高海拔雀儿山隧道建设关键技术创新与实践

2020-08-01郑金龙蔚艳庆

隧道建设(中英文) 2020年7期

郑金龙，蔚艳庆，杨枫

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041)

1 工程意义

国道317线也称为川藏公路北线，起于四川成都，止于西藏那曲，全长2 030 km，是连接四川省与西藏自治区的重要通道。雀儿山主峰海拔6 168 m，常年冰雪覆盖，雀儿山段原路长约30 km，公路通过垭口海拔高度为5 050 m，地势险峻、气候恶劣、地质复杂，每年仅2个月无降雪，雪崩、泥石流、冰雪等灾害频繁，灾难性的交通事故时有发生，被称为“中国最危险公路”、“川藏第一高、川藏第一险”，是国道317线海拔最高、路况最差、行车最险路段，成为制约全线畅通的主要瓶颈。雀儿山隧道项目地理位置如图1所示。

图1 雀儿山隧道项目地理位置图

雀儿山隧道通车后较原路节约里程19.4 km，降低海拔高度800 m，绕避了原公路3处共长达4.7 km的雪崩易发危险段，6处共2 220 m泥石流段，以及大量的冻土、滑坡、雪害、冰害等安全隐患严重段，彻底改变了国道317线雀儿山段的路况。长久以来的交通瓶颈被彻底消除，过往车辆只需10多min就可以穿过雀儿山，不必再绕行长达2个多h的危险山路，保障了雀儿山段以及国道317线全线全年安全畅通，“冬过雀儿山，如过鬼门关”彻底成为历史。

雀儿山隧道建设形成的高海拔隧道勘察设计和施工成套技术，为保障雀儿山隧道的顺利施工、竣工以及长期的通车运行奠定了坚实的基础，取得了国内外领先的多项创新性技术成果，在类似高海拔隧道中进行了广泛的推广应用。

2 工程概况

国道317线雀儿山隧道工程是国家重点建设项目，起于雀儿山三道班，经错柯沟、雀儿山隧道和色曲河，止于雀儿山六道班，路线全长12.997 km，其中隧道长7 079 m，通风救援平导长7 108 m(平导与主洞平行设置，净距25 m)，隧道进口海拔4 373 m，出口海拔4 232 m。隧道两端洞口段为第四系堆积层，受F4(错坝断裂)影响，隧道穿过4条次级断裂，洞身岩性以花岗岩为主。项目按二级公路标准建设，设计速度40 km/h，路基宽度8.5 m，隧道建筑限界9.0 m×5.0 m，平导建筑限界4.5 m×5.0 m，设计荷载为公路Ⅱ级，隧道防水等级为一级，二次衬砌混凝土抗渗等级不小于S8。雀儿山隧道平纵示意图如图2所示。

图2 雀儿山隧道平纵示意图

3 工程特点与难点

雀儿山隧道是世界上海拔最高的超特长公路隧道，最大埋深707 m，地处高海拔-寒冷-缺氧地区，工程建设面临恶劣的气候条件，不仅严重影响施工安全、施工进度和施工质量，同时也对使用寿命和运营安全造成不利影响。含氧量低、气温低、隧道超特长为本工程最大特点与难点。

1)在海拔4 300 m修建7 km的超特长隧道，既无成熟规范提供理论支撑，又无工程实例借鉴，隧道设计与施工只能从零探索与总结提炼。高海拔特长隧道结构抗防冻措施、施工制氧供氧技术和通风技术等需要进行系统研究与工程实践。

2)隧道洞口最冷月平均气温为-9.5 ℃，极端气温为-40 ℃，冬季施工期超过4个月，最大冻结深度为143 cm，隧址区昼夜温差大、冻胀冻融荷载交替作用，易导致隧道主体结构产生冻胀破坏，不仅严重缩短隧道结构的正常使用寿命，还会危及行车安全。

3)洞口平均含氧量仅为平原区的58.5%，冬季隧道内含氧量更低，低温缺氧的隧道环境对施工人员身体健康和施工效率带来不利影响，同时对隧道的施工通风、施工工艺、隧道施工机械性能提出更高要求，建设施工难度极大。

4)隧道地质条件复杂。洞口段穿越110 m冰碛及冰水堆积层，地层以块碎石土为主，局部夹大块孤石，坍塌、变形、掉块风险高；洞身穿越错坝断裂的4条次级断层，涌突水、坍塌风险高；隧道埋深超过500 m以上的完整性较好的花岗岩段，存在弱—中等岩爆风险。雀儿山隧道恶劣气象环境与复杂地质条件如图3所示。

(a) 大雪导致交通堵塞 (b) 既有道路曲折迂回

4 工程建设关键技术

雀儿山隧道项目贯彻执行“技术可靠、方案可行、经济合理、以人为本”的指导方针，通过前期详实的地质勘察和充分的方案论证，施工期间的科技支撑和应用验证，建设团队克服了高寒高海拔超特长隧道的诸多关键技术难题，在隧道选线、隧道通风、抗防冻、制氧供氧、清洁能源利用等方面形成了成套技术，取得了多项创新成果，实现了高海拔隧道安全、优质、高效建设目标。

4.1 高海拔隧道气象观测与气象选线方法

针对高海拔隧道工程特点，为绕避冰雪冻害、降低建设难度、保障运营安全，项目首创高海拔隧道“气象选线”的设计理念，在隧址区建立了2套自动气象观测站，在海拔3 800～5 050 m设立了7个人工流动监测点，开展了历时2年不间断气象监测，实测了隧址区不同海拔高度的气温、气压、含氧量、风向、地温、冻土、降水、积雪等气象要素，得出了气象要素随海拔高度的变化情况，推算了50年一遇的气候值，分析了隧址区存在的主要气象灾害。

通过高海拔寒区越岭隧道“气象选线”方法的应用，雀儿山隧道在海拔4 200～4 600 m内2个走廊带、7个隧道轴线方案中，充分考虑地形、地质、气象等条件，结合隧道洞口地形、造价、运营安全等因素，最终采用隧道长度7 079 m、海拔高度4 373 m的ⅠA轴线方案，洞口选择在相对场地开阔的台地上，洞口段轴线与洞外自然风主风向大角度相交，有效避免了风吹雪、雪崩等气象灾害。

图4 雀儿山轴线方案比选示意图

4.2 高海拔隧道通风海拔高度系数实测与应用

目前隧道通风设计规范中海拔高度系数一般用于2 200 m以下，海拔2 200 m以上作直线延伸。为获得隧址区准确的海拔高度系数，项目组多次往返成都至雀儿山垭口实测海拔400～5 050 m的汽车尾气排放量，取得基础数据5 000多组，建立了高海拔隧道通风海拔高度系数计算方法，明确了适用于海拔5 000 m的隧道通风计算新标准，填补了高海拔隧道海拔高度系数技术空白，为高海拔隧道施工及运营通风、制氧供氧提供了有力的技术支撑。高海拔隧道通风海拔高度系数修正如图5所示。

(a) 考虑CO的海拔高度系数 (b) 考虑烟雾的海拔高度系数图5 高海拔隧道通风海拔高度系数修正

1)在施工通风设计中的应用。应用实测烟雾海拔高度系数计算可知，独头压入式通风无法满足距离洞口1 100 m以上的作业环境要求。测试发现双通道巷道式通风较单通道巷道式通风节能约17%，三通道巷道式通风较单通道巷道式通风节能约25%。考虑到通风系统布置要求，现场在海拔1 000～3 600 m段采用单通道巷道式通风，海拔3 600～4 400 m段采用双通道巷道式通风时，保证了洞内良好的施工环境。

2)在运营通风设计中的应用。在雀儿山隧道运营通风计算中，隧道通风由稀释CO控制，采用实测海拔高度系数，可减少射流风机20台，通风总功率降低654 kW。

4.3 高海拔隧道综合抗防冻设计技术

雀儿山隧道隧址区属典型的高原山岭高寒气候，气候寒冷，气温日差较大，随海拔高度增加气温降低、积雪及结冰日期增长、积雪厚度增大、气象条件越恶劣。隧址区最大冻土深度为143 cm，最冷月平均气温为-9.5 ℃，隧道抗防冻是保障隧道安全运营、提高隧道使用寿命的关键。

冻胀是产生冻害的前提，但并非所有冻胀都导致冻害。从对冻胀是否容忍的角度，工程措施上可分为防冻技术和抗冻技术2类。温度、围岩和水文条件是隧道冻害产生的基本三要素，隧道抗防冻技术措施主要针对这三要素来消除或减小冻胀程度，进而解决隧道的冻害问题。

4.3.1 隧道衬砌结构保温设计

综合考虑了黑川希范公式计算值、隧道通风和地下水流速影响，并参考鹧鸪山隧道、昆仑山隧道和风火山隧道的保温设防段长度设计，雀儿山隧道确定主洞和平导洞口保温段长度分别为850 m和1 050 m，保温层敷设方式采用贴壁式，保温材料为5 cm厚的聚酚醛材料。雀儿山隧道衬砌结构保温设计如图6所示。

图6 雀儿山隧道衬砌结构保温设计

4.3.2 隧道衬砌结构抗冻设计

为提高雀儿山隧道衬砌结构抗冻性能，对洞口地下水丰富段落采用周边注浆处治，加固围岩的同时封堵地下水向隧道周围渗透的路径；同时在隧道主洞及平导洞口保温防冻段(主洞850 m、平导1 050 m)二次衬砌中掺加纤维素纤维提高混凝土的抗开裂和抗渗性能。雀儿山隧道抗冻注浆设计如图7所示。

图7 雀儿山隧道抗冻注浆设计 (单位：mm)

4.3.3 隧道防排水系统设计

雀儿山隧道洞口500 m范围设置深埋中央排水管，排水管埋于仰拱下方，保证管内水面低于最大冻结深度，并加密设置墙背环向和隧底横向排水管，管内水通过保温出水口排泄至地表；洞口段设置较大纵坡，增加排水效率，防止隧道周围地下水冻结淤积；采用背贴式、中埋式止水带处理接缝。雀儿山隧道防排水系统设计如图8所示。

(a) 隧道洞口段防排水系统与深埋中央排水沟(单位：mm)

(b) 保温出水口图8 雀儿山隧道防排水系统设计

4.3.4 隧道洞口防雪棚设计

雀儿山隧道主洞洞口外各设置1处防雪棚，以保障车辆进、出洞安全。防雪棚采用独立扩大基础，型钢支架，上覆半透明玻璃钢材料，兼有防雪和遮光的效果，有效缓解了驾乘人员的“黑白洞”效应。隧道洞口防雪棚如图9所示。

图9 隧道洞口防雪棚

4.4 高海拔隧道施工制氧供氧技术

4.4.1 高海拔隧道施工供氧标准

随着海拔高度增加，大气含氧量降低，人员和机械施工效率下降，甚至威胁施工人员的生命安全，因此高海拔隧道施工需要采取制氧供氧措施。基于系列高海拔隧道气象监测和现场人员检测，利用等效气管氧分压理论计算获得高海拔公路隧道缺氧程度分级指标，见表1。结合不同劳动强度施工人员健康监测，提出从事较大劳动强度的人员和室内办公人员供氧标准宜分别控制在2 800 m(气管氧分压13.72 kPa)和3 500 m(气管氧分压12.44 kPa)，可得出不同海拔高度不同劳动强度人员的供氧量。

表1 高海拔公路隧道缺氧程度分级指标

4.4.2 高海拔隧道施工制氧供氧措施

1)推荐采用PSA制氧技术对隧道施工工作区、生活区进行供氧。

2)结合隧道施工人员分布特点，高海拔隧道施工供氧方式包括鼻吸式供氧、移动式氧吧供氧、弥散式供氧。高原反应强烈时宜选择鼻吸式供氧方式，室内工作和睡觉休息宜选择弥散式供氧方式，隧道内施工根据工作区域不同可选取局部弥散式供氧和移动吸氧车等方式。

4.4.3 高海拔隧道施工制氧供氧应用

雀儿山隧道采用办公生活区鼻息与弥散供氧组合，隧道内施工区局部弥散式供氧，并配备移动吸氧车供氧，隧道洞内设置移动式应急救援车，隧道洞口设置高压氧舱满足危重病人的应急救援，运输车辆司机在车上备用鼻息式吸氧器。现场施工过程中，通过对隧道掌子面弥散式供氧区的气压和氧含量进行检测，气压为60.19～60.93 kPa，氧含量为23.84%～25.56%，是原氧含量的1.18倍，推算出经弥散供氧后空气中氧气质量为210.954～213.493 g/m3，达到了海拔2 800～3 000 m的氧含量标准。人体血氧含量均达到90%以上，满足人体需氧量要求，在5年施工期间未出现因高原反应导致的人员伤亡事件。雀儿山隧道施工制氧供氧体系如图10所示。

图10 雀儿山隧道施工制氧供氧体系

4.5 地热资源利用技术

雀儿山隧道出口附近温泉群出露，距隧道洞口直线距离约700 m，高差约200 m，温泉总流量为4.93 L/s，温度为63～72 ℃。根据水质分析报告，温泉水呈弱碱性，水质满足混凝土施工用水要求，可用于生产施工、生活洗漱等。

4.5.1 隧道施工期间地热资源利用

雀儿山隧道地处高原高寒地区，冬季施工时间长，利用温泉热能为隧道施工提供了稳定的热源，改善了工作和生活环境，有效提高了施工效率。经测算，项目总共节约标准煤2 360 t，减少项目成本272万元，保障了隧道施工质量和按期完工。

4.5.2 隧道运营期间地热资源利用

高海拔隧道洞口段冰雪堆积，路面湿滑，易导致交通事故发生，因此利用温泉热能对路面进行加热。通过雀儿山隧道现场试验及理论计算，确定布置参数为管道直径2 cm，每幅宽度4.0 m，长度5.0 m，管道间距40 cm，管道埋深12 cm。在雀儿山隧道出口125 m路面进行了成果应用，通过隧道运营通车后持续监测可知，温泉加热起到了良好的冬季除路面冰雪效果。利用温泉热能消除路面冰雪灾害如图11所示。