厦门海沧海底隧道最大纵坡比选

李锋

(厦门路桥工程投资发展有限公司，福建 厦门 361026)

0 引言

海底隧道不受气候条件影响，运输能力强大，已成为世界各国跨海交通的重要方式。海底隧道地质条件复杂、工程投资巨大、风险较高，隧道最大纵坡的合理选择是海底隧道前期方案研究的中关键，直接影响到整个隧道工程建设的规模、标准、经济性和安全性。隧道最大纵坡设计，不仅要考虑施工期间的地质、风险和工期等，还需考虑通行能力、行车安全和通风效率等后续运营管理。因此，合理的纵坡设计方案不仅要保证隧道通行的效率和安全性，也应满足建设、运营的经济性。

在以往的研究中:赵勇［1］在浏阳河隧道关键技术研究中，针对深埋、浅埋两种纵坡方案进行分析，考虑浅埋方案能够节省建设投资、降低施工难度，推荐采用浅埋方案。魏景等［2］基于交通安全对南京长江隧道不同最大纵坡组合的纵断面布置方案进行研究，论证了推荐方案是最优的纵断面布置方案。张志刚等［3］以连接香港、珠海及澳门跨海通道连线工程中的沉管隧道为载体，阐述了公路水下隧道最大纵坡的取值过程，从通行能力、行车安全性、通风性能等论证了该项目隧道进出口段的设计最大纵坡的合理性与科学性。在这些研究中，针对水下隧道最大纵坡的研究主要是基于通行安全、通行效率等因素论证最大纵坡取值的合理性，并没有从隧道的建设、运营以及车辆成本等方面进行综合分析。本文基于全寿命周期理念，对隧道建设和运营的影响因素进行成本比较，并考虑车辆通行成本影响，对海沧海底隧道的最大纵坡选择进行分析，得出海沧隧道的最大纵坡较优取值。

1 海沧海底隧道最大纵坡初步选择

海底隧道最大纵坡的初步选择从以下几个方面入手:首先，纵坡拟定需结合项目交通量情况，符合国内相关设计规范要求;其次，参照国内外已建成的类似工程，使其处于一个合理的取值区间;再次，结合工程的地质情况，纵坡选择应使得工程建设难度处于可控范围。

1.1 工程背景

厦门海沧海底隧道是继中国内地第1条跨海隧道——厦门翔安隧道建成之后，计划建设的另一条跨海隧道，全线采用双向六车道Ⅰ级公路标准建设，兼具城市快速路功能，设计行车速度80 kW/h，采用钻爆法施工方案。隧道地质情况与翔安隧道类似，暗挖段地质以微弱花岗岩为主，下穿海域存在F1，F6等风化槽，风化槽是在海域几条构造破碎带处全－强风化带异常深厚，而形成风化深槽，岩体强度低、自稳能力差，存在发生渗透破坏的可能。受到两端结构物及路网衔接限制，隧道两端洞口的位置已基本确定;同时，从隧道结构安全角度，还应满足最小覆盖层厚度要求。总体上，本项目客观条件对纵坡设计限制极大，工程实施难度较大，因此选择合理的隧道最大纵坡对隧道建设及运营具有重要的意义。

1.2 相关规范要求

国内相关公路及隧道设计规范［4－6］规定:隧道纵坡一般不应大于3%;当条件受制时，可适当加大，但不宜大于4%或5%;当采用较大纵坡时，必须对行车安全性、通风设备和营运费用、施工效率等做充分的技术经济综合论证。

交通运输部拟颁布的《公路水下隧道设计规范》中提出水下隧道纵断面线形应考虑隧道工法、施工安全、行车安全、工程规模、通风方案、营运费用等方面要求，并应符合下列规定:

1)可根据地形、地质条件设计为“U”形、“V”形、“W”形，但沉管隧道不宜采用“W”形。

2)隧道最小纵坡不宜小于0.5%，最大纵坡不宜大于表1的取值。

表1 水下隧道极限纵坡参考表Table 1 Limits of longitudinal gradients of sub-water tunnels %

1.3 国内外类似工程调研

国内采用相同工法的海底隧道有同区域的厦门翔安隧道，最大纵坡是3%;青岛胶州湾海底隧道，最大纵坡为3.9%，坡长为830 m。国内建成以及在建的水下隧道已经较多，尤其是在上海，水下隧道受控因素较多，国内多数水下隧道最大纵坡取值都较大，除少数水下隧道纵坡能控制在3%以下，多数水下隧道纵坡都大于3%。

在国外，欧美及日本修建的水下隧道较多，其要求［7－8］对隧道最大纵坡的要求较中国的标准较为宽松;根据挪威的统计资料，最大纵坡一般为6%～8%，最大可达10%。但对于大纵坡的隧道，欧洲往往采取交通管制，禁止排污较大的货车、柴油车驶入，或者增大机械通风规模。国内外主要水下隧道情况见表2。

表2 国内外主要水下隧道列表Table 2 Parameters of main sub-water tunnels at home and abroad

1.4 隧道最小围岩覆盖厚度

钻爆方案最小岩石覆盖厚度是影响水下隧道造价和安全的最重要的设计参数之一。足够的最小岩石厚度是保证钻爆隧道工程建设能顺利实施的关键。

采用的方法主要有:挪威经验曲线、顶水采煤经验、隔水岩柱经验及数值分析法等。拟颁布的《公路水下隧道设计规范》提出:隧道顶部覆盖层厚度在硬质岩石地段不应小于1.0D(D为隧道开挖跨度)，软质围岩地段不应小于1.5D。当断层破碎带、风化覆盖层纵向比例较高时，应适当加大隧道埋深，以减少建设风险。本隧道地质情况与翔安隧道类似，海中段多为微风化花岗岩，因此，顶板基岩覆盖层厚度按1.0D进行控制。

根据工程地质勘察成果，海沧隧道海域段基岩面比较高，限制钻爆法岩石顶板厚度的地段主要为两端的F1，F6风化槽处。针对地质条件最不利的左线行车隧道，除两处风化槽外，当最大纵坡为3%时，顶板基岩覆盖层厚度为20～35 m，因此当最大纵坡大于3%时，隧道顶板基岩覆盖层厚度均能满足1倍开挖跨度以上的岩石覆盖层厚度。因此，从工程地质角度，最大纵坡选择的制约因素主要为隧道穿越风化槽的长度。

1.5 最大纵坡的初步选定

受制于海沧海底隧道两端接线条件，结合已通车的翔安隧道运行情况，参考相关规范要求，最初方案的隧道最大纵坡拟以3%进行控制;但随着地质勘探的进一步揭露及深入研究，发现适当提高隧道的最大纵坡，将明显减少隧道穿越的海底不良地质段，当在最大纵坡达3.5%时，隧道可避免直接穿越F1风化槽。风化槽施工是钻爆法海底隧道的控制性施工难点，纵坡加大可减少穿越风化槽的长度，将明显降低施工风险和缩短施工工期;但纵坡加大又将对隧道的行车安全性、运营的通风排水及车辆通行等造成一定影响。因F6风化槽深度大，不管采用何种纵坡，均难以避开，故拟对最大纵坡3%和3.5%进行深入对比研究。最大纵坡3.0%/3.5%，两端接线地质剖面见图1。

图1 最大纵坡3.0%/3.5%，两端接线地质剖面图Fig.1 Geological profile of BZ line and BY line with the maximum longitudinal gradient being 3.0%/3.5%

2 不同纵坡的对比分析

当隧道纵坡取值初步确定后，首先应分析在某纵坡取值下，车辆通行能力及行车安全性是否能得到保证，在此前提下，对隧道进行全寿命周期的建设、运营成本以及车辆运行成本进行对比，通过量化的指标得出比选结论。

2.1 通行能力及行车安全性分析

表3为交通预测值，表4为预测车型比例。

据表3及表4的交通量预测，本项目小型客货车的比例超过90%。相关研究表明［9］:道路的通行能力随着坡度的增加呈现出下降的趋势，但在小型客货车比例超过90%，且最大纵坡不超过4%的情况下，道路通行能力随坡度变化的影响较小。CJJ 37—2012根据《城市道路工程设计规范》经计算分析，2个纵坡条件下，至远景年项目道路可维持三级及以上服务水平，适应该区域的交通需求。

表3 项目各特征年交通量最终预测值Table 3 Predicted traffic volume of the project pcu/d

表4 未来年预测车型比例Tabel 4 Predicted ratios of different types of vehicles in future years %

表5为不同纵坡条件下的最大坡长。从表5可以得到，3%纵坡及3.5%纵坡下的允许最大坡长分别为1 100 m和1 000 m。本项目2种最大纵坡下的设计最大坡长为975 m，能够满足要求。研究表明［10－11］，车辆的速度与平均车速相差越大，即车速分布越离散，事故率就会越高;当速度差大于20 km/h时，事故率上升，路段的安全性降低。基于汽车行驶的动力学和运动学理论分析［12］，本项目两种不同纵坡条件下(按各车型所占比例加权计算平均车速)的平均速度差仅10 km/h左右，能够满足行车安全性的速度差要求。

表5 不同纵坡条件下的最大坡长Tabel 5 Maximum slope length under different longitudinal gradients m

2.2 不同纵坡条件下的风化槽长度

从地质角度出发，不同的纵坡主要影响的区段主要在F1和F6风化槽，采用3.0%和3.5%纵坡时，隧道在2个风化槽段标高差约10 m。

隧道穿越F1风化槽时，采用3%纵坡时，隧道结构顶面岩石覆盖层厚度大部分小于1倍洞径，其中左线隧道K13+500～+700和K13+850～+890段，强风化岩层直接侵入隧道;采用3.5%纵坡时，仅局部地段岩石覆盖层厚度小于1倍洞径，不存在强风化岩层直接侵入隧道的情况，地质条件改善明显。隧道穿越F6风化槽时，采用3%纵坡，约140 m强风化岩层直接侵入隧道，在K14+980附近隧道结构顶面岩石覆盖层厚度仅3.5 m左右。采用3.5%纵坡时，约110 m强风化岩层直接侵入隧道，在K14+980附近隧道结构顶面弱风化岩石覆盖层厚度加大到13 m左右，地质条件得到改善。

不同纵坡条件穿越风化槽围岩级别对比见表6。

表6 不同纵坡条件穿越风化槽围岩级别对比一览表Table 6 Grades of surrounding rock of tunnel section passing through weathering slot under different longitudinal gradient conditions m

2.3 不同纵坡条件对工期及建安费的影响

根据翔安隧道施工经验，风化槽侵入隧道段需要采用超前大管棚+全断面帷幕注浆堵水加固预处理，并采用CRD工法开挖，工程费用高，施工工期长。若风化槽未侵入隧道开挖范围但围岩为V(1)级，施工时可采用超前小管棚对拱顶软弱地层进行注浆加固，采用CRD法开挖。若岩层为III、IV级围岩，采用超前小导管支护，采用台阶法控制爆破施工，施工费用及工期将明显减少。

风化槽段施工是工程的主要风险源，因此，风化槽段的工期必须遵循相关规定严格保障。参照翔安隧道的经验，采用3%纵坡时，控制线路左线F1风化槽段对估计会增加工期300 d以上，F6风化槽段估计会增加工期60 d左右，对工期的影响不容忽视。

根据不同纵坡所穿越的不同风化槽长度，并参照翔安隧道风化槽处理的造价计算，在F1，F6风化槽段，采用3%纵坡时，风化槽处理费用及衬砌加强段费用将较3.5%纵坡方案工程费用增加约5 640万元。

2.4 不同纵坡条件对运营成本的影响

1)通风。通风系统用电量及用电费用估算见表7。计算分析表明，2种不同的纵坡方案对通风影响不大，本项目各个时期通风以稀释烟尘所需风量为主要控制指标［13］。若采用最大纵坡3.5%时，左线需风量较采用最大纵坡3.0%增加4%左右，但是各段风量变得不均衡，其中上坡段增加25%，下坡段减小14%;右线需风量与最大纵坡3.0%时基本相当，其中上坡段增加5%，下坡段减小10%。采用3%纵坡时，估算通风装机容量8 070 kW;采用3.5%纵坡时，估算通风装机容量8 500 kW;采用3.5%纵坡方案将较采用3%纵坡方案多安装16台30 kW的射流风机，工程费用相差约150万。

年运营成本方面，采用最大纵坡3.5%时，费用将增加128万元/年。

表7 通风系统用电量及用电费用估算Table.7 Estimation on quantity and cost of electrical power consumed by ventilation system

2)排水。根据翔安隧道施工期及运营阶段对不同地质段的出水量测试及分析，风化槽地段的出水量远大于普通围岩地段的出水量。由于不同纵坡条件下穿越风化槽的长度及穿越覆盖层厚度的原因，给工程后期运营排水也造成了一定的影响。参照翔安隧道经验，风化槽段主洞出水量约4 m3/(d·m)(翔安隧道左洞五通端主洞F1风化槽，长约70 m，出水量288 m3/d)，弱风化基岩段，岩石强度较高，但由于围岩裂隙的存在，渗水量也较大，主洞出水量约1.2 m3/ (d·m)(翔安隧道右洞翔安端竖井前后，长约700 m，出水量826 m3/d)，一般微风化岩段基岩出水量较少。以此为参照计算，F1，F6风化槽段，采用3%和3.5%纵坡时，每天排水量分别为3 592 m3和2 642 m3，采用3%纵坡每天需多排950 m3水，估算每年需增加抽排水成本40万元。

2.5 不同纵坡条件下的车辆运行成本分析

车辆在不同的纵坡上运行，其运行成本是不一致的，显然，更大的纵坡需要更多的燃油。根据按照费用与效益计算范围口径对应一致的原则，经济费用效益分析汽车运输成本也应作调整。公路条件及交通条件对汽车运输成本的影响主要是燃料、润滑油、轮胎、修理费用等，可以计算出各种纵坡条件下，车型运行成本，如表8所示。

根据特征年交通量和车型比例预测结果，可测算出不同纵坡条件下，隧道全寿命期内车辆运行成本。车辆运行成本在隧道下坡及平坡段基本相当，主要差别在于上坡段，海沧隧道左线海沧端上坡段全长约1.95 km，右线岛内上坡段全长约2.1 km，估算在上坡段车辆总年运行成本如表9所示。

表8 分车型汽车运行费用Table 8 Operation cost of different types of vehicles元/百车·km

表9 车辆特征年年运行成本对比表Table 9 Annual operation cost of vehicles

2.6 不同纵坡条件的全寿命周期成本分析

据以上分析，采用3.5%最大纵坡较采用3%最大纵坡，能一次性减少建设成本5 640－150=5 490万元;但在运营成本方面通风将增加128万元/年、排水将减少40万元/年，合计增加年运营成本约88万/年;因隧道埋深增加，随着通车后交通量增长，车辆年运行成本(CCi)逐年增加。对不同纵坡条件下，进行全寿命周期成本分析［14－15］，计算期按30年，折现率取值8%，同时通风设备使用寿命按15年考虑，采用3.5%最大纵坡较采用3%最大纵坡全寿命周期成本减少5 490－150×2－88×(P/A，8%，30)－2 981万。

3 结论与讨论

本项目以采用3%最大纵坡为基准，当最大纵坡达3.5%时，穿越风化槽的长度将明显减少，施工风险将降低，工期将缩短360 d以上，且能一次性减少建设成本5 490万元，虽在年运营成本方面约增加运营成本约88万/年，且隧道埋深增加造成车辆运行成本增加，但按全寿命周期内计算建设、运营成本及车辆运行成本，全寿命周期成本减少约2 981万元。因此，本项目最大纵坡拟选择3.5%。

目前隧道的全寿命周期成本比较方案尚未有一个通行的模式，本文仅考虑纵坡变化对风化槽穿越长度的不同所造成的建设成本和预测的年运营成本进行了对比，而对于不同纵坡带来的车辆运行成本也进行了简化对比，对于其他影响因素，如工期变化、施工期通风排水等需要量化的指标，对成本的影响并未有更深的涉及。隧道的全寿命周期成本分析，需要进一步进行总结计算模式，为决策提供依据。

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