延崇高速公路河北段典型隧道工程设计综述与展望

许瑞宁

(河北省交通规划设计研究院有限公司 石家庄市 050011)

1 项目背景

延庆至崇礼高速公路(以下简称延崇高速公路)起自延庆西羊坊，止于崇礼太子城，是奥运交通的主通道和冬奥会交通重点项目。该项目作为交通运输部首批绿色公路典型示范工程、新一代国家交通控制网和智慧公路试点[1]，勘察设计及后期服务需牢固树立创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念，全面贯彻交通强国战略精神，认真落实“四个交通”发展要求，协同推进项目高质量发展，以服务奥运和满足奥运后经济社会发展为根本出发点和落脚点，以“品质优良、资源节约、生态环保、节能高效、服务提升”为根本，扎实推进绿色公路、品质工程、科技示范等典型示范工程建设，以“突出特色、打造亮点、满足需求”为主轴，将延崇高速公路打造成“平安、绿色、智慧、人本”的奥运品质示范工程[2]。

2 工程概况

延崇高速公路河北段由主线、延伸工程及赤城支线三条路段组成，路线全长113.684km。其中主线长81.552km，延伸工程长17.073km，赤城支线长15.059km。

2.1 隧道建设规模

项目主线设置特长隧道5座，中隧道1座，短隧道2座，棚洞1座；双洞平均长度累计27488m，占主线全长33.7%。

延伸工程设置特长隧道2座，双洞平均长度累计11625m，占延伸工程全长68.1%。

赤城支线设置中隧道1座，双洞平均长度累计699m，占赤城支线全长4.6%。

2.2 隧道主要技术标准

(1)公路等级：双向四车道高速公路标准。

(2)设计时速：100km/h、80km/h。

(3)建筑限界：特长隧道(除金家庄特长螺旋隧道外)净宽11m，净高5.5m；金家庄特长螺旋隧道、中隧道(除大岭堡隧道外)、短隧道净宽13m，净高5.5m；赤城支线大岭堡隧道净宽12.75m，净高5.5m。

(4)荷载标准：公路-I级

2.3 典型隧道工程

(1)京津冀地区最长高速公路隧道—松山特长隧道

松山特长隧道地处冀北地区，全长9.216km，为京津冀地区最长高速公路隧道。隧道河北段起点位于京冀界，终点位于金家口村村南，隧道最大埋深约731m；该隧道在河北界内布设两座通风斜井(兼具施工斜井功能)，1号斜井长约900m，2号斜井长约1099m。

(2)近距离穿越既有省道S241—杏林堡特长隧道

杏林堡隧道右幅长4998m、左幅长5012m。隧道延庆端下穿省道S241，竖向净距仅5.56m。如果设计措施和施工工法选择不当，极易引发S241省道开裂甚至陷落的工程风险。

(3)世界最长高速公路螺旋隧道—金家庄特长螺旋隧道

金家庄特长螺旋隧道路线平面采用螺旋展线(左幅半径890m、右幅半径860m)，隧道左幅长4228m、右幅长4104m，为目前世界最长高速公路螺旋隧道。隧道纵坡为单向坡，左幅纵坡1.84%，右幅纵坡1.91%，最大埋深314m，设置施工斜井1座。

(4)河北省界内最长高速公路隧道—翠云山特长隧道

翠云山特长隧道左幅长8402m，右幅长8438m，为河北省第一长高速公路隧道。该隧道采用通风竖井方案，竖井深约420m、内径7m，为省内深度最深、直径最大的竖井。同时创造性地采用施工斜井分叉方案，比计划工期缩短半年贯通。

3 隧道设计总结

3.1 桥隧相连进洞方案

松山特长隧道延庆端洞口位置山体陡峭，高差较大，约有52m。且该路段为桥隧相连，桥台耳墙尾端距隧道口最小距离仅2m。

为避免施工便道较大规模展线对环境的破坏，降低困难路段高挡墙的出现，减少对洞口边仰坡的开挖，设计选择在松山特长隧道右幅右侧设置约57m长侧导洞方案，有效地保障了隧道冬季施工要求，为项目按期完工奠定了基础。

3.2 缓解司乘人员在隧道内长时间行驶的视觉疲劳

松山隧道全长约9.2km，是京津冀地区最长的高速公路隧道，为缓解驾乘人员长期行驶的视觉疲劳，隧道洞身段设置了疲劳唤醒段，通过灯光、彩绘等表达手法，丰富行车感官体验，避免行车压抑感。

3.3 近距离穿越既有省道S241方案

杏林堡隧道右幅长4998m、左幅长5012m。隧道延庆端近距离(竖向净距仅5.56m)穿越省道S241，采用何种设计、施工方案不仅关系到隧道施工的安全，也关系到既有省道S241正常运营的安全。

设计阶段采用数值仿真模拟技术，模拟分析了杏林堡特长隧道延庆端先行洞采用环形开挖预留核心土法、后行洞采用CD法的方案。见图1。

图1 数值仿真模型示意图

从数值模拟角度来看，既有省道S241在新建隧道左、右幅开挖施工扰动的情况下路基沉降较大，不利于行车安全；新建隧道先行洞初期支护结构有开裂的可能。为保障近距离穿越既有省道S241施工、运营安全，采用明挖法施工。

3.4 特长螺旋隧道安全运营综合保障措施

(1)针对螺旋展线开展行车安全性评价及驾驶模拟研究

利用UC-winRoad系统，依据地形、平面、纵面和横断面等资料建立三维驾驶环境模型，虚拟驾驶人员进入国际领先水平的八自由度驾驶模拟器开展虚拟驾驶。对隧道内车辆运行速度、车辆车道偏移、情绪变化等进行处理与分析。

在较大圆曲线半径及大回转角度下，隧道内运行速度协调性良好。模拟驾驶表明，驾驶人员车道偏移范围小，可接受，但应注意洞口在特定时间的减光措施，且虚拟驾驶人员情绪变化波动较小，可接受。路线评价及模拟驾驶各项数据表明，该曲线半径螺旋隧道方案可行。三维驾驶环境模拟见图2。

图2 三维驾驶环境模拟

(2)利用BIM技术开展隧道智能化全景虚拟空间安全预测仿真

金家庄特长螺旋隧道基于螺旋隧道路段线形条件、交通流特性等要素，以实现螺旋隧道诱导功能、车距确认功能为目标，利用BIM技术对隧道进、出口和洞内行驶安全视距及夜间炫光进行了模拟分析，有效地提升了螺旋隧道内车辆行驶安全保障能力。模拟车辆在隧道内行驶示意图见图3。

图3 模拟车辆在隧道内行驶示意图

(3)照明与视觉诱导融合技术

金家庄特长螺旋隧道采用“准连续带状+外弧引导性照明+洞顶涂装蓝天白云”的照明与视觉诱导融合技术，提高了驾驶员位置判断准确度和空间定位能力。

(4)应急救援通道设置

洞内：在隧道洞内布置了15处人行横通道及4处车行横通道，平均间距约210m，以便紧急情况下的应急救援。

洞外：在金家庄螺旋隧道崇礼端左侧设置应急救援联络通道和30m长活动护栏，用于紧急情况下，人员和车辆的疏散。

(5)冰雪条件下车辆在隧道洞外安全行驶的保障措施

金家庄特长螺旋隧道附近海拔高、气温低，易出现路面凝冰和积雪。鉴于此，选取试验段铺筑抑凝冰路面。经冬季使用验证，抑凝冰效果好，显著降低了除雪难度，有效提高了运营安全性。

(6)智慧为高速公路隧道赋能，发挥保驾护航的作用

在金家庄特长螺旋隧道崇礼方向配置了导轨式智能巡检与应急机器人，可以实时开展交通状况监控、路面状况检测，烟雾、火点探测，应急监控、辅助指挥疏导救援，异常情况自动提醒和报警；同时已实现在隧道内全频段广播信号覆盖，结合洞口智能门架，实现提前预警；通过引入北斗高精度定位，探索封闭空间定位技术；加之车路协同实现2类(安全、效率)13项(危险路段预警、隧道内高精度车辆定位等)应用场景。真正地给高速公路隧道赋予了智慧功能。

3.5 严寒地区隧道防冻保温综合保障措施

国内外大量铁路、公路隧道建设和运营的实践证明，在高纬度或高海拔的寒冷地区，尤其是多年或季节性冻土地区，加之地下水比较发育时，隧道常常会发生冻害。

为预防隧道漏水、冻害，保证隧道整个排水系统通畅，设计过程中联合高校，结合隧址区气温、风向、冻结深度等因素，对隧道防冻保温进行专项研究，采取如下综合防冻保温措施。

(1)防水设计：结构采用防渗等级P8混凝土；防水层采用1.5mm厚EVA高分子防水卷材；施工缝舍去遇水膨胀止水条，采用背贴式止水带+中埋式橡胶止水带防水。

(2)排水设计：采用深埋中心排水沟；环向排水管采用类似于“方便面”的MF12矩形塑料盲沟；纵向排水管和横向排水管采用内壁光滑的HDPE双壁波纹管。

(3)保温加热设计：在洞口1100～1500m范围内二衬表面设置防冻保温层；对中心排水管出水口、纵向排水管、中心排水管检查井以及沉沙井进行保温；在纵向排水管埋深较浅的地段采用电伴热主动加热措施。

3.6 螺旋隧道节能环保设计

(1)隧道环保路面

为有效降低汽车尾气对人与环境的危害，金家庄特长螺旋隧道路面采用降解尾气的光催化材料，减少排入空气中有害的浓度，控制汽车所产生的尾气污染，为实现“生态环保”的设计理念提供技术保障。降解尾气路面实景图见图4。

图4 降解尾气路面实景图

(2)隧道多功能绿色环保电缆沟盖板

隧道采用多功能绿色环保电缆沟盖板(图5)，提高回收利用率。该盖板以聚丙烯废弃塑料为原材料，具有阻燃、轻质、耐高温、耐腐蚀、高韧性等特点，破损后可回收利用，减少了污染排放。

图5 多功能绿色环保电缆沟盖板实景图

(3)隧道节能照明灯具

照明采用绿色节能变色温LED灯具，通过智能动态实时管控诱导系统进行无级调光控制和冷暖色温调控。

(4)隧道新型节能通风模式

为满足螺旋隧道内远期通风需求，金家庄螺旋隧道设置互补式通风结构(图6)，用于降低远期运营通风耗能。该结构与纯射流通风模式相比，正常运营通风工况下，可降低耗能约30%～40%。

图6 互补式通风结构模型图

3.7 隧道精细化设计

金家庄螺旋隧道洞门结合现场地形、地貌进行多方案对比，着重对延庆端洞门进行了景观打造，针对端墙式洞门、城墙跺形式和位置及洞口景观打造进行了精细化设计，最终选择适合当地元素的洞门方案。

3.8 河北省内第一长公路隧道通风方案

翠云山特长隧道左幅长8402m，右幅长8438m，为河北省第一长高速公路隧道。为满足正常工况下规范中对洞内空气质量的要求和火灾工况下对烟雾最大行程距离的要求，结合隧址区地形、景观、滑雪场规划等因素，充分考虑项目安全、工期、投资和施工难度，从8个比选方案中选择了通风竖井方案。即通风竖井采用圆形结构，内径7m，深度约420m，竖井底部连接地下风机房，上部连接简易地面风塔。

图7 通风竖井三维模型示意图

3.9 河北省内第一长公路隧道快速施工设计方案

翠云山特长隧道作为项目延伸工程控制性工程，为河北省内第一长隧道。

为确保翠云山特长隧道工期可控，加快隧道主洞施工进度。充分考虑冬季施工、冬奥测试赛等不可控因素对工期的影响，主要从两个方面采取措施：采用施工斜井分叉方案；为提高通风能力和降低斜井内施工车辆相互干扰，加高、加宽施工斜井断面。

4 结束语

通过对延崇高速公路典型隧道设计与施工过程中重难点问题的保障措施与解决方案的研究，深感隧道后续服务的重要性和必要性。同时结合近年来隧道设计建设经验提出了一些想法，供业内同行参考，不足之处请批评指正。