经典项目
太原至古交高速公路西山特长隧道
来源:    日期:2016/10/26 16:28:07    点击:

1项目概况

西山特长隧道是太原至古交高速公路的重点工程,太古高速公路是山西省高速公路规划网“3纵12横12环”高速公路网中15条连接线的重要组成部分。

起点位于太原市万柏林区袁家庄,接太原西北环高速公路,终点设于古交市河口镇,接规划中的太原市西二环高速公路。西山特长隧道全长13.654公里,为分离式隧道,是我国公路第二长隧道,居亚洲第二长、世界第四长。该隧道是我国第一座由公路设计院设计的最长公路隧道,也是目前第一座由一个设计院独立完成全部专业设计的最长公路隧道。

太古高速公路全长23.404公里,西山特长隧道为分离式隧道,左线长13654m,右线长13570m。隧道共设2个斜井、2个竖井,车行横通道17个,人行横通道35个,紧急停车带34个,驾驶疲劳缓冲区2处,隧道管理站2处,救援广场2处。

太古高速公路预算总金额为284605.6万元,单洞平均每公里造价为5348万元。

2、技术标准

西山特长隧道长13.654公里,设计速度为80公里/小时,设计汽车荷载采用公路—Ⅰ级,设计洪水频率为1/300,其余技术标准按照交通部颁发实施的《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)执行。

3、工程特点

(1)地质极其复杂

隧址区地质条件极其复杂,隧道围岩以奥陶系中统上马家沟组中~厚层状石灰岩为主,产状平缓,倾角较小,主要为水平层围岩,断层、岩溶、煤层、瓦斯、煤矿采空区、膨胀性围岩、岩爆、涌水等不良地质共存,地质复杂程度在国内少见。隧址区共发育断层17条;1号斜井和1号竖井均穿越煤层、采空区,为瓦斯工区;含水岩组通过渗漏形成比较集中且水量较大的突水、涌水。

(2)设置了陡坡斜井

西山特长隧道长度较长,为了满足隧道施工和运营通风要求,需在隧道中间布设两个斜井。由于隧道中间高差较大,最小高差约320米,设置满足汽车运输的缓坡斜井,长度在3公里左右,存在施工工期长、对隧道施工作用较小、运营风道长、造价高等不利因素。设置25°(46.6%)的陡坡斜井,长度为763米,可规避缓坡斜井存在的缺点,满足规范及工程要求。经过综合分析比较,设计为陡坡斜井。

4、   技术创新

(1)隧道空间布局最优

西山隧道地质条件极其复杂,隧道区域断层、岩溶、煤层、瓦斯、煤矿采空区、膨胀性围岩、岩爆、涌水等不良地质共存,地质复杂程度在国内少见。如何避让不良地质,合理布设线位,减小工程规模,保证工程结构安全和运营安全是本项目隧道路线设计的主要技术难题。

隧道路线设计中采用地质选线法,采用多种线型(S形等曲线),提高线型的连续性;注重平纵线型配合,提高线型流畅性及与周围环境的协调性。

主要采用以下措施:

             采用航测成图和RS(遥感系统)技术结合工程地调和钻探准确判断和掌握项目沿线主要不良问题。

             在路线中桩放线、水准测量、横断面测量上采用GPS(全球定位系统)的RTK(实时动态测量)技术准确快速采集了地形标高。

      利用GIS(地理信息系统)、DTM(数字地面模型)方便迅速进行了路线多方案比选。

(2)方案最优化,工程造价低

根据项目沿线工程地质条件、地形条件、路线纵坡并结合国内外隧道设计和施工经验,本着因地制宜和经济合理的原则,选择合理的路线方案。在勘察中发现工可推荐的高坡方案(4座隧道群通过)隧道围岩约有超过2/3通过遇水极易膨胀、物理性质极差的泥灰岩地层问题,大胆提出低坡方案(1座隧道通过),路线线位下调了60米(第一批钻孔由于深度不够需废弃重钻),使隧道通过泥灰岩地层的比例由原来的2/3降为1/5,大幅改善了围岩条件,降低了工程投资和施工风险。

(3)地质极其复杂,专项针对设计

西山特长隧道位于吕梁山脉东翼的石千峰山北麓,地貌特征属中低山区,地形复杂、山势陡峻。隧址区地质条件极其复杂,隧道围岩以奥陶系中统上马家沟组中~厚层状石灰岩为主,产状平缓,倾角较小,断层、岩溶、煤层、瓦斯、煤矿采空区、膨胀性围岩、岩爆、涌水等不良地质共存。针对各种不良地质情况,均进行了专项设计,施工时采用地质超前预报及超前导坑等技术手段对隧道前方地质情况进行预判,并根据预报资料、现场测量数据和开挖围岩情况实时观察分析,进行了动态设计,确保了工程的顺利进行。

(4)全封闭衬砌封堵瓦斯

煤层及含瓦斯地层段在要求施工做好瓦斯探测工作,制定瓦斯稀释、防爆、紧急救援措施的基础上,采用了全封闭式衬砌结构,防水板全环向铺设,施工缝全环向设膨胀型橡胶止水带的技术方案。同时,对建筑用材作了相应的规定,并在混凝土中掺抗透气型防水剂,提高混凝土的密实性和抗渗性,以防瓦斯溢出。上述技术措施,确保了工程的顺利进行。

(5)断层破碎带,设计、施工多样化

断层及断层破碎带富集区段落(共17条断层),采用双侧壁导坑法或三台阶法施工,加强了衬砌结构,断层段落两端均设置变形缝。对于有涌水、突水可能的断层采用帷幕注浆加抗水压结构通过,确保了工程的顺利进行

(6)设置陡坡斜井,采用有轨运输

根据西山特长隧道施工和运营通风要求,需在隧道中间布设两个斜井。由于隧道中间高差较大,最小高差约320米,设置满足汽车运输的缓坡斜井,长度在3公里左右,存在施工工期长、对隧道施工作用小、运营风道长、造价高等不利因素。设置25°(46.6%)的陡坡斜井,长度为763米,可规避缓坡斜井存在的缺点,满足规范及工程要求。采用整体式有轨运输,布设两条出碴运输线,一条人、料运输线,使陡坡斜井的综合功能发挥到最佳。

(7)紧急停车带与车行横洞关联设置

紧急停车带与车行横洞关联布设,使车辆的转弯半径最大化,使车辆尤其是大型车辆能更顺畅的进、出车行横洞。保证了在特殊工况下,车辆疏导的顺利进行,人、车疏散时间减少,为减小隧道火灾或事故造成的损失,在时间上提供了有力的支持。

(8)设置横通道变电站

在车行横通道内设置7座变电站,最大限度的减少了电损,节约了能源。横洞变电站的设计为本隧道的一个亮点,也是在我省特长公路隧道中的首次采用。

(9)运用数值模拟和物理模型手段优化通风通道设计

通过数值模拟和物理模型对部分通风方案进行验证,修正了送、排风道的断面,优化斜竖井送、排风口的角度和导流板高度,提高了通风效率,实现了最大化节能。

(10)运用数值模拟手段提出轴流风机最优控制方式

通过数值模拟手段提出正常运营中某区段内送、排风量最佳比例来确定送风机和排风机开启数量,可达到无回流、偏流小的目的,同时,提出不同火灾当量下的最佳排烟临界风速。

(11)设置合理的救援机构,充分贯彻隧道监控系统为消防救援支持和服务的理念

坚持“以人为本”的设计理念,西山特长隧道在两个洞口各设一处救援站,作为隧道运营后管理和实施救援的场地。隧道监控系统在为隧道正常运营提供监控功能的基础上,同时为消防和快速救援提供支持和服务。2个隧道救援站与隧道管理站之间建立了数据连接,救援站可以直观的看到洞内图像,为救援人员制定更切合实际的救援方案提供了技术支持。

(12)灯光带缓解疲劳

坚持“以人为本”的设计理念,为缓解驾驶员在特长隧道中行驶时间过长造成的疲劳、烦躁、焦虑等不良情绪,在隧道左右洞中间各设置了一处驾驶疲劳缓冲区。驾驶疲劳缓冲区采用LED配色灯具、顶部投光、拱顶喷涂色图案的方式,改变洞中色温、亮度,使司机和旅客可以在隧道中看到一方美丽的天空,有置身洞外的感觉,以愉悦的心情通过隧道。

(13)强化节能设计,降低运营成本

西山特长隧道大力推广了各项节能设计,包括采用数值模拟优化通风设计提高通风效率、采用双功率镇流器高压钠灯节能方案、采用LED应急灯、使车行横洞照明控制回路与卷帘门行程开关联动、使人行横洞照明与红外自动开关联动等各项节能控制技术,减少了运营养护成本。

(14)通风方案合理经济

根据隧道的长度、地形、地质、水文、环境和施工周期等条件综合考虑,最终确定采用2斜2竖的4井方案,使施工工期、运营和逃生救灾等问题得以合理解决。在整个方案设计过程中,先后8次自行邀请全国十余家单位的土建、地质、机电、消防等方面的专家研究论证西山隧道的相关设计方案,保证了设计方案的合理可行。

(16)保护环境,洞口与自然相融

太古高速公路穿越吕梁山脉,隧道出口紧贴山崖,斜交进洞,线位布设及其困难。若采用路基通过,会形成70米的高边坡,破坏自然环境,且高边坡有坍塌和落石的可能,影响施工和运营安全。通过精心设计、合理布局,力求推陈出新、结构安全经济、施工简单便捷,兼顾景观设计。采用棚洞形式通过,基础采用桩基础,并配合SNS柔性防护网对洞口边仰坡进行防护,在不破坏原有植被、环境的基础上保证了施工和运营安全,使车辆通行顺畅自如。

(17)采用钢纤维混凝土,提高路面性能

隧道路面采用抗裂型钢纤维混凝土路面,提高了路面的使用耐久性、行车舒适性,全面改善和提高了路面的技术性能和路用性能。避免路面因衰减较快提早进入维修期,从而降低养护费用,同时减少交通事故的发生率。

(18)利用隧道弃渣,创造经济效益

西山特长隧道长13.6公里,隧道弃渣量约360万方,如果采用弃方,不仅工程量大且对环境破环大。设计中对隧道弃渣进行了综合利用,隧道弃渣分类后,广泛用于圬工砌筑(防护、排水工程、涵洞砌筑)、路基填筑(软地基处理、仰拱回填、桥背回填等)、筑路材料再加工(碎石、机制砂等)等多个方面;共利用隧道弃渣180万方,很好地解决了隧道弃渣存放及破坏环境的问题

5、获奖情况

项目获2014年度公路交通优秀勘察一等奖、2014年度公路交通优秀设计三等奖、2014年山西省优秀工程设计一等奖、2014年山西省优秀工程勘察二等奖。