鄭金龍，蔚艷慶，楊 楓

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041)

1 工程意義

國道317線也稱為川藏公路北線，起于四川成都，止于西藏那曲，全長2 030 km，是連接四川省與西藏自治區(qū)的重要通道。雀兒山主峰海拔6 168 m，常年冰雪覆蓋，雀兒山段原路長約30 km，公路通過埡口海拔高度為5 050 m，地勢險峻、氣候惡劣、地質(zhì)復(fù)雜，每年僅2個月無降雪，雪崩、泥石流、冰雪等災(zāi)害頻繁，災(zāi)難性的交通事故時有發(fā)生，被稱為“中國最危險公路”、“川藏第一高、川藏第一險”，是國道317線海拔最高、路況最差、行車最險路段，成為制約全線暢通的主要瓶頸。雀兒山隧道項目地理位置如圖1所示。

圖1 雀兒山隧道項目地理位置圖

雀兒山隧道通車后較原路節(jié)約里程19.4 km，降低海拔高度800 m，繞避了原公路3處共長達4.7 km的雪崩易發(fā)危險段，6處共2 220 m泥石流段，以及大量的凍土、滑坡、雪害、冰害等安全隱患嚴(yán)重段，徹底改變了國道317線雀兒山段的路況。長久以來的交通瓶頸被徹底消除，過往車輛只需10多min就可以穿過雀兒山，不必再繞行長達2個多h的危險山路，保障了雀兒山段以及國道317線全線全年安全暢通，“冬過雀兒山，如過鬼門關(guān)”徹底成為歷史。

雀兒山隧道建設(shè)形成的高海拔隧道勘察設(shè)計和施工成套技術(shù)，為保障雀兒山隧道的順利施工、竣工以及長期的通車運行奠定了堅實的基礎(chǔ)，取得了國內(nèi)外領(lǐng)先的多項創(chuàng)新性技術(shù)成果，在類似高海拔隧道中進行了廣泛的推廣應(yīng)用。

2 工程概況

國道317線雀兒山隧道工程是國家重點建設(shè)項目，起于雀兒山三道班，經(jīng)錯柯溝、雀兒山隧道和色曲河，止于雀兒山六道班，路線全長12.997 km，其中隧道長7 079 m，通風(fēng)救援平導(dǎo)長7 108 m(平導(dǎo)與主洞平行設(shè)置，凈距25 m)，隧道進口海拔4 373 m，出口海拔4 232 m。隧道兩端洞口段為第四系堆積層，受F4(錯壩斷裂)影響，隧道穿過4條次級斷裂，洞身巖性以花崗巖為主。項目按二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度40 km/h，路基寬度8.5 m，隧道建筑限界9.0 m×5.0 m，平導(dǎo)建筑限界4.5 m×5.0 m，設(shè)計荷載為公路Ⅱ級，隧道防水等級為一級，二次襯砌混凝土抗?jié)B等級不小于S8。雀兒山隧道平縱示意圖如圖2所示。

圖2 雀兒山隧道平縱示意圖

3 工程特點與難點

雀兒山隧道是世界上海拔最高的超特長公路隧道，最大埋深707 m，地處高海拔-寒冷-缺氧地區(qū)，工程建設(shè)面臨惡劣的氣候條件，不僅嚴(yán)重影響施工安全、施工進度和施工質(zhì)量，同時也對使用壽命和運營安全造成不利影響。含氧量低、氣溫低、隧道超特長為本工程最大特點與難點。

1)在海拔4 300 m修建7 km的超特長隧道，既無成熟規(guī)范提供理論支撐，又無工程實例借鑒，隧道設(shè)計與施工只能從零探索與總結(jié)提煉。高海拔特長隧道結(jié)構(gòu)抗防凍措施、施工制氧供氧技術(shù)和通風(fēng)技術(shù)等需要進行系統(tǒng)研究與工程實踐。

2)隧道洞口最冷月平均氣溫為-9.5 ℃，極端氣溫為-40 ℃，冬季施工期超過4個月，最大凍結(jié)深度為143 cm，隧址區(qū)晝夜溫差大、凍脹凍融荷載交替作用，易導(dǎo)致隧道主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍脹破壞，不僅嚴(yán)重縮短隧道結(jié)構(gòu)的正常使用壽命，還會危及行車安全。

3)洞口平均含氧量僅為平原區(qū)的58.5%，冬季隧道內(nèi)含氧量更低，低溫缺氧的隧道環(huán)境對施工人員身體健康和施工效率帶來不利影響，同時對隧道的施工通風(fēng)、施工工藝、隧道施工機械性能提出更高要求，建設(shè)施工難度極大。

4)隧道地質(zhì)條件復(fù)雜。洞口段穿越110 m冰磧及冰水堆積層，地層以塊碎石土為主，局部夾大塊孤石，坍塌、變形、掉塊風(fēng)險高；洞身穿越錯壩斷裂的4條次級斷層，涌突水、坍塌風(fēng)險高；隧道埋深超過500 m以上的完整性較好的花崗巖段，存在弱—中等巖爆風(fēng)險。雀兒山隧道惡劣氣象環(huán)境與復(fù)雜地質(zhì)條件如圖3所示。

(a) 大雪導(dǎo)致交通堵塞 (b) 既有道路曲折迂回

(c) 隧址區(qū)地形地貌 (d) 隧道洞口冰雪覆蓋圖3 雀兒山隧道惡劣氣象環(huán)境與復(fù)雜地質(zhì)條件

4 工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

雀兒山隧道項目貫徹執(zhí)行“技術(shù)可靠、方案可行、經(jīng)濟合理、以人為本”的指導(dǎo)方針，通過前期詳實的地質(zhì)勘察和充分的方案論證，施工期間的科技支撐和應(yīng)用驗證，建設(shè)團隊克服了高寒高海拔超特長隧道的諸多關(guān)鍵技術(shù)難題，在隧道選線、隧道通風(fēng)、抗防凍、制氧供氧、清潔能源利用等方面形成了成套技術(shù)，取得了多項創(chuàng)新成果，實現(xiàn)了高海拔隧道安全、優(yōu)質(zhì)、高效建設(shè)目標(biāo)。

4.1 高海拔隧道氣象觀測與氣象選線方法

針對高海拔隧道工程特點，為繞避冰雪凍害、降低建設(shè)難度、保障運營安全，項目首創(chuàng)高海拔隧道“氣象選線”的設(shè)計理念，在隧址區(qū)建立了2套自動氣象觀測站，在海拔3 800～5 050 m設(shè)立了7個人工流動監(jiān)測點，開展了歷時2年不間斷氣象監(jiān)測，實測了隧址區(qū)不同海拔高度的氣溫、氣壓、含氧量、風(fēng)向、地溫、凍土、降水、積雪等氣象要素，得出了氣象要素隨海拔高度的變化情況，推算了50年一遇的氣候值，分析了隧址區(qū)存在的主要氣象災(zāi)害。

通過高海拔寒區(qū)越嶺隧道“氣象選線”方法的應(yīng)用，雀兒山隧道在海拔4 200～4 600 m內(nèi)2個走廊帶、7個隧道軸線方案中，充分考慮地形、地質(zhì)、氣象等條件，結(jié)合隧道洞口地形、造價、運營安全等因素，最終采用隧道長度7 079 m、海拔高度4 373 m的ⅠA軸線方案，洞口選擇在相對場地開闊的臺地上，洞口段軸線與洞外自然風(fēng)主風(fēng)向大角度相交，有效避免了風(fēng)吹雪、雪崩等氣象災(zāi)害。

圖4 雀兒山軸線方案比選示意圖

4.2 高海拔隧道通風(fēng)海拔高度系數(shù)實測與應(yīng)用

目前隧道通風(fēng)設(shè)計規(guī)范中海拔高度系數(shù)一般用于2 200 m以下，海拔2 200 m以上作直線延伸。為獲得隧址區(qū)準(zhǔn)確的海拔高度系數(shù)，項目組多次往返成都至雀兒山埡口實測海拔400～5 050 m的汽車尾氣排放量，取得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)5 000多組，建立了高海拔隧道通風(fēng)海拔高度系數(shù)計算方法，明確了適用于海拔5 000 m的隧道通風(fēng)計算新標(biāo)準(zhǔn)，填補了高海拔隧道海拔高度系數(shù)技術(shù)空白，為高海拔隧道施工及運營通風(fēng)、制氧供氧提供了有力的技術(shù)支撐。高海拔隧道通風(fēng)海拔高度系數(shù)修正如圖5所示。

(a) 考慮CO的海拔高度系數(shù) (b) 考慮煙霧的海拔高度系數(shù)圖5 高海拔隧道通風(fēng)海拔高度系數(shù)修正

1)在施工通風(fēng)設(shè)計中的應(yīng)用。應(yīng)用實測煙霧海拔高度系數(shù)計算可知，獨頭壓入式通風(fēng)無法滿足距離洞口1 100 m以上的作業(yè)環(huán)境要求。測試發(fā)現(xiàn)雙通道巷道式通風(fēng)較單通道巷道式通風(fēng)節(jié)能約17%，三通道巷道式通風(fēng)較單通道巷道式通風(fēng)節(jié)能約25%?？紤]到通風(fēng)系統(tǒng)布置要求，現(xiàn)場在海拔1 000～3 600 m段采用單通道巷道式通風(fēng)，海拔3 600～4 400 m段采用雙通道巷道式通風(fēng)時，保證了洞內(nèi)良好的施工環(huán)境。

2)在運營通風(fēng)設(shè)計中的應(yīng)用。在雀兒山隧道運營通風(fēng)計算中，隧道通風(fēng)由稀釋CO控制，采用實測海拔高度系數(shù)，可減少射流風(fēng)機20臺，通風(fēng)總功率降低654 kW。

4.3 高海拔隧道綜合抗防凍設(shè)計技術(shù)

雀兒山隧道隧址區(qū)屬典型的高原山嶺高寒氣候，氣候寒冷，氣溫日差較大，隨海拔高度增加氣溫降低、積雪及結(jié)冰日期增長、積雪厚度增大、氣象條件越惡劣。隧址區(qū)最大凍土深度為143 cm，最冷月平均氣溫為-9.5 ℃，隧道抗防凍是保障隧道安全運營、提高隧道使用壽命的關(guān)鍵。

凍脹是產(chǎn)生凍害的前提，但并非所有凍脹都導(dǎo)致凍害。從對凍脹是否容忍的角度，工程措施上可分為防凍技術(shù)和抗凍技術(shù)2類。溫度、圍巖和水文條件是隧道凍害產(chǎn)生的基本三要素，隧道抗防凍技術(shù)措施主要針對這三要素來消除或減小凍脹程度，進而解決隧道的凍害問題。

4.3.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計

綜合考慮了黑川希范公式計算值、隧道通風(fēng)和地下水流速影響，并參考鷓鴣山隧道、昆侖山隧道和風(fēng)火山隧道的保溫設(shè)防段長度設(shè)計，雀兒山隧道確定主洞和平導(dǎo)洞口保溫段長度分別為850 m和1 050 m，保溫層敷設(shè)方式采用貼壁式，保溫材料為5 cm厚的聚酚醛材料。雀兒山隧道襯砌結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計如圖6所示。

圖6 雀兒山隧道襯砌結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計

4.3.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)計

為提高雀兒山隧道襯砌結(jié)構(gòu)抗凍性能，對洞口地下水豐富段落采用周邊注漿處治，加固圍巖的同時封堵地下水向隧道周圍滲透的路徑；同時在隧道主洞及平導(dǎo)洞口保溫防凍段(主洞850 m、平導(dǎo)1 050 m)二次襯砌中摻加纖維素纖維提高混凝土的抗開裂和抗?jié)B性能。雀兒山隧道抗凍注漿設(shè)計如圖7所示。

圖7 雀兒山隧道抗凍注漿設(shè)計 (單位：mm)

4.3.3 隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計

雀兒山隧道洞口500 m范圍設(shè)置深埋中央排水管，排水管埋于仰拱下方，保證管內(nèi)水面低于最大凍結(jié)深度，并加密設(shè)置墻背環(huán)向和隧底橫向排水管，管內(nèi)水通過保溫出水口排泄至地表；洞口段設(shè)置較大縱坡，增加排水效率，防止隧道周圍地下水凍結(jié)淤積；采用背貼式、中埋式止水帶處理接縫。雀兒山隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計如圖8所示。

(a) 隧道洞口段防排水系統(tǒng)與深埋中央排水溝(單位：mm)

(b) 保溫出水口圖8 雀兒山隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計

4.3.4 隧道洞口防雪棚設(shè)計

雀兒山隧道主洞洞口外各設(shè)置1處防雪棚，以保障車輛進、出洞安全。防雪棚采用獨立擴大基礎(chǔ)，型鋼支架，上覆半透明玻璃鋼材料，兼有防雪和遮光的效果，有效緩解了駕乘人員的“黑白洞”效應(yīng)。隧道洞口防雪棚如圖9所示。

圖9 隧道洞口防雪棚

4.4 高海拔隧道施工制氧供氧技術(shù)

4.4.1 高海拔隧道施工供氧標(biāo)準(zhǔn)

隨著海拔高度增加，大氣含氧量降低，人員和機械施工效率下降，甚至威脅施工人員的生命安全，因此高海拔隧道施工需要采取制氧供氧措施?；谙盗懈吆０嗡淼罋庀蟊O(jiān)測和現(xiàn)場人員檢測，利用等效氣管氧分壓理論計算獲得高海拔公路隧道缺氧程度分級指標(biāo)，見表1。結(jié)合不同勞動強度施工人員健康監(jiān)測，提出從事較大勞動強度的人員和室內(nèi)辦公人員供氧標(biāo)準(zhǔn)宜分別控制在2 800 m(氣管氧分壓13.72 kPa)和3 500 m(氣管氧分壓12.44 kPa)，可得出不同海拔高度不同勞動強度人員的供氧量。

表1 高海拔公路隧道缺氧程度分級指標(biāo)

4.4.2 高海拔隧道施工制氧供氧措施

1)推薦采用PSA制氧技術(shù)對隧道施工工作區(qū)、生活區(qū)進行供氧。

2)結(jié)合隧道施工人員分布特點，高海拔隧道施工供氧方式包括鼻吸式供氧、移動式氧吧供氧、彌散式供氧。高原反應(yīng)強烈時宜選擇鼻吸式供氧方式，室內(nèi)工作和睡覺休息宜選擇彌散式供氧方式，隧道內(nèi)施工根據(jù)工作區(qū)域不同可選取局部彌散式供氧和移動吸氧車等方式。

4.4.3 高海拔隧道施工制氧供氧應(yīng)用

雀兒山隧道采用辦公生活區(qū)鼻息與彌散供氧組合，隧道內(nèi)施工區(qū)局部彌散式供氧，并配備移動吸氧車供氧，隧道洞內(nèi)設(shè)置移動式應(yīng)急救援車，隧道洞口設(shè)置高壓氧艙滿足危重病人的應(yīng)急救援，運輸車輛司機在車上備用鼻息式吸氧器。現(xiàn)場施工過程中，通過對隧道掌子面彌散式供氧區(qū)的氣壓和氧含量進行檢測，氣壓為60.19～60.93 kPa，氧含量為23.84%～25.56%，是原氧含量的1.18倍，推算出經(jīng)彌散供氧后空氣中氧氣質(zhì)量為210.954～213.493 g/m3，達到了海拔2 800～3 000 m的氧含量標(biāo)準(zhǔn)。人體血氧含量均達到90%以上，滿足人體需氧量要求，在5年施工期間未出現(xiàn)因高原反應(yīng)導(dǎo)致的人員傷亡事件。雀兒山隧道施工制氧供氧體系如圖10所示。

圖10 雀兒山隧道施工制氧供氧體系

4.5 地?zé)豳Y源利用技術(shù)

雀兒山隧道出口附近溫泉群出露，距隧道洞口直線距離約700 m，高差約200 m，溫泉總流量為4.93 L/s，溫度為63～72 ℃。根據(jù)水質(zhì)分析報告，溫泉水呈弱堿性，水質(zhì)滿足混凝土施工用水要求，可用于生產(chǎn)施工、生活洗漱等。

4.5.1 隧道施工期間地?zé)豳Y源利用

雀兒山隧道地處高原高寒地區(qū)，冬季施工時間長，利用溫泉熱能為隧道施工提供了穩(wěn)定的熱源，改善了工作和生活環(huán)境，有效提高了施工效率。經(jīng)測算，項目總共節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 360 t，減少項目成本272萬元，保障了隧道施工質(zhì)量和按期完工。

4.5.2 隧道運營期間地?zé)豳Y源利用

高海拔隧道洞口段冰雪堆積，路面濕滑，易導(dǎo)致交通事故發(fā)生，因此利用溫泉熱能對路面進行加熱。通過雀兒山隧道現(xiàn)場試驗及理論計算，確定布置參數(shù)為管道直徑2 cm，每幅寬度4.0 m，長度5.0 m，管道間距40 cm，管道埋深12 cm。在雀兒山隧道出口125 m路面進行了成果應(yīng)用，通過隧道運營通車后持續(xù)監(jiān)測可知，溫泉加熱起到了良好的冬季除路面冰雪效果。利用溫泉熱能消除路面冰雪災(zāi)害如圖11所示。

(a) 溫泉管道布置示意圖(管間距40 cm) (b) 溫泉管道現(xiàn)場施工情況圖11 利用溫泉熱能消除路面冰雪災(zāi)害

4.6 不良地質(zhì)處治技術(shù)

4.6.1 洞口覆蓋層處治

隧道洞口冰水堆積層采用三臺階七步開挖，超前支護采用雙層注漿小導(dǎo)管加固拱圈，初期支護鋼架全封閉，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在初期支護封閉成環(huán)后對地下水豐富段落采用周邊注漿處治，加固地層的同時封堵地下水向隧道周圍滲透的路徑。

4.6.2 涌突水防治

隧道穿斷層破碎帶段地下水發(fā)育，發(fā)生了多次涌突水，施工期間布設(shè)了1～3個水平超前鉆孔，根據(jù)各探孔的探測和出水情況，采用了針對性的泄水或預(yù)注漿堵水措施，進口端反坡施工段設(shè)置了多臺抽水設(shè)備保障抽水能力。

4.6.3 巖爆防治

隧道巖爆以悶響、輕微彈射為主，通過小斷面平導(dǎo)先行和超前鉆孔釋放應(yīng)力，同時加強光面爆破，洞壁灑水沖洗，減少開挖輪廓周邊的應(yīng)力集中。巖爆活躍期暫避，加強照明，作業(yè)人員配套安全帽及防彈背心等綜合防護裝備。

5 主要技術(shù)創(chuàng)新

1)首創(chuàng)高海拔隧道“氣象選線”的設(shè)計理念，將氣象、水文與地質(zhì)因素結(jié)合，為高海拔寒區(qū)越嶺隧道選線提供了新思路。

2)將現(xiàn)有隧道通風(fēng)計算標(biāo)準(zhǔn)從海拔2 200 m提高到海拔5 000 m，填補了相關(guān)設(shè)計規(guī)范的空白，為高海拔隧道施工及運營通風(fēng)、制氧供氧提供有力的技術(shù)支撐。

3)創(chuàng)新性地提出高海拔隧道結(jié)構(gòu)綜合抗防凍技術(shù)，并在隧道洞口設(shè)立了防雪透光棚，既保證了隧道洞口防凍、防雪，又有效緩解了駕乘人員的“黑白洞”效應(yīng)。雀兒山隧道已運營3年，未發(fā)生襯砌結(jié)構(gòu)凍害。

4)首次提出基于海拔高度與人員勞動強度的高海拔隧道施工供氧標(biāo)準(zhǔn)，建立了雀兒山隧道施工制氧供氧系統(tǒng)，為高海拔特長隧道施工安全提供了有力保障。雀兒山隧道建設(shè)期間未發(fā)生人員傷亡事故。

5)創(chuàng)新性地利用洞口附近的溫泉熱能，消除了隧道洞口段的冰雪災(zāi)害，確保冬季運營安全。

6 工期及獲得榮譽

6.1 工期

雀兒山隧道于2002年8月開始立項研究，歷經(jīng)預(yù)可行研究、工程可行性研究、初步設(shè)計與施工圖設(shè)計，自2012年9月開工建設(shè)，于2017年9月建成運營。

6.2 獲得榮譽

獲得國際隧道與地下空間協(xié)會(ITA)2018年度工程獎、2019年度國家優(yōu)質(zhì)工程獎、慶祝中華人民共和國成立70周年經(jīng)典工程、建國七十周年公路交通勘察設(shè)計經(jīng)典工程、四川省優(yōu)秀咨詢工程一等獎、中國施工企業(yè)管理協(xié)會工程建設(shè)項目設(shè)計水平評價二等獎等。雀兒山隧道獲得的主要榮譽如圖12所示。

(a) ITA 2018年度工程獎

(b) 2019年度國家優(yōu)質(zhì)工程獎 (c) 慶祝中華人民共和國成立70周年經(jīng)典工程圖12 雀兒山隧道獲得的主要榮譽

7 工程參建單位

建設(shè)單位：四川俄崗公路工程建設(shè)有限責(zé)任公司。

設(shè)計單位：四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司。

監(jiān)理單位：山東格瑞特監(jiān)理咨詢有限公司。

施工單位：中鐵一局集團有限公司、中國建筑第五工程局有限公司。

科研單位：西南交通大學(xué)、中鐵西南科學(xué)研究院有限公司、同濟大學(xué)。