隧道方案在小交通量等外级公路设计中的适用性研究

唐 中 强

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

水电工程移民专业公路工程项目主要包括复建水库淹没道路和新建集镇、居民点对外连接道路两个类型。中华人民共和国发展和改革委员会发布的《水电工程移民专业项目规划设计规范》(DL/T 5379-2007)(以下简称“移民专项规范”)中明确了水电工程建设征地影响公路复建的标准。标准总则第“3.0.2”中第1条规定“对水电工程建设征地影响的铁路、公路、水运、电力、电信、广播电视等设施需要恢复的，应根据影响程度，按原规模、原标准(等级)、恢复功能的原则，结合项目所在地的地形、地质条件等，选择经济合理的复建方案或处理方案”。根据上述条款规定，淹没道路为等级公路的，按照中华人民共和国交通运输部发布的《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)中相关标准进行复建。对于四川省境内的通村、通乡公路，按照四川省交通运输厅公路局发布的《关于进一步规范农村公路建设标准和审批程序的通知》(交路农建函〔2011〕251号)中相关标准进行复建。对于淹没道路为居民生产区连接道路、连接少量分散居住居民的道路或主要通行畜力车等非机动车及小型拖拉机的道路，根据道路功能的不同，按照移民专项规范中拟定的汽车便道或机耕道标准进行复建。

移民专项规范未拟定汽车便道及机耕道标准下隧道工程的技术标准。公路行业隧道建筑限界最小宽度为7.0 m，移民专项规范汽车便道路基设计宽度为4.5 m，隧道设计宽度及工程投资均与汽车便道设计标准不匹配。因此，在目前的汽车便道设计中，道路平面均采用明线设计，在通过高山峡谷地带时，存在路基挖方边坡过高、工程投资大、路基开挖后防护施工难度大、易引发次生灾害等不利因素。

笔者拟通过对移民专项规范、四川省交通厅针对通村公路的相关规定、公路工程技术标准等相关行业技术标准进行分析，结合道路等级，在满足各行业现行规范、技术标准的前提下，探讨通过适当减小隧道建筑限界宽度以减小公路隧道净空，从而达到经济合理、运行安全的目的，为等外级公路设计提供另一种选择。

1 隧道标准的拟定

《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)中“4.4隧道横断面设计”章节规定了隧道建筑限界。根据规定，四级公路隧道建筑限界最小宽度为7.0 m。在同时满足行业其他标准的情况下，汽车可以20 km/h的行驶速度通过隧道。移民专项规范中的乡村道路主要通行少量汽车、农用机械、畜力车及小型拖拉机，交通量小，通行车辆较为固定，通行速度慢。若按公路行业规定的隧道标准进行设计，在功能上会造成较大浪费，且复建道路造价较高，经济性差。

公路行业在《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中拟定了车辆横向布置模型，拟以此模型为基础，讨论拟定隧道建筑限界设计宽度。模型中车辆轮距1.8 m，车辆总宽2.5 m，车辆横向间距0.6 m，车轮距路侧构筑物0.5 m。车辆横向布置见图1。

图1 车辆横向布置(单位：cm)

乡村道路上设计行车速度比公路行业公路设计行车速度慢，车辆横向晃动幅度较小，拟通过减小车辆间距、车辆与路侧构筑物距离的方式，减少车辆占用宽度，达到缩短隧道建筑限界宽度的目的。因隧道工程扩建困难，考虑地方发展需求，需提高标准来拟定隧道建筑限界宽度，以四川省农村公路村道路基宽度作为乡村道路隧道路面净宽，即隧道内路面净宽5.5 m，横向建筑限界6.0 m。参照公路行业车辆横向布置方式，初步拟定隧道内车辆横向布置(见图2)。

图2 隧道建筑限界内车辆横向布置(单位：cm)

由图2可知，车辆会车间距减少20 cm，车轮与外侧构筑物距离减小10 cm，行车道宽度由5.9 m降低至5.5 m，减小了6.7%；设计行车速度由20 km/h降低至15 km/h，速度减小了25%，确保了行车通行的安全。

根据拟定的建筑限界，设计隧道内轮廓断面宽7.6 m、高6.9 m，隧道内轮廓设计见图3。

2 隧道结构设计

《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)第“8.4.2”章节中，提供了隧道复合式衬砌支护参数参考值。因拟定的乡村道路隧道内轮廓尺寸较等级公路减小，导致作用于隧道结构的围岩压力也相应减小。作者拟通过作用于隧道衬砌结构上围岩压力的对比分析，以公路行业规范推荐的隧道支护参数参考值为基础，提出乡村道路小断面隧道复合式衬砌支护参数参考值。

鉴于隧道工程涉及围岩等级不同，衬砌所受围岩压力不同，衬砌支护参数也不同，受文章篇幅限制，仅以Ⅴ级围岩、浅埋隧道为例，利用公路隧道规范中“表A.0.4-1 各级围岩物理力学指标标准值”所给定的Ⅴ级围岩力学指标中间值进行计算分析。

2.1 衬砌围岩压力对比

隧道衬砌所受的围岩压力主要是拱顶土体的垂直压力、拱侧土体的侧向压力，土体受自身重力以及土体内假象破裂面对土体的摩擦反力影响。利用ANSYS有限元分析软件，分别对不同宽度的隧道衬砌受力进行分析，其轴力及弯矩见图4，隧道衬砌受力统计见表1。

计算对比揭示，隧道净空随建筑限界减小后，隧道衬砌所受弯矩及轴力占等级公路最小净空衬砌受力的56.34%、67.35%。通过适当减小隧道内轮廓尺寸，可降低隧道衬砌受力，因此减少支护措施以降低隧道单位造价是可行的。

2.2 隧道衬砌结构设计及对比

隧道衬砌结构采用常规的复合式衬砌，按照公路行业现行相关规程规范计算拟定衬砌结构的强度安全系数。

计算采用荷载结构法理论，分别计算隧道拱圈承受的竖向及横向荷载，将隧道沿衬砌环向、每25 cm分解成一个小的受力单元，利用有限元分析软件计算其安全系数。由于受力单元由带钢架的喷射混凝土(初期支护)或配筋的模筑混凝土(二次衬砌)组成，计算过程中，将其看做是钢筋混凝土受压构件。同时，根据《混凝土结构设计规范》中“7.1.2”章节给定的最大裂缝宽度计算公式，计算出钢筋混凝土最大裂缝宽度。

根据上述结构理论及计算原则，拟定并验算隧道不同内轮廓尺寸在Ⅴ级围岩浅埋工况下最大埋深的安全系数，据此确定隧道支护参数。不同内轮廓尺寸隧道主要支护参数对比见表2。

图4 隧道衬砌受力分析

表1 隧道衬砌受力对比统计

根据拟定的支护参数，计算隧道衬砌工程量及工程投资。根据计算成果，6.0 m建筑限界对应的隧道每延米估算投资为5.5万元，7.0 m建筑限界对应的隧道每延米估算投资为7.5万元。隧道内轮廓尺寸减小后，投资减少约27%。

3 工程应用分析

本文选取大岗山水电站红花岗村对外连接道路项目桩号K1+000 m～K1+100 m段做为对比分析路段，分别采用明线与隧道设计方案，通过对比分析，论证隧道方案在等外级公路应用中的经济性与可行性。

3.1 项目等级

大岗山水电站红花岗村对外道路连接大渡河右岸的南投村与省道211线。南投村被划为水库蓄水滑坡影响区，但影响区内居民已搬离，影响区线外仍有大量耕地，需要规划建设对外交通道路以满足居民生产需要。

对外交通道路命名为红花岗村对外连接道路，主要用于通行农用车辆，拟定其建设标准为移民专项规范中的机耕道。该道路路基宽4.5 m，路面宽3.5 m，采用水泥混凝土路面。

3.2 地形地貌条件

红花岗村对外连接道路桩号K1+000 m～K1+100 m对比分析段位于泸定县得妥乡境内大渡河右岸倾向大渡河的单面山坡上，地面横坡53°～57°。道路沿线路基由晋宁期石英闪长岩组成，中等风化，岩体完整性差，卸荷强烈，岩体多呈散体状结构。

3.3 设计方案对比

3.3.1 明线方案

明线方案路线平面沿地形等高线布设，对比段设计明线长120 m，范围内设计3个转点，圆曲线半径从15～30 m不等，最短圆曲线长9.5 m，最长圆曲线24.5 m。受地形条件限制，圆曲线长度较短，虽满足行车安全要求，但行车舒适性受到一定影响。明线方案平面设计见图5。

由于道路通过路段地面横坡较陡，路基开挖工程量大，路堑最大开挖边坡高65 m，最小开挖边坡高41 m，最大断面开挖土石方454 m3。该段路基设计开挖土石方37 590 m3，平均每公里路基土石方开挖37.6万m3，较四级公路平均每公里路基土石方开挖3万m3，增加10倍有余。

该项目于2013年开始实施。2014年7月，工程所在地遇超标准局部暴雨，部分完工工程由于暴雨影响，受到不同程度的损坏。对比段挖方边坡受开挖卸荷及暴雨冲刷双重影响，桩号K1+020 m～K1+057 m挖方边坡部分垮塌。因边坡较高，落石冲击能量大，砸坏部分已建路基，另有一些塌方滚落进大渡河，一些仍堆积在路基。

为确保道路正常、安全使用，对该对比段边坡垮塌部分进行修复。修复内容包括清除塌方、清除坡面松动围岩、新建衡重式路肩墙补足路基宽度。直至项目实施完成，对比段道路明线设计投资约368万元，工程投资及主要工程量见表3。

表3 红花岗村对外连接道路桩号K1+000 m～K1+100 m对比段投资分析

3.3.2 隧道方案

隧道方案在道路桩号K1+000 m处垂直等高线进洞，在明线桩号K1+100 m处垂直于等高线出洞，隧道长70 m，最大埋深26 m。隧道拟采用复合式衬砌，初期支护采用22 cm厚钢架喷射混凝土，二次衬砌采用45 cm厚C25钢筋混凝土。隧道方案平面设计见图6。

图6 桩号K1+000 m～K1+100 m对比段隧道方案平面设计

根据本文3.2章节估算的隧道单位投资，估算出该段道路隧道方案工程投资约385万元。

3.4 对比及结论

本文从施工难易程度、施工风险、质量控制、使用风险、工程投资几个方面，对明线方案和隧道方案进行对比分析，分析结果见表4。

在施工难易程度方面，明线方案涉及施工临时便道及土方开挖的组织实施；隧道方案涉及防护、开挖、支护等施工工艺，且各步骤衔接紧密。明线方案施工工艺相对容易。

在施工风险方面，隧道方案只能按隧道施工工艺实施，施工风险可控；明线高边坡开挖施工过程中，施工规范允许的分层开挖施工周期长，成本高，施工单位几乎不会按规范施工，多采用掏脚开挖，施工风险较难控制。

在质量控制和使用风险方面，因明线施工采用掏脚开挖，高边坡较高的开挖面无法采用机械修坡，坡面不可避免地出现松动石块，在施工和运营的前几年，会出现高空落石，存在落石砸坏路基、砸伤过往行人及车辆等风险。由于隧道工作面小，所有工作面都必须采用机械施工，且成型后基本无裸露面，质量控制更可靠，使用风险更小，且隧道平面线形顺畅，行车舒适性较好。

在工程投资方面，因减小了隧道净空轮廓，隧道投资大幅降低，两个方案工程投资相差不到5%。

4 结 语

本文从水电移民项目交通恢复工程无隧道设计指标，导致采用的公路行业隧道设计指标与水电移民工程不匹配的角度出发，通过对行车宽度进行分析，提出降低隧道建筑限界宽度，从而达到减小隧道内轮廓、降低隧道投资的目的。

表4 明线方案、隧道方案对比分析

笔者在文中分析了降低隧道建筑限界宽度的合理性。根据降低后的隧道建筑限界尺寸，拟定了隧道内轮廓尺寸，对新拟定的隧道支护结构进行受力分析。根据分析结果显示，隧道内轮廓尺寸减小后，隧道衬砌所受弯矩及轴力分别减少43.66%、32.65%，隧道单位投资减少27%。

通过大岗山水电站红花岗村对外连接道路K1+000 m～K1+100 m段工程设计实例，对明线方案与隧道方案进行对比。相较于明线设计方案，隧道设计方案虽然施工较复杂，但施工风险、质量控制、使用风险等方面均优于明线方案，且隧道方案投资增加不足5%。

因此，笔者认为小交通量等外级公路设计中，对于高山峡谷地带地面横坡较陡路段，采用隧道方案设计是合理可行的，具有一定的推广价值。