巴朗山隧道隧址與軸線方案研究

韋遠(yuǎn)飛 林國(guó)進(jìn)

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610041)

巴朗山位于四川省阿壩州南部小金、汶川、寶興三縣交界處，山體呈南北走向展布，主峰海拔5 040 m，藏語(yǔ)稱巴朗拉，意為圣柳山，地勢(shì)高，坡度陡，山巒疊嶂，氣勢(shì)雄偉，是四姑娘山風(fēng)景區(qū)“一坪、二山、三溝”中的二山之一，有“熊貓王國(guó)之巔”的美譽(yù)。巴朗山為大渡河水系和岷江水系的分水嶺，兩岸溪溝呈樹(shù)枝狀發(fā)育，蜿蜒其間的公路——省道303線是阿壩州東行最險(xiǎn)一條路。省道303線巴朗山路段為九環(huán)線映秀至日隆旅游公路的瓶頸路段，是四川九寨黃龍、大草原、臥龍中華大熊貓生態(tài)旅游區(qū)、四姑娘山構(gòu)成的“黃金旅游環(huán)線”的重要路段。原有道路翻山里程達(dá)60余千米，埡口標(biāo)高4 523 m，由于道路等級(jí)低、海拔高、地勢(shì)陡峭，滑坡、雪災(zāi)、冰凍、降霧、水毀等自然災(zāi)害嚴(yán)重，致使該路段交通條件極差。巴朗山隧道建成后，成都出發(fā)自駕游四姑娘山僅需要3個(gè)多小時(shí)。本文通過(guò)對(duì)巴朗山隧道兩個(gè)走廊、11個(gè)軸線方案的論證比選，探討了地形、地質(zhì)、氣象、環(huán)保及改善原路程度等因素對(duì)高海拔超特長(zhǎng)越嶺隧道選址的影響。本項(xiàng)目的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h。

1 方案簡(jiǎn)介

根據(jù)巴朗山區(qū)域(1/50 000)地形圖紙上定線結(jié)果，提出了兩個(gè)隧道越嶺走廊共11個(gè)隧道軸線方案，即老公路走廊和大魏家溝新建走廊，其中老公路走廊(Ⅰ走廊)共7個(gè)方案、大魏家溝新建走廊(Ⅱ走廊)共4個(gè)方案。

Ⅰ走廊各路線方案見(jiàn)表1，圖1。

巴朗山隧道Ⅱ走廊為大魏家溝走廊，路線起點(diǎn)位于巴朗山南坡S303線K84+000下貝母坪，海拔高程為3 043 m，逆大魏家溝右岸而上，至海拔高程3400 m～3 800 m設(shè)置隧道，出口位于巴朗山北坡九倒拐至高店子附近(海拔高程3 500 m～3 800 m)，按海拔高程研究了4個(gè)隧道軸線方案。Ⅱ走廊各路線方案見(jiàn)表2及圖2。

表1 Ⅰ走廊巴朗山隧道方案

圖1 Ⅰ走廊巴郎山隧道方案

表2 Ⅱ走廊巴朗山隧道方案

圖2 Ⅱ走廊巴郎山隧道方案

2 方案論證與比選

2.1 走廊的選定

2.1.1 地形、地質(zhì)選線

隧道工程線位的確定與地形、地質(zhì)情況密不可分，所選線位應(yīng)盡量避開(kāi)或者以合理的方式、最短的距離通過(guò)不良地質(zhì)帶。

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)以褶皺為主，屬小金弧形構(gòu)造的東半部分，均由一系列彼此協(xié)調(diào)緊密排列，弧形朝南的線狀褶皺組成近東西或北西向展布的構(gòu)造帶，斷裂構(gòu)造少，規(guī)模小。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育下列褶皺:新格背斜、夾金山倒轉(zhuǎn)向斜、美興鎮(zhèn)倒轉(zhuǎn)背斜、唐家山倒轉(zhuǎn)向斜。圍巖為砂巖、板巖不等厚互層，軟硬相間，褶曲及節(jié)理裂隙發(fā)育。

Ⅰ走廊除E方案外引道均較短，基本沿原路走向，位于高原草甸區(qū)，地形相對(duì)較好，路基段不良地質(zhì)不發(fā)育;Ⅱ走廊連接線引道工程長(zhǎng)約11 km，其中以大魏家溝段為主，屬深切割高山峽谷地貌，邊坡陡，遍布懸崖絕壁，地形條件差，同時(shí)，因發(fā)育5條大的褶皺，道路的修建將易引發(fā)崩塌、滑坡等不良地質(zhì)。

另外，Ⅰ走廊隧道軸線與褶皺軸大角度相交，Ⅱ走廊隧道軸線與褶皺軸小角度斜交，這樣一來(lái)，無(wú)論從微觀的開(kāi)挖掌子面的穩(wěn)定性，還是從宏觀的褶皺核部影響帶的長(zhǎng)度來(lái)看，Ⅰ走廊都是最優(yōu)的走向方案。故Ⅱ走廊總體地形、地質(zhì)條件差。

巴郎山隧道地質(zhì)平面圖見(jiàn)圖3。

圖3 巴郎山隧道地質(zhì)平面圖

2.1.2 氣象選線

隧址區(qū)位于川西高原東部，屬高原型季風(fēng)氣候，為了摸清該區(qū)域不同海拔高程的氣象條件及其對(duì)隧道工程的影響，我們采用固定氣象站結(jié)合流動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)的方法，開(kāi)展了一個(gè)年度的氣象觀測(cè)工作。結(jié)果顯示，在3 200 m～4 200 m高度范圍內(nèi)，各氣象要素沒(méi)有質(zhì)的區(qū)別，只有量的差異，故氣象條件只是本項(xiàng)目隧道軸線方案的參考因素。不過(guò)，根據(jù)現(xiàn)有道路冬天的運(yùn)營(yíng)情況發(fā)現(xiàn)，同等海拔高度，陰山段冰雪害明顯比陽(yáng)山段嚴(yán)重，路線應(yīng)盡量避免從陰山段經(jīng)過(guò)。

由于海拔差異不大，所以各氣象要素值相似;而Ⅰ走廊方案南坡多位陽(yáng)山段，Ⅱ走廊南坡段線路長(zhǎng)，且多位于陰山段，冬季冰雪害較為突出，故Ⅰ走廊氣象條件較優(yōu)。

2.1.3 環(huán)保選線

本項(xiàng)目位于世界自然遺產(chǎn)地——臥龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，國(guó)家保護(hù)的珍稀動(dòng)植物資源豐富。同時(shí)，由于沿線地形、地質(zhì)條件差，海拔高，自然環(huán)境相當(dāng)脆弱，一旦破壞，恢復(fù)的難度極大，所以，隧道的選線應(yīng)遵循對(duì)自然環(huán)境破環(huán)最小的原則，盡量利用原路作為隧道的引道，選擇地形、地質(zhì)條件較好的洞口。

Ⅰ走廊連接線及隧道進(jìn)口位于老路附近，屬于臥龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的緩沖區(qū)，除ⅠE方案外，各方案引道均較短;Ⅱ走廊連接線及隧道進(jìn)口位于大魏家溝右岸，屬于保護(hù)區(qū)的核心區(qū)，引道長(zhǎng)度約11 km，該段線路92%路段穿越原始森林，引道施工和隧道棄碴都將對(duì)核心區(qū)造成極大的破壞，且營(yíng)運(yùn)期間也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)動(dòng)物的生存造成極大影響。故Ⅰ走廊環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)較小，Ⅱ走廊的可實(shí)施性極差。

2.1.4 經(jīng)濟(jì)選線

隧道方案的選擇應(yīng)綜合考慮建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用、建設(shè)效益等因素。隧道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，解決的問(wèn)題相對(duì)越多，但項(xiàng)目所在的S303線交通量有限，地方財(cái)政力量也有限，巨大的工程規(guī)模將會(huì)使建設(shè)、運(yùn)營(yíng)存在巨大的困難;反之，為了減小工程規(guī)模，降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，將隧道選擇在很高的海拔，則項(xiàng)目建設(shè)的社會(huì)效益也會(huì)大打折扣。故隧道方案的選擇應(yīng)將性價(jià)比作為論證的重點(diǎn)。

類似海拔高程的隧道方案，Ⅱ走廊隧道長(zhǎng)度明顯較Ⅰ走廊要短，雖說(shuō)Ⅱ走廊的引道較長(zhǎng)，但是其總體工程規(guī)模仍小于Ⅰ走廊，運(yùn)營(yíng)成本也更低。

2.1.5 走廊選定

綜合以上各方面對(duì)比結(jié)果，雖說(shuō)類似海拔高程條件下，Ⅰ走廊工程規(guī)模略大于Ⅱ走廊，但是其地形、地質(zhì)、氣象、環(huán)保條件均明顯優(yōu)于Ⅱ走廊，故推薦采用Ⅰ走廊。

2.2 洞口高程的選定

巴朗山隧道Ⅰ走廊各隧道方案均呈南東—北西向，地形、地貌基本一致，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件隨隧道的長(zhǎng)度、埋深的不同而有所差異。除ⅠG方案隧道長(zhǎng)2 190 m，其余各隧道方案均為特長(zhǎng)隧道，都要穿越較多的區(qū)域構(gòu)造，地層巖性基本一致。因此本隧道方案比選的重點(diǎn)在于隧道規(guī)模、繞避老路病害發(fā)育及線型不良路段長(zhǎng)度等因素，而所有的這些因素集中在洞口海拔高程的選擇上，因此，選擇一個(gè)合適的洞口海拔高程即為巴朗山隧道比選的重中之重。

2.2.1 洞口高程與隧道長(zhǎng)度的變化關(guān)系

巴朗山隧道Ⅰ走廊方案地形特點(diǎn)是南坡陡峭，北坡相對(duì)平緩(見(jiàn)圖4)，故隧道方案要降低海拔高程，隧道規(guī)模就會(huì)有較大增加。

圖4 Ⅰ走廊巴郎山隧道地形示意圖

Ⅰ走廊7個(gè)隧道方案長(zhǎng)度在2 910 m～13 980 m之間，對(duì)應(yīng)的高程位于4 200 m～3 500 m之間，二者的關(guān)系如圖5所示。

為了得到經(jīng)濟(jì)的隧道高程與長(zhǎng)度的組合方案，定義某一區(qū)間隧道長(zhǎng)度的變化值為ΔL，海拔高度的下降值為ΔH，則ΔH/ΔL為圖5中折線的斜率，其值越大，說(shuō)明降低相同海拔高度導(dǎo)致隧道長(zhǎng)度增加越少。由圖5可知，ΔH/ΔL在海拔3 700 m～3 900 m區(qū)間最大，在海拔3 500 m～3 700 m區(qū)間最小，即在海拔3 700 m～3 900 m區(qū)間，隧道的性價(jià)比最高。

圖5 Ⅰ走廊巴郎山隧道長(zhǎng)度與高程關(guān)系圖

2.2.2 洞口高程與不利氣象影響的關(guān)系

巴朗山隧道位于高海拔地區(qū)，氣候惡劣，氣象要素對(duì)隧道方案具有很大的影響。根據(jù)氣象觀測(cè)報(bào)告，巴朗山隧道進(jìn)口端(南坡)各海拔高程年均氣象要素推算值見(jiàn)表3。

表3 巴朗山各海拔高度層(m)年均氣象要素推算值(南坡)

由表3可見(jiàn)，對(duì)隧道影響最大的凍土、冰雪害、大霧等氣象要素雖然隨海拔高度的增加愈趨于不利，但是變化值并不大，因此氣象要素的影響不是確定隧道海拔高度的控制因素。

2.2.3 洞口高程與原路改善程度的關(guān)系

原路翻越巴朗山路段，上山段長(zhǎng)約37 km，平均縱坡約4.8%，設(shè)有12處回頭曲線，下山段長(zhǎng)約26 km，設(shè)有31處回頭曲線。

ⅠG方案隧道長(zhǎng)2 910 m，雖說(shuō)規(guī)模最小，但是洞口海拔達(dá)4 200 m以上，僅解決了約300 m的翻山高程，相對(duì)于近1 800 m的翻山高差而言意義不大。

剩余6個(gè)隧道方案與原路改善程度(縮短道路里程、繞避冰雪路段及低技術(shù)指標(biāo)路段)關(guān)系詳見(jiàn)表4。

綜合巴朗山氣象資料，既有道路的平縱面狀況、病害路段的分布，以及營(yíng)運(yùn)事故多發(fā)路段的分布等因素，巴朗山南坡海拔標(biāo)高在3 350 m附近、北坡海拔標(biāo)高3 650 m附近是較為理想的隧道標(biāo)高，對(duì)應(yīng)為ⅠD方案，但該方案隧道長(zhǎng)達(dá)13 980 m，隧道埋深達(dá)1 540 m，對(duì)于一個(gè)二級(jí)公路隧道來(lái)說(shuō)，其工程規(guī)模過(guò)于艱巨，營(yíng)運(yùn)費(fèi)用極高，經(jīng)濟(jì)上不可行。

表4 Ⅰ走廊巴朗山隧道方案對(duì)原路改善對(duì)比表

ⅠE方案對(duì)原路改善程度最高，但是無(wú)論引道規(guī)模還是隧道規(guī)模，均比其他方案大，特別是需要新建8 km多引道，可能會(huì)引發(fā)新的地質(zhì)病害，對(duì)保護(hù)區(qū)的環(huán)境破壞也較大，所以該方案不具優(yōu)勢(shì)。

ⅠB與ⅠC方案洞口位置距離不遠(yuǎn)，地質(zhì)情況相當(dāng)，對(duì)原路的改善程度相當(dāng)，但是ⅠC方案隧道較ⅠB方案長(zhǎng)約800 m，經(jīng)濟(jì)性上不如ⅠB方案。

ⅠB與ⅠF方案地質(zhì)情況相當(dāng)，對(duì)原路的改善程度相當(dāng)，雖然ⅠC方案隧道較ⅠB方案短約600 m，但是其引道要長(zhǎng)3.5 km左右，經(jīng)濟(jì)性與ⅠB方案相當(dāng)，但是對(duì)環(huán)境破壞較大，故ⅠB方案更優(yōu)。

ⅠB與ⅠA方案相比，隧道長(zhǎng)約2.2 km，引道短約1 km，從工程規(guī)模而言ⅠA方案占優(yōu)。不過(guò)ⅠB方案洞口海拔比ⅠA方案低約200 m，處于隧道長(zhǎng)度高度組合的最有利區(qū)間，對(duì)原路改善程度具有明顯優(yōu)勢(shì)，且引道短約1 km，很大程度規(guī)避了新發(fā)地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

綜合比較后，推薦ⅠB方案。

3 結(jié)語(yǔ)

1)高海拔隧道所處自然條件一般都比較惡劣，隧道方案的選定除了考慮地質(zhì)情況及工程規(guī)模外，還應(yīng)充分收集當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，為方案的確定提供數(shù)據(jù)支持。

2)高原生態(tài)環(huán)境脆弱，工程建設(shè)對(duì)自然的環(huán)境影響是長(zhǎng)期的，甚至是不可逆的，在高原上修建隧道應(yīng)首先遵循環(huán)保選線的原則，盡量減少引道的規(guī)模，同時(shí)選擇條件優(yōu)越的洞口，最大程度降低對(duì)自然環(huán)境的破壞。

3)高海拔超特長(zhǎng)隧道往往是位于越嶺線上，隧道標(biāo)高的選擇是控制工程規(guī)模的主要因素，應(yīng)制定不同高程與長(zhǎng)度的方案組合，綜合比較地形、地質(zhì)、氣象、環(huán)境與工程效益等條件，確定合理的越嶺方案。

［1］四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.省道303線巴朗山隧道工程預(yù)可行性研究報(bào)告［R］.2008.

［2］阿壩州氣象局.省道303線巴朗山隧道氣象觀測(cè)分析報(bào)告［R］.2011.