行業新聞

四川公路隧道創新與展望

2021/12/3 11:54:34

為落實《交通強國建設綱要》相關領域的目標任務,解決四川公路隧道“建得起”但“用不起”和“管不好”的難題,支撐川西高原高寒地區和高原山區公路建設創新,四川交通人總結了過去三十多年來公路隧道取得的技術進步,分析了大規模隧道建設面臨的機遇與挑戰,從建設和運營角度提出了技術創新的方向和思路。

四川已是交通大省,四川省公路總里程居全國第一,高速公路通車里程居全國第二,公路網規模居全國前列,但對標《交通強國建設綱要》提出的“四個一流”,四川省尚存在三大短板,其中之一是區域發展不平衡,甘孜、阿壩未通鐵路,135個縣(市、區)中有8個縣區未通高速公路,集中在川西高原高寒地區和高原山區。

 

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交通運輸部近日批復了四川省交通強國建設試點實施方案,同意在“高原山區公路建設創新”和“提升交通防災減災體系韌性”等6個方面開展試點,用3-5年時間,“高原山區公路網絡發展成效明顯,在高原山區高速化公路設計、施工等方面形成成套技術”。力爭“在高原高寒、小交通量地區公路發展方面取得典型經驗,并形成發展政策、建設標準、管養指南等政策成果?!钡ㄎ鞲咴吆貐^和高原山區建設條件復雜、氣候惡劣、隧道規模巨大,如何實現長大公路隧道從“建得起”到“建得好”高質量發展?如何保障大規模隧道群基于“用得起”的安全運營?

建設者以華鎣山隧道、泥巴山隧道、米倉山隧道和大涼山隧道等特長隧道,以及二郎山隧道、雀兒山隧道等高海拔隧道為代表的典型工程技術發展脈絡和技術進步,總結成功經驗和不足,分析目前隧道建設面臨的技術挑戰,展望進藏公路、川西地區公路等四川公路隧道未來發展趨勢,期望推動四川省乃至我國公路隧道高質量發展,支撐交通強省、交通強國建設。

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公路隧道的技術進步

四川公路隧道經過三十年的發展,截至202012月,四川省運營的公路隧道共計1356座,隧道長度約1570公里(左右行合計),如圖1所示。公路隧道經歷了從無到有、從少到多、從短到長、從易到難的發展過程,主要分為四個階段。

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1 2002年至2020年四川公路隧道建設規模

八十年代末是四川公路隧道建設的探索起步階段。以G76成渝高速公路的建設為代表,四川境內龍泉山隧道(長780米)是中國大陸地區第一座高速公路隧道;現重慶境內的中梁山隧道(長3167米)為中國第一座高速公路特長隧道和第一座采用豎井分段縱向式通風的公路隧道;本路段還有縉云山隧道(長2529米),采用全縱向射流通風。取得的主要成就一是探索基于以噴錨支護、發揮圍巖自身承載作用和監控量測三大核心內容的新奧法原理設計與施工,二是探索了公路隧道縱向式(全縱向分段送排式和全縱向射流)運營通風。

九十年代是四川公路隧道建設的穩步發展階段。廣安至鄰水高速公路華鎣山隧道(長4706米)為當時中國20世紀最長的公路隧道,全縱向射流通風突破新的長度;同時集“煤與瓦斯、巖溶、涌突水、斷層、高地應力”等地質病害于一體,為當時地質最為復雜的公路隧道,取得了巖溶地層注漿堵水技術與泄水洞等綜合排堵技術、煤層瓦斯揭煤防突技術和全縱向通風技術等系列創新技術,引領了當時國內公路隧道設計與施工的最新水平。川藏公路二郎山隧道(長4180米)為當時最長的低等級公路隧道,采用“主洞+平導”模式,創新了國內二級公路特長隧道運營通風和應急救援新模式,和在高地應力巖爆處治方面取得一定的經驗。

 

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二十一世紀前十年是四川公路隧道建設的快速發展階段。四川高速公路向盆周延伸,打通出省通道,呈現南向雅西高速泥巴山隧道和納黔高速敘嶺關等隧道群,東向鄰水至墊江高速明月山隧道,北向達陜高速大巴山隧道和西向都汶高速紫坪鋪隧道、G318線海子山至竹巴龍段隧道群(長11361/7座)等典型隧道。泥巴山隧道突破了長度10千米級隧道的建設瓶頸,其基于構造分區的深埋隧道綜合勘察技術和利用自然風輔助通風節能技術,為超長深埋隧道勘察和運營提供了有力的保障,為巴陜高速米倉山隧道、雅康高速二郎山隧道和汶馬高速獅子坪隧道等超長隧道建設提供了有力支撐。汶川地震災后重建,公路隧道抗震研究和設計技術上新臺階。依托G318線拉納山隧道和波戈溪隧道(平均海拔3013米)、G317鷓鴣山隧道(海拔3400米)等高海拔隧道,測試研究提出超規范的通風海拔修正系數,并在擠壓性變質軟巖大變形處治方面取得了效果。

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二十一世紀第二個十年是四川公路隧道建設的引領發展階段。四川公路建設提檔升級引領公路隧道上臺階,G85米倉山隧道(長13851米)建成,保障了四川北向出川通道暢通,雅康高速二郎山隧道和汶馬高速新鷓鴣山隧道建成,保障了甘孜和阿壩等進藏通高速公路,取得了深大豎井建井新法、超長隧道洞內交通交換帶、深埋隧道基于微震監測的巖爆系統防護技術和利用斜井高差引水發電等系列創新成果,有力支撐了交通行業規范《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》和四川省地方標準《公路隧道豎井技術規程》的制定,確保超長隧道(隧道群)建設與運營安全。G317線雀兒山隧道(長7079米,海拔4380米)建成,川藏天險變通途,蜀道不再難,是四川高海拔隧道持續集成創新的集中體現,川藏公路二郎山隧道平導壓入通風與逃生救援技術、G317線鷓鴣山隧道高寒隧道抗防凍技術,巴郎山隧道、雪山梁隧道、高爾寺隧道等系列高寒隧道設計施工技術創新應用,支撐了雀兒山隧道包括施工通風、施工供氧等技術集成創新上臺階,總結形成了四川省地方標準《川西高原公路隧道設計與施工技術規程》。天府機場八車道高速公路創新設計四洞十車道隧道,采用“2+3+3+2”車道布局,實現客貨分行、安全快捷舒適運行,保障隧道通行能力不降低,與八車道道路基本一致,并取得了大斷面扁平天然氣瓦斯隧道系統防護技術。

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總之,四川公路隧道具有長度“長”、隧線比“大”、海拔“高”、埋深“深”的發展趨勢,積累了豐富的建設經驗,探索了長大隧道的運維管理技術,具備建設更長公路隧道的技術能力,引領了超長隧道(隧道群)、復雜地質隧道和高海拔隧道的技術進步。

公路隧道的機遇與挑戰

對標建設交通強省戰略,四川尚存在區域發展不平衡等突出問題,川西地區交通建設要補短板,要推動高原山區高速(化)公路建設,根據四川省高網2035《規劃》,未來將建設5000公里高速公路和1900公里高速(化)公路,主要布局在甘孜、阿壩、涼山三州地區,川西及高原山區地形起伏大、地震烈度高、地質條件差、氣候惡劣,隧道是克服地形、躲避不良地質的有力手段,必然會設置大規模的隧道,為構建暢通安全的公路網,規劃了彭州至汶川高速公路,其中穿越龍門山的隧道長度超過20千米,總之,公路隧道占路線比例越來越大,如表1所示,給隧道發展帶來了良好的機遇,也給新時期公路隧道建設提出了更多新的挑戰,主要表現在如下幾個方面。

 

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公路隧道的建設約束條件越來越多,建設難度越來越大。隧道本身的埋深越來越大,出現2000m級大埋深公路隧道,穿越的地質條件越來越復雜,可能面臨復雜的水、氣和高地應力環境,伴隨異常的有毒有害氣體涌出、高壓涌突水(泥)、擠壓性大變形和高地應力巖爆等現象。另外,受生態紅線和環境保護區等因素的限制,制約了隧道位置的選擇和隧道軸線方案的比選,給勘察、設計和施工帶來了較大困難。

 

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公路隧道的建造品質亟待提升。雖然目前公路隧道施工三臂鑿巖臺車鉆孔技術成熟,但受制于國家對炸藥的管控,不能采用散裝炸藥實現自動裝藥,同時超挖較多,制約了鉆爆法機械化施工的發展,仍然以人工手持風鉆打眼的鉆爆法為主,施工機械化程度較低,掌子面作業人數較多,超欠挖等施工工藝控制困難,施工質量波動較大,施工進度較慢,而且當遭遇隧道坍方、涌水突泥和瓦斯災害等事故時,安全風險損失極大。另外,隧道變形、開裂和滲漏水等質量通病尚在,甚至在隧道開通運營短期內存在襯砌掉塊和反復維修情況,耐久性極差,嚴重威脅行車安全。最后,對于超長隧道(隧道群)如何緩解駕駛疲勞和提高行車的舒適性的技術和手段有待于改進和完善。

 

 

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公路隧道的運營安全任重道遠。據不完全統計,隧道交通事故率在0.01~0.04/百萬輛車之間,主要發生在隧道洞口段和下坡路段,尤其是小半徑曲線與下坡的組合路段事故率最高,據走訪調查廣安至臨水高速公路老山梁子隧道月最大交通事故超過30余起。交通事故形態主要為撞壁,占比約59.7%,其次是追尾和側翻,分別占了15.0%13.4%,在川西及高原山區高海拔大高差長大縱坡或惡劣氣候等不利條件下,會增加隧道運營交通事故甚至火災事故的概率。另外,由于川西及高原山區山高坡陡,構造復雜,地震烈度高,洞口面臨難以治理的高位崩塌落石等不良地質的威脅,如都汶和汶馬高速等進藏公路,山區路網運行安全對公路隧道安全運行提出新的要求。

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公路隧道“用不起”與“管不好”問題突出。隧道相對其它構造物運營能耗大、運營費用高和維修管理難度大,而且一直以來缺乏運營技術技能管理人才。對于偏遠的川西高原高寒地區和高原山區低交通量隧道,傳統的運營模式會加劇運營費用缺口更大和運營管理缺失,隧道面臨“建得起”但“用不起”和“管不好”的難題。

公路隧道的創新展望

引進消化和吸收石油行業水平定向鉆孔技術,解決大埋深隧道和地表不能鉆探的難題。石油行業水平定向鉆孔技術成熟,如圖2所示,近年來已在個別隧道中應用,鉆孔速度快,結合攝像和視頻,效果較好,但取芯和深孔原位測試較困難,尤其是超長距離水平定向鉆探連續取芯、深埋地質高精度鉆進定位系統及導向控制等技術還需要進一步研究。因此應研究公路隧道現行規范勘察的要求與水平定向鉆孔技術的相互適應性,對于一些困難較大且結果影響較小的技術要求,可選擇性地突破勘察規范。

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2 水平定向鉆施工示意圖


強化總體設計,研究高原山區公路隧道關鍵技術指標。把握區域交通流特征、四川盆周山區獨特的地形地質和氣候特點,研究長度20km級公路隧道新“主洞+平導”等級公路特長隧道建設模式,采用三洞六車道隧道布設,貫通平導既做逃生通道,又可兼做潮汐式交通的通行,確保通行能力,降低建設難度,節省投資。隨著新能源汽車、車路協同和自動駕駛技術的發展,未來汽車排污量越來越低,汽車交通流更加有序,應加強研判未來交通發展趨勢,分析隧道合理縱坡、斷面尺寸運營通風標準等指標。

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 推廣隧道施工機械化,逐步實現隧道信息化和數字化智能建造。川西及高原山區面臨高海拔、低氣溫、低氣壓和低含氧量“一高三低”的建設條件,隧道施工機械化是降低勞動強度、保障施工安全與施工質量和提高施工效率的有力手段。對于軟巖,在總結卓克基至小金公路夢筆山隧道銑挖機施工的基礎上,推廣應用在煤礦行業成熟的銑挖機開挖技術,電力驅動,同時配備多功能鉆機、拱架安裝臺車、機械手濕噴機、仰拱棧橋臺車和智能二次襯砌模板臺車等鉆爆法施工機械作業線,實現鉆爆法機械化施工。對于硬巖,應聯合各方克服目前三臂鑿巖臺車鉆孔快但人工裝藥慢及超挖問題,研究局部破碎圍巖段預先快速加固后再開挖技術,實現隧道全斷面開挖,再輔以拱架安裝臺車、機械手濕噴機、仰拱棧橋臺車和智能二次襯砌模板臺車等鉆爆法施工機械作業線,實現鉆爆法機械化施工。在樂西高速大涼山1號隧道平導采用全斷面隧道掘進機(Tunnel Boring Machine,TBM)建造的基礎上,應聯合制造廠商、設計與施工研究改進TBM對公路隧道較大斷面和多樣地質等方面的適應性。探索公路隧道基于BIM+GIS技術的融合與集成,從隧道建造的機械化,到全壽命周期成本建造、運維和管理的信息化和數字化,逐步實現智能建造,確保公路隧道的品質。

 

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探索超長隧道(隧道群)運營安全控制與管理成套技術。國內在運營最長公路隧道為長約18千米的終南山隧道,與鐵路隧道平行布設,本身布設為左右行分離的雙洞,左右洞互為救援通道,其采取單獨收費及運營模式,管理人員多達300余人,并配置專業的消防救援隊伍,在隧道內設置兩處微型消防站,每處消防站每班配置3人及3輛消防摩托,能3分鐘內到達著火點迅速撲滅15MW左右的火災規模;另外,通過大力宣傳,引導洞外到洞內再到洞外的區段限速,讓多個無規則的交通車流趨于規則,經調查,運營13年以來只發生過一起小型車事故,比相鄰路段的西漢高速隧道群運營安全性極大的提高。因此,超長隧道的運營安全,不僅僅與技術有關,而且與管理有較大關系,有必要開展運營安全控制與管理成套技術研究,制定公路隧道運維管理指南、人才培養模式和管養技術等。

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因地制宜,開源節流隧道能耗。一方面,充分利用隧址區水和太陽光資源,開發和利用新能源輔助隧道通風照明,在泥巴山隧道、米倉山隧道和二郎山隧道研究的基礎上,總結推廣自然風有效利用的通風技術;另一方面,研究低交通量隧道通風照明標準及開發相應技術,如基于交通量動態匹配的智能運行通風照明,基于視線誘導的低照度照明技術,基于位置感、距離感、方向感和速度感的多維無燈節能照明技術,基于交通流特征對通風照明的運行管控技術,如巴朗山隧道和雪山梁隧道明顯特征的旅游交通。

公路隧道建設創新未來可期

公路隧道經過三十多年的發展,具備埋深2000米級超深埋和長度20千米級超長公路隧道的建設技術能力,地表難以實施傳統垂直鉆探的隧道,可引進消化和吸收石油行業水平定向鉆探技術。

超長隧道(隧道群)應分段管養,設置洞內交通轉換帶及微型消防站。長度20千米級公路隧道新“主洞+平導”等級公路特長隧道建設模式,采用三洞六車道隧道布設,貫通平導既做逃生通道,又可兼做潮汐式交通的通行,確保通行能力,降低建設難度,節省投資。

隧道施工機械化是隧道品質的有力保障,公路隧道基于BIM+GIS技術的融合與集成是未來智能建造與智慧管養的基礎。

 

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隨著未來新能源汽車的發展、車路協同和自動駕駛技術的推廣,可能會顛覆公路隧道的通風和照明現狀,公路隧道能耗會有較大幅度的降低;同時就地水電和光伏等新能源的利用,可有效解決公路隧道“用不起”的難題。

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公路隧道運營安全控制與管理成套技術是公路隧道運營安全的有力保障,重在落實和演練,實現對公路隧道運營的“管得好”。

 

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