高海拔特長公路隧道關(guān)鍵問題及對(duì)策淺析

丁 浩，陳建忠，方 林，曹 鵬

(1.公路隧道建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400067； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

高海拔特長公路隧道關(guān)鍵問題及對(duì)策淺析

丁 浩1，陳建忠1，方 林2，曹 鵬2

(1.公路隧道建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400067； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

高海拔特長公路隧道同時(shí)兼具“高海拔”“特長”“公路隧道”的工程特性。相對(duì)于普通公路隧道和已建典型高海拔公路隧道，它既有相似性，也有特殊性。結(jié)合已建和在建典型高海拔隧道的實(shí)際條件，以高海拔特長公路隧道為研究對(duì)象，分析其地形復(fù)雜、地質(zhì)復(fù)雜、氣候惡劣、環(huán)境脆弱和風(fēng)險(xiǎn)加劇等特殊建設(shè)條件，探討其在勘察、選址與選線、施工和運(yùn)營等不同階段可能存在的關(guān)鍵問題，并提出綜合勘察技術(shù)、防凍保溫技術(shù)、生態(tài)保護(hù)技術(shù)、施工保障技術(shù)和運(yùn)營通風(fēng)與防災(zāi)逃生技術(shù)等有待進(jìn)一步提升的技術(shù)，及其發(fā)展方向與建議。

高海拔；公路隧道；特長隧道；建設(shè)；運(yùn)營

隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，我國西南地區(qū)和西北地區(qū)的公路建設(shè)正如火如荼，特別是川藏、青藏和新疆天山等地區(qū)，諸多超大、超長公路隧道的建設(shè)逐漸增多。但與其他地區(qū)公路隧道相比，上述地區(qū)的公路隧道往往具有典型高海拔寒區(qū)公路隧道特征。隨著青藏線、川藏線和天山公路等工程的實(shí)施，我國已先后建成和正在建設(shè)一些高海拔公路或鐵路隧道，并取得了一些研究與實(shí)踐成果。例如，在高原地區(qū)，從多年凍土的路基地質(zhì)和超高海拔超長鐵路隧道等角度提出了基本選線原則[1-3]，特別是圍繞凍土形成了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)[4-5]；從隧道保溫型式、隧道施工措施和隧道防排水結(jié)構(gòu)等方面形成了隧道凍土防治的有益認(rèn)識(shí)[6-10]；對(duì)低溫缺氧施工和通風(fēng)防災(zāi)等也有一定涉獵[11-16]。總體上，研究重點(diǎn)在凍土防治和低溫缺氧施工等方面，研究對(duì)象主要是路基和鐵路隧道，關(guān)注階段則側(cè)重于勘察、設(shè)計(jì)和施工等前期建設(shè)。

然而，隨著高海拔寒區(qū)公路隧道建設(shè)的不斷推進(jìn)，隧址區(qū)條件越來越復(fù)雜，隧道海拔越來越高，隧道長度越來越長，隧道運(yùn)營難度越來越大，隧道的建設(shè)與運(yùn)營相繼出現(xiàn)了一些越來越復(fù)雜的、越來越新的技術(shù)問題。例如，高海拔特長公路隧道就同時(shí)兼具“高海拔”“特長”“公路隧道”的工程特性，其關(guān)鍵問題與普通公路隧道及部分已建高海拔公路隧道相比，既有相似性，也有特殊性。為此，對(duì)于高海拔特長公路隧道而言，一方面，原有的經(jīng)驗(yàn)和成果可能并不能完全指導(dǎo)解決其問題；另一方面，隨著科技的發(fā)展，也應(yīng)引入一些新近出現(xiàn)的技術(shù)或產(chǎn)品。因此，本文擬結(jié)合既有成果，以高海拔特長公路隧道為對(duì)象，針對(duì)其特殊建設(shè)條件，分析其關(guān)鍵問題，繼而提出擬進(jìn)一步提升的技術(shù)對(duì)策方向和建議，為今后類似工程提供借鑒。

1 高海拔特長公路隧道特殊建設(shè)條件

1.1 高海拔的定義

關(guān)于高海拔的定義，目前尚無統(tǒng)一規(guī)定。國外研究[17]發(fā)現(xiàn)，海拔升高往往會(huì)伴隨氧氣濃度降低、氣溫降低、氣壓降低、空氣干燥，人類自身為適應(yīng)環(huán)境將會(huì)發(fā)生一系列生理轉(zhuǎn)變；并據(jù)此認(rèn)為海拔高度超過2 400 m時(shí)會(huì)對(duì)人類有影響，5 500 m以上人類生存極困難，8 000 m以上為死亡高度。國內(nèi)則基于不同的領(lǐng)域提出了不同的高海拔定義，有人[18]提出3 000 m以上為高海拔地區(qū)，有人[19]則認(rèn)為1 500 m以上即為高海拔、3 500 m以上為超高海拔?？傮w上，由于分類依據(jù)不一致，立足點(diǎn)不同，高海拔分界定義值難免相異。通常，當(dāng)隧道洞口海拔超過4 000 m，大氣壓(Pa)和含氧量(g/m3)均下降到海拔0 m時(shí)的60%左右時(shí)，人類一般會(huì)產(chǎn)生高原反應(yīng)。此外，根據(jù)我國目前的隧道工程實(shí)踐，海拔超過4 000 m時(shí)會(huì)制訂更詳細(xì)的高原工程對(duì)策。鑒于此，本文提出不妨將4 000 m作為高海拔隧道的分界值。

當(dāng)然，即便在同一海拔高度，由于經(jīng)緯度的差異等現(xiàn)實(shí)條件不同，高海拔對(duì)人類活動(dòng)與工程的影響也不盡相同。因此，對(duì)于高海拔公路隧道提出嚴(yán)格定量的高海拔分界值并非必須，而是應(yīng)更多地開展現(xiàn)場(chǎng)條件實(shí)測(cè)，并據(jù)實(shí)分析和評(píng)價(jià)海拔高度對(duì)公路隧道建設(shè)和運(yùn)營的影響，進(jìn)而提出有效的應(yīng)對(duì)措施。

1.2 已建工程案例

迄今為止，我國已建成或正在建設(shè)的一些典型高海拔隧道中，海拔最高的公路隧道為在建的西藏米拉山公路隧道，洞口海拔4 700 m，長5 727 m；海拔最高的鐵路隧道為青海風(fēng)火山鐵路隧道，洞口海拔4 905 m，長1 338 m。我國典型高海拔隧道見表1。

表1 我國典型高海拔隧道一覽 m

1.3 建設(shè)條件分析

綜合上述典型隧道的建設(shè)條件，其工程特點(diǎn)表現(xiàn)為以下方面：

1) 地形復(fù)雜：上述隧址區(qū)主要集中在青海和西藏地區(qū)，地形多表現(xiàn)為高山陡峻，峽谷深切，局部地貌還發(fā)育有現(xiàn)代冰川。

2) 地質(zhì)復(fù)雜：隧道建設(shè)過程中，除普通隧道遇到的斷層破碎帶、軟弱圍巖和富水地層等不良地質(zhì)外，上述隧道還常常會(huì)遇到多年凍土、地震活動(dòng)斷裂帶和高地震區(qū)等特殊地質(zhì)。

3) 氣候惡劣：由于海拔升高，隧址區(qū)氧氣濃度降低、氣溫降低、氣壓降低、紫外線強(qiáng)等，形成了惡劣的氣候條件。

4) 環(huán)境脆弱：高海拔隧址區(qū)多處于長期“無人區(qū)”的狀況，受人類或工程活動(dòng)的影響較少，且其生態(tài)環(huán)境往往十分脆弱，地表常年覆蓋積雪和冰川，植被覆蓋率低，植物成活率低。因此，一旦生態(tài)環(huán)境遭到大規(guī)模擾動(dòng)和破壞，恢復(fù)難度不言而喻。

對(duì)于高海拔特長隧道，由于其工程規(guī)模的增加，其建設(shè)面臨上述復(fù)雜條件和風(fēng)險(xiǎn)的幾率更大，其風(fēng)險(xiǎn)事件的嚴(yán)重程度更甚，從而形成更為突出的蝴蝶效應(yīng)。

因此，高海拔特長公路隧道建設(shè)條件的特點(diǎn)可歸納為：地形復(fù)雜、地質(zhì)復(fù)雜、氣候惡劣、環(huán)境脆弱和風(fēng)險(xiǎn)加劇。

2 關(guān)鍵問題

基于上述對(duì)高海拔特長公路隧道建設(shè)條件的特點(diǎn)分析，可以預(yù)見，與常規(guī)公路隧道相比，高海拔隧道建設(shè)和運(yùn)營階段可能主要存在如下幾類關(guān)鍵問題。

2.1 勘察階段

由于高海拔特長隧道受隧址區(qū)高山陡峻、積雪冰川等地形地質(zhì)條件的限制，且受人跡罕至、氣候惡劣等環(huán)境制約，采用常規(guī)物探方法對(duì)隧址范圍內(nèi)的圍巖、地下水等地質(zhì)情況進(jìn)行探明較為困難，且采用常規(guī)鉆探方法進(jìn)行豎向探孔探測(cè)更為困難。另外，即使常規(guī)勘察方法可行，便道修建、特殊機(jī)械設(shè)備選型和勘察工作組織等也需進(jìn)行深入謀劃，否則有可能造成人員傷亡。因此，對(duì)于高海拔特長隧道的勘察而言，需從技術(shù)方法層面和工作組織層面進(jìn)行整體深入考慮。

2.2 選址與選線階段

對(duì)于高海拔特長隧道的選址和選線，施工階段可能會(huì)面臨突出的特殊不良地質(zhì)處治問題。如隧道開挖可能會(huì)遇到多年凍土和季節(jié)性非多年凍土，地下水發(fā)育地層和厚層地下冰地段，以及活動(dòng)斷裂帶和高地震區(qū)等特殊地質(zhì)地段，洞口也可能存在熱融滑塌、冰椎、冰丘和厚層地下冰等特殊地質(zhì)現(xiàn)象。而這些特殊不良地質(zhì)的處治難度較大，一旦處治措施不當(dāng)，或者即使措施合理但處治效果不佳，均意味著隧道選址和選線的失誤。因此，應(yīng)根據(jù)各類特殊不良地質(zhì)對(duì)公路隧道工程性質(zhì)的不同影響，確定合理的隧址和線位。

此外，隧道的選址和選線還與隧道后期運(yùn)營安全有很大關(guān)系。因?yàn)閷?duì)于高海拔特長公路隧道，除了常規(guī)需要考慮的運(yùn)營安全因素外，其運(yùn)營階段可能會(huì)出現(xiàn)洞口過渡段路面結(jié)冰、洞口自然光強(qiáng)炫光等問題，故應(yīng)綜合確定隧道的合理線位標(biāo)高與洞口朝向等；還應(yīng)考慮高海拔地區(qū)汽車駕駛員因心理負(fù)荷增大、血氧含量減少而導(dǎo)致的大腦反應(yīng)時(shí)間延長等問題，合理選用隧道平縱線形技術(shù)指標(biāo)。

2.3 施工階段

高海拔特長隧道隧址區(qū)惡劣的氣候條件會(huì)導(dǎo)致形成低溫缺氧的特殊施工環(huán)境，且晝夜溫差大、寒長暑短等也會(huì)造成隧道施工人員活動(dòng)能力受限、活動(dòng)水平降低，施工機(jī)械和設(shè)備的效率降低，混凝土等材料的施工性能下降等，最終導(dǎo)致施工效率下降。此外，凍脹和融沉可能會(huì)是隧道穿越凍土地層最突出的施工問題。

對(duì)于特長公路隧道，由于條件限制和工期壓力等原因，可能存在3、4 km以上超長距離的獨(dú)頭施工，且隧道長度超過5、6 km時(shí)，可能還存在運(yùn)營通風(fēng)甚至施工通風(fēng)的斜、豎井施工。此時(shí)，如何在高海拔隧址區(qū)合理安排和組織超長距離、多洞室工區(qū)的施工，也是極大考驗(yàn)。只有采取科學(xué)的施工供氧設(shè)備與技術(shù)，選擇適應(yīng)環(huán)境的施工設(shè)備和材料，制定合理的施工組織方案，才能有效解決施工問題。

2.4 運(yùn)營階段

高海拔特長公路隧道的運(yùn)營安全問題，特別是運(yùn)營通風(fēng)和逃生救援問題，目前是我國面臨的一個(gè)新課題。

海拔高度系數(shù)是隧道需風(fēng)量的重要計(jì)算依據(jù)之一，而我國現(xiàn)行規(guī)范僅給出了0～2 400 m海拔高度范圍內(nèi)的海拔高度修正系數(shù)，且當(dāng)海拔高度大于2 400 m時(shí)，認(rèn)為該系數(shù)可按直線延伸取值。但事實(shí)上，該修正系數(shù)系沿用的日本相關(guān)規(guī)范推薦值，且根據(jù)鷓鴣山隧道和雀兒山隧道等高海拔隧道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該系數(shù)按照線性延伸取值與實(shí)測(cè)結(jié)果存在較大差距。因此，確定高海拔特長公路隧道的海拔高度系數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)既有成果和實(shí)際測(cè)試進(jìn)行修正。

此外，受大埋深、地形地貌復(fù)雜、氣候分區(qū)明顯等隧址條件限制，高海拔隧道通風(fēng)斜、豎井的設(shè)置規(guī)模極大，且井口地表可能常年積雪，開挖斜、豎井可能會(huì)導(dǎo)致水資源流失和生態(tài)破環(huán)。因此，應(yīng)積極思考采用新型的通風(fēng)方式，設(shè)置合理的斜、豎井井位，盡可能減少通風(fēng)系統(tǒng)的工程規(guī)模和運(yùn)營規(guī)模。

如前所述，高海拔地區(qū)氧氣稀薄、氣溫低，車輛的動(dòng)力性能下降，駕乘人員血氧含量減少，其大腦反應(yīng)時(shí)間增長、行動(dòng)緩慢，緊急情況下人、車的活動(dòng)能力可能都受到極大限制。同時(shí)，由于高海拔隧址區(qū)空氣浮力小、氣壓低，隧道內(nèi)火災(zāi)溫度場(chǎng)分布和擴(kuò)散規(guī)律、煙霧場(chǎng)分布和擴(kuò)散規(guī)律將不同于常規(guī)隧道，因此高海拔特長公路隧道的逃生和救援均面臨極大挑戰(zhàn)。

3 有待提升的技術(shù)對(duì)策

針對(duì)上述問題，通過長期研究與不斷工程實(shí)踐，初步形成了一些技術(shù)對(duì)策。但針對(duì)高海拔特長公路隧道的特殊建設(shè)條件與關(guān)鍵問題進(jìn)行的深入分析表明，以下技術(shù)對(duì)策仍有待于進(jìn)一步提升。

3.1 復(fù)雜環(huán)境下高海拔隧道綜合勘察技術(shù)

應(yīng)重點(diǎn)圍繞創(chuàng)新性勘察手段的采用、特殊巖土體隧道工程的特性、隧道工程勘察與施工相結(jié)合等方面進(jìn)一步開展研究。

3.2 全壽命期隧道防凍保溫技術(shù)

應(yīng)基于隧道全壽命期的高度，重點(diǎn)圍繞凍土地段防凍保溫的材料技術(shù)與結(jié)構(gòu)型式等進(jìn)一步開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與驗(yàn)證性研究。

3.3 高海拔隧址區(qū)脆弱生態(tài)保護(hù)技術(shù)

應(yīng)根據(jù)隧址區(qū)的生態(tài)環(huán)境條件，在前期調(diào)查、跟蹤控制、補(bǔ)償修復(fù)和后期評(píng)價(jià)等階段，針對(duì)隧道的選址選線、施工開挖和后期運(yùn)營等環(huán)節(jié)的生態(tài)保護(hù)技術(shù)進(jìn)一步開展研究。

3.4 高寒缺氧下隧道施工保障技術(shù)

應(yīng)重點(diǎn)圍繞設(shè)備選型、材料和工藝優(yōu)化及施工組織等開展系統(tǒng)、深入的研究。

3.5 高海拔條件下運(yùn)營通風(fēng)與防災(zāi)逃生技術(shù)

應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)高海拔隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)理論、逃生救援設(shè)施設(shè)置及運(yùn)營高危風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與主動(dòng)防控等開展創(chuàng)新性研究。

4 結(jié)束語

1) 無明確定義時(shí)，不妨將4 000 m海拔高度作為高海拔隧道的分界值，并參考類似工程制定對(duì)策。但有條件時(shí)，應(yīng)開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析和評(píng)價(jià)海拔高度對(duì)公路隧道建設(shè)和運(yùn)營的影響。

2) 對(duì)于高海拔特長公路隧道而言，在勘察階段，往往會(huì)面臨環(huán)境條件的限制，勘察工作組織十分困難；在選址與選線階段，對(duì)于特殊不良地質(zhì)和隧道后期運(yùn)營安全均存在線位和技術(shù)指標(biāo)的合理確定問題；在施工階段，施工效率則是其首要問題；在運(yùn)營階段，其運(yùn)營通風(fēng)和逃生救援是一個(gè)新課題。

3) 對(duì)于高海拔特長公路隧道的建設(shè)和運(yùn)營而言，應(yīng)將復(fù)雜環(huán)境高海拔隧道綜合勘察技術(shù)、全壽命期隧道防凍保溫技術(shù)、高海拔隧址區(qū)脆弱生態(tài)保護(hù)技術(shù)、高寒缺氧下隧道施工保障技術(shù)以及高海拔條件下運(yùn)營通風(fēng)與防災(zāi)逃生技術(shù)等作為未來主要技術(shù)研究方向。

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Key Problems and Countermeasures of High-Altitude and Super-long Expressway Tunnels

DING Hao1,CHEN Jianzhong1,FANG Lin2,CAO Peng2

The high-altitude and super-long expressway tunnel has the characteristics of "high altitude","super-long" and "expressway tunnel". It has similarity and specificity compared with ordinary expressway tunnels and existing typical high-altitude expressway tunnels. In combined with actual conditions of typical high-altitude tunnels existing or under construction,the authors take the high-altitude and super-long expressway tunnels as the research object,to analyze the special construction conditions such as complex terrain,complex geological environment,bad weather,fragile environment and increasing risk,etc. Key problems that may occurs at different stages like geological survey,site selecting,routing,construction and operation are discussed,and proposed integrated survey technology,antifreeze insulation technology,ecological protection technology,construction technology and operational support ventilation and disaster prevention and escape techniques to be further enhanced,and its development direction and suggestion.

high-altitude; road tunnel; super-long tunnel; construction; operation

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.020

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0802201)；重慶基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(cstc2015jcyjBX0118)；西藏重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2016XZ01G31)

2016-08-26

丁 浩(1978-)，男，湖北省洪湖市人，博士，研究員。

1009-6477(2016)06-0089-04

U459.2

A