高速公路超長越江隧道縱坡設(shè)計(jì)研究

方智榮 李小川 周沁雪

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 南京 210018)

越江隧道縱坡設(shè)計(jì)需考慮地形地質(zhì)、兩岸接線、河道及河勢(shì)演變、水文、航道航運(yùn)、水工岸線建筑等建設(shè)條件,相較于城市道路,高速公路除客運(yùn)交通外,還需承擔(dān)貨運(yùn)交通功能,其縱坡設(shè)計(jì)要求更高。采用較大設(shè)計(jì)縱坡,可縮短隧道里程、節(jié)省建設(shè)投資,但易導(dǎo)致貨車運(yùn)行速度低于容許速度,降低公路通行能力,增大行車安全隱患,加大隧道通風(fēng)需求,甚至對(duì)越江隧道的防災(zāi)救援帶來嚴(yán)重影響和不便。合適的貨運(yùn)主導(dǎo)車型選取、合理的縱坡設(shè)計(jì),關(guān)乎隧道工程規(guī)模、公路通行能力、車輛行車安全、運(yùn)營經(jīng)濟(jì)節(jié)能等,是隧道總體設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),具有重要意義。

1 公路越江隧道縱坡設(shè)計(jì)理論

1.1 縱坡設(shè)計(jì)規(guī)定

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》等現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范規(guī)定:隧道內(nèi)縱坡應(yīng)小于3%,大于0.3%,但短于100 m的隧道可不受此限[1]。

《公路水下隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定隧道內(nèi)縱坡的最小值一般以隧道建成后洞內(nèi)水(包括漏水、涌水、滲水等)能自然排泄為原則,同時(shí)考慮施工誤差,不宜小于0.3%。最大縱坡應(yīng)系統(tǒng)分析縱坡與汽車排污量的關(guān)系,基于我國已有建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)實(shí)國情,要求隧道最大縱坡不大于6%。《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定長度大于5 000 m隧道的平均縱坡不宜大于2.0%。

當(dāng)貨車混入率較高時(shí)(達(dá)20%以上時(shí),自然車),現(xiàn)行規(guī)范基于六軸鉸接列車實(shí)際的爬坡能力和條件,提出連續(xù)縱坡路段上坡時(shí)不同縱坡的最大坡長建議值,見表1。

表1 不同縱坡最大坡長(鉸接列車)

在連續(xù)縱坡路段設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)圍繞載重汽車可以不低于容許最低速度通行,合理設(shè)置和采用縱坡坡度、坡長,以及緩和坡段的坡度、坡長。

1.2 最大縱坡及坡長應(yīng)用現(xiàn)狀

實(shí)際工程一般會(huì)根據(jù)項(xiàng)目交通量及交通構(gòu)成、工程建設(shè)條件、專題研究、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)等綜合考慮。國內(nèi)典型水下隧道最大縱坡[2]及坡長取值見表2。

表2 典型水下隧道最大縱坡及坡長取值

1.3 縱坡坡型設(shè)置方式

受兩岸陸域及水下地形條件限制,水下隧道縱坡一般設(shè)計(jì)為V形坡或W形坡。《公路水下隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,公路水下隧道一般采用V形坡。國內(nèi)工程2種縱坡形式均普遍存在,V形坡隧道的行駛舒適性和營運(yùn)通風(fēng)效率較好,也更利于盾構(gòu)施工角度調(diào)整控制。

1.4 縱坡設(shè)計(jì)對(duì)貨車運(yùn)行速度的影響

近年來,高速公路貨運(yùn)主導(dǎo)車型為五、六軸半掛車鉸接列車等大型貨車。其爬坡能力有限,坡度越大、坡長越長,速度逐漸降低,折減越嚴(yán)重。在3%的平均縱坡上,其全負(fù)荷行駛最大穩(wěn)定速度只有40 km/h,低于50 km/h的容許最低速度,也低于60 km/h的最低限速。大型貨車運(yùn)行速度的降低直接影響連續(xù)上坡路段的通行能力和服務(wù)水平,引起路段擁堵,增加大、小車型之間運(yùn)行速度差,易發(fā)生追尾、橫向剮蹭等事故,對(duì)行車安全不利。根據(jù)文獻(xiàn)[1],整理典型縱坡和坡長大小對(duì)車輛速度的影響見表3。

表3 六軸鉸接列車滿載時(shí)上坡速度折減關(guān)系表

越江隧道埋深大、里程長,應(yīng)考慮長大縱坡貨車速度折減對(duì)行車安全性、通行效率的綜合影響,以主導(dǎo)車型上坡速度折減不低于容許最低速度為前提,合理確定單一縱坡坡長和多個(gè)連續(xù)縱坡的組合縱坡方案;接近或低于容許最低速度時(shí),應(yīng)設(shè)置必要長度的緩和坡段,使得車輛能夠恢復(fù)到不低于容許最低速度。

1.5 縱坡設(shè)計(jì)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響

照明系統(tǒng)及其他機(jī)電系統(tǒng)受坡度變化影響很小,在評(píng)估隧道縱坡變化對(duì)運(yùn)營成本的影響時(shí)不予考慮[3]。隧道需風(fēng)量是制定通風(fēng)方案的基礎(chǔ)和依據(jù),其不僅直接關(guān)系到通風(fēng)方案的合理性及投資規(guī)模,而且還關(guān)系到隧道后期運(yùn)營的安全和舒適[4]。公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)以滿足稀釋煙塵、一氧化碳(CO)、異味等濃度達(dá)安全、衛(wèi)生、舒適性標(biāo)準(zhǔn)所需風(fēng)量為主,對(duì)煙塵、CO排放量按隧道設(shè)計(jì)速度以下各工況車速10 km/h為一檔分別進(jìn)行計(jì)算,考慮交通阻滯和換氣的需風(fēng)量,取其較大者。煙塵排放量QVI按式(1)進(jìn)行計(jì)算,CO排放量QCO按式(2)進(jìn)行計(jì)算[5]。

(1)

(2)

式中:QVI為煙塵排放量,m2/s;QCO為CO排放量,m3/s;qVI、qCO為考慮煙塵或CO的設(shè)計(jì)目標(biāo)年份基準(zhǔn)排放量;fa(VI)、fa為考慮煙塵或CO的車況系數(shù);fh(VI)、fh為考慮煙塵或CO的海拔高度系數(shù);fiv(VI)、fiv為考慮煙塵或CO的縱坡-車速系數(shù),分別按表4、表5取值;nD、n為柴油車或所有車型類別數(shù);fm(VI)、fm為考慮煙塵或CO的柴油車或所有車型系數(shù);fd為車密度系數(shù);L為隧道長度,m;Nm為各車型交通量,veh/h。

表5 考慮CO的縱坡-車速系數(shù)fiv

縱坡是影響隧道需風(fēng)量和通風(fēng)方案的重要參數(shù)。在某特定車速、其他條件不變時(shí),隨著縱坡的增加,fiv值增大,特別是fiv(VI)值增加比較明顯,隧道通風(fēng)的需風(fēng)量增大,通風(fēng)系統(tǒng)裝機(jī)功率隨之增大。

綜上,高速公路越江隧道的縱坡設(shè)計(jì),首先應(yīng)選取具體工程的貨運(yùn)主導(dǎo)車型,再結(jié)合隧道埋深及爬坡需求,擬定不同的縱坡組合方案設(shè)計(jì),考慮車輛貨車速度折減對(duì)行車安全及通行能力的影響,進(jìn)而通過通風(fēng)需求計(jì)算分析,論證選取合理的縱坡設(shè)計(jì)方案。

2 工程實(shí)例

海太長江隧道北起海太汽渡西側(cè),南至白茆河口東側(cè),隧址處江面寬7.0 km,隧道長11.185 km,屬超長隧道,設(shè)計(jì)車速100km/h,采用雙管六車道布置,隧道外徑為16 m。隧道縱坡設(shè)計(jì)主要高程控制點(diǎn)為現(xiàn)狀陸地及水下地面線、岸上接線交叉道路凈空、江堤江中及工作井處盾構(gòu)隧道埋置深度、沖刷包絡(luò)線、應(yīng)急拋錨深度等。綜合考慮隧道排水、平縱線形組合及指標(biāo)協(xié)調(diào)均衡進(jìn)行縱坡設(shè)計(jì),采用圖1所示V形坡,選取如表6所示最大縱坡不大于3%的2.5%,2.7%和2.9% 3個(gè)縱坡組合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。

圖1 隧道縱坡設(shè)計(jì)方案布置示意圖(長度單位:m)

表6 隧道縱坡設(shè)計(jì)方案表

2.1 貨車運(yùn)行速度折減計(jì)算

根據(jù)交通量預(yù)測結(jié)果,遠(yuǎn)景年客貨比為80∶20,貨車以大貨及汽車列車為主,貨運(yùn)主導(dǎo)車型為五、六軸半掛車鉸接列車,根據(jù)貨車上坡減速曲線圖表計(jì)算可得上坡終點(diǎn)處車速折減情況,見表7。

表7 隧道縱坡設(shè)計(jì)方案車速折減情況 km/h

隧道埋深控制最低點(diǎn)更靠近南岸側(cè),上岸高程兩岸基本相當(dāng),北岸側(cè)平均縱坡小于南岸側(cè),盡管方案2、3北岸側(cè)貨車上坡終點(diǎn)速度仍高于容許最低速度,但北岸需穿長江北堤后登陸,加大最大縱坡對(duì)縮短隧道長度無影響。

方案2、3南岸側(cè)貨車速度折減值大于30 km/h,上坡終點(diǎn)速度低于高速公路設(shè)計(jì)容許最低車速,大、小型車輛之間的運(yùn)行速度差值較大,易發(fā)生追尾、橫向剮蹭等事故,對(duì)行車安全不利,影響隧道通行能力。

2.2 需風(fēng)量計(jì)算

海太長江隧道為單向交通隧道,隧道暗埋段長度10 395 m,遠(yuǎn)期預(yù)測交通量為10 700 pcu/d,隧道長度與設(shè)計(jì)小時(shí)交通量的乘積大于2×106,設(shè)置機(jī)械通風(fēng),稀釋煙塵所需通風(fēng)量大于稀釋CO所需,需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 不同坡度條件下隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可知,方案2、方案3對(duì)應(yīng)需風(fēng)量明顯高于方案1,隧道通風(fēng)運(yùn)營費(fèi)用較高。

2.3 推薦縱坡設(shè)計(jì)方案

綜上,采用方案1即最大縱坡2.5%的縱坡組合設(shè)計(jì)方案,能夠較好平衡隧道工程規(guī)模、公路通行能力、車輛行車安全、運(yùn)營經(jīng)濟(jì)節(jié)能等。

3 結(jié)語

縱坡設(shè)計(jì)是根據(jù)項(xiàng)目功能定位、交通構(gòu)成,在符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,考慮隧道建設(shè)條件、運(yùn)營條件后綜合確定的。對(duì)于埋深大、里程長的高速公路超長越江隧道,合適的貨運(yùn)主導(dǎo)車型選取、合理的縱坡設(shè)計(jì)直接決定隧道規(guī)模、通行能力、行車安全、運(yùn)營節(jié)能。

1) 越江隧道應(yīng)根據(jù)交通功能及交通組織管理方案,結(jié)合項(xiàng)目預(yù)測交通車型組成,選擇六軸鉸接列車或兩軸載重汽車作為貨運(yùn)主導(dǎo)車型,六軸鉸接列車對(duì)于縱坡組合設(shè)計(jì)要求高于兩軸載重汽車。

2) 連續(xù)上坡路段的縱坡設(shè)計(jì)中,宜考慮長大縱坡對(duì)貨運(yùn)主導(dǎo)車型速度折減的影響,當(dāng)采用的縱坡組合坡段致使實(shí)際上坡速度降低到接近或低于容許最低車速時(shí),應(yīng)降低最大坡度,或設(shè)置必要長度的緩和坡段,使得車輛能夠恢復(fù)到不低于容許最低速度。

3) 當(dāng)隧道縱坡大于2%時(shí),對(duì)隧道通風(fēng)排煙有一定影響,隧道土建工程為一次性投資,但通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)營消耗能源是長期持續(xù)的,應(yīng)結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)隧道方案進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。

4) 工程設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮路線、隧道、通風(fēng)等專業(yè),進(jìn)行行車安全性、通行效率,以及經(jīng)濟(jì)性比較,針對(duì)具體工程項(xiàng)目建設(shè)條件,選擇科學(xué)合理的隧道縱坡設(shè)計(jì)參數(shù),對(duì)工程總體安全性、工程造價(jià)及運(yùn)營管理等方面有重要意義和價(jià)值。