置为斜桥台。

2.7 棚洞

由于有的路段地质为膨胀性黏土或膨胀性强分化岩，土体内夹杂大小不一的坚硬沙岩石块，土体内裂隙水丰富，路基大面积开挖时，极易造成塌方和滑坡，大面积开挖极其困难，且施工隐患很大，所以采用明洞施工难以实施，造价太高，工期太长。明洞方案尽管可以一劳永逸，但在此工期无法保证，而采用棚洞方案可以缩短工期，降低工程造价。为防止山体形成的泥石流进入棚洞，边坡上需进行绿色柔性防护，同时在高边坡上每隔8 m一个台阶同时设置截水沟。

图10 典型棚洞

棚洞随地形和地质条件的不同有多种类型，但其基本构造有内墙、外侧支撑结构和顶板支撑结构。地基条件较弱的情况下，还需设置底部支撑结构，相当于涵洞的支撑梁。内墙可做成钢筋混凝土板墙和外部支撑共同构成桩板式支挡墙。外墙支撑结构可根据地形和地质情况的不同做成刚架式、柱式和墙式。外板可采用T形梁、I型梁或空心板梁截面预制安装构件。

2.8 洞内防排水

图11 隧道拱顶渗水结冰

图12 隧道漏水路面结冰

目前，渗漏水是隧道工程面临的顽疾，对公路隧道的行车安全影响更为突出。由于在施工及管理中往往突出了结构安全的重要性而没有足够重视防排水工程的施工质量，多座隧道运营期出现渗漏水情况，严重的出现“水帘洞”、“悬冰洞”情况，对衬砌结构安全、行车安全等形成重大隐患。所以，对长大隧道而言，防排水工程的施工质量就代表着隧道的施工质量，应精细化管理，从严抓起。

山西省交通科学研究院正在研究的《山西省运营隧道渗漏水防治技术》课题，对施工缝、防水板、电缆槽等部位通过申请专利、研究，提出了新工艺、新形式，力求能够改善运营隧道的渗漏水问题。

2.9 地质超前预报

目前，国内应用TSP203、TGP206等技术存在两个技术问题：其一，对三维地震场波的处理仅来自掌子面前方，忽略了两侧、地表、上覆、下伏地层回波的影响，会造成虚报误报。应对记录进行波场分离，取出前方回波，滤除各种侧向回波。其二，TSP203、TGP206等观测方式将检波器与炮点布置在隧道一侧，没有横向偏移距，仅能满足隧道两侧波速分析，影响反射目标的准确定位，造成波速与围岩特性没有对应关系。

TST超前预报系统较好地解决了以上问题，应对其推广应用。

2.10 通风、照明

2.1 0.1 通风

目前，国内开始应用静电集尘的方法来尝试解决特长隧道位于环境保护区无法设置斜竖井排烟的问题。静电集尘广泛应用于工业除尘，技术较成熟，但费用较高。

此外，由于受坡度、高差和车流工况的影响，双洞单向隧道两相邻洞内需风量往往差异很大，我国已经开始在特长隧道中研究采用双洞互补式网络通风方案。构建的双洞换气系统不仅保证隧道内的污染物浓度不超过限制值，且比“左线单斜井+右线全射流风机”方案节省了通风系统初投资及运营费用。

2.1 0.2 照明

隧道照明开始广泛应用节能的LED设备，但有的省份考虑到LED灯的质量参差不齐、造价较高且损失率较高，所以仅在应急照明和中短隧道中采用。

洞内行车段新型反光标志如反光标线、轮廓标等的采用一定程度上减少了灯具的布设及开启，节省了电能。

此外，有的隧道还引入了低空照明，就是将拱顶的灯具调整到侧壁稍高于驾驶员视线的位置，提高了照明效率。

福建省高速公路隧道照明通过节能技术的研究与应用，隧道单洞平均能耗费用由设计初期的30万元/年公里，降到目前的15万元/年公里。

浙江省开发了一套智能化公路隧道照明节能控制系统，最低节能效率达到17.3%，最高节能效率达到45%。

陕西省在青兰高速17座隧道照明系统优化设计中，对长隧道（大于500 m）的部分设计参数和技术指标按最新成果进行了优化调整，特别是提出和采用了在科研成果支撑下的短隧道照明系统设计新方法，还根据交通量的发展，提出和采用了分期修建的原则和方法，无论是建设费用，还是运营费用都比原设计预计节省约一半。

总之，通过公路隧道多年来的运营，通风、照明费用在运营费用中所占比重较大，各省都在积极研究节能的方法。相信通过节能措施，公路隧道能更优质、高效地服务。

3 问题与体会

a）隧道设计形式上是新奥法，但还需要深入仔细研究隧道的围岩地质特点，这样开挖后出现施工方法不适应或者变更的情况会有效减少。

b）有的勘察由于地形复杂，便道工程巨大且较难实现，洞顶较难实施钻探，有的地质勘察难以到位，资料在设计时还不齐全。应出台相应的制度，允许设计单位在隧道施工中进行补勘，并通过实施超一定比例的变更由设计单位承担处罚来降低变更风险。

c）对公路隧道建设中的关键技术，如深竖井施工技术、通风细部参数、运营监控设施、防灾救灾预案等系统研究深入程度不够，造成后期工程建设管理的困难，甚至造成很大的浪费。

d）加固、维修方案更便于大胆地尝试新技术、新材料，为新建工程的大范围应用铺平道路，设计人员应积极参与。

e）应大胆创新，积极地把创新思维植入大脑，积极引入其他行业成熟技术、材料、工艺等解决本行业技术难题，达到事半功倍的效果。如铁路行业有长大倾角富水斜井快速抽排水施工工法、干燥粉细砂地层大断面斜井进入正洞挑顶施工工法、黄土隧道仰拱底鼓整治施工工法、隧道高压富水断层快速施工工法等可以进行借鉴。

f）新技术、新工艺的发展及创新与设计理念的发展、创新是互相推动、互相促进的。要开放式而不是批判式地去了解新材料、新技术。

g）新技术、新材料、新工艺的发展应用与设计理念的发展是相辅相成、互相推动促进的甚至必要的话可以参与新工艺、新技术、新材料的研发。工程是创新的土壤，科研是设计创新的助推剂。

h）设计人员不能简单将自己作为设计人员，应考虑施工如何实现；反思和总结经验教训推动了技术创新，专业上还有广阔的创新空间。

4 结语

公路隧道的建设不仅融合了结构、地质、岩土、机电、消防等多个方面的内容，而且随着公路隧道的蓬勃建设，在新工艺、新材料、新能源、新技术的采用方面还会不断推陈出新，设计人员应积极更新设计文件。以上是笔者的一些浅见，不当之处，请各位前辈及同仁批评指正。