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【转载】[杂谈] 螺旋隧道有多难?中国制造了不起!(20P)  

2017-11-15 07:27:26|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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[杂谈] 螺旋隧道有多难?中国制造了不起!(20P) - 路人@行者 - 路人@行者
  这真是一个不可思议的新时代,伴随时代发展步伐,我们的交流、沟通渠道已经变得如此方便、如此美妙。在世界屋脊青藏高原东南部,因为横断山脉的阻隔,无数道路曾经到此嘎然终止,面对横亘眼前的雪峰我们只能高山仰止!
  “蜀道难,难于上青天“,为了探索川藏高速公路建设的可行方案,四川雅安至西昌高速成为中国高速公路建设史上的“逆天工程”,央视《超级工程Ⅱ》之《第一集 中国路》专题报道,这其中尤以世界首创的高速公路双螺旋隧道更是在工程难度上创造了许多奇迹,为山区高速公路展线提供了一种比传统回头展线(盘山公路)更安全、更经济、更环保的全新展线方法——螺旋展线法。
  短短几年时间,湖南省交通规划勘察设计院有限公司历经十五年不断攻关获得的螺旋展线法爆发了强大的推广应用能力和极佳的社会经济效益——2017年10月17日2022年北京冬奥会重大交通保障项目延崇高速金家庄特长螺旋隧道二次衬砌施工正式拉开了序幕、2017年10月16日我国西北地区首条高速公路螺旋隧道——青海大力加山至循化高速公路卧龙沟一号隧道全线贯通、2017年5月20日复杂城市环境下小半径超近距螺旋式隧道——重庆市大坪至化龙桥的长和路螺旋隧道通车、云南香格里拉至丽江高速公路元宝山螺旋隧道正在紧张建设......厉害了,我的中国!科技创新的力量正在不断丰富人民美好生活的追求,交通科技人的智慧正在跨越古人不可逾越的天堑,同时造就了一项项足以载入世界史册令后世崇拜的超级工程。

[杂谈] 螺旋隧道有多难 中国制造了不起(20P) - 路人@行者 - 路人@行者
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[杂谈] 螺旋隧道有多难 中国制造了不起(20P) - 路人@行者 - 路人@行者
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[杂谈] 螺旋隧道有多难 中国制造了不起 - 路人@行者 - 路人@行者
修螺旋隧道究竟有多难?每公里造价高达1个亿
(出品:网易新闻学院;作者:须臾千秋,清华大学土木系建筑材料专业博士;引自微信号【了不起的中国制造】)

  要穿过山脉,通常有两种方案:要么修盘山公路,要么修隧道。而在雅西高速公路的修建过程中,中国工程人员却设计了一种“半盘山道”——双螺旋隧道,这既能保证公路坡度不太陡,又能缩短公路的距离,同时还避免了紧贴山体,被地质灾害破坏。陡峭而坚硬的山脉自古以来就总是阻碍着人们的交流。想要穿过山脉,看到另一端的景色,除了扔掉车子爬山坡外,通常还有两种方案:一种是老祖宗留下来的传统方法,沿山修建盘山公路,化高度为路程,一圈一圈地盘旋上山,再一圈一圈地盘旋下山。另一种则是随着生产力进步,人类掌握了更先进的施工技术之后,将山挖穿,让一条公路直接经过隧道穿到山的那一头。总之,要么螺旋,要么隧道。那么,有没有将二者合二为一的“螺旋隧道”呢?别说,还真有。中国在修建雅西高速公路时,就修了螺旋隧道,而且是双螺旋隧道,两座隧道的高差达300多米。

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(盘山道和穿山隧道)

(一)既不太陡,也不太远的螺旋隧道

  随着人们的基建越修越多,遇到的问题也越来越复杂。尤其是中国,山丘极多,全国的地形被山丘分为三大阶梯,这就使得山脉的两侧往往高度不同。如果将一条隧道直接打通,就很可能出现隧道过陡的情况。这样的隧道不仅无法快速行车,而且如果到了冬天,路面一结冰,就更是成了“滑梯”,根本无法行车。因此,这样的方案在设计阶段就通不过。

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(隧道过陡示意图)

  隧道不能修,而老老实实修盘山路的话,不仅路程实在太长,而且因为陡峭的山峰往往伴随着地质条件恶劣的断裂带,山体滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害难以避免,盘山道很容易被破坏。于是,工程师们设计了一种“半盘山道”,也就是螺旋隧道。它也是利用了盘山道的“省力费距离”原理,但并不是贴着山体修建,而是在山中开出了一条螺旋形的盘山隧道。这样,既可以保证坡度不太陡,又可以缩短公路的距离,同时还避免了紧贴山体,被地质灾害破坏。在雅西高速上,从园根村起始,经栗子坪乡、铁寨子,最后到达大营盘的这一路段,起终点之间的直线距离仅为12.352公里,但海拔高度却从1649米爬升至2362米,高差达713米。如果按照传统的隧道修建法,这段路的坡度会达到5.8%,堪比哈尔滨“冰雪大世界”里的冰滑梯。

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(国内首座高速螺旋隧道——雅西高速螺旋隧道)

  于是,雅西高速公路的设计师们就设计了两条螺旋形隧道:干海子隧道和铁寨子1号隧道。它们的功能专注于“帮车辆爬坡”,车在山肚子里以60公里的时速钻进钻出两个圈,耗时只需10分钟,以全程固定的2.9%的坡度,完成326.79米的爬升,丝毫不受地形的限制。此外,这两条螺旋形隧道还巧妙地避开了大凉山非常危险的断裂带与季节性冰冻带。利用螺旋隧道进行爬升真可谓既安全,又稳定,还高效。雅西高速隧道是中国首座高速螺旋隧道,同时也是世界首创小半径双螺旋第一长隧道,以及桥隧相连的世界第一小半径螺旋曲线隧道,被工程界称为“亚洲第一螺旋”。
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(二)螺旋隧道绝非轻易可为
  螺旋隧道的理念并不难理解,同时又可以解决坡度过陡的大问题,故而早在上世纪80年代,西方发达国家,尤其是身处阿尔卑斯山腹地、地形险峻的瑞士就开始逐步兴建螺旋隧道了。然而,世界上的螺旋隧道数量却始终不多。这是因为,螺旋隧道的设计、施工难度,都远非普通隧道可比。

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(螺旋隧道的局部形变数值模拟)

1、复杂多变的受力

  在力学中,弯曲结构的受力远比笔直结构更为复杂。尤其是在弯曲段,更是容易发生所谓的“应力集中”,使得局部的应力比正常状态下高出几倍。因此,工程师在设计弯曲的桥梁、道路、建筑物时,涉及到的计算量都比规则结构高出许多。而隧道的设计就更不是弯曲结构这么简单了。在山体中,各处的岩石力学性能都不同,不时还有断层、地下水等不利因素出现。更何况,螺旋隧道在岩层中还不是简单的弯曲,而是一个三维结构,这就更增加了它在设计上的复杂性。只有具备大量的隧道设计经验的单位,才能够驾驭得了螺旋隧道的设计。

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(螺旋隧道施工现场)

2、繁琐的开挖施工

  笔直隧道的开挖施工早已不是什么新鲜事了。不论是简单开挖、定向爆破,还是使用先进的盾构机线性掘进,都是比较成熟的技术。但对于螺旋隧道,开挖就变得复杂了起来。首先,螺旋隧道的三维结构复杂,不像笔直隧道可以借助简单几何手段定位,螺旋隧道的平面、高程均在变化,施工时的定位难度很高,需要借助先进的GPS定位工具和BIM建筑信息模型管理系统。其次,螺旋隧道的掘进更是复杂。相比起笔直隧道,螺旋隧道有着更加繁琐的施工工艺。由于螺旋隧道存在弧度,它无法采用已经成熟的直隧道挖掘技术,只能一小段一小段地仔细施工。在螺旋隧道的施工现场,少见大型的施工机械,更多的是富有经验的施工人员在小心翼翼地操作。换句话说,如果笔直的隧道施工是用“八十一锤”的大锤一下子砸通,那螺旋隧道的施工就更类似于用“四十一锤”的小锤“掏了一个壁橱出来”。雅西高速公路干海子隧道施工时,工程师们制定了“短进尺,弱爆破,多循环,强支护,紧封闭,勤测量,早衬砌”的施工原则,以小段隧道为单位,高效且精确地完成了隧道施工。

  此外,螺旋隧道的通风也是一个大问题。众所周知,隧道施工环境非常恶劣,特别是在开挖及初期支护施工期间,还会产生大量的噪声、粉尘及废气,进一步恶化环境。因此,隧道施工必须进行通风。但螺旋隧道由于其兼具斜度和螺旋,使得其通风比一般直线隧道难度大得多。螺旋洞身显然不可能用一台鼓风机一吹到底;连续的上坡也增加了热废气外排的阻力,在通风过程中废气容易聚集在施工平面地段拱顶。为了实现良好的排风,在干海子隧道掘进至900米以后时,工程采用两台通风机串联,加强供风能力。考虑到隧道施工时因爆破飞石等原因,通风管无法进入施工平面,施工团队还创造性地在靠近施工平面的出口3米处增加了一台小功率的隧道引风机,与两台大功率变速射流通风机配套使用。它可以将风管末端压力已减弱许多的新鲜空气引射到施工平面,5分钟即可排除施工平面炮烟,快速改善施工平面的空气环境。

3、精巧繁杂的道路设计

  公路隧道是交通事故的高发区,隧道事故则为其它路段的2-3倍。并且,隧道的线形、照明、通风和消防都会影响隧道安全。对于螺旋形隧道,除了隧道本身的结构安全外,道路通行安全的设计就变得尤为复杂而重要,国际上可供借鉴的经验亦不多。针对螺旋形隧道的道路设计,中国西南地区的高校做出了不少具有独创性的研究。在螺旋隧道中,司机的视线受隧道壁限制,对来往车辆的观察不足。为保障通行安全,螺旋隧道不仅要加宽车道,在灯光的布置上也花了不少心思,工程师们采用DIALux软件进行照明模拟,并结合国内外多种隧道的灯光设计经验,针对隧道的各段进行分门别类的灯光设计,最大限度保证人眼对隧道光度的适应与行车安全。而隧道火灾发生时,螺旋隧道内的烟气流动和蔓延规律也与直线隧道有区别。西南交通大学针对这一课题展开研究,建立了螺旋隧道火灾数学物理模型,预测了火灾发生的温度场、二氧化碳浓度和烟气回流模式,对小半径螺旋隧道火灾的预防和扑救提供指导。

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(火灾发生时的隧道温度场)

(三)走向全国的螺旋隧道

  在四川雅西高速公路获得成功后,螺旋隧道的设计在全中国迅速推广。目前,中国的螺旋隧道已经多达上百座,广泛地分布在中国四川、重庆、陕西等多山省份,帮人们摆脱了危险的地质环境与漫长的盘山路。2017年10月16日,中国西北地区首条高速公路螺旋隧道——卧龙沟一号隧道全线贯通,标志着高速公路螺旋隧道施工技术首次在中国高寒、高海拔地区运用成功。高速公路建成后,当地交通将彻底告别滚石路段多、冬季山路结冰等风险,青海循化至甘肃临夏间的通行时间由原来的3小时缩减为1小时。在中国工程实力的支持下,未来安全又便捷的螺旋隧道还会越来越多。

  结语
  修建螺旋隧道是一件非常挑战国家工程实力的事情,中国雅西高速公路的双螺旋隧道实现了在4公里的“V”形峡谷范围内连续爬升450米,为解决路线爬升、克服海拔高差提供了新范本。


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全国第一座螺旋型展线隧道:云南水(富)麻(柳湾)高速公路从伏龙口前行28公里加400米后,到达太平控制点。从太平到45公里加450米的凉风凹隧道进口,高差达658米。特别是地形狭窄的老堡山段,竖向高差72米,升坡十分困难。为顺利升坡,水麻路沿老堡山山嘴螺旋式展线,盘旋而上,5次连续右转回头,于老堡山南腰螺旋交叠,然后转东南沿复兴河左岸前行。螺旋展线路段5525米,集中升坡88.91米,设分离式隧道一座,单洞长2332米;连拱隧道一座,单洞长840米;大桥6座,单幅长1951米;中桥一座,长65米。全部桥、隧均位于右偏螺旋曲线上,总转角达330度,从空中鸟瞰,形似一个巨大的希腊字母“α”。展线段有桥梁,有隧道,其中的老店子1号隧道是标志性工程。这座隧道位于右偏卵形曲线上,最小曲线半径只有254米,最大横坡7%,整个隧道总转角约155°。

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“望山跑死马。”这句俗语是形容看上去很近,其实很远的意思。作为山城的重庆,不少地方都有这样的情况。大坪在山上,化龙桥在山下,两个地方看似很近,却隔着虎头岩山体,开车要绕行半小时以上。要修路,就要先解决山体高差问题。由于大坪和化龙桥两地高低落差有100米左右,没法修建高坡度的直线隧道,所以大化隧道的设计是螺旋式环道。隧道有左右双线:左线长约415米,半径仅为100米;右线长约475米,半径为110米。
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卧龙沟1#隧道位于青甘两省交界处的卧龙沟,属于大循高速的重难点控制性工程,双向四车道,左线长2620米,右线长2554米,隧道总转角近220°,曲线最小半径为700米,纵坡为2.2%的单面坡,由于卧龙沟高差大、地势狭窄,采用了集中升坡,进出口高差达58米。施工海拔在3100米左右,是西北首条高寒、高海拔、高速螺旋隧道。路线设计采用半径700米螺旋展线,将路线标高原地抬高约120米。隧道进出口高差58米。形象地说,螺旋隧道就如同在山体中挖掘出一个坡度很小的旋转滑梯。由于地形等方面的原因,螺旋隧道的设计和施工都更为复杂,施工强度是同等长度直线隧道施工的两倍以上。

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