高海拔特长公路隧道关键问题及对策浅析

丁 浩，陈建忠，方 林，曹 鹏

(1.公路隧道建设技术国家工程实验室， 重庆 400067； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

高海拔特长公路隧道关键问题及对策浅析

丁 浩1，陈建忠1，方 林2，曹 鹏2

(1.公路隧道建设技术国家工程实验室， 重庆 400067； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

高海拔特长公路隧道同时兼具“高海拔”“特长”“公路隧道”的工程特性。相对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。结合已建和在建典型高海拔隧道的实际条件，以高海拔特长公路隧道为研究对象，分析其地形复杂、地质复杂、气候恶劣、环境脆弱和风险加剧等特殊建设条件，探讨其在勘察、选址与选线、施工和运营等不同阶段可能存在的关键问题，并提出综合勘察技术、防冻保温技术、生态保护技术、施工保障技术和运营通风与防灾逃生技术等有待进一步提升的技术，及其发展方向与建议。

高海拔；公路隧道；特长隧道；建设；运营

随着国民经济和社会的发展，我国西南地区和西北地区的公路建设正如火如荼，特别是川藏、青藏和新疆天山等地区，诸多超大、超长公路隧道的建设逐渐增多。但与其他地区公路隧道相比，上述地区的公路隧道往往具有典型高海拔寒区公路隧道特征。随着青藏线、川藏线和天山公路等工程的实施，我国已先后建成和正在建设一些高海拔公路或铁路隧道，并取得了一些研究与实践成果。例如，在高原地区，从多年冻土的路基地质和超高海拔超长铁路隧道等角度提出了基本选线原则[1-3]，特别是围绕冻土形成了相关的技术标准和手册[4-5]；从隧道保温型式、隧道施工措施和隧道防排水结构等方面形成了隧道冻土防治的有益认识[6-10]；对低温缺氧施工和通风防灾等也有一定涉猎[11-16]。总体上，研究重点在冻土防治和低温缺氧施工等方面，研究对象主要是路基和铁路隧道，关注阶段则侧重于勘察、设计和施工等前期建设。

然而，随着高海拔寒区公路隧道建设的不断推进，隧址区条件越来越复杂，隧道海拔越来越高，隧道长度越来越长，隧道运营难度越来越大，隧道的建设与运营相继出现了一些越来越复杂的、越来越新的技术问题。例如，高海拔特长公路隧道就同时兼具“高海拔”“特长”“公路隧道”的工程特性，其关键问题与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。为此，对于高海拔特长公路隧道而言，一方面，原有的经验和成果可能并不能完全指导解决其问题；另一方面，随着科技的发展，也应引入一些新近出现的技术或产品。因此，本文拟结合既有成果，以高海拔特长公路隧道为对象，针对其特殊建设条件，分析其关键问题，继而提出拟进一步提升的技术对策方向和建议，为今后类似工程提供借鉴。

1 高海拔特长公路隧道特殊建设条件

1.1 高海拔的定义

关于高海拔的定义，目前尚无统一规定。国外研究[17]发现，海拔升高往往会伴随氧气浓度降低、气温降低、气压降低、空气干燥，人类自身为适应环境将会发生一系列生理转变；并据此认为海拔高度超过2 400 m时会对人类有影响，5 500 m以上人类生存极困难，8 000 m以上为死亡高度。国内则基于不同的领域提出了不同的高海拔定义，有人[18]提出3 000 m以上为高海拔地区，有人[19]则认为1 500 m以上即为高海拔、3 500 m以上为超高海拔。总体上，由于分类依据不一致，立足点不同，高海拔分界定义值难免相异。通常，当隧道洞口海拔超过4 000 m，大气压(Pa)和含氧量(g/m3)均下降到海拔0 m时的60%左右时，人类一般会产生高原反应。此外，根据我国目前的隧道工程实践，海拔超过4 000 m时会制订更详细的高原工程对策。鉴于此，本文提出不妨将4 000 m作为高海拔隧道的分界值。

当然，即便在同一海拔高度，由于经纬度的差异等现实条件不同，高海拔对人类活动与工程的影响也不尽相同。因此，对于高海拔公路隧道提出严格定量的高海拔分界值并非必须，而是应更多地开展现场条件实测，并据实分析和评价海拔高度对公路隧道建设和运营的影响，进而提出有效的应对措施。

1.2 已建工程案例

迄今为止，我国已建成或正在建设的一些典型高海拔隧道中，海拔最高的公路隧道为在建的西藏米拉山公路隧道，洞口海拔4 700 m，长5 727 m；海拔最高的铁路隧道为青海风火山铁路隧道，洞口海拔4 905 m，长1 338 m。我国典型高海拔隧道见表1。

表1 我国典型高海拔隧道一览 m

1.3 建设条件分析

综合上述典型隧道的建设条件，其工程特点表现为以下方面：

1) 地形复杂：上述隧址区主要集中在青海和西藏地区，地形多表现为高山陡峻，峡谷深切，局部地貌还发育有现代冰川。

2) 地质复杂：隧道建设过程中，除普通隧道遇到的断层破碎带、软弱围岩和富水地层等不良地质外，上述隧道还常常会遇到多年冻土、地震活动断裂带和高地震区等特殊地质。

3) 气候恶劣：由于海拔升高，隧址区氧气浓度降低、气温降低、气压降低、紫外线强等，形成了恶劣的气候条件。

4) 环境脆弱：高海拔隧址区多处于长期“无人区”的状况，受人类或工程活动的影响较少，且其生态环境往往十分脆弱，地表常年覆盖积雪和冰川，植被覆盖率低，植物成活率低。因此，一旦生态环境遭到大规模扰动和破坏，恢复难度不言而喻。

对于高海拔特长隧道，由于其工程规模的增加，其建设面临上述复杂条件和风险的几率更大，其风险事件的严重程度更甚，从而形成更为突出的蝴蝶效应。

因此，高海拔特长公路隧道建设条件的特点可归纳为：地形复杂、地质复杂、气候恶劣、环境脆弱和风险加剧。

2 关键问题

基于上述对高海拔特长公路隧道建设条件的特点分析，可以预见，与常规公路隧道相比，高海拔隧道建设和运营阶段可能主要存在如下几类关键问题。

2.1 勘察阶段

由于高海拔特长隧道受隧址区高山陡峻、积雪冰川等地形地质条件的限制，且受人迹罕至、气候恶劣等环境制约，采用常规物探方法对隧址范围内的围岩、地下水等地质情况进行探明较为困难，且采用常规钻探方法进行竖向探孔探测更为困难。另外，即使常规勘察方法可行，便道修建、特殊机械设备选型和勘察工作组织等也需进行深入谋划，否则有可能造成人员伤亡。因此，对于高海拔特长隧道的勘察而言，需从技术方法层面和工作组织层面进行整体深入考虑。

2.2 选址与选线阶段

对于高海拔特长隧道的选址和选线，施工阶段可能会面临突出的特殊不良地质处治问题。如隧道开挖可能会遇到多年冻土和季节性非多年冻土，地下水发育地层和厚层地下冰地段，以及活动断裂带和高地震区等特殊地质地段，洞口也可能存在热融滑塌、冰椎、冰丘和厚层地下冰等特殊地质现象。而这些特殊不良地质的处治难度较大，一旦处治措施不当，或者即使措施合理但处治效果不佳，均意味着隧道选址和选线的失误。因此，应根据各类特殊不良地质对公路隧道工程性质的不同影响，确定合理的隧址和线位。

此外，隧道的选址和选线还与隧道后期运营安全有很大关系。因为对于高海拔特长公路隧道，除了常规需要考虑的运营安全因素外，其运营阶段可能会出现洞口过渡段路面结冰、洞口自然光强炫光等问题，故应综合确定隧道的合理线位标高与洞口朝向等；还应考虑高海拔地区汽车驾驶员因心理负荷增大、血氧含量减少而导致的大脑反应时间延长等问题，合理选用隧道平纵线形技术指标。

2.3 施工阶段

高海拔特长隧道隧址区恶劣的气候条件会导致形成低温缺氧的特殊施工环境，且昼夜温差大、寒长暑短等也会造成隧道施工人员活动能力受限、活动水平降低，施工机械和设备的效率降低，混凝土等材料的施工性能下降等，最终导致施工效率下降。此外，冻胀和融沉可能会是隧道穿越冻土地层最突出的施工问题。

对于特长公路隧道，由于条件限制和工期压力等原因，可能存在3、4 km以上超长距离的独头施工，且隧道长度超过5、6 km时，可能还存在运营通风甚至施工通风的斜、竖井施工。此时，如何在高海拔隧址区合理安排和组织超长距离、多洞室工区的施工，也是极大考验。只有采取科学的施工供氧设备与技术，选择适应环境的施工设备和材料，制定合理的施工组织方案，才能有效解决施工问题。

2.4 运营阶段

高海拔特长公路隧道的运营安全问题，特别是运营通风和逃生救援问题，目前是我国面临的一个新课题。

海拔高度系数是隧道需风量的重要计算依据之一，而我国现行规范仅给出了0～2 400 m海拔高度范围内的海拔高度修正系数，且当海拔高度大于2 400 m时，认为该系数可按直线延伸取值。但事实上，该修正系数系沿用的日本相关规范推荐值，且根据鹧鸪山隧道和雀儿山隧道等高海拔隧道的实测数据，该系数按照线性延伸取值与实测结果存在较大差距。因此，确定高海拔特长公路隧道的海拔高度系数时，应根据既有成果和实际测试进行修正。

此外，受大埋深、地形地貌复杂、气候分区明显等隧址条件限制，高海拔隧道通风斜、竖井的设置规模极大，且井口地表可能常年积雪，开挖斜、竖井可能会导致水资源流失和生态破环。因此，应积极思考采用新型的通风方式，设置合理的斜、竖井井位，尽可能减少通风系统的工程规模和运营规模。

如前所述，高海拔地区氧气稀薄、气温低，车辆的动力性能下降，驾乘人员血氧含量减少，其大脑反应时间增长、行动缓慢，紧急情况下人、车的活动能力可能都受到极大限制。同时，由于高海拔隧址区空气浮力小、气压低，隧道内火灾温度场分布和扩散规律、烟雾场分布和扩散规律将不同于常规隧道，因此高海拔特长公路隧道的逃生和救援均面临极大挑战。

3 有待提升的技术对策

针对上述问题，通过长期研究与不断工程实践，初步形成了一些技术对策。但针对高海拔特长公路隧道的特殊建设条件与关键问题进行的深入分析表明，以下技术对策仍有待于进一步提升。

3.1 复杂环境下高海拔隧道综合勘察技术

应重点围绕创新性勘察手段的采用、特殊岩土体隧道工程的特性、隧道工程勘察与施工相结合等方面进一步开展研究。

3.2 全寿命期隧道防冻保温技术

应基于隧道全寿命期的高度，重点围绕冻土地段防冻保温的材料技术与结构型式等进一步开展现场实测与验证性研究。

3.3 高海拔隧址区脆弱生态保护技术

应根据隧址区的生态环境条件，在前期调查、跟踪控制、补偿修复和后期评价等阶段，针对隧道的选址选线、施工开挖和后期运营等环节的生态保护技术进一步开展研究。

3.4 高寒缺氧下隧道施工保障技术

应重点围绕设备选型、材料和工艺优化及施工组织等开展系统、深入的研究。

3.5 高海拔条件下运营通风与防灾逃生技术

应重点针对高海拔隧道通风设计理论、逃生救援设施设置及运营高危风险评价与主动防控等开展创新性研究。

4 结束语

1) 无明确定义时，不妨将4 000 m海拔高度作为高海拔隧道的分界值，并参考类似工程制定对策。但有条件时，应开展现场实测，分析和评价海拔高度对公路隧道建设和运营的影响。

2) 对于高海拔特长公路隧道而言，在勘察阶段，往往会面临环境条件的限制，勘察工作组织十分困难；在选址与选线阶段，对于特殊不良地质和隧道后期运营安全均存在线位和技术指标的合理确定问题；在施工阶段，施工效率则是其首要问题；在运营阶段，其运营通风和逃生救援是一个新课题。

3) 对于高海拔特长公路隧道的建设和运营而言，应将复杂环境高海拔隧道综合勘察技术、全寿命期隧道防冻保温技术、高海拔隧址区脆弱生态保护技术、高寒缺氧下隧道施工保障技术以及高海拔条件下运营通风与防灾逃生技术等作为未来主要技术研究方向。

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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

国家重点研发计划项目(2016YFC0802201)；重庆基础科学与前沿技术研究重点项目(cstc2015jcyjBX0118)；西藏重点科研项目(2016XZ01G31)

2016-08-26

丁 浩(1978-)，男，湖北省洪湖市人，博士，研究员。

1009-6477(2016)06-0089-04

U459.2

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