山区高速公路短隧道与深挖边坡方案比选研究

林伟弟

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司,广东 广州 510507)

0 引 言

在山区高速公路工程的建设过程中，由于山区地质单元较为复杂，经常会穿过不同的地形地貌，在路线方案基本确定的情况下，局部路段不可避免地出现方案的优选与替代。尤其是高速公路的发展，中短隧道和深挖路堑方案的优选现象将越来越普遍。对于工程决策者来说，如何选择一个经济合理、安全可靠的穿越山体方式，就是要从中短隧道和深挖路堑中选择一种工程造价低，技术安全可靠，对生态环境和社会影响较小的方案。

按规范[1]规定：“是否采用隧道方案应综合考虑社会、经济、环保、地质、工程造价等因素进行比选。当路基设计中心线处开挖深度达30 m 时，应进行短隧道和深挖路堑方案的比较，比选不仅考虑建设成本及施工难度，还要考虑通车后车辆的行驶安全、行驶费用，以及运营管理和养护维修的费用”。

近些年来，许多专家学者对深路堑与隧道方案进行了较多的研究，并取得了一些有实际意义的成果。

徐向叶等[2]从运营安全和养护费用角度考虑，对山区高速铁路深路堑和隧道进行了综合比较，提出当开挖高度大于40 m时，隧道与深路堑的施工难度基本相同，但其运营养护费用比深路堑低。

王险峰[3]从工程经济角度对路堑与隧道工程可替代方案的费用进行分析，得到在山岭重丘区，当软质岩石或强风化硬质岩石挖深大于28 m，微、弱风化硬质岩石挖深大于34 m时，应考虑采用隧道方案的技术可行性。

赵文彦[4]基于生态环境与深路堑、短隧道的关系，提出在山区高速中，综合经济、技术与生态各方面因素进行对比，才能够将公路建设对生态环境的影响减小到最低程度。

伴随着社会的不断发展，人们对安全和环保的要求不断提升，同时公路事业的进一步发展，公路等级要求也随之提高，以及向山区发展的战略目标，深挖路堑边坡与隧道方案选择上将是一个重要课题，如何在环境保护与公路建设间寻找平衡点，合理选择深路堑与短隧道通过方式意义重大。

1 项目概况

武(汉)深(圳)高速公路仁化至博罗段第A5合同段，路线起点桩号K432+500，终点桩号K483+485.95，路线总长50.919 km。其中(K474+000～K483+500.4)采用设计速度100 km/h的双向六车道高速公路标准建设，路基宽33.5 m。

全线共设置大桥9 212.1 m/25座，中桥482.45 m/8座；涵洞125道；长隧道2 778.5 m/2座；互通立交5处；桥梁占路线总长的比例为19.04%，隧道占路线总长的比例为5.46%，桥隧比例为24.50%，全线计价土石方1 767.2万m3，其中挖方1 290.8万m3，填方1 007.4万m3。

2 典型工点水文地质条件

2.1 地形地貌

K475+000～K476+000路段，地处低缓丘陵，地形起伏较大，坡体地面标高约75～179 m，自然坡角最大约40°，线路走向206°，边坡倾向296°。山体植物茂密，种植桉树及各种灌木、蕨类植物。

2.2 地层岩性

根据地质勘察资料及野外地质调绘成果，该路段主要由第四系坡残积粉质黏土和侏罗系花岗片麻岩、燕山期花岗岩及其风化层组成。

2.3 地质构造

根据工程地质调绘成果，坡体第四系覆盖层及全～强风化层较厚，植被发育，坡体范围未测得地层结构面产状。

2.4 水文地质概况

该路段所在地区气候温和，雨量充沛，地表径流对边坡坡面坡脚的冲刷较大。地下水主要补给来源为大气降水。地下水主要类型为基岩裂隙水及孔隙水。孔隙水主要赋存于第四系松散层中，孔隙含水量随季节变化；基岩裂隙水赋存于岩石裂隙中，其赋水性及透水性极不均匀。地下水通过侧向渗流向沟谷流出或蒸发。

勘探期间在钻孔深度内未发现地下水。

3 方案比选研究

3.1 短隧道方案

结合隧址区前后复杂的地形、地貌，初步设计阶段，K475+000 ～ K476+000路段设置梅垄隧道(连拱)，全长304 m；采取自然通风并设置照明设施等。隧道洞身选择三心圆曲墙式衬砌断面，承载能力较好，主洞尺寸拱顶为110°圆弧，半径R1=840cm，左右侧墙为半径R2=505 cm 的弧面墙，洞门采用削竹式。

在K475+450处布设企山大桥(7×25,P.C.小箱梁)，如图1、图2所示。

图1 K475～K476路段路线平面方案示意图

图2 K475～K476路段路线纵断面示意图

隧道衬砌采用新奥法原理设计，复合式衬砌。施工主要采用先墙后拱的三导坑方法，先开挖作业一侧隧道，间隔一段时间再施工作业另一侧隧道。在两侧边墙处设侧导坑，中墙处设置中导坑，导坑的断面尺寸依据隧道起拱线以下墙部轮廓尺寸，综合导坑支护方案和内层模筑衬砌钢筋作业、隧道初期支护架立钢架及施工需要拟定。

风险评价：在隧道洞口处有两条小型断层分布及山体较陡，土体易产生滑坡，对其隧道出口的斜坡的稳定性影响较大，洞口位于坡残积土斜坡上，在斜坡坡脚处深切，将直接影响洞口斜坡的稳定。隧道洞口开挖后在洞顶形成的仰坡稳定性较差；浅表岩层风化卸荷裂隙发育，易发小型崩塌，隧洞开挖可能发生掉块或洞口坍塌现象。

3.2 深路堑方案

由于地形、地层形成严重偏压，短隧道埋深浅、围岩较差，隧位结构受力复杂，隧道结构要具有一定的刚度，必要时需采取预注浆加固地层。通过综合研究分析，对纵断面进行优化，取消了梅垄隧道，改为深挖路堑方案，如图3、图4所示。

图3 K475+665～K475+995路段路堑边坡立面图

图4 K475+665～K475+995路段路堑边坡横断面图

(1) 根据本段山坡地形起伏大的特点，在保证每级边坡开挖施工自身稳定的前提下，尽量采用适应地形的坡率，使边坡设计合理化。

(2) 边坡附近地形变化较大，局部坡顶陡峭，两侧平缓或反坡，钻孔揭露基岩出露于一～二级平台，设计在坡脚采用陡坡率，上部采用宽平台缓坡率，减少加固措施，边坡以自稳为主，第一至第三级坡率为1∶0.75，第四至第六级坡率为1∶1.0。

(3) 本着“固脚强腰”的设计原则，采用适当的加固防护措施，合理布设，既保证边坡稳定，同时又注重与环境协调美观。

①一级：K475+706～K475+772、K475+846～K475+924段采用4排锚杆格梁加固，锚杆长8 m，格梁内6 cm客土喷播防护。其余坡面采用6 cm客土喷播防护。锚杆钻孔直径130 mm，锚杆采用φ32 mm的HRB400钢筋。锚杆长8m，设计抗拔力为60 kN，锚杆长11.5 m，设计抗拔力为90 kN，采用一次注浆，灌注强度为M30的水泥砂浆，注浆压力不小于0.6 MPa。

②二级：K475+724～K475+772、K475+815～K475+888段采用4排锚杆格梁加固，锚杆长11.5 m，格梁内6 cm客土喷播防护。其余坡面采用6 cm客土喷播防护。

③三级：K475+773～K475+839段采用4排锚杆格梁加固，锚杆长11.5 m；K475+742～K475+772段采用3排预应力锚索框梁加固，锚索长22 m，锚固段长10 m，梁内6 cm客土喷播防护。其余坡面采用6 cm客土喷播防护。预应力锚索钻孔直径φ150 mm，锚索体采用4束φ15.2 mm，标准抗拉强度为1 860 MPa的高强度、低松弛的普通预应力钢绞线编制。锚固段长10 m，锚索设计张拉力400 kN，锁定拉力为480 kN。采用一次注浆，灌注强度为M30的水泥砂浆，注浆压力不小于1.0 MPa。

④四级：K475+758～K475+818段采用3排预应力锚索框梁加固，锚索长22 m，锚固段长10 m，梁内三维网植草防护。其余坡面采用三维网植草防护。

⑤五级：K475+767～K475+809段采用4排锚杆格梁加固，锚杆长11.5 m，格梁内三维网植草防护。其余坡面采用三维网植草防护。

⑥六级：全坡面采用人字形骨架三维网植草防护。

(4) 采用有效的排水措施，疏排边坡地下水及地表水，增加边坡的稳定性。

为进一步研究分析深路堑边坡的稳定性，选取了K475+780左侧断面按圆弧滑动法进行稳定性分析，检算采用的力学参数见表1。

表1 边坡检算采用的力学参数

根据拟定坡形坡率，经过检算，边坡滑动安全系数为1.157，为基本稳定边坡；采用加固措施后边坡整体滑动安全系数为1.214，符合规范要求。

3.3 短隧道与深路堑方案比较

隧道的设计和施工一般取决于地基的性质和状况，地质构造简单、岩体完整、地层单一是理想的选址，而深路堑必然伴随着高边坡，挖方量大，破面防护排水量大，如何在两者之间取得平衡点需进行多方面的比较[5]。

(1) 施工难度。隧道与深路堑相比，隧道施工前的准备工作为“三管两线”“五通一平”，施工设备和施工技术比路堑开挖施工复杂，机械设备投入较多、工期长、工艺复杂，施工人员技术要求较高。施工关键点是防止地质破碎带和浅埋开挖的坍塌，进出口条件要求较高。由于地形、地层形成严重偏压，隧位结构受力复杂[6]。

(2) 空气污染。相对于深挖路堑，短隧道施工环境较为封闭，应注意在施工的过程中有害气体对施工的影响，同时也应该用排风机和送风机组织隧道内部和外部的气体交换，施工作业面狭窄，给施工带来了一定的困难[7]。另外隧道是个相对狭小的空间，在公路运营期间，车辆在隧道内行驶的过程中排放的尾气，污染物很难扩散，隧道内有害气体的浓度会逐渐积累。仅仅通过自然通风是不可能全部排出去的，特别是距离较长的隧道，需要安装通风设施以保证隧道内有害气体的含量不至超标，确保隧道内车辆安全行驶。

(3) 噪声污染。隧道内的噪声主要由车辆行驶过程中产生的噪声和射流风机运转的噪声两部分组成，其中车辆行驶产生的噪声是主要的。

根据对已有隧道测试资料[8]显示，营运期间，整个隧道主体工程都处于噪声的高污染带之中。检测路段车流量约1 028辆/时，在隧道口处测得等效 A 声最低为80 dB，隧道中部达到了95 dB，可见隧道噪声污染严重。

(4) 营运养护。短隧道施工技术难度大，初期建设成本与后期运营养护成本(主要是消防、照明等养护维修成本)较高。相对而言，深路堑虽然存在潜在滑塌的风险，但养护费用与边坡的水文地质条件相关，只要对其进行科学的设计，适当的加固与防护，可以有效的降低风险，建设成本与养护成本较低。

(5) 安全性与通行能力。隧道通常是高速公路网的瓶颈路段，容易发生交通安全事故，具有安全隐患大，且事故危害程度大、事故后处理复杂困难等特点[6]。

相对于一般路基段而言，隧道属于半封闭环境，具有与一般路基路段不一致的行驶条件——隧道进出口路段照度变化大，在明暗交替变化的过程中，变化过程时间太短，驾驶人的视觉没能够立即适应，容易导致交通事故发生，是交通事故的多发点。

(6) 环境影响。深路堑施工对环境影响大，开挖坡面较陡，单纯靠自然生长，植被难以恢复。对周边环境的影响与开挖边坡高度、路堑施工的长度有关，随路堑的高度、开挖面积增加而加剧，特别是自然环境比较脆弱的地区。

短隧道方案可以避免对山体的大挖方，少占地，对生态环境和周边环境影响较小，基本对附近的交通和居民生活影响小。

(7) 造价。隧道每延米的单价包含进、出口洞门的费用，在短隧道中，其每延米的单价要比较长的隧道高。土质和松软地层隧道一般都有超前防护，支护结构需要加强，施工工期也比地层好的长，故其造价也比地质条件好的要高。

该路段开挖土石方约47万m3，为最大程度地移挖作填，减少弃方，减少弃渣场对土地的占用，通过纵向调配，取消企山大桥(7×25m)，改为高填路堤，填高约35 m，有效减少了废方41.5万m3。可最大限度地利用资源，节约造价。

优化前后工程量对比见表2。

从表2中可以看出，隧道方案在初期建设的造价为8 864.3万元，深路堑方案造价为2 024.6万元，比隧道方案减少6 839.7万元，可大大减少项目的工程造价，提高工程经济性。

表2 主要工程数量比较

考虑到本路段桥遂比例较高为：24.50%，沿线地形陡峭，施工难度大，结合地物、地质、水文等自然条件，通过上述综合研究分析，在降低工程规模的前提下，本工点采用深路堑方案。

采用同样评价方法，通过设计优化后，本项目在施工图阶段，较初步设计阶段降低了桥梁比例11.16%，降低了隧道比例6.8%。

该项目自通车运营以来，并未出现滑坡、坍塌等自然灾害，证明在深入剖析、综合对比分析之后，采用深路堑方案，技术上可靠，经济上合理，在社会、经济等方面均取得较好的效益。

4 结 论

本文总结了深挖路堑方案和中短隧道方案的主要特点，并从项目全生命周期对比分析了两种不同方案存在的问题。短隧道可避免对山体的大挖方，减少对现有植被的破坏，但其造价高，运营养护费用高，施工复杂，行车噪声大，安全性与通行能力低；深路堑则反之。

论证表明，在山区修建高速公路，综合技术、经济、环保等方面的因素来选取短隧道与深路堑方案，正确处理山区短隧道、深路堑与生态环境的关系，能够将公路建设对生态环境的影响减小到最低程度。合理地选取短隧道与深路堑方案，在山区公路建设与环境保护之间寻找新的平衡点，本着“不遗漏任何有价值方案”的原则，是处理山区公路建设与生态环境问题的对策之一。在地质条件较好，路基开挖后对生态环境破坏小，边坡处理费用较低，且附近又有路堤需要较多填料的情况下，贯彻因地制宜、资源整合再利用的原则，采用深路堑方案经济合理。

本项目桥遂比例高，沿线地形陡峭，梅垄隧道所处位置，山坡地形起伏大，通过综合研究分析，认真进行方案研究，对平纵线形进行优化，提出了深路堑方案。该方案没有占用良田，不存在拆迁难的问题，并且可利用挖方所产生的弃渣来填筑路基，减少桥梁规模，显著节约造价，技术上可靠，经济上合理，使本项目在社会、经济等方面取得较好的综合效益。

在山区修建高速公路，短隧道与深路堑方案的比选，不能只凭经济指标，要在取得充分和确切的工程地质资料前提下，综合考虑技术、经济、工期、弃方、运营安全以及养护维修等各方面因素。科学选择路与隧设计方案，对提高今后高速公路建设工程安全性和经济性都有很大指导意义。