大相岭淤泥山深埋特长隧道关键技术研究

大相岭淤泥山深埋特长隧道关键技术研究

每年4月，四川大理大石岭巴山脚下，彭桐花溪河盛开。行进在雅泸高速公路上,乘客可以一饱眼福,欣赏原生态的自然风光。然而,就在这条高速公路开通前,艰险的路况却让人无暇他顾。那时,泥巴山路段以“山高路险弯道多”闻名于世,在道路通行正常的情况下翻越泥巴山一般需要3个小时,若遇到路滑、堵车、交通管制,则需要6、7个小时才能过山。由于独特的地理位置,冬季的泥巴山不仅冰雪路面,而且能见度极低,更是让人望而却步。雅泸高速公路的通车,彻底改变了这种困局—不足10分钟就能跨越以往3小时的路程。实现泥巴山天堑变通途的转变,靠的是目前西南地区最长的公路隧道—大相岭泥巴山隧道。全长10007米的大相岭泥巴山隧道,为上下行分离的双洞单向交通隧道,是雅泸高速公路的控制性工程。依托该工程开展实施的“大相岭泥巴山深埋特长隧道关键技术研究”,通过科研人员的鏖战攻关,取得了一系列“克敌制胜”的技术创新点。一隧道节能难点分析泥巴山隧道位于青藏高原和四川盆地交汇的大相岭处,地质条件复杂:一年有300天的降水,全年降水量最高达2700毫米,每年11月下旬至次年3月为冰雪天气,岩爆、大变形、涌突水等不良地质问题时有发生……给工程建设带来极大的难度。为保证工程顺利实施,在隧道施工过程中,共穿越15条大断层,埋深达1000米的路段达5公里,最大埋深达1650米,通风斜井长1500米,地下风机房6000平方米,这些都是我国公路建设规模之最。此外,泥巴山隧道在勘察、设计、施工及运营管理中还遇到了四大难题,这些都预示着科研团队迎来的将是一场困难重重的“攻坚战”。——隧道长度特长,单洞达10007米,为目前西南地区最长的运营隧道。为保障隧道运营安全,设计通风设备装机功率达6400kw,仅电费每年就需要934.4万元,耗能巨大。目前国内外对于特长隧道的运营节能主要通过减少机械通风时间、降低服务水平来实现,急需寻找到真正解决通风节能的技术方法。——隧道身处气候分隔带,北湿南干,南北气候差异巨大。泥巴山属青藏高原背风坡,是川西高原向四川盆地的过渡地带,为亚热带季风性气候,是南北不同自然地理和气候的主要分界线,使得隧道内自然风速大、风向复杂。目前隧道设计主观上均视自然风为阻力,极大浪费了自然资源。客观上来看,由于隧道设计规范中针对自然风没有计算方法,因此无法确定其风速大小及风向,进而无从利用。另外,由于有斜(竖)井隧道装有风机,在未开启的情况下,风道均处于关闭状态,并且因为没有可供参考使用的节能风道设计方法,使得斜(竖)井内自然风也无从利用。——隧道地区地形地貌复杂,300平方公里范围内,没有可供车辆通行的公路。隧道穿越山体地形复杂,沟壑交错,丛林密布,人烟稀少,在现场工作居住条件极为恶劣。为此,根据通风规模,泥巴山隧道设置了地下风机房。目前,针对地下风机房的研究主要在于功能、组成及结构的讨论,地下风机房内环境、防灾设计研究还处于空白。由于地下风机房与外界环境封闭,隧道内的污染空气和烟尘往往会扩散到风机房中产生积聚,对地下风机房的人员和设备产生影响。同时,风机房内发生灾害也会对隧道环境产生影响。由于地下结构的封闭性,发生火灾后有烟气浓度大温度高、救援困难、危害大等特点。因此地下风机房内环境控制和防灾设计是重要的,也是必要的。——隧道埋深特大,最大埋深1650米,且山体宽厚。山顶起伏小,埋深超过1000米的范围在隧道中线两侧宽度超过5.1公里,隧道长度方向占隧道总长度51%。由此在地质勘察、斜井施工等方面带来一系列难题,如围岩级别的确定,高地应力下的岩爆、大变形控制技术,长大陡坡斜井建造技术等。我国公路工程地质勘察规范对深埋特长隧道勘察方面的内容较少,没有做系统全面的规定,现有规范远远落后于深埋特长隧道勘察实践,急需对有关规范进行修订和完善。智能隧道监控节能技术由于大相岭泥巴山隧道具有特长、大深埋、山体宽厚、地形地质复杂、气候独特几大特点,并由此产生了一系列工程难题,因此,四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院等单位联合开展了“大相岭泥巴山深埋特长隧道关键技术研究”,对这些难题进行各个击破,取得了四项创新性成果:——建立了隧道有效利用自然风的节能模式及通风井优选方法。探明了特长深埋隧道自然风影响机理,建立了基于超静压差、风墙式压差和热位差三要素的隧道内自然风计算理论,提出了有效利用自然风的节能控制模式及实现方法。建立了特长深埋公路隧道通风井设置的智能比选模型,提出了以全寿命经济效益为目标的隧道通风井经济断面和风速优化方法,开发了高效的隧道通风设计辅助系统。建立了多台大功率轴流风机并联安全运行控制模式及风机布置优化方法。——建立了地下风机房的设计方法。提出了有(无)人值守地下风机房内环境控制标准。建立了污染物由隧道扩散至地下风机房的计算模型,提出了地下风机房通风设计方法。揭示了火灾模式下地下风机房温升及烟气浓度随时间的变化规律,优化了地下风机房逃生通道布置方式,建立了地下风机房防灾设计方法。——建立了基于地质构造损伤分区的深埋特长隧道勘察技术。提出了构造损伤概念及分区的评判标准,建立了复杂地质深埋特长隧道的地质勘察方法。建立了4种储水结构模型及灾害性涌水的预测方法,提出了岩爆预测的“岩石变形能潜势指标法”。——开发了深埋特长隧道及有轨长大陡坡斜井的建造技术。研发了“轨式混凝土搅拌运输车”及“轮式混凝土输送泵”,开发了有轨长大陡坡斜井混凝土输送技术。研发了“斜井喷射混凝土专用固定式矿车”、“陡坡斜井衬砌施工用大吨位衬砌台车辅助牵引装置”及“陡坡斜井中隔墙混凝土施工台车”,开发了有轨长大陡坡斜井喷射混凝土、二次衬砌及中隔墙施工技术。节约了建设和运行费用经过科研团队的日夜鏖战,这场科技创新的攻坚战终于取得了全胜—该工程获得了生态与效益的双赢。项目研究过程中,共取得6项授权发明专利,14项授权实用新型专利,4项软件著作权,8项工法,发表论文100余篇,出版专著4本、规范规程及指南4本。创新成果总体水平很高,其中的深埋特长隧道节能通风技术及通风井智能设置技术,对我国隧道通风节能设计、地质勘察技术、长大陡坡斜井建造技术起到重要的示范和推动作用。其科研成果在泥巴山隧道中应用,利用自然风节能年平均节省运营费用200万元以上,建造期及运营20年可节省费用1亿元以上,并推广应用到米仓山隧道和藏区公路隧道建设中,共节约费用约2.2亿元以上,社会和经济效益显著。尤其是“4·20”芦山大地震发生后,本项目依托工程雅泸高速公路泥巴山隧道,经受住了大地震的严峻考验,成为震后救援黄金期人员、物资进入重灾区的“生命线”。此外,在公路的建设中尽量不破坏生态,也是该项目的一大特点。项目建成后,由于沿线原有生态保存较好,这条公路已经成为名符其实的生态观光公路。由于荥经大相岭路段湿度比较大,经常会出现大雾天气,针对气候环境对行车安全的影响,从腊八斤大桥到大相岭隧道入口路段特别设置了雾闪灯标识,以此在雾天进行安全警示。为保障特长隧道里的行车安全,泥巴山隧道还设置了限速行驶设施,并大量采用监控设备对车辆行驶状况进行监控,抓拍违法行为。并且,路旁的LED警示屏幕上将滚动超速行驶车辆的车牌号,以提醒过往驾驶员不要超速行驶,确保行车安全。这些被“记录在案”的车辆驾驶员将被罚款和扣分。隧道里的高科技信息技术,24小时值守,为行车安全保驾护航。穿越多座山岭,跨过多条河流,雅泸高速公路带给出行者的是便捷、是一路美景。而对于穿上高科技外衣的大相岭泥巴山隧道本身来说,已经不仅仅是一道风景,更是将一路风景串联的大通道,是为我国特长隧道技术进行探索的先行军