寒区超特长公路隧道总体设计方案研究

兰富安，蔚艳庆

（1.四川乐西高速公路有限责任公司，四川成都 610000；2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610000）

0 引言

随着公路网向地形地貌陡峻、地质条件复杂的西部艰险山区延伸，线路桥隧比例急剧增加。合理规划路线方案是山区高速选线的关键，特别是长大隧道平面位置、越岭高程的选择，关乎全线路线方案和平均纵坡，可以有效节约成本，践行绿色环保交通理念，实现全寿命周期的设计理念。

乐山至西昌高速公路位于四川省以南的乐山市、凉山州境内，大凉山1 号隧道长度超过10km，是乐西高速马边至昭觉段的重大控制性工程之一。本文以大凉山1 号隧道为依托，研究长大隧道的总体设计方案。

1 工程背景

大凉山1 号隧道采用高速公路技术标准，设计速度为80km/h，隧道长15.324km，设置1 座贯通平导+1 座斜井。

图1 大凉山1 号隧道平面线位

图2 大凉山1 号隧道断面布置型式

1.1 地质条件

地质条件复杂，构造发育。大凉山1 号隧道隧道主要地质构造为两背斜+一向斜，并伴生F1、F2 两条逆断层，隧道穿越断层破碎带、突涌水段、瓦斯地段、软岩大变形段和岩溶地段，其中黄果洛向斜四周高、中间低，似一口“平底锅”，是储水构造，涌突水风险极高，向斜段正常涌水量达32179m3/d。隧道穿越了多套地层，从老到新依次为玄武岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩等。

图3 大凉山1 号隧道地质纵断面

1.2 环境条件

隧道紧邻大风顶国家级自然保护区、四川省嘛咪泽自然保护区，对隧道选线存在很大限制。大凉山1 号隧道从嘛咪泽自然保护区试验区通过，隧道进口端约8km 无法设置施工作业面。

2 总体设计方案比选

乐西高速路线由北向南随地形起伏形成两条越岭线（黄茅埂越岭线、昭觉北上山线）三段连续长纵坡，海拔高度按照坡底→坡顶→坡底→坡顶的顺序依次为马边河特大桥约640m、穿越黄茅埂的大凉山1 号隧道约2290m、子莫格尼特大桥约1564m、昭觉县菩提约2090m，大凉山1 号隧道为乐西高速全线最高的一段，因此大凉山1 号隧道进出口标高的选择与越岭线越岭标高的选择相关联，如图4 所示。

为深入研究大凉山1 号隧道的越岭高程，设计团队拟定了高线、中线、低线四个路线方案进行比选。

从全线连续长纵坡坡度、积雪冰冻、环境保护、互通设置、环境因素等多方面进行比选，提出最优方案，如图5 所示。

图4 乐西高速全线纵断面

图5 大凉山1 号隧道轴线方案比选

2.1 轴线方案

黄茅埂越岭线北坡（马边至大风顶段）不具备降低设计标高的条件，平均纵坡可采取迂回展线方式减缓，仅进口端的谷堆乡路段（坡顶台地）具有小幅降低的可能性。拟定高线和低线2 个高程方案。

黄茅埂越岭线南坡（主要指美姑县城过境段─大凉山1 号隧道出口至大凉山2 号隧道进口段）受南北展布地美姑县城及其远景规划，以及美姑河河谷地形深切影响，大凉山1 号隧道出口具备大幅降低设计标高的条件，平均纵坡可采取降低大凉山1号隧道出口设计标高的方式减缓。因此大凉山1 号隧道出口端拟定了高线、中线、低线四个高程方案。

表1 大凉山1 号隧道各方案隧道规模及高程

2.2 方案比选

2.2.1 高程方案比选

黄茅埂越岭线北坡段：大风顶隧道出口至大凉山1 号隧道进口段处于黄茅埂越岭线北坡的顶部区域和积雪冰冻为“严重”的地区，且位于嘛咪泽省级自然保护区的实验区内，B9 线方案降低了进口高程，有利于谷堆互通的布置和长大纵坡安全检查站及隧道应急救援站的设置，不仅可全天候确保乐西高速超特长隧道和长大纵坡的运营安全，对穿越实验区的环境影响也较小。

黄茅埂越岭线南坡段：K 线方案的平均纵坡及坡长为2.06%/20415m，B9 线方案的平均纵坡及坡长为1.92%/13562m。B9 线方案降低了谷堆互通、美姑互通与既有县道的高程，便于周边乡镇上下高速及互通的设置。

因此，降低大凉山1 号隧道出口段标高，采用B9 线方案，可减缓连续长纵坡的平均纵坡，利于行车安全。

表2 大凉山1 号隧道进出口标高选择

2.2.2 积雪冰冻

黄茅埂越岭线北坡段：高线方案和低线方案均处于冰雪灾害严重影响路段，但B9 线方案平均纵坡较小，明线长度较短，有利于运营安全。

表3 大凉山1 号隧道进口段主要技术指标

黄茅埂越岭线南坡段：高线方案K 线两隧道洞口之间海拔高度为2275～1856m，均受积雪冰冻影响。B9 线方案两隧道洞口之间海拔高度为1990～1767m，位于轻度影响路段。

表4 大凉山1 号隧道出口端积雪冰冻影响程度

B9 线方案进出口设计标高大幅降低后，不仅大大减轻了积雪冰冻影响，缩短了冰雪灾害路段的长度，而且减缓了黄茅埂越岭线南坡的平均纵坡。

2.2.3 地形条件

阳山坡较阴山坡较优，东西向的路线易布置在朝南的山坡，南北向的路线宜布置在朝东南—西南的山坡，因为阳山坡一般积雪历时短、消融较快，积雪对路线危害程度是比较轻的。

B9 线方案和B10 线方案路线布置在阳山坡，K 线方案和B5线方案路线布置阴山坡，因此B9 线方案和B10 线方案利于行车安全。

图6 地形条件与路线方案的关系

2.2.4 环境保护影响分析

根据规划，该路段东西走向的乐西高速与南北布局的嘛咪泽省级自然保护区和大风顶国家级自然保护区存在交叉关系。若采用明线长度短、填方区以路基为主、互通方案紧凑及互通连接线短的B9 线方案，则占用实验区土地面积可控，与K 线方案相比，B9 线方案线位更靠近谷堆乡居民区，将大大减轻人类活动对保护区动植物的影响。

2.2.5 美姑互通设置条件

美姑县城出行方式主要以汽车为主，县城道路较窄，通行车辆较多，县城内通行压力较大。

B9 线方案美姑互通方案连接线与S103 衔接，避免上下高速车辆对县城交通干扰。

K 线方案美姑互通方案连接美姑县环城路，环城路路况较差，互通设于此处会造成美姑县进出城交通压力增大，交通组织困难。

因此B9 线方案与地方规划契合度更好。

图7 地方规划与路线方案的关系

2.2.6 建设条件

大凉山1 隧道由隧道进口至出口主要构造行迹依次为斯依阿莫倒转背斜、黄果洛向斜及哈都洛背斜，K 线方案地质条件相对简单，B9 线方案和B10 线方案地质条件较为复杂。

表5 大凉山1 号隧道地质构造对照

2.2.7 比选结论

结合地形地质条件，B9 线方案对改善安全行车条件和减小对保护区影响其成效十分显著，主要体现在进口端由最大填高50m 降低至26m，路线远离自然保护区，在谷堆互通采取路堤方式填筑既消化大量洞渣，又减轻全线海拔最高区域“暗冰”的危害；出口积雪冰冻影响路段减少和平均纵坡减缓上，提高行车的安全性，同时避免上下高速公路车辆对美姑县城交通的干扰。

3 平导方案比选

3.1 交通量及交通组成（见表6）

表6 交通量预测结果 单位：pcu/d

3.2 隧道通风斜井的边界条件

3.2.1 隧道进口8km 范围内

隧道前段穿越龙头山，山体浑厚，属于四川省嘛咪泽自然保护区。由于环境保护的严格要求，除隧道主洞洞口外，在保护区无法再设置其他通风井口，隧道进口端约8km 范围内只能设置平行导坑，平行导坑的洞口与主洞设置在同一处。

3.2.2 隧道出口7km 范围内

隧道出口7km 范围内位于嘛咪泽自然保护区范围外，同时隧道轴线距离县道X163 距离较近，斜井洞口施工条件较好，具备设置斜井的条件。

3.3 通风斜井方案比选

结合大凉山1 号隧道的地形及地质条件，拟定3 个通风方案进行经济技术比选。

方案一：进口端设置3km 平导，出口端设置2 座斜井，组成3区段斜井送排式通风。

图8 3km 平导斜井分段

方案二：进口端设置8km 平导，出口端设置2 座斜井，组成3区段斜井送排式通风。

图9 8km 平导斜井分段

方案三：全隧道设置15.3km 贯通平导，出口端设置1 座斜井，组成2 区段斜井送排式通风。

图10 贯通平导斜井分段

大凉山1 号隧道为超特长隧道，隧道斜井的选择应兼顾规模、工期、防灾救援等方面进行综合必选。

表7 大凉山1 号隧道地质构造对照

方案一（3km 平导）投资节约，但黄果洛向斜涌突水风险高、工期不可控。

方案二（8km 平导）利用超前平导降低了工期风险，但平导利用效率较低。

方案三（贯通平导）投资最高，降低了工期风险，同时隧道平均纵坡较小，社会耗能更低。在隧道左右线之间设置贯通平导，救援车辆能快速到达事故点，将救援车辆到达事故点时间缩短到常规模式的1/4，排烟距离由5000m 缩短至750m，极大地提升应急救援能力。

4 项目实施情况

大凉山1 号隧道采用主洞+平导的断面布置型式，主洞采用钻爆法施工，平导进口端采用钻爆法施工，平导出口端采用TBM法施工，其施工长度详见图11。

图11 大凉山1 号隧道施工工法

大凉山1 号隧道于2020 年3 月开工建设，截至2021 年1月，隧道主洞开挖总进尺1099m，隧道平导总开挖总进尺1318m，隧道斜井总开挖总进尺985m，预计2024 年建成通车。

图12 大凉山1 号现场平面

5 结论

受黄茅埂越岭高程的限制，大凉山1 号隧道的轴线选择综合考虑了地形条件、运营安全、环境条件等方面因素，最终选择超特长隧道方案，既保障乐西高速的运营安全，也遵循绿色交通可持续发展理念。研究取得了以下结论。

（1）结合省内雅安至西昌高速公路的运营情况，该高速公路海拔最高的拖乌山路段冬季常常受积雪灾害影响，无法全天候行车。大凉山1 号隧道轴线方案的选择首先考虑后期的运营安全，选择海拔高度最低、隧道最长的轴线方案，该方案有效地降低了全线的平均纵坡，缩短积雪冰冻路段的长度，消除中度影响积雪路段，同时明线路段布置在阳山坡，有利于运营安全。

（2）隧道穿越保护区的方案以隧道下穿为主。明线路段尽可能短，以填方路基为主，占地最小，同时B9 线方案更接近谷堆乡居民区，减轻人类活动对保护区动植物的影响。

（3）由于大凉山1 号隧道进口无法在保护区内设置斜井，辅助主洞施工及通风，通过设置贯通平导，实现大凉山1 号隧道快速施工、快速救援、快速疏散、快速排烟的功能。