复杂地质条件下高寒山区超长公路隧道总体建设方案研究

孙祺华,孟 芹,李 剑

(1.贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳 550001；2.贵州交通职业技术学院，贵州 贵阳550001；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)

随着我国西部公路工程建设的迅速发展，由于西部山区地形较为发育，从而出现了大量的隧道建设工程，同时也使得我国公路隧道工程技术达到国际领先水平。

近年来，针对隧道建设过程中涌现的各类复杂技术难题，学者们取得了丰富的研究成果[1-10]。如王梦恕[1]针对我国盾构、掘进机隧道技术存在的问题，提出了具体的解决方法；夏永旭等[2]针对秦岭终南山公路隧道通风技术的关键问题，探讨了几种通风方案的优缺点，并提出了需进一步深入研究的问题；张正义等[3]针对高速公路隧道入口区段交通流，开展了数值模拟与安全性研究；杨健等[4]提出了隧道结构健康监测信息化系统设计与应用的参考方法；刘亮等[5]针对小净距隧道的优越性和适用条件，提出了不同围岩等级下小净距隧道的最佳开挖方法。这些研究成果为我国隧道工程建设的进一步发展，奠定了坚实的技术基础。

目前，在“一带一路”战略规划下，我国西北高海拔高寒地区出现了较多山岭隧道，由于区域环境独特，且面临高海拔高寒等恶劣条件，加之国内缺少建设此类隧道的工程经验，亟需开展相关的研究工作，以便保障复杂地质条件下高寒山区超长公路隧道工程建设的顺利开展。本文以国内最长的高海拔高寒山区公路隧道——新疆天山隧道为依托，针对该隧道的线位方案、断面布置、洞口位置和路面结构四个方面，通过文献调研、理论分析，开展了全面、系统的对比研究工作，并确定了安全、经济、合理的总体建设方案，这对控制该隧道的建设规模、保证隧道的快速施工、后期的运营管理、建设工期的控制等均具有重要的指导意义。

1 天山隧道工程概况

1.1 工程概况

新疆天山长大公路隧道是新疆交通运输公路网“57712工程”规划中乌鲁木齐—库尔勒(图1中蓝色线路)重要组成部分，胜利达坂路段(图1中箭头标记的段落)为该项目的重点、难点路段，该路段横穿天山中部，并穿越冰川地貌，见图1。

图1 天山隧道工程平面示意图Fig.1 Plan of Tianshan tunnel project

1.2 工程地质特征

该拟建天山公路隧道路线横穿天山山脉中部，沿线地势总体中部高(天格尔山)、南北两侧低(山前平原)，最高点位于天格尔山，海拔高度为4 300 m左右，最低点位于路线终点尉犁县城东南约13 km处的G218附近，海拔高度为885 m。该隧道工程沿线河谷发育、沟壑纵横、地形切割剧烈，地貌单元主要为山地峡谷和山前平原两种。该地区的地震基本烈度为7度。

该隧道工程纵贯天山，气候差异较大，且昼夜温差悬殊；天山北坡年降雨量为400～600 mm，南坡年降雨量为300～500 mm；山区气候呈垂直分布，高山寒冷带终年积雪、冰川纵横。

隧址区地层岩性主要以花岗岩、变质粉砂岩、细砂岩、板岩、绿泥钠长片岩、冰水沉积层为主，第四纪地层为洪积堆积和冰水沉积，厚度为30～50 m。不良地质作用主要表现为崩塌、坡面溜塌、泥石流、风积雪、涎流冰、沿河路基水毁，高山路段还存在季节性和多年冻土[11]，如高海拔地段望峰—乌斯特(K72～K97)一带可见有积雪和冰川，K486～K487路段涎流冰年年发生，最大冰冻厚度为2.8 m，最小冰冻厚度不小于0.5 m。

2 天山隧道总体建设方案

本文针对天山隧道的线位方案、横断面布置方案、洞口位置及处置方法以及路面结构型式四个方面，通过文献调研、理论方析，开展了对比研究，从而确定了该隧道的总体建设方案。

2.1 隧道的线位方案

2.1.1 主要线路方案

根据《中国冻土》[11]，天山隧址为多年冻土区，拟建路线不可避免要穿越天山地区季节性冻土，为了尽量减小多年冻土及积雪对路线的影响，特别是对隧道洞口的影响，隧道洞口标高的选取显得尤为重要。因此，天山北坡隧道洞口标高控制在2 900～3 250 m，天山南坡隧道洞口标高控制在2 700～3 100 m。

根据天山隧道洞口高程范围，并结合沿线地形、地物情况，且从线位的高低及进出口位置等角度，提出了K、B1、B2、B3 4种越岭路线方案，见图2。

图2 天山隧道4种越岭路线方案Fig.2 Four crossing routes for Tianshan Tunnel

(1) K线(中线位)方案：K线方案(K71+500～K120+500)起于老G216线红五月桥东侧，首先沿大西沟南侧山体布设，设科克达和巴拉提两座长隧道，出口接一座特大桥和大桥后，到达横穿天山隧道进洞口，隧道从望峰道班东侧约2.50 km的对面山坡开始进洞(高程为2 810.87 m)，然后建21.66 km隧道至乌斯托沟(出口为2 937.77 m)，出洞后跨越南疆铁路和S301，沿乌斯托沟两侧山坡展线，在乌拉斯台跨G216线，最后沿乌拉斯台沟的西南山坡坡脚布线至该比较段终点——胜利桥附近。该方案路线全长49.00 km，该线进出口地形及纵断面，见图3和图4。

图3 天山隧道K线进出口地形Fig.3 Import and export terrain of K-line at Tianshan Tunnel

图4 天山隧道K线纵断面图Fig.4 Longitudinal section diagram of K-line at Tianshan Tunnel

(2) B1线(高线位)方案：B1线方案(B1K71+500～B1K134+588)起于老G216线红五月桥东侧，首先沿大西沟南侧山体布设，随后利用螺旋隧道将胜利达坂隧道进口标高由2 800 m左右抬升至2 947.94 m，隧道从望峰道班南侧约0.60 km的对面山坡开始进洞，然后建14.63 km隧道至新达坂沟(高程为3 217.13 m)，再利用黑熊沟、乌拉斯台沟以及乌斯托沟的山坡展线降坡，最后在乌拉斯台接上K线。该方案路线全长63.09 km，其出口位置距K线隧道出口约11.50 km。

(3) B2线(中线位)方案：B2线方案(B2K71+500～B2K122+820)的思路基本与K线方案相同，不同之处是胜利达坂隧道出口位置由“乌斯托沟”西移至“来愣夏尔沟”；该线路出洞后，横跨黑熊沟沿其左侧山坡布线，最后折转至“乌斯托沟”与K线相接，隧道长度为22.70 km。该方案路线全长51.32 km。

(4) B3线(低线位)方案：根据路线走向最顺适角度的原则，提出B3线方案(B3K71+500～B3K113+910)，该隧道进口位置同K线，隧道长度为29.20 km，出口位于乌斯托沟下游的末端(出口高程为2 650.64 m)，随后沿乌拉斯台沟左侧山坡布线，在胜利桥接上K线。该方案路线全长42.41 km。

为了全面了解天山隧道各线路方案的规模，将各线路方案的主要工程技术指标统计于表1。

表1 天山隧道各线路方案的规模及工程技术指标统计表

2.1.2 主要线路方案的对比分析

为了进一步明确合理的线路方案，本文将从线路走向、建设里程、洞口高程、隧道长度、施工难度、工程造价以及建设工期等方面，针对天山隧道以上4种线路方案进行了全面的对比研究，各线路方案的相关条件及参数指标对比情况见表2。

表2 天山隧道各线路方案的相关条件及参数指标对比

由表2中各线路方案的相关条件及参数指标，并从线路条件、工程地质条件、引线工程量、施工场地、环境影响和投资规模等多方面进行全面的对比分析，得到以下认识：

(1) B2线方案劣势比较明显，可予以舍弃，初步设计阶段可不再纳入方案比选。

(2) B3线方案线路最为顺直，建设里程最短，隧道进出口高程最低，但B3线方案的天山隧道长29.20 km，通风方案最为复杂，建设施工难度最大，建设工期最长。

(3) K线方案的天山隧道长21.66 km，B1线方案的天山隧道长14.63 km，但K线方案隧道的施工难度大，通风方案较为复杂，建设施工工期较长，运营安全风险高；K线方案线路顺直，平面条件好，较B1线方案缩短线路l4.09 km，且K线方案汽车运行高程较B1线方案低100～300 m，缩短运营距离明显，汽车运行时间短，体现了“以人为本”的理念，符合发展趋势；此外，K线方案隧道的地质条件优于B1线方案，为隧道快速掘进奠定了良好的基础，而B1线方案引线工程规模和投资规模均高于K线方案，且施工难度大。

通过对天山隧道多个线路方案进行综合对比分析后，推荐K线方案作为越岭参考方案。

2.2 隧道的断面布置方案

2.2.1 特长山岭隧道断面布置方式

天山隧道作为国内最长的高海拔公路隧道，且处于高寒山区，国内尚无此类隧道建设的经验，因此本文通过调研，了解了我国已有的特长山岭隧道的断面布置方式(见表3)，以便提出适用于天山隧道的断面布置方案。

表3 特长山岭隧道的断面布置方式

由表3可知：我国10 km以上的公路和铁路山岭隧道基本采用两管方案；国内目前独头掘进最大长度为6.5 km；超长隧道为满足工期要求时，必须开辟新的辅助工作面，如秦岭终南山公路隧道是利用铁路平导实现长洞短打，乌鞘岭特长铁路隧道共设置了16个施工辅助坑道实现长洞短打。

2.2.2 隧道两种断面形式的对比分析

基于上述情况，由于天山隧道长21.66 km，拟从两管+竖斜井和三管断面形式进行对比分析。

两管隧道方案，即不设置辅助隧道的双洞双车道隧道，见图5；反之，设置辅助隧道的三管隧道方案，见图6。

图5 两管隧道Fig.5 Two-tube tunnel

图6 三管隧道Fig.6 Three-tube tunnel

两管隧道方案的优缺点主要如下：

(1) 优点：洞口横断面布置间距相对灵活，有利于隧道平、纵面的布置；两主洞之间的开挖相互影响较小；相对设置辅助隧道方案，在施工时减少了洞室交叉的可能性，发生坍塌事故的风险相对较低，且投资规模会减少。

(2) 缺点：缺少探明地质情况的先导洞，缺少为主隧道开辟工作面的条件；全线隧道都必须在隧道下部增加隧道供配电电缆、通讯电缆及水电管线的空间，扩大了隧道的断面，同时施工组织较为困难；采用斜井施工的方案，在岭脊中等富水区发生较大涌水时，存在无法及时抽水而导致斜井被淹、长时间无法掘进的风险，且掘进速度较难保证；势必要增加斜井的数量，多座辅助坑道必须按计划的进度进行施工，当有一个斜井出现问题时，工期就难以保证，因此采用钻爆法时隧道建设工期保证率较低；日常检修车辆的进出对隧道正常的交通会造成一定的影响。

三管隧道方案的优缺点主要表现如下：

(1) 优点：可利用辅助隧道超前掘进来探明地质情况和取得对局部不良地质地段处理的方法及工艺经验，为大断面主洞的掘进提供较准确的地质情况及施工安全保障；为主隧道开辟多个工作面，同时对于局部不良地质地段，可借助辅助隧道先行处理，不影响其余地段的施工，可加快隧道施工进度，保证隧道建设工期；可利用辅助隧道作为施工期间和运营期间通风的通道，减少了斜井的数量，并减少了工程建设对天山冰川的影响，有利于保护天山地区脆弱的生态环境；辅助隧道可作为紧急避难通道，解决隧道运营期间突发灾害时人员的避难、逃生和救援问题；辅助隧道还可作为管线通道，适当减小主隧道断面，并在行车隧道发生火灾情况下，可保证运营管理系统的安全、有效，同时便于管理人员的日常维护。

(2) 缺点：在施工时增加了主洞工作面及洞室交叉的可能性，导致发生坍塌事故的风险相对增大；洞口横断面布置宽度有一定的增加，且用地面积要增加，隧道净距较小，造成工程费用会有一定的增加。

从隧道施工和运营进行综合分析，设置辅助隧道的三管隧道方案有利于加快施工进度，也可为隧道救援提供安全通道，为隧道运营提供独立的综合管线空间，且方便隧道检修。

2.2.3 隧道断面设计参数

(1) 主隧道：根据《公路隧道设计规范》[12]，该特长公路隧道工程按照双向四车道高速公路的标准进行设计，计算行车速度取80 km/h，主隧道单洞尺寸如下：隧道建筑限界净宽为0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75=10.25 m；隧道建筑限界净高为5.0 m；隧道内轮廓采用半径为545 cm的单心圆，仰拱半径为1 500 cm，边墙和仰拱的连接小半径为100 cm，带仰拱时隧道断面面积为76.08 m2，无仰拱时隧道断面面积为68.90 m2。

(2) 服务隧道：为实现隧道上方预留检修车辆及逃生空间，隧道下方有自身的排水供电设施，需设置服务隧道，服务隧道的断面面积为14.61 m2，见图7。

图7 服务隧道的断面设计图(单位:cm)Fig.7 Section design of service tunnel(unit:cm)

2.3 隧道的洞口位置及处置方法

2.3.1 隧道洞口工程地质特征

天山隧道进出洞口具有如下工程地质特征：

(1) 隧道进出洞口高程从海拔1 000 m到2 938 m都有分布，本段路线的最大冻结深度从1.5 m到4.2 m ，其中K27+000～K40+000段最大冻结深度约为1.5 m ，K80+000～K87+500段最大冻结深度约为4.2 m。

(2) 隧址区生态环境比较脆弱，海拔高度超过2 500 m，山上树木较少，地表植被有零星覆盖，不合理的设计可能会对环境造成破坏，从而引发新的地质灾害。

(3) 该隧道工程的地形起伏大，沿线多次跨越乌鲁木齐河，多处出现桥隧相接的形式，部分隧道进出洞口工程地质条件较差，如洞口岩体破碎、洞口悬崖峭壁、洞口松散堆积体、洞口地形偏压等，见图8。

图8 隧道进出洞口的地质特征Fig.8 Geological features of tunnel entrance and exit

(4) 部分隧道海拔较高，降雪量较大，洞口地形复杂，造成部分隧道进出洞口有积雪和涎流冰，见图9。

图9 隧道进出洞口的积雪和涎流冰Fig.9 Snow and turbulent ice at the entrance and exist of the tunnels

2.3.2 隧道洞口处置方法

(1) “零开挖”进洞：天山地区生态环境较脆弱，隧道洞口坡面应尽量避免大挖大涮的现象，这样既利于洞口的稳定成型，也利于植被的恢复与生长，特别是利于自然景观的保护。

(2) 洞口破碎岩体的防护：隧道洞口破碎岩体边仰坡的防护可采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网、围岩注浆、植物防护、砌石污工、砂袋堆砌等措施。

(3) 桥隧相连施工的排水处理：该隧道工程地形较为复杂，多处出现桥隧相接的形式，施工时应在隧道标高较低一侧洞口与桥台连接处设置洞口检查井，经埋置于桥台台身里的预制钢筋混凝土排水管将中心水沟及边沟的水排出洞外。

(4) 隧道洞口地形偏压的处理：在隧道洞口横坡陡、偏压严重、场地狭小且地质条件较差时，可采用半明半暗隧道衬砌方案对地形偏压洞口进行处理(见图10)，如科克达隧道出口可采用这种方案进行处理。

图10 半明半暗隧道衬砌Fig.10 The lining of half-dark tunnel

(5) 盖挖法进洞：在隧道主洞开挖前，在覆盖层厚度不满足进洞要求时，可采用盖挖法进洞方案(见图11)。施工时，在地形低的一侧先施作一定厚度的C25混凝土护拱，护拱内部设置工字钢拱架，洞口套拱的管棚导向管同时延伸焊接到暗洞护拱钢拱架上，当混凝土护拱达到设计强度后，在其上部结合原地面顺坡回填碎石土，表层植草绿化，上部回填结束后，洞身采用暗挖通过。

图11 隧道盖挖法进洞Fig.11 The cover excavation method

(6) 隧道洞口松散堆积体的处理：隧道洞口段穿越松散堆积体，如哈熊沟隧道进口，布线时应尽量选择有利于隧道稳定的地段通过，并减少工程规模。若在地基承载力较高、隧道拱部围岩松散破碎、隧道底部为较为完整岩体，且基底受力较好，而拱部围岩极易坍塌，并影响施工安全的情况下，可在隧道拱部增加超前支护和环向注浆措施，形成拱部棚架作用。

(7) 隧道洞口积雪和涎流冰的处理：针对隧道洞口积雪和涎流冰的处理措施可分为被动融雪技术和主动融雪技术。被动融雪技术较为传统，应用时间长，适用面广，主要包括人工消除法、融雪剂法和机械消除法；主动融雪技术较为先进，但多处于试验研究阶段，主要包括热能转化融雪除冰技术、微波加热融雪除冰技术和铺装抑制冻结技术。

2.4 隧道的路面结构型式

2.4.1 特长公路隧道路面结构型式

欧洲几乎所有的公路隧道均采用沥青路面，日本则采用水泥混凝土路面。2000年以前，我国特长公路隧道大多采用水泥混凝土路面，见表4；目前我国越来越多的高速公路隧道、一级公路隧道采用铺设沥青上面层的复合路面，见表5。

表4 我国特长公路隧道水泥混凝土路面统计表

表5 我国特长公路隧道温拌沥青路面统计表

2.4.2 隧道两种路面结构型式的对比分析

隧道采用沥青路面的优缺点主要如下：

(1) 沥青路面业内俗称“黑道”，又称柔性路面，优点：由于车轮与沥青路面两级减振，从而行车舒适性好、噪音小；对路基、地基变形或不均匀沉降的适应性强；修复速度快，碾压后即可通车。

(2) 缺点：压实的混合料空隙率大、耐水性差，宜产生水损坏，一个雨季就可能造成路面大量破损；沥青材料的温度稳定性差，冬季易脆裂，夏季易软化；耐老化性差，数年后将产生老化龟裂破坏；平整度保持性差，不仅沉降会带来平整度劣化，而且材料软化会形成车辙；隧道内是火灾发生率较高路段，一旦发生火灾损失重大。

隧道采用水泥路面的优缺点主要如下：

(1) 水泥路面俗称“白道”，又称刚性路面，优点： 水稳定性较高，在暴雨及短期浸水条件下，路面可照常通行；温度稳定性高，无车辙现象；水泥混凝土是无机胶凝材料，主要水化产物水化硅酸钙既是其强度的主要来源，也耐老化、无污染；平整度的保持期长；在相同技术和工艺水平下，水泥路面大修前的使用年限长。

(2) 缺点：在相同平整度条件下，由于刚性路面不减振，因此行车舒适性不及沥青路面；在路基、地基变形或不均匀沉降条件下，易形成脱空，附加应力很大，极易产生断裂破坏，对路基稳定性的要求高，对不均匀沉降的适应性差；水泥路面强度高、硬度大，即使断板后也难于清除，修复难度大，新浇筑面板的养护期较长。

针对水泥混凝土路面较难修复的问题，西部交通建设科技项目正在开展“10～12 h内(当晚)解决断板的快速修复技术”研究。在设计上，水泥混凝土路面采用沥青滑动封闭层，防止半刚性基层的冲刷脱空。另外，在水泥混凝土路面的养护管理中要求及时进行两项预防性的养护：一是随时灌缝，保证接缝密封防水；二是在没有断板前对脱空面板进行灌浆稳板。可见，水泥混凝土路面难修复的问题在使用新机械和新型材料的条件下是完全可以得到有效解决的。因此，经综合分析后，该隧道路面结构型式应采用水泥路面。

3 结 论

本文针对天山公路隧道的线位方案、断面布置、洞口位置和路面结构型式四个方面，通过文献调研、理论分析，开展了全面、系统的对比研究工作，得出主要结论如下：

(1) 在线位方案中，K线方案线路顺直、平面条件和地质条件较好、工程投资规模合理、施工难度适中，可明显缩短运营距离，为隧道快速掘进奠定了良好的基础，综合比选采纳K线方案作为隧道越岭线路参考方案。

(2) 通过对比研究隧道断面布置方案，经综合比选，采用两主洞间设置服务隧道的三管隧道方案，具体断面设计参数如下：主隧道单洞建筑限界净宽为10.25 m，隧道建筑限界净高为5.0 m；隧道内轮廓采用半径为545 cm单心圆，仰拱半径为1 500 cm，边墙和仰拱的连接小半径为100 cm，带仰拱时隧道断面面积为76.08 m2，无仰拱时隧道断面面积为68.90 m2。服务隧道的断面面积为14.61 m2。

(3) 结合隧道进出洞口工程地质特征，选取了合理的洞口位置，并针对隧道洞口的岩体破碎、桥隧连接处排水、地形偏压、覆盖层厚度不足、存在松散堆积体、积雪及涎流冰等工程地质问题，提出了相应的防治措施。

(4) 对比分析了沥青路面与水泥路面的优缺点，并结合当前水泥混凝土路面修复技术的进展，采用水泥路面作为隧道路面结构型式。

天山隧道作为我国最长的高寒山区公路隧道，本文提出的总体建设方案，可为类似超长公路隧道的快速施工、运营管理、建设工期控制等提供参考依据。