0 引言
截至 2023 年底,中国已建成公路隧道 27297 座,总长度 30231. 8 km。 其中,特长隧道 2050 座,长度9240. 7 km;长度超过 10 km 的特长公路隧道已建成25 座、正在建设 31 座、规划设计 18 座。 天山胜利隧道建成后将成为世界上最长的高速公路隧道[1] 。
国内外基于建设的大量特长公路隧道和高寒高海拔公路隧道,取得了丰硕的研究与实践成果。 在特长隧道建设方面,研究涵盖规划、设计、实施、运营全过程,包括通风防灾[2-12] 、隧道照明[13-21] 、救援组织[22] 、施工组织[23]等内容;在高寒高海拔方面,从敷设保温层的被动保温,到主动加热技术,再到尚未起步的地源热泵技术,大量研究者致力于提供合理的防冻保温技术[24-29] ,有效提升隧道衬砌结构和围岩温度,防止其出现冰冻,以解决寒区隧道冻害问题。
天山胜利隧道穿越横亘新疆南北的天山山脉,建设环境为高寒高海拔,地质复杂,自然条件恶劣,生态脆弱,隧道建设难度较大。 本文重点分析天山胜利隧道工程重难点,介绍地质勘察、总体设计、抗震设计、环保设计、防灾救援等系列关键技术,提出高寒高海拔特长隧道设计方案。 相关设计可丰富我国复杂环境下特长山岭公路隧道的设计技术,以期为后续类似工程建设提供借鉴和参考。
1 工程概况
天山胜利隧道位于乌鲁木齐至尉犁高速公路,隧道设计速度为 100 km / h,建筑限界为 11. 0 m×5. 0 m。左线长 22130. 572 m,右线长 22032. 270 m,服务隧道长 22080. 038 m,洞口最高海拔约 2900 m,最大埋深约 1120 m。 根据通风计算分析,天山胜利隧道共设置4 处共计 8 座竖井,竖井最大直径为 10. 5 m,最深为707 m,井口最高海拔为 3650 m。隧道洞身围岩主要为凝灰质粉砂岩、大理岩、石英片岩、炭质板岩、花岗岩、花岗闪长岩等。 Ⅴ级围岩全长 2 054 m,占比 9. 28%;Ⅳ级围岩全长 9 885 m,占比44. 67%;Ⅲ级围岩全长 10191 m,占比 46. 05%,地质分布见图 1。 隧址区主要地质构造为华力西期构造区,对线路有影响的构造主要有 F6、F7 区域性断裂、Fw-1—Fw-14 等 16 处断裂以及 ZK76+138 背斜、中天山褶皱带 ZK94+200 复背斜,其中 F6 断裂为全新世活动断裂。
图 1 天山胜利隧道平纵示意图
隧道实测地应力结果显示,最大水平主应力约为28. 6 MPa,铅直应力约为 25. 1 MPa,最小水平主应力约为 15. 5 MPa。 最大水平主应力侧压力系数为 0. 7 ~3. 2,最小水平主应力侧压力系数为 0. 5~1. 7。
2 工程建设特点和难点
天山胜利隧道全长约 22. 1 km,是当之无愧的世界级工程,具有一长(高速公路隧道长度世界之最)、两深 ( 隧道最大埋深约 1120 m, 竖井最大深度707 m)、三低(气温低、气压低、含氧量低)、四高(高地应力、高压地下水、高地震烈度、环保要求高)等特点。建设如此级别的高速公路隧道穿越天山山脉,面临着巨大的挑战和困难。
2. 1 勘察困难
天山胜利隧道沿线地表海拔高,地形起伏大,隧道穿越冰川地貌无人区,近 10 km 以上洞身段难以开展传统地质调绘、钻探、物探工作。
2. 2 运营安全风险高
修建长度超 22 km 的高速公路隧道尚属首次,运营安全风险高,需结合信息化和智能化,对隧道运营安全方案进行系统设计。
2. 3 建设环境复杂
隧址区最冷月平均气温低于-16 ℃ ,隧道结构面临防寒保温、高地应力-岩爆、活动性发震断裂、高压涌水等诸多问题。 隧道衬砌设计须考虑以上作用的特点,采用合适的衬砌结构及断面形式确保结构的安全性和耐久性。
2. 4 自然环境敏感
隧址区为乌鲁木齐市水源保护地,隧道进口及 1#竖井口临近天山一号冰川,隧道沿线地表和竖井周围分布高山湿地草甸,恶劣气候条件造成该地区生态脆弱,环境敏感,一旦长期受到人为干扰,就会产生负面影响,需要很长时间才能基本消除,有的甚至是不可逆的,因此建设期和运营期的环保要求极为严格。
3 高寒高海拔地区勘探技术
3. 1 无人机 Lidar 扫描测量技术
针对本项目高寒、高海拔、地形复杂、交通困难的特点,采用机载三维激光扫描测量技术,实现从数据采集到应用的全数字化过程,提高公路勘察设计的自动化、集成化水平,有效提升地形地貌复杂路段测设速度和精度。 实测散点、中桩、横断面与点云对比结果显示: 激光点云的高程误差约为 12 cm,平均垂向差距约为 9. 2 cm,精度满足工程要求。 而且,与航空摄影测量法相比,勘察设计总周期缩短约 1 / 3,可节省大量资源的投入。
3. 2 高精度遥感技术
为适应长大深埋隧道需要,采用高精度遥感技术,根据已建特长隧道(南疆铁路中天山隧道)的勘察经验,开展室内高精度遥感影像判释工作,利用遥感图像视域宽阔、获得信息迅速丰富等特点,从宏观上初步查明线路通过地区的主要工程地质条件,并利用高分辨率航空物探方法勘察主要地质构造,最后采用无人机对遥感影像判释结果进行验证。 经实地抽检可知,成果可靠率达 90%,高效解译并验证了多条断裂带以及向斜、背斜等不良地质体。 另外,利用 2012—2017 年高分辨率卫星拍摄的天山胜利隧道建设区域的卫星图像,进行积雪调查,分析积雪变化趋势,预测积雪的面积及厚度对隧道的影响,优化隧道洞口选址,冰雪遥感成果见图 2。
图 2 冰雪遥感成果图
3. 3 超长距离水平定向钻勘察技术
TBM 工法对勘察成果精度要求高,特别是针对大型断裂带,天山胜利隧道进、出口运用了超长距离水平定向钻勘察技术,对 F6、F7 2 个区域性大型断裂段进行勘察,定向钻钻孔直径为 35 cm,单向钻进最长为2271 m,在钻孔内进行了分段取芯、孔内摄像、涌水量观测等工作,最大取芯深度为 1900 m。 水平定向钻探轴迹平面示意如图 3 所示。 基于 KNN 和随机森林算法 2 种监督学习算法,构建适用于水平定向钻钻进数据的机器学习模型,形成隧道围岩判别评价方法,进而预测围岩岩性和超前探测地质情况,以降低施工风险,并且通过取芯测试为隧道不良地质段设计提供更精准的地质参数。 另外,在施工阶段研发应用适用于隧道内部的小型化千米级水平钻机,可在横洞内或占用小幅施工作业面操作,精确判断前方不良地质体性质及规模,为超前处治提供依据。
图 3 水平定向钻探轴迹平面示意图
4 高寒高海拔超长公路隧道主要方案设计
4. 1 隧道总体方案设计
综合公路特点、地形地质、防灾救援、工程风险、工程经济、运营管理等因素,高速公路隧道横断面总体布置如图 4 所示。 主要有 2 种方案: 1)双洞单向行车隧道,两隧道间设横向联络通道,见图 4(a); 2)TBM 法公路隧道,在道路下方空间设逃生疏散通道,见图 4(b)。
图 4 隧道断面布置
根据天山胜利隧道建设规模,重点考虑隧道防灾救援、施工工期等因素,开展双主洞钻爆法、双主洞TBM、双主洞高度机械化钻爆法+TBM 服务隧道 3 种方案的比选研究,如表 1 所示。由表 1 可知,双主洞钻爆法虽工艺成熟、投资较少,但辅助通道规模大,防灾救援体系与常规山岭隧道方案一致,无法有效解决超长隧道运营难点,且高海拔环境对半机械化施工影响严重,工期风险高;双主洞高度机械化钻爆法+TBM 服务隧道虽投资稍高,但是运营安全风险和工期风险低。 综合各因素,推荐采用双主洞高度机械化钻爆法+TBM 服务隧道方案。
服务隧道考虑辅助主洞施工的要求,在施工期服务隧道内的空间布置双线无轨运输,以保证施工运输的高效性,在运输空间外还需布置施工通风空间,断面布置如图 5 所示。
图 5 服务隧道横断面布置图(单位: cm)
双主洞高度机械化钻爆法+TBM 服务隧道方案具体实施方式为: 服务隧道平行设置在两主线隧道之间,低于主线隧道 1 m(见图 6)。 服务隧道内设有完善的照明、监控、通风换气、正压防排烟系统。 服务隧道兼作主线隧道的排水通道,主线隧道的地下水经横通道导水沟进入服务隧道; 同时,服务隧道在施工期通过车行横通道为主线隧道开辟新的工作面,进口端开辟 9 个横通道、出口端开辟 12 个横通道,多个工作面可同时施工,实现长洞短打的目的,隧道施工工期有效缩短至 6 年。
图 6 天山胜利隧道横断面布置图
4. 2 服务隧道 TBM 施工关键技术
为解决传统的敞开式 TBM 在破碎带、软弱围岩、岩爆等不良地质段,支护方式存在支护工作量大、施工进度慢、施工风险高等问题,将掘进机与压注混凝土工法进行创新性融合,对支护机制、混凝土材料、掘进装备、施工工法等开展联合攻关,研制了压注混凝土工法单护盾-敞开式双模式 TBM,使其同时采用 3 种支护方式:
1)对较好围岩条件采用敞开式工法掘进(TSA)模式;
2)对破碎带、软弱围岩、岩爆地层采用单护盾钢模板压注式混凝土支护掘进( TE) 模式,支护断面见图 7;
3)对极破碎带、软岩大变形、强岩爆地层采用单护盾钢管片支护掘进( TS) 模式,可灵活应对复杂多变地质环境。
为满足在压注混凝土工法下的TBM 高效掘进需求,开发了钢模板装置、钢模板拼装倒运系统,通过前方拼装机进行钢模板拼装,后方拆除机进行脱模,形成了钢模板拼装、脱模、倒运的成套流程,见图 8。
图 7 压注式混凝土支护图
图 8 压注式混凝土施工工艺流程图
4. 3 活动性断层结构抗震设计
4. 3. 1 博—阿活动断裂错动量
天山胜利隧道穿越博罗科努—阿奇克库都克断裂(简称博—阿断裂) ,该断裂为区域性全新世活动断裂,东西延伸达 1800 km 以上,晚更新世以来的右旋走滑速率为 1. 4 ~ 2. 0 mm / 年。 该断裂具备发生 7级地震的构造条件,最大潜在地震震级 7. 5 级。 断层影响带内地层主要为炭质板岩、石英片岩及花岗闪长岩。
设防错动量及设防范围设计流程如图 9 所示。活动性断裂错动量及设防范围按照图 9 流程确定,应用概率方法计算得到天山胜利隧道与博—阿断层交叉处不同超越概率下的基岩位错量,如表 2 所示。天山胜利隧道抗断设计按照断层发生 100 年超越概率 10% 断层错动考虑 ( 走滑水平位错量为0. 481 m) ,衬砌结构满足“ 控制应力” 的性能要求,设防范围为断层破碎带宽度(勘察确定)及断层两侧各 60 m 影响带宽度。
图 9 设防错动量及设防范围设计流程
天山胜利隧道穿越博—阿断裂带段衬砌采用隔离消能和柔性接头设计,在隧道结构初期支护与二次衬砌之间设置减震层,用减震层吸收地震传递的能量,减小地震作用对隧道结构的影响,活动性断层抗震设计方案见图 10。 减震层厚 70 cm,由减震管组装而成,减震管管体为 PE 材料,管内灌注泡沫混凝土,减震管实体及减震层安装图分别见图 11 和图 12。 隧道衬砌节段之间采用柔性连接,以减小轴向约束,使得断层错动时衬砌结构主要影响区域控制在较小范围内,而不致整体破坏。 经理论分析确定衬砌节段长 8 m,柔性连接宽度 15 cm。 同时每 4 节衬砌节段设 1 道减震缝,缝宽 1. 0 m,进一步降低断层错动对衬砌结构的影响,接缝内设 W 形止水带,止水带宽度为 1. 5 m,防止节段移动后防水失效。
图 10 活动性断层抗震设计方案
图 11 减震管实体图
图 12 减震层安装图
4. 4 洞内消防水池设计
高寒高海拔地区采用恒高压供水系统时需在洞外设置高位水池,隧道外消防设施必须埋设在冰冻线以下。 天山胜利隧道若采用恒高压供水系统,高位水池高程为 3020 m,冰冻线深 2. 5 m,施工和运营维护困难,且水源无法保障。基于以上因素,天山胜利隧道采用洞内“高位水池”的设计方案,对隧道消防系统进行分区分管网供水,高位水池设在 1#、2#、3#竖井地下风机房附近,高于主隧道不小于 50 m,如图 13 所示。 1#、2#高位水池分别供应 1 个分区,3#高位水池供应 2 个分区的消防用水,即将 22. 1 km 的隧道化为 4 座“短隧道” ,通过重力流稳高压供水,彻底解决高寒地区隧道消防管道冻结问题。 消防水源取自隧道内围岩渗水,利用服务隧道排水沟内集水井收集,并在联络通道内设置蓄水池,蓄水池中设置潜水加压泵将水源抽至高位水池。
图 13 洞内高位水池示意图
4. 5 绿色环保设计
4. 5. 1 水资源保护
天山胜利隧道地下水采用清污水分离设计方案,如图 14 所示。 隧道运营期,清水由两主洞汇入服务隧道后排入地表水系,污水从两主洞通过地下管道进入污水处理厂。 施工期间,以二次衬砌为分界点,将未施作二次衬砌段落裂隙水和施工废水视为污水,污水需进入污水处理厂进行净化处理。 污水处理厂(见图15) 设 在洞 口, 长 62. 4 m, 宽 21. 6 m, 占 地1347. 84 m2。 污水处理中心设置沉淀池+MBR 一体式过滤设施+储水池,每天最多可处理 12500 m3污水,达到Ⅱ类水标准,可实时监测水质。 施工过程中产生的污水在净化后可进行二次循环施工利用,主要用于降尘、养生、钻掘等生产用水。
图 14 天山胜利隧道清污水分离方案
图 15 天山胜利隧道污水处理厂
4. 5. 2 冰川保护
天山胜利隧道进口距离天山一号冰川约 10 km。根据环境影响报告,运营期隧道对冰川影响甚微,可不考虑采取工程措施,施工期采用雾炮、喷淋、空气净化器等措施处理隧道烟尘。 1#竖井排风口距离冰川 5 km,排风口处预留静电除尘装置的安装位置;远期随着交通量的增长,可根据竖井口空气质量监测情况,增设静电除尘装置,减少排出气体对冰川的影响。
4. 5. 3 防寒保温
寒区隧道冻害主要由反复冻融引起,传统铺设保温层设计属于被动保温,虽然可以在一定程度上延缓围岩与防排水系统冻融循环的起始时间,但无法避免最终仍会发生冻结的结果。 天山胜利隧道埋深极大(最大埋深达 1120 m),隧道横通道内围岩钻孔深度5 m 处测量温度为 15 ~ 20 ℃ ,且基本恒定。 地温能资源丰富,在横通道内路面以下钻孔建立热源,以地温作为热源供应,钻孔深度为 80 m,横通道二次衬砌背后布设换热管路,环向间距为 0. 5 m,整环布设。 上、下行隧道衬砌需加热段落布设供热管路,管路设置在二次衬砌与保温层之间,管路内流体介质通过热泵驱动实现在取热-供热系统内循环,从围岩中吸收热量,经地源热泵提升后,对隧道衬砌及保温水沟进行加热。天山胜利隧道主动保温设计如图 16 所示。 同时,建立地源热泵温度自动化调节系统,实现防冻保温层与主动加热技术的有效结合,进而解决寒区隧道的冻害问题。
图 16 天山胜利隧道主动保温设计图
5 高寒高海拔超长公路隧道安全运维关键技术
5. 1 防灾救援设计
5. 1. 1 总体救援方案
根据隧道的总体设计方案,服务隧道内设 5 处综合救援站: 2 处设置于隧道两端的预备洞室内,各停靠有 2 辆消防救援车、2 辆消防摩托及 1 辆应急疏散车; 另外 3 处设置于 PK80 + 361、PK86 + 670、PK93 +114 处,各停靠有 2 辆消防摩托。 每处救援站均具备休息办公、监控报警、储藏应急物资、单独存放应急车辆等功能,并配置电源、通风换气、空调、网络和卫生间等设施。 综合利用隧道智能监控技术和应急电话系统,实现秒级报警,即时响应,5 min 应急值班室人员到达事故现场。 在最不利位置(隧道中部) 发生火灾情况下,隧道两端救援中心的大型消防救援车辆可在10 min 内到达现场。
5. 1. 2 智慧防灾设计
针对天山胜利隧道的特点,在隧道火灾预警系统中引入多传感器数据融合技术,特别是针对隧道光纤温度数据、CO 及红外线信号和 CCTV 采集图像数据进行融合预警,以形成完善的自动火灾预警系统。 同时,利用分散性结构对现场各特征参数信息进行融合,并运用遗传 BP 神经网络、模糊逻辑控制相结合的算法,分层融合各传感器收集的火灾特征参数信息,确保系统所提供决策的合理性和准确性,实现灾害快速发现。
隧道控制中心内部署突发灾害动态疏散救援预案系统,在灾害发生时,可实时分析灾害现场状态与最优应急策略,依据隧道防灾分区、人员分布与灾害态势,在尽可能短的时间内结合隧道设备给出动态响应措施供隧道应急救援人员参考,实现快速出警。 防灾技术架构如图 17 所示。
图 17 天山胜利隧道智慧防灾技术架构
5. 1. 3 细水雾消防灭火技术
为进一步提升天山胜利隧道灭火响应时间,克服在消防灭火和烟气控制方面面临的火灾早期自动抑制手段缺失、烟气蔓延及沉降控制效果不佳等难题,选取天山胜利隧道 1#、2#和 3#竖井附近的 3 段紧急停车带区域设置一体化细水雾系统。 每段长度约为 150 m,3 处细水雾区段之间均相距约 5 km。 最北处细水雾区段距离隧道北口约 5 km,最南处细水雾区段距离隧道南口约 7 km,灾害发生后大型消防救援车辆到达时间较长。 在这 3 处区域设置一体化的细水雾消防喷淋系统后,为隧道内着火车辆提供紧急停车点,可及时抑制火势,阻烟隔热,避免火灾蔓延。 水雾系统主要包含 2 部分: 1) 屏蔽水幕;2) 隧道拱顶沿程水雾。 水雾消防系统原理如图 18 所示。屏蔽水幕主要起到控制烟气蔓延、隔绝空气进入火场、防止火灾蔓延的作用,为人员的疏散逃生创造良好的条件。 沿程水雾系统是通过在隧道顶棚纵向连续设置水雾喷头,在正常运营及火灾工况下,开启沿程水雾系统可达到消防和抑尘作用。
图 18 水雾消防系统原理图
5. 2 隧道健康运维技术
鉴于天山胜利隧道运维特点,提出基于监测大数据的隧道结构行为预测方法,构建天山胜利隧道结构健康监测数据知识图谱,开发集隧道监测、设备运行状态、重点区域监控、警告事件、历史记录、日常检查、定期检查、设备资源、设备监测信息、数据库管理、安全诊断、数据操作、数据采集、预案库等多功能一体化超长隧道结构运营安全预警与防控平台,大幅度提高监测区域的有效覆盖面和养护决策的科学性,节约隧道养护和管理成本,显著提升天山胜利隧道运行期服役性能评价水平和公共安全服务的效率,隧道健康监测架构见图 19。
5. 3 隧道光环境品质提升技术
为改善天山胜利隧道行车环境,借助适当的色彩、图案、灯光等装饰设计提升天山胜利隧道整体行车环境的舒适性和韵律感,减少司乘人员在特长公路隧道行驶过程中的视觉疲劳和心理压力,提高驾驶员对空间和速度的感知能力,增强运营安全,对天山胜利隧道洞内环境进行景观设计。 总体设计思路以“新疆-天山” 为根基,借助色彩、图案表达“ 一体容纳多元,多元聚为一体”的新疆美景。 设计内容包括重点设计和一般设计,重点设计包含核心景观段,一般设计包含辅助景观段和基本段。 总体设计方案如图 20 所示。
图 19 天山胜利隧道健康监测架构
图 20 天山胜利隧道洞内景观设计方案(单位: m)
核心景观段借助彩绘喷涂的形式,在隧道侧壁呈现天山独特的自然风景,借助照明调节洞内光线,打造较逼真的自然景观效果,整体营造出一种宽敞明亮、自然真实的“洞外”路域风景和行车体验。 基本段以新疆色彩为设计主题,通过色彩的变换来改变行车视觉环境。 在基本段的中间设置辅助景观段,辅助景观段借助简单的照明灯具营造氛围感,适度改变洞内视觉环境,打破单调、昏暗的隧道内部环境。
6 结论与讨论
天山胜利隧道可以为超 20 km 山岭高速公路隧道的建设起到示范作用,系列关键技术已在建设中应用,将在运营中继续检验,对进一步提高特长隧道建设运营水平起到积极作用。
6. 1 结论
1)在高寒高海拔特长隧道地质勘察工作中,综合运用无人机 Lidar 扫描测量技术、高精度遥感技术、超长距离水平定向钻勘察技术,高效指导隧道地质选线和隧道围岩参数确定,并运用超长距离水平定向钻勘察技术超前探测地质情况,降低了施工风险。
2)综合比选推荐天山胜利隧道采用双主洞高度机械化钻爆法+TBM 服务隧道方案,有效降低隧道的施工工期风险和运营安全风险。
3)在环境敏感区,隧道施工运营中采用清污水分离、建设污水处理厂、布置竖井静电除尘装置等措施减少对自然环境的影响。
4)隧道防灾救援是保证隧道运营安全的关键,天山胜利隧道按照“秒级报警,即时响应,5 min 到达事故现场”的原则,在服务隧道内设 5 座综合救援站,并建立完善的救援疏散系统。
5)隧道景观设计分为重点设计和一般设计,重点设计包含核心景观段,以营造洞外自然环境为目标,将超长隧道分为多个长隧道;一般设计包含辅助景观段和基本段,辅助景观段进一步发挥景观唤醒功能,借助简单的照明灯具营造氛围感,缓解因超长公路隧道长时间驾驶造成的视觉疲劳和紧张情绪,提高隧道运营品质。
6)活动性断裂采用减震技术,通过减震层吸收地震传递的能量,减小地震作用对隧道结构的影响,应用效果在隧道运营中持续监测反馈。
7)在高寒地区,隧道内高位水池设计方案可解决特长隧道高位水池冻结和水源问题。 隧道主动保温设计方案尚在试验研究阶段,需在后续建设运营中继续研究,以进一步优化调整。
6. 2 讨论
1)长大深埋隧道地质勘察技术亟需推广超长距离水平钻勘察技术,大力发展大功率地面电磁测量仪、无缆地震仪和高空无人机航磁探测系统等核心装备,改变目前单纯依赖钻探取芯的地质勘探方法。
2)超长公路隧道设计亟需多维度、多专业协同创新,工程设计的发展与网络通讯、信息处理、传感器、遥感、BIM 等多行业的发展密不可分,需通过协同创新、共同打造超长隧道智慧化工地,实现隧道设计智造技术新突破。