杨林隧道轴线方案比选论证
雷华;黄勇;王安民
【摘 要】杨林隧道是昆明绕城高速东南段的重大控制性工程之一,该隧道轴线方案对于优化路网结构、降低工程规模及控制工程风险具有重要意义.初步设计阶段详细研究了工可方案,提出了6个隧道轴线方案,以安全、耐久、经济、节能、利于保护生态环境为基本评判准则,按照\"一功能\"\"二确定\"\"三协调\"\"四注重\"的基本思路对6个隧道轴线方案有层次性地展开综合比选,进而确定K线为推荐方案.重点阐述了在隧道进出口位置确定、隧道起止点高程确定时应考虑的各种因素及其在隧道轴线方案比选中的应用,并认为隧道轴线方案比选应以功能为主线、以\"三协调\"为基本判据、以\"四注重\"为过程控制手段,最终达成一个各方都认可的方案,同时简要介绍了隧道轴线方案比选的思路和方法,以期为相关工程的规划、设计提供参考.
【期刊名称】《公路交通技术》
【年(卷),期】2018(034)0z1
【总页数】6页(P133-138)
【关键词】杨林隧道;轴线方案;层次性比选;基本原则
【作 者】雷华;黄勇;王安民
【作者单位】云南省交通规划设计研究院,昆明 650011;云南省交通规划设计研究院,昆明 650011;云南省交通规划设计研究院,昆明 650011
【正文语种】中 文
【中图分类】U459.2
昆明绕城高速东南段是国家高速公路网昆明快速过境通道及云南省公路网规划第一环的重要组成部分，在区域路网和社会经济发展中具有重要的地位和作用。杨林隧道是昆明绕城高速东南段的重大控制性工程之一[1-2]。
杨林隧道位于昆明绕城高速公路东南段，具有“长、大、难、高”的特点。隧道右幅长9 410 m、左幅长9 475 m，最大埋深452 m，是云南省在建里程最长的公路隧道，也是国内当时在建的最长3车道公路隧道。隧道区地震动峰值加速度分区大于0.40g、抗震设防基本烈度Ⅸ度，隧道建设需克服岩溶地层、断层破碎富水带、煤矿采空区与瓦斯地层等不良地质条件，面临近接铁路隧道施工、生产生活水源保护、运营通风、防灾救援、静电除尘及斜竖井施工等重大技术挑战[3]。隧道轴线的选择要满足安全、耐久、经济、节能、利于保护生态环境的原则[4-8]，同时也要综合考虑所处地区的地形、地质、施工、运营、管理等条件 [9-10]，特长隧道轴线选取是整个工程成败的关键[11-14]。
1 概述
杨林隧道右幅长9 410 m，进口端位于直线上，出口端位于R= 1 752.213 1 m的右转圆曲线上，纵坡-1.980%，最大埋深约为448 m；隧道左幅长9 475 m。出口端位于直线上，进口端位于R=1 714.246 8 m的右转圆曲线上，纵坡为+1.980%，最大埋深约为452 m。左右幅隧道测中线距离33.01 m～41 m。昆明绕城公路东南段在国家、省和昆明市的位置如图1所示。
2 隧道轴线布设情况
初步设计阶段对工可方案经认真、反复研究，对路线平、纵面线形进行了调整，路线尽量顺应地形、绕避不良地质段，减少切割自然山体[8-9，13]，提高平、纵面线形，最大程度地降低工程造价，保证行车安全和舒适。根据工可特长隧道方案及其前后地形、地质条件，进口、出口条件总体拟定了K、A2、A3、A4、A5、A6六个方案，如图2、表1所示。
图1 项目位置
图2 隧道轴线方案表1 隧道规模对比
项目K线A2线A3线A4线A5线A6线隧道规模/m9 5009 7209 02510 0009 7109 340备注1座2座(5 280+4 440)2座(4 690+4 355)1座1座4座(5 620+2 370+730+620)
3 隧道轴线方案比选
在初步设计阶段，遵循安全、耐久、经济、节能、利于保护生态环境的基本原则[6，15]，按照“一功能”“二确定”“三协调”“四注重”的基本思路对隧道轴线方案进行综合比选。其中，“一功能”是明确隧道在路网规划中的功能属性，同路网功能、等级相匹配，满足运营维护的需要，在理清主体功能和附属功能需求的基础上，明确设计标准及设计内容；“二确定”是根据自然条件(地形、地质、水文及现有构造物等)及建设条件(路网需求、运输条件、施工组织及运营维护等)情况确定隧道进出口位置，根据自然条件(气象、水文等)及建设条件(洞口两端接线规模等)确定隧道起止点高程；“三协调”是隧道结构与洞外构造物的协调，隧道内外平、纵线型的协调，工程建设规模、技术标准与项目的功能与定位的协调；“四注重”是注重地形选线、注重地质选线、注重生态选线、注重系统最优。本文主要重点阐述在具体方案比选中怎么实现“二确定”“三协调”及“四注重”。
3.1 隧道进、出口条件比选
路线总体方案确定了隧道进出口端的初步位置范围，其中进口端路线必须下穿长沙至昆明客运专线，且必须与嵩昆高速公路的甸头枢纽连接。隧道进口的确定需同时处理好同现有构造物(客专)的关系及同现有路网相衔接的问题。
3.1.1 隧道三进口(1、2、3)
从隧道三进口(1、2、3) 的角度进行比选。
1) 进口1、2
缺点：如杨林隧道从1、2进口则与甸头枢纽中心较近，不利于枢纽立交设置；隧道位于长沙至昆明客运专线文笔山隧道(全长7.7 km)之下25 m(净距15 m)，铁路隧道已先行施工，公路隧道的施工对铁路隧道的施工、运营有影响。
2) 进口3
路线以路基方式下穿长沙至昆明客运专线文笔山隧道与南冲隧道之间的桥梁，之后设置杨林隧道，如图3所示。优点：杨林隧道进口与甸头枢纽中心1.5 km，利于枢纽立交设置；公路与铁路的影响最小。
3.1.2 隧道三出口(4、5、6)
1) 出口4、5
优点：2隧道之间有100多m路基，利于隧道进场施工；2特长隧道相对独立，隧道施工、运营、救援相对简单，而且风险相对较低。
图3 隧道下穿高铁南冲大桥
缺点：路线里程长，桥梁工程量较大，公路造价高；隧道出口拆迁量大，如图4所示；挖方较大，对沿线生态破坏严重；路线纵坡大，行车舒适性差，运营安全性低；占用林地较多；施工进场困难；路线位于半山腰，由于地震动峰值加速度大于0.40g，陡坡地段高墩大跨桥梁抵御强震的能力较弱。
(a) 海发村
(b) 狮子山村图4 路线经过村庄
2) 出口6
优点：路线里程短，公路造价低；路线纵坡小，行车舒适，运营安全；施工进场方便；桥梁高度普遍为20 m左右，抵御强震的能力相对较高。
缺点：占用良田较多；特长隧道的施工、运营、救援复杂，风险高，而且工期相对较长。
综上所述，从进出口的条件来看，进口3和出口6具备较好的条件，应该是线位的首选。
3.2 线位比选
在弱化考虑进出口位置的影响下，以“三协调”及“四注重”为基本比选原则，充分考虑了线路指标的均衡性及整个系统的安全性及经济性，对提出的6个方案进行综合对比分析。
线位在隧道进口端高程基本相同，出口端由于采用“长隧短打”和采用“长隧道”而导致高程相差较大，也就形成了山腰线和沿河线，2线位高差120 m，如图5所示。K、A4、A5三个方案为沿河线， A2、A3、A6三个方案为山腰线。
图5 出口端山腰线和沿河线
3.2.1 K线
1) 优点
路线里程短2.7 km，桥梁长度短4.6 km，隧道长度短280 m，投资省2.26亿；平均纵坡小，行车舒适，运营安全；施工进场方便；公路与铁路的影响最小；杨林隧道进口与甸头枢纽中心1.5 km，利于枢纽立交设置；杨林隧道出口至北羊街段路线顺沟走，地形平缓，桥梁高度普遍为20 m左右，而且该段落地震动峰值加速度大于0.40g，抵御强震的能力相对较高。
2) 缺点
占用良田较多；特长隧道的施工、运营、救援复杂，风险高，而且工期相对较长。
3.2.2 A2线
1) 优点
2座隧道之间有120 m路基，利于隧道进场施工；2特长隧道相对独立，隧道施工、运营、救援相对简单，而且风险相对较低。
2) 缺点
大树营隧道进口与甸头枢纽中心0.5 km，不利于枢纽立交设置；大树营隧道位于长沙至昆明客运专线文笔山隧道之下25 m(净距15 m)，铁路隧道已先行施工，公路隧道的施工对铁路隧道的施工、运营有影响；隧道出口至北羊街路线长10 km，线位较高，桥梁工程量较大，而且该段落地震动峰值加速度大于0.40g，陡坡地段高墩大跨桥梁抵御强震的能力较弱。
3.2.3 A3线
1) 优点
公路与铁路的影响最小；隧道进口与甸头枢纽中心1.5 km，利于枢纽立交设置。
2) 缺点
隧道出口至宜良北羊街段集中下坡，下坡长度7.2 km，克服高差225.95 m，平均纵坡-3.14%，属于长大纵坡。线位较高，桥梁工程量较大，而且该段落地震动峰值加速度大于0.40g，陡坡地段高墩大跨桥梁抵御强震的能力较弱。据地质揭露，该方案与小江断裂带的分支万寿山断裂基本重合。
3.2.4 A4线
1) 优点
特长隧道通风与施工斜井相对较短。
2) 缺点
隧道超过10 km。
3.2.5 A5线
隧道通风与施工斜井相对较长；与渣子田—霞连寺平移断层小角度交叉，地质相对破碎；出口线位较空，桥梁里程长，而且难以处治大量隧道弃渣。
3.2.6 A6线
A6线里程最长，造价最高。隧道进口离甸头枢纽较近，不利于枢纽立交设置。特长隧道离喷水洞电站及四营煤矿较近。路线位于公路走廊带的最北端，隧道埋深浅，煤矿采空区对隧道的影响最大。
同时遵循系统最优(经济)的原则，对参与比选方案的造价进行了综合对比分析，结果如表2所示。
表2 各线工程造价对比项目名称K线A2线A3线A4线A5线A6线路线长度/km19.308 2121.855 4722.005 8919.848 9918.944 223.052 91大桥(单幅)/(m/座)3 080/814 836/309 830/176 592/169 704/1618 072/40连拱/(m/座)590/2704/3704/3560/2560/2704/3长隧道(单幅)/(m/座)18 900/219 440/218 050/220 000/219 420/218 680/14总造价/亿元24.922 28.760 27.184 25.744 26.269 32.327
6个方案的优缺点综合对比如表3所示，同时结合3.1节中隧道进出口分析，可以看到进出口位于进口3及出口6附近的K线及A3线具有同等深度比较意义，下面就K线及A3线进一步展开同等深度的比选。
3.3 地质条件
地质选线是长大隧道轴线方案选取的一个重要原则[16-18]。地质勘察[3]针对K线及A3线进行综合勘察，根据综合勘察成果，对隧道的2个方案进行了比选，结果如表4所示。
表3 各线优缺点比较项目名称K线A3线A2线A4线A5线A6线安全性舒适性佳√√与甸头枢纽衔接好√√√√在建公路与铁路干扰小√√√√隧道(群)的设计、施工、运营、养护易√√√高地震烈度下公路结构物的抗震性好√√√造价相对较省√√比选推荐推荐
表4 K线与A线地质条件比选项目名称推荐K线A3比较线结论地形地貌处于中山侵蚀切割地貌单元内处于中山侵蚀切割地貌单元内基本相似构造总体受小江断裂带控制,路线先后大角度穿越f1、f2、喷水洞向斜核部;K21附近靠近f3断层总体受小江断裂带控制,路线先后大角度穿越f1、f2、喷水洞向斜核部K线方案K21附近靠近f3断层,但断层对路线影响不大,除此之外构造对2方案路线影响基本一致地层路线所经地层从震旦系到二叠系均有出露,主要岩性有灰岩、白云岩、玄武岩、砂岩、泥岩、页岩等路线所经地层从震旦系到二叠系均有出露,主要岩性有灰岩、白云岩、玄武岩、砂岩、泥岩、页岩等基本相似岩溶可溶岩分布路段岩溶发育以垂直方向为主,地表表现为溶隙、浅层溶槽、岩溶漏斗、落水洞,规模小,延深浅可溶岩分布路段岩溶发育以垂直方向为主,落水洞、石芽以及一些垂直溶隙等。在A3K15+400～A3K15+600落水村一带因溶蚀作用形成溶蚀山谷2方案可溶岩地层相同,分布长度相近,但A3线岩溶更为发育,K线相对较优地下水主要有孔隙水、裂隙水、岩溶水3类,水量丰富,初SZK4勘探孔(左幅K18+350右7 m)位于喷水洞向斜核部附近,成孔后形成自流井,流量经测量达3.4 L/s主要有孔隙水、裂隙水、岩溶水3类,水量丰富,A3K20+700 m北侧喷水洞为地下暗河出口,此水源主要为基岩裂隙水,暗河水直接进入电站管道用于发电2方案路线所经区域地下水均非常丰富,但A3线预计有可能对电站的可用水量有很大的影响甚至造成电站缺水而停止运营。相较之下K线方案较优煤层及采空区隧道所经的煤矿采空区无明显的塌陷等现象,含煤层厚度不大,含煤地层的走向与线路走向呈大角度相交隧道所经的煤矿采空区无明显的塌陷等现象,含煤层厚度不大,含煤地层的走向与线路走向呈大角度相交煤层及采空区对2方案影响均不大,条件相似瓦斯气体经钻孔取样测试,可燃性气体含量0.03 mL/g(daf)～0.05 mL/g(daf),平均0.04 mL/g(daf),约合0.04 m3/t,瓦斯等级低经走访调查附近煤矿收集到的瓦斯含量检测报告反映,沿线附近矿井属低瓦斯矿井2方案路线所经煤系地层瓦斯含量均较低,条件相似崩塌滑坡出口段路线左侧存在一大型崩塌堆积体,但由于滑坡位于隧道设计线138 m以上,且主滑方向与隧道垂直,对隧道出口影响不大隧道出口处山体坡度大,左幅出口处有一处崩塌体,开挖时可能造成继续垮塌,对隧道出口段不利K线方案的崩塌堆积体对路线影响较小,A3线隧道出口位于崩塌体上,开挖时可能造成继续垮塌,K线方案较优
由表4可知，从地质选线的角度出发，K线方案较优。
4 结束语
经过综合对比分析，K线方案为杨林隧道轴线推荐方案。基于本文提出的“一功能”“二确定”“三协调”“四注重”的长大隧道轴线方案比选的基本思路，有如下几点体会：
1) 长大隧道轴线方案比选应在抓住主要问题的基础上，有层次性地展开比选。
2) 长大隧道轴线方案要考虑功能需求，其中功能又分为主体功能和附属功能，主体功能主要是指能充分考虑路网衔接、解决同公路等级、设计标准相匹配的问题；辅助功能是指能满足安全、耐久、经济、舒适、环保的建设需求，降低人、车、隧道(路)、外界环境之间的相互影响。
3) 长大隧道轴线方案的比选应坚持方案可控、总体最优、适度超前的原则，最终达成一个各方都认可的方案。
参 考 文 献
【相关文献】
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