隧道方案在小交通量等外級公路設計中的適用性研究

唐 中 強

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

水電工程移民專業公路工程項目主要包括復建水庫淹沒道路和新建集鎮、居民點對外連接道路兩個類型。中華人民共和國發展和改革委員會發布的《水電工程移民專業項目規劃設計規范》(DL/T 5379-2007)(以下簡稱“移民專項規范”)中明確了水電工程建設征地影響公路復建的標準。標準總則第“3.0.2”中第1條規定“對水電工程建設征地影響的鐵路、公路、水運、電力、電信、廣播電視等設施需要恢復的，應根據影響程度，按原規模、原標準(等級)、恢復功能的原則，結合項目所在地的地形、地質條件等，選擇經濟合理的復建方案或處理方案”。根據上述條款規定，淹沒道路為等級公路的，按照中華人民共和國交通運輸部發布的《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)中相關標準進行復建。對于四川省境內的通村、通鄉公路，按照四川省交通運輸廳公路局發布的《關于進一步規范農村公路建設標準和審批程序的通知》(交路農建函〔2011〕251號)中相關標準進行復建。對于淹沒道路為居民生產區連接道路、連接少量分散居住居民的道路或主要通行畜力車等非機動車及小型拖拉機的道路，根據道路功能的不同，按照移民專項規范中擬定的汽車便道或機耕道標準進行復建。

移民專項規范未擬定汽車便道及機耕道標準下隧道工程的技術標準。公路行業隧道建筑限界最小寬度為7.0 m，移民專項規范汽車便道路基設計寬度為4.5 m，隧道設計寬度及工程投資均與汽車便道設計標準不匹配。因此，在目前的汽車便道設計中，道路平面均采用明線設計，在通過高山峽谷地帶時，存在路基挖方邊坡過高、工程投資大、路基開挖后防護施工難度大、易引發次生災害等不利因素。

筆者擬通過對移民專項規范、四川省交通廳針對通村公路的相關規定、公路工程技術標準等相關行業技術標準進行分析，結合道路等級，在滿足各行業現行規范、技術標準的前提下，探討通過適當減小隧道建筑限界寬度以減小公路隧道凈空，從而達到經濟合理、運行安全的目的，為等外級公路設計提供另一種選擇。

1 隧道標準的擬定

《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)中“4.4隧道橫斷面設計”章節規定了隧道建筑限界。根據規定，四級公路隧道建筑限界最小寬度為7.0 m。在同時滿足行業其他標準的情況下，汽車可以20 km/h的行駛速度通過隧道。移民專項規范中的鄉村道路主要通行少量汽車、農用機械、畜力車及小型拖拉機，交通量小，通行車輛較為固定，通行速度慢。若按公路行業規定的隧道標準進行設計，在功能上會造成較大浪費，且復建道路造價較高，經濟性差。

公路行業在《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)中擬定了車輛橫向布置模型，擬以此模型為基礎，討論擬定隧道建筑限界設計寬度。模型中車輛輪距1.8 m，車輛總寬2.5 m，車輛橫向間距0.6 m，車輪距路側構筑物0.5 m。車輛橫向布置見圖1。

圖1 車輛橫向布置(單位：cm)

鄉村道路上設計行車速度比公路行業公路設計行車速度慢，車輛橫向晃動幅度較小，擬通過減小車輛間距、車輛與路側構筑物距離的方式，減少車輛占用寬度，達到縮短隧道建筑限界寬度的目的。因隧道工程擴建困難，考慮地方發展需求，需提高標準來擬定隧道建筑限界寬度，以四川省農村公路村道路基寬度作為鄉村道路隧道路面凈寬，即隧道內路面凈寬5.5 m，橫向建筑限界6.0 m。參照公路行業車輛橫向布置方式，初步擬定隧道內車輛橫向布置(見圖2)。

圖2 隧道建筑限界內車輛橫向布置(單位：cm)

由圖2可知，車輛會車間距減少20 cm，車輪與外側構筑物距離減小10 cm，行車道寬度由5.9 m降低至5.5 m，減小了6.7%；設計行車速度由20 km/h降低至15 km/h，速度減小了25%，確保了行車通行的安全。

根據擬定的建筑限界，設計隧道內輪廓斷面寬7.6 m、高6.9 m，隧道內輪廓設計見圖3。

2 隧道結構設計

《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)第“8.4.2”章節中，提供了隧道復合式襯砌支護參數參考值。因擬定的鄉村道路隧道內輪廓尺寸較等級公路減小，導致作用于隧道結構的圍巖壓力也相應減小。作者擬通過作用于隧道襯砌結構上圍巖壓力的對比分析，以公路行業規范推薦的隧道支護參數參考值為基礎，提出鄉村道路小斷面隧道復合式襯砌支護參數參考值。

鑒于隧道工程涉及圍巖等級不同，襯砌所受圍巖壓力不同，襯砌支護參數也不同，受文章篇幅限制，僅以Ⅴ級圍巖、淺埋隧道為例，利用公路隧道規范中“表A.0.4-1 各級圍巖物理力學指標標準值”所給定的Ⅴ級圍巖力學指標中間值進行計算分析。

2.1 襯砌圍巖壓力對比

隧道襯砌所受的圍巖壓力主要是拱頂土體的垂直壓力、拱側土體的側向壓力，土體受自身重力以及土體內假象破裂面對土體的摩擦反力影響。利用ANSYS有限元分析軟件，分別對不同寬度的隧道襯砌受力進行分析，其軸力及彎矩見圖4，隧道襯砌受力統計見表1。

計算對比揭示，隧道凈空隨建筑限界減小后，隧道襯砌所受彎矩及軸力占等級公路最小凈空襯砌受力的56.34%、67.35%。通過適當減小隧道內輪廓尺寸，可降低隧道襯砌受力，因此減少支護措施以降低隧道單位造價是可行的。

2.2 隧道襯砌結構設計及對比

隧道襯砌結構采用常規的復合式襯砌，按照公路行業現行相關規程規范計算擬定襯砌結構的強度安全系數。

計算采用荷載結構法理論，分別計算隧道拱圈承受的豎向及橫向荷載，將隧道沿襯砌環向、每25 cm分解成一個小的受力單元，利用有限元分析軟件計算其安全系數。由于受力單元由帶鋼架的噴射混凝土(初期支護)或配筋的模筑混凝土(二次襯砌)組成，計算過程中，將其看做是鋼筋混凝土受壓構件。同時，根據《混凝土結構設計規范》中“7.1.2”章節給定的最大裂縫寬度計算公式，計算出鋼筋混凝土最大裂縫寬度。

根據上述結構理論及計算原則，擬定并驗算隧道不同內輪廓尺寸在Ⅴ級圍巖淺埋工況下最大埋深的安全系數，據此確定隧道支護參數。不同內輪廓尺寸隧道主要支護參數對比見表2。

圖4 隧道襯砌受力分析

表1 隧道襯砌受力對比統計

根據擬定的支護參數，計算隧道襯砌工程量及工程投資。根據計算成果，6.0 m建筑限界對應的隧道每延米估算投資為5.5萬元，7.0 m建筑限界對應的隧道每延米估算投資為7.5萬元。隧道內輪廓尺寸減小后，投資減少約27%。

3 工程應用分析

本文選取大崗山水電站紅花崗村對外連接道路項目樁號K1+000 m～K1+100 m段做為對比分析路段，分別采用明線與隧道設計方案，通過對比分析，論證隧道方案在等外級公路應用中的經濟性與可行性。

3.1 項目等級

大崗山水電站紅花崗村對外道路連接大渡河右岸的南投村與省道211線。南投村被劃為水庫蓄水滑坡影響區，但影響區內居民已搬離，影響區線外仍有大量耕地，需要規劃建設對外交通道路以滿足居民生產需要。

對外交通道路命名為紅花崗村對外連接道路，主要用于通行農用車輛，擬定其建設標準為移民專項規范中的機耕道。該道路路基寬4.5 m，路面寬3.5 m，采用水泥混凝土路面。

3.2 地形地貌條件

紅花崗村對外連接道路樁號K1+000 m～K1+100 m對比分析段位于瀘定縣得妥鄉境內大渡河右岸傾向大渡河的單面山坡上，地面橫坡53°～57°。道路沿線路基由晉寧期石英閃長巖組成，中等風化，巖體完整性差，卸荷強烈，巖體多呈散體狀結構。

3.3 設計方案對比

3.3.1 明線方案

明線方案路線平面沿地形等高線布設，對比段設計明線長120 m，范圍內設計3個轉點，圓曲線半徑從15～30 m不等，最短圓曲線長9.5 m，最長圓曲線24.5 m。受地形條件限制，圓曲線長度較短，雖滿足行車安全要求，但行車舒適性受到一定影響。明線方案平面設計見圖5。

由于道路通過路段地面橫坡較陡，路基開挖工程量大，路塹最大開挖邊坡高65 m，最小開挖邊坡高41 m，最大斷面開挖土石方454 m3。該段路基設計開挖土石方37 590 m3，平均每公里路基土石方開挖37.6萬m3，較四級公路平均每公里路基土石方開挖3萬m3，增加10倍有余。

該項目于2013年開始實施。2014年7月，工程所在地遇超標準局部暴雨，部分完工工程由于暴雨影響，受到不同程度的損壞。對比段挖方邊坡受開挖卸荷及暴雨沖刷雙重影響，樁號K1+020 m～K1+057 m挖方邊坡部分垮塌。因邊坡較高，落石沖擊能量大，砸壞部分已建路基，另有一些塌方滾落進大渡河，一些仍堆積在路基。

為確保道路正常、安全使用，對該對比段邊坡垮塌部分進行修復。修復內容包括清除塌方、清除坡面松動圍巖、新建衡重式路肩墻補足路基寬度。直至項目實施完成，對比段道路明線設計投資約368萬元，工程投資及主要工程量見表3。

表3 紅花崗村對外連接道路樁號K1+000 m～K1+100 m對比段投資分析

3.3.2 隧道方案

隧道方案在道路樁號K1+000 m處垂直等高線進洞，在明線樁號K1+100 m處垂直于等高線出洞，隧道長70 m，最大埋深26 m。隧道擬采用復合式襯砌，初期支護采用22 cm厚鋼架噴射混凝土，二次襯砌采用45 cm厚C25鋼筋混凝土。隧道方案平面設計見圖6。

圖6 樁號K1+000 m～K1+100 m對比段隧道方案平面設計

根據本文3.2章節估算的隧道單位投資，估算出該段道路隧道方案工程投資約385萬元。

3.4 對比及結論

本文從施工難易程度、施工風險、質量控制、使用風險、工程投資幾個方面，對明線方案和隧道方案進行對比分析，分析結果見表4。

在施工難易程度方面，明線方案涉及施工臨時便道及土方開挖的組織實施；隧道方案涉及防護、開挖、支護等施工工藝，且各步驟銜接緊密。明線方案施工工藝相對容易。

在施工風險方面，隧道方案只能按隧道施工工藝實施，施工風險可控；明線高邊坡開挖施工過程中，施工規范允許的分層開挖施工周期長，成本高，施工單位幾乎不會按規范施工，多采用掏腳開挖，施工風險較難控制。

在質量控制和使用風險方面，因明線施工采用掏腳開挖，高邊坡較高的開挖面無法采用機械修坡，坡面不可避免地出現松動石塊，在施工和運營的前幾年，會出現高空落石，存在落石砸壞路基、砸傷過往行人及車輛等風險。由于隧道工作面小，所有工作面都必須采用機械施工，且成型后基本無裸露面，質量控制更可靠，使用風險更小，且隧道平面線形順暢，行車舒適性較好。

在工程投資方面，因減小了隧道凈空輪廓，隧道投資大幅降低，兩個方案工程投資相差不到5%。

4 結 語

本文從水電移民項目交通恢復工程無隧道設計指標，導致采用的公路行業隧道設計指標與水電移民工程不匹配的角度出發，通過對行車寬度進行分析，提出降低隧道建筑限界寬度，從而達到減小隧道內輪廓、降低隧道投資的目的。

表4 明線方案、隧道方案對比分析

筆者在文中分析了降低隧道建筑限界寬度的合理性。根據降低后的隧道建筑限界尺寸，擬定了隧道內輪廓尺寸，對新擬定的隧道支護結構進行受力分析。根據分析結果顯示，隧道內輪廓尺寸減小后，隧道襯砌所受彎矩及軸力分別減少43.66%、32.65%，隧道單位投資減少27%。

通過大崗山水電站紅花崗村對外連接道路K1+000 m～K1+100 m段工程設計實例，對明線方案與隧道方案進行對比。相較于明線設計方案，隧道設計方案雖然施工較復雜，但施工風險、質量控制、使用風險等方面均優于明線方案，且隧道方案投資增加不足5%。

因此，筆者認為小交通量等外級公路設計中，對于高山峽谷地帶地面橫坡較陡路段，采用隧道方案設計是合理可行的，具有一定的推廣價值。