太原西山特长隧道设计方案选择

太原西山特长隧道设计方案选择
摘要：本文以太原至古交高速公路西山隧道的设计过程为依据，重点论述了在设计过程中对设计方案的选择。

通过对隧道线形的选择、管养通道方案的选择、隧道衬砌结构方案选择和隧道洞门方案选择，运用“系统最优”与“全寿命成本”的新理念。

从而得到特长隧道设计的合理方案。

关键词：特长隧道设计路线方案选择
1工程概况
太原至古交高速公路西山隧道是山西省高速公路规划网“3纵11横11环”中的第四横太原袁家庄至临县克虎寨项目的组成部分。

该工程目前是我国排名第二的特长公路隧道。

隧道起点位于太原市万柏林区袁家庄，终点位于万柏林区周家山，为太原至古交高速公路项目中的控制性工程。

隧道从太原端（k1+010）以0.4%的纵坡上行，至k11+940设变坡点以0.715%的纵坡下行，于周家山处（k14+580）出洞，最大埋深为450m。

左右洞长度分别为13654m和13570m，为上下行分离的双洞四车道隧道，设计速度为80km/h。

2设计方案选择
2.1 隧道线形选择
太原西山隧道在设计过程中提出了高坡、人字坡、中坡方案，初步推荐采用中坡方案，在经过地质勘察后结合地质条件，将中坡隧道方案标高降低，并以此作为推荐方案。

平面线形选择：初步设计中的比较方案a1线因隧道出口有偏压，且位于两隧道间的周家山大桥桥高约80m，故将此线位北偏280m，增设了一条b线比较线与对应a1线进行比选。

b线较好地利用了地形，前后隧道进出口位置得到改善，解决了偏压问题，也减小了周家山大桥的规模。

但b线与对应段a1线相比，增加两处与引黄管线的交叉，并且是公路隧道上跨引黄隧洞(高差约50米)。

纵面线形选择：在对隧道地质情况做了全面的物探、钻探勘察后，发现a1线隧道围岩地质情况很差，约有3/4段落穿过泥灰岩地层。

泥灰岩遇水膨胀，物理性质极差，大段落隧道通过施工难度太大，经过多方论证，提出了降低隧道高程，进一步寻求良好隧道围岩条件的勘察方案。

对路线纵坡进行了下调，并确定此方案为推荐方案。

降坡前后隧道围岩情况比较见表1和隧道长度对比见表2。

表1 降坡前后隧道围岩情况比较表
名级围岩所占比例(%) 岩质情况
ⅲⅳⅴ
降坡前30.1 47.8 22.1 以角砾状、团块状、蜂窝状泥灰岩、角砾状石灰岩、角砾状白云质泥灰岩为主，少量中～厚层状石灰岩夹薄层状白云质灰岩、团块状泥灰岩。

以极软岩～软质岩为主，部分硬质岩
降坡后82.2 8.3 9.5 以中～厚层状石灰岩为主，夹薄层白云质灰岩，团块状泥灰岩。

以硬质岩为主，少量极软岩～软质岩。

表2 隧道长度对比表
隧道方案累计隧道长度
（左右线合计m）隧道座数长度（m）
左线右线
推荐方案a线29010 2 13680 13580
a1线28664 4 10915 10885
b线28908 4 10915 10890
通过对隧道地质条件及通风系统规模与接线工程的研究，认为推荐的降坡方案是合理、可行的，并且结合工程量、造价、运营费的量化比较，体现“系统最优”与“全寿命成本”的新理念。

并对长直线隧道内安全行车进行评价。

2.2 管养通道方案选择
设计方案初选考虑在太原西山隧道之间设置管养通道，通道长13630m。

因为隧道穿越不良地质条件发育，有采空区、岩溶、涌水、煤层、瓦斯、陷落柱等众多地质问题，认为通过管养通道可以达到地质超前预报的效果。

以有利于布置附属管线，也可用作救援通道。

方案选择：
（1）隧道选址中通过降坡已将这些问题基本避开（iii级围岩已占到82.2%），因此可通过地质超前预报手段来解析隧道掌子面前方围岩条件及不良地质问题。

（2）山岭隧道有别于水下隧道，目前国内采用的钻爆法施工隧道，如陕西秦岭终南山隧道（长18km）、甘肃大坪里隧道（12.2km）、
陕西包家山隧道（11.2km）、四川泥巴山隧道（10km）均未设置。

（3）对附属工程管线一般情况下，隧道电缆槽可满足其安放要求。

（4）对于救援，因是双洞单向行驶，因此可通过另侧隧道进入，不一定设置专用通道。

（5）设置管养通道使工程费用增加较多，且设置在两隧道中间，使结构受力条件变得较为复杂。

综上所述，建议对设置管养通道的必要性作进一步论证，可不设置。

2.3 隧道衬砌结构方案选择
隧道衬砌结构按照新奥法原理设计，各项支护参数和辅助施工措施的设计应结合详勘地质资料进一步优化隧道结构支护参数。

在方案选择中应做到如下几个方面：
（1）通过结构计算，确定明洞拱圈厚度的适宜厚度，该减薄时应减薄。

（2）iv级围岩衬砌宜分为设仰拱与不设仰拱两种类型，超前支护不必全长设置，硬质岩段格栅钢架主钢筋可采用φ22钢筋，深埋段二次衬砌内可不配钢筋。

（3）v级围岩深埋段衬砌钢拱架宜采用i18或格栅钢架，喷混凝土可采用24cm，仰拱下喷混凝土层可不设。

v级围岩浅埋段喷混凝土厚度可采用26cm，位于土质地层时第一循环宜采用长管棚。

（4）紧急停车带iii级围岩衬砌锚杆环、纵间距可增大至120cm，
仰拱可不设，钢拱架间距可采用120cm或局部设置；iv级围岩宜分为硬质岩与软质岩两种类型，有膨胀性泥灰岩或软质岩段超前支护可采用φ42小导管，钢拱架可采用i16或格栅钢架，仰拱下喷混凝土层可不设；v级围岩段喷混凝土厚度宜减薄，钢拱架可采用i20（深埋段）。

（5）车行横洞、管养通道宜增加交叉口段衬砌方案图（不宜均按降低围岩级别考虑），横通道设计中还应考虑防火门的设置与安装问题。

iii级围岩衬砌二次衬砌厚度宜采用30cm，喷混凝土厚度可采用8cm，iv级围岩有膨胀性泥灰岩或软质岩段喷混凝土厚度可采用12cm，v级围岩衬砌一般段喷混凝土厚度可增至15cm，格栅钢架主钢筋可采用φ22，加强段二次衬砌宜采用钢筋混凝土结构。

（6）抗水压衬砌应明确所承受的水压力大小。

（7）结合对隧道岩溶的进一步评价，使岩溶处治方案更具针对性，对于帏幕注浆应根据所承受水压情况合理确定加固圈范围及注浆方案。

（9）斜井断面建议采用曲墙式断面，1号斜井iv级围岩处于软质岩段或膨胀性泥灰岩宜增设格栅钢架，v级围岩钢拱架宜采用
i16，洞口浅埋段钢拱架可采用i18，小导管环向间距可采用35cm；4号斜井iv级围岩边墙部锚杆根数可适当增加，处于软质岩或膨胀性泥灰岩段可考虑增加适量的超前支护与格栅钢架数量，v级围岩洞口浅埋段钢拱架可采用i16。

（10）竖井衬砌锚杆环、纵向间距宜增大，喷混凝土厚度iii
级围岩可减薄至10-12cm，iv级围岩可减薄至16-18cm，宜增加必要的格栅钢架，处于软质岩或膨胀性泥灰岩段可考虑增加适量的超前支护数量， v级围岩一般段喷混凝土、二次衬砌厚度可减薄，钢拱架间距不宜大于1m，宜计入适量的超前支护数量；洞口加强段喷混凝土厚度可采用24cm，钢拱架采用i18，其间距可采用80cm。

2.4隧道洞门方案选择
隧道洞口段设计基本遵循了“早进晚出”、“不破坏就是最大的保护”的原则，采用了削竹式洞门、棚洞式洞门、端墙式洞门，在设计中应注意以下问题：
（1）viii度区端墙式洞门设计宜增加同轻型钢筋混凝土结构的比较。

（2）增加洞口段景观设计的内容，将洞口、明洞回填、坡面绿化、引道及隧道管理站等统筹考虑。

（3）从有利于行车安全考虑，对洞外路基与隧道洞口采用渐变连接方式作必要的比较。

（4）结合地形、地质条件宜增加采用半明半暗进洞方案的比较，当桥隧相接时应将洞门、桥台综合考虑。

3设计体会
1、在特长隧道的设计中，一定要对线路的选择上下功夫，通过对平面线形和纵面线形的对比选择出最合适的线路。

在本文中，初选了高坡、人字坡、中坡方案，推荐采用中坡方案，在经过地质勘察后结合地质条件，将中坡隧道方案标高降低，并以此作为推荐方
案。

2、在特长隧道的施工通道的选择上一定要慎重，本文的管养通道在方案选择上虽然有它一定的优点，但从施工安全、经济方案的比选中又处于劣势，最后也被放弃。

3、隧道衬砌结构按照新奥法原理设计，各项支护参数和辅助施工措施的设计应结合详勘地质资料、数值模拟计算结果来进一步优化隧道结构支护参数。