九绵高速公路白马隧道总体设计

李泳伸，高世军，王 联

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

九寨沟至绵阳高速公路白马隧道位于九寨沟县与平武县交界处。隧道处于大熊猫栖息地，穿越勿角省级自然保护区。项目按双向四车道高速公路设计。隧道长度为13.006 5 km。隧址受控于文县弧形构造带、岷江～雪山～虎牙关断裂带和龙门山断裂带所围限的楔形地块上三大构造带；穿7条断裂构造，平行发育1条断裂构造；基本烈度为Ⅷ度高震区。洞身主要穿越上古生界泥盆系中统三河口组板岩、砂岩夹炭质板岩、极少量的印支期中酸花岗斑岩。

1 隧道走廊方案研究

本项目为G8513平凉至绵阳高速公路重要组成路段，由甘肃省陇南市武都区两水镇与现有兰海高速十字交叉，向西南延伸入川。白马隧道地理位置敏感，位于川甘交界区域，故工可阶段对该隧道进行了详细的走廊方案比选(见图1)。根据特殊的地形、地质环境条件，结合川甘两省路网规划、提出了A线走廊，接线点青龙桥；W线走廊，接线点摩天岭两个接线点。以青龙桥为节点的A方案和W方案进行同精度比选论证。

图1 白马隧道走廊比选图

工可阶段A线走廊方案的控制性工程白马隧道长13 km左右，最大埋深1 112 m。隧道穿越地层主要以深灰色砂岩、粉砂岩、炭质板岩及鸡窝状无烟煤为主，受断层影响，岩层较破碎。

隧道为高海拔、超特长、瓦斯隧道，隧址进出口地势开阔，与地方道路相距较近，建设条件较好，计划工期6年。工可阶段W线走廊方案的控制性工程摩天岭隧道长18 km左右，最大埋深1 995 m。隧道穿越地层主要以浅变质砂岩、结晶灰岩、结晶白云岩及岩浆岩等为主，受构造强烈挤压，次级构造及断裂发育，局部可能会出现突、涌水可能，瓦斯、大变形、岩爆等不良地质处治难度大。本隧道为超特长、瓦斯隧道。隧址进出口沟谷狭窄，弃碴异常困难，建设条件较差，工期约8年。

相比较而言W方案走廊带工程地质条件较差，地质灾害风险较大，控制性工程难度更大。

从路网功能、环境影响等多方面，对两走廊方案主要比较因素见表1。

表1 白马隧道走廊比选

2 施工图隧道轴线及纵坡设计

2.1 隧道总体平面线形的确定

充分利用洞口地形、地质、两端接线条件，通过经济比较，确定了两端洞口段采用小净距曲线、洞身采用正常直线的平面设计。

九寨沟端洞口段左右测量线间距约28 m，分别位于半径R左=1390 m和R右=1450 m的圆曲线上；绵阳端洞口段左右测量线间距约20 m，分别位于半径为R左=1150 m、R左=1150 m的曲线上；洞身段约11.822 km间距约35 m，线型为直线。

2.2 隧道纵坡的确定

对于超特长隧道的纵坡问题，业界存在一定分歧。从行驶舒适性和运营通风效率来看，采用单向坡较好，但施工时会出现逆坡排水问题。

白马隧道纵面线型的设计除了考虑地形、通风、排水、施工及隧道两端的接线条件等因素外，还重点结合以下条件谨慎选择。

1)充分借鉴S205线黄土梁隧道经验。S205线黄土梁隧道全长4 895 m，最大埋深800 m。该隧道在白马隧道上方，设计为2%单向坡。在施工过程中，遭遇到较大涌突水和较长段落初期支护变形侵限、坍方等工程难题，导致施工进度受阻且增加工程投资。分析认为该隧道设置为单向坡，导致反坡段施工地段软岩在地下水浸泡下急剧软化从而导致支护体系失效是造成施工进度慢和投资增加的重要原因。

2)考虑本隧道地质条件。隧道受构造影响强烈，且V级围岩占71.5%，Ⅳ围岩占27.5%，Ⅲ级围岩仅占1%。可能存在鸡窝状煤层。预测最大涌水量近7万m3/d。

3)纵坡变坡点位置确定因素。结合施工需要，白马隧道设置两处永久辅助井，将白马隧道划分为三个工区。经过工期测算，将变坡点设置在靠近出口距绵阳端4.2 km左右，将隧道设置为8.8 km和4.2 km两段人字坡，可以基本满足各工区主洞开挖以顺坡为主，同时竖井可在其下方主洞开挖完成后再进行开挖，很大程度上减小主洞和竖井段开挖中涌突水风险，提高施工安全。

综合以上因素，确定白马隧道纵断面采用人字坡，更有利于施工过程保证围岩稳定，减少大变形、利于斜井辅助主洞施工工区及竖井开挖避免涌突水危险等灾害问题。左线设计纵坡+2.85/33,+1.98/8 680,-0.35/4 300；右线设计纵坡+2.85/76,+1.98/8 680,-0.35/4 244。

3 运营通风方案及通风井选择

3.1 通风要求

白马隧道长度13 km左右，通风计算其左线远期最大需风量将达到8 745 m3/s，右线远期最大需风量将达到905 m3/s，全纵向射流通风风速超过13 m/s，需考虑设置两处辅助通风排烟通道进行分段通风及救援排烟。

3.2 施工组织

项目批复工期要求紧，如不采用辅助井辅助主洞施工，采用钻爆法开挖工期不可控。辅助井以纵坡相对较小的平导、横洞、斜井为好，竖井辅助施工难度较大，尽量不作为首选方案。

为解决白马隧道主洞九寨沟端进洞困难，减小对于山体的开挖和对于下方既有省道的运营影响，保护原洞口生态环境，在隧道九寨沟端洞口附近设置一长238 m的施工支洞。设计充分考虑利用支洞及斜井参与主洞施工，将隧道施工分为前述的三个工区。设计未考虑竖井参与主洞施工。经计算，隧道土建总工期72个月。其中：施工准备期1个月，隧道开挖65个月，路面及其他附属工程滞后6个月完成。

3.3 地形及地质的结合

白马隧道处于大熊猫栖息地，穿越勿角省级自然保护区。隧道设置必须满足相关环保要求。

隧道受构造影响强烈，围岩以软质炭质板岩为主，设置地下风机房施工难度大。应优先考虑采用地面风机房。

综合相关因素，最终确定在九寨沟端设置一组长度1 200 m无轨斜井，绵阳端设置一组长度333 m的竖井，将隧道分成长度分别为4.4、4.8、3.8 km的三区段纵向通风。

4 隧道复杂地质条件的结构设计

4.1 衬砌类型设计

隧道暗洞衬砌均按新奥法原理设计和施工，支护体系结构均为复合式衬砌。设计根据围岩级别、隧道断面及埋深条件拟定并选择相应的衬砌类型，支护参数的选择以工程类比法为主，并通过数值分析进行校核，合理确定支护体系的各种参数。

设计对于大变形、岩爆、涌突水等问题的处理方式是采用“预设计”理念：基于围岩级别划分，结合相关围岩物理力学参数，在纵断面中确定相对采用较多的一种衬砌类型，但在段落统计表中“预留”出一定比例可能会采用的衬砌类型，以便于现场各方结合开挖实际揭露合理采用。

4.2 大变形对策措施

根据对基础资料的分析，本隧道软弱岩性均为大变形提供了物质基础。其可能产生大变形的原因是受到高地应力条件发生的挤出性变形。综合判定，本隧道发生大变形的等级为中级及强烈大变形。

大变形结构设计遵循“先柔后刚、先放后抗、控制变形、及时封闭”的原则，采取“主动适应+强支撑”的综合处治方式。

考虑到大变形是本隧道的主要工程问题，且大变形的特点存在一定差异，设计对轻微、中等、强烈三级大变形均进行了结构设计，并对发生的段落做了初步预判，建议根据实际施工情况对大变形的强度等级及段落范围进行动态调整。

初级大变形主要措施为：扩大预留变形量、初期支护钢架和二次衬砌加强。

对于中级及强烈大变形均对隧道断面采用加深仰拱减小矢跨比、初期支护边墙拐角采用较大半径的圆弧过渡的优化，改善隧道承受的荷载和结构承载能力；同时采用自进式锚杆与注浆小导管结构的长短锚杆结合形式加强初期支护；针对强烈大变形，在中级大变形结构基础上，增加了一层初期支护，进一步增强初期支护的强度，达到控制变形的目的。

4.3 现场管理办法

现场施工时首先应进行超前地质预报，结合超前地质预报和现场掌子面的情况，分段确定前方的围岩级别和支护参数，当现场情况和纵断面设计图中所给出的一致时，必须按图进行施工。减弱或加强均需现场参建各方参与确认后实施。

5 体 会

1)超特长隧纵坡设置需要综合考虑。白马隧道在确定纵坡的时候，就产生过两种观点，到底是设置为一字坡更好或是人字坡更好呢？持“一字坡”观点认为运营期间可以节省通风费用，降低社会成本。但现在看来，白马隧道大部分已揭示段落围岩以炭质板岩为主，本身强度极低(小于5 MPa)，开挖后大约15天时间内，由于地下水的进入，导致围岩软化及劣化严重，稳定性急剧下降。施工中顺坡开挖使得地下水可以以更好地自然条件排出，对于保护围岩不被水长期浸泡软化，提升施工安全显得十分有必要。因此，笔者仍然支持设置为“人字坡”的观点。

2)白马隧道九寨沟端设置施工支洞进行主洞开挖，将该端洞口场地充分利用到与隧道相邻的桥台施工及边坡保护防护，减小对该端洞口下运营省道S205的影响意义重大。有理由相信，设置支洞替代直接从洞口方向掘进的思路在西南地区山岭隧道的建设中会得到越来越多的运用。

3)项目开工以来，开挖揭示隧道地质情况与原勘察总体基本相符，但是由于地质构造复杂，围岩级别界限与实际情况可能存在一定差异，大变形段落划分及强度等级综合分析预测成果与实际开挖不可能做到完全一致、小型涌水涌泥点位无法在设计勘察阶段精准预测。

图2为初支扭曲变形图，图3为水平收敛变形图。

图2 初支扭曲变形

图3 水平收敛变形

特别是2017 年8 月8 日阿坝州九寨沟县发生的7.0 级地震，震中比芒村距离隧道直线距离很近，隧址区震感十分强烈，强烈的地震致使原有围岩结构遭到不同程度的破坏，持续的余震使地质体在双向往复力作用下逐渐朝更不稳定的方向发展。频发的地震对正在建设的隧道周围的地质条件、围岩体结构和强度产生恶化效应。因此，如何充分利用现有手段，更好地对软岩隧道变形进行超前地质预报，利用监控量测手段对变形及其支护参数进行合理分级，确保安全、经济、高效建设好白马隧道，是参建各方要共同面临的关键问题。

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