高速公路超長越江隧道縱坡設計研究

方智榮 李小川 周沁雪

(華設設計集團股份有限公司 南京 210018)

越江隧道縱坡設計需考慮地形地質、兩岸接線、河道及河勢演變、水文、航道航運、水工岸線建筑等建設條件,相較于城市道路,高速公路除客運交通外,還需承擔貨運交通功能,其縱坡設計要求更高。采用較大設計縱坡,可縮短隧道里程、節省建設投資,但易導致貨車運行速度低于容許速度,降低公路通行能力,增大行車安全隱患,加大隧道通風需求,甚至對越江隧道的防災救援帶來嚴重影響和不便。合適的貨運主導車型選取、合理的縱坡設計,關乎隧道工程規模、公路通行能力、車輛行車安全、運營經濟節能等,是隧道總體設計中的關鍵環節,具有重要意義。

1 公路越江隧道縱坡設計理論

1.1 縱坡設計規定

《公路工程技術標準》《公路路線設計規范》《公路隧道設計規范》等現行行業規范規定:隧道內縱坡應小于3%,大于0.3%,但短于100 m的隧道可不受此限[1]。

《公路水下隧道設計規范》規定隧道內縱坡的最小值一般以隧道建成后洞內水(包括漏水、涌水、滲水等)能自然排泄為原則,同時考慮施工誤差,不宜小于0.3%。最大縱坡應系統分析縱坡與汽車排污量的關系,基于我國已有建設經驗及現實國情,要求隧道最大縱坡不大于6%?！豆匪淼劳L設計細則》規定長度大于5 000 m隧道的平均縱坡不宜大于2.0%。

當貨車混入率較高時(達20%以上時,自然車),現行規范基于六軸鉸接列車實際的爬坡能力和條件,提出連續縱坡路段上坡時不同縱坡的最大坡長建議值,見表1。

表1 不同縱坡最大坡長(鉸接列車)

在連續縱坡路段設計時,應圍繞載重汽車可以不低于容許最低速度通行,合理設置和采用縱坡坡度、坡長,以及緩和坡段的坡度、坡長。

1.2 最大縱坡及坡長應用現狀

實際工程一般會根據項目交通量及交通構成、工程建設條件、專題研究、地區經驗等綜合考慮。國內典型水下隧道最大縱坡[2]及坡長取值見表2。

表2 典型水下隧道最大縱坡及坡長取值

1.3 縱坡坡型設置方式

受兩岸陸域及水下地形條件限制,水下隧道縱坡一般設計為V形坡或W形坡?！豆匪滤淼涝O計規范》規定,公路水下隧道一般采用V形坡。國內工程2種縱坡形式均普遍存在,V形坡隧道的行駛舒適性和營運通風效率較好,也更利于盾構施工角度調整控制。

1.4 縱坡設計對貨車運行速度的影響

近年來,高速公路貨運主導車型為五、六軸半掛車鉸接列車等大型貨車。其爬坡能力有限,坡度越大、坡長越長,速度逐漸降低,折減越嚴重。在3%的平均縱坡上,其全負荷行駛最大穩定速度只有40 km/h,低于50 km/h的容許最低速度,也低于60 km/h的最低限速。大型貨車運行速度的降低直接影響連續上坡路段的通行能力和服務水平,引起路段擁堵,增加大、小車型之間運行速度差,易發生追尾、橫向剮蹭等事故,對行車安全不利。根據文獻[1],整理典型縱坡和坡長大小對車輛速度的影響見表3。

表3 六軸鉸接列車滿載時上坡速度折減關系表

越江隧道埋深大、里程長,應考慮長大縱坡貨車速度折減對行車安全性、通行效率的綜合影響,以主導車型上坡速度折減不低于容許最低速度為前提,合理確定單一縱坡坡長和多個連續縱坡的組合縱坡方案;接近或低于容許最低速度時,應設置必要長度的緩和坡段,使得車輛能夠恢復到不低于容許最低速度。

1.5 縱坡設計對通風系統的影響

照明系統及其他機電系統受坡度變化影響很小,在評估隧道縱坡變化對運營成本的影響時不予考慮[3]。隧道需風量是制定通風方案的基礎和依據,其不僅直接關系到通風方案的合理性及投資規模,而且還關系到隧道后期運營的安全和舒適[4]。公路隧道通風設計以滿足稀釋煙塵、一氧化碳(CO)、異味等濃度達安全、衛生、舒適性標準所需風量為主,對煙塵、CO排放量按隧道設計速度以下各工況車速10 km/h為一檔分別進行計算,考慮交通阻滯和換氣的需風量,取其較大者。煙塵排放量QVI按式(1)進行計算,CO排放量QCO按式(2)進行計算[5]。

(1)

(2)

式中:QVI為煙塵排放量,m2/s;QCO為CO排放量,m3/s;qVI、qCO為考慮煙塵或CO的設計目標年份基準排放量;fa(VI)、fa為考慮煙塵或CO的車況系數;fh(VI)、fh為考慮煙塵或CO的海拔高度系數;fiv(VI)、fiv為考慮煙塵或CO的縱坡-車速系數,分別按表4、表5取值;nD、n為柴油車或所有車型類別數;fm(VI)、fm為考慮煙塵或CO的柴油車或所有車型系數;fd為車密度系數;L為隧道長度,m;Nm為各車型交通量,veh/h。

表5 考慮CO的縱坡-車速系數fiv

縱坡是影響隧道需風量和通風方案的重要參數。在某特定車速、其他條件不變時,隨著縱坡的增加,fiv值增大,特別是fiv(VI)值增加比較明顯,隧道通風的需風量增大,通風系統裝機功率隨之增大。

綜上,高速公路越江隧道的縱坡設計,首先應選取具體工程的貨運主導車型,再結合隧道埋深及爬坡需求,擬定不同的縱坡組合方案設計,考慮車輛貨車速度折減對行車安全及通行能力的影響,進而通過通風需求計算分析,論證選取合理的縱坡設計方案。

2 工程實例

海太長江隧道北起海太汽渡西側,南至白茆河口東側,隧址處江面寬7.0 km,隧道長11.185 km,屬超長隧道,設計車速100km/h,采用雙管六車道布置,隧道外徑為16 m。隧道縱坡設計主要高程控制點為現狀陸地及水下地面線、岸上接線交叉道路凈空、江堤江中及工作井處盾構隧道埋置深度、沖刷包絡線、應急拋錨深度等。綜合考慮隧道排水、平縱線形組合及指標協調均衡進行縱坡設計,采用圖1所示V形坡,選取如表6所示最大縱坡不大于3%的2.5%,2.7%和2.9% 3個縱坡組合設計方案進行研究。

圖1 隧道縱坡設計方案布置示意圖(長度單位:m)

表6 隧道縱坡設計方案表

2.1 貨車運行速度折減計算

根據交通量預測結果,遠景年客貨比為80∶20,貨車以大貨及汽車列車為主,貨運主導車型為五、六軸半掛車鉸接列車,根據貨車上坡減速曲線圖表計算可得上坡終點處車速折減情況,見表7。

表7 隧道縱坡設計方案車速折減情況 km/h

隧道埋深控制最低點更靠近南岸側,上岸高程兩岸基本相當,北岸側平均縱坡小于南岸側,盡管方案2、3北岸側貨車上坡終點速度仍高于容許最低速度,但北岸需穿長江北堤后登陸,加大最大縱坡對縮短隧道長度無影響。

方案2、3南岸側貨車速度折減值大于30 km/h,上坡終點速度低于高速公路設計容許最低車速,大、小型車輛之間的運行速度差值較大,易發生追尾、橫向剮蹭等事故,對行車安全不利,影響隧道通行能力。

2.2 需風量計算

海太長江隧道為單向交通隧道,隧道暗埋段長度10 395 m,遠期預測交通量為10 700 pcu/d,隧道長度與設計小時交通量的乘積大于2×106,設置機械通風,稀釋煙塵所需通風量大于稀釋CO所需,需風量計算結果見表8。

表8 不同坡度條件下隧道需風量計算結果

從計算結果可知,方案2、方案3對應需風量明顯高于方案1,隧道通風運營費用較高。

2.3 推薦縱坡設計方案

綜上,采用方案1即最大縱坡2.5%的縱坡組合設計方案,能夠較好平衡隧道工程規模、公路通行能力、車輛行車安全、運營經濟節能等。

3 結語

縱坡設計是根據項目功能定位、交通構成,在符合設計標準的前提下,考慮隧道建設條件、運營條件后綜合確定的。對于埋深大、里程長的高速公路超長越江隧道,合適的貨運主導車型選取、合理的縱坡設計直接決定隧道規模、通行能力、行車安全、運營節能。

1) 越江隧道應根據交通功能及交通組織管理方案,結合項目預測交通車型組成,選擇六軸鉸接列車或兩軸載重汽車作為貨運主導車型,六軸鉸接列車對于縱坡組合設計要求高于兩軸載重汽車。

2) 連續上坡路段的縱坡設計中,宜考慮長大縱坡對貨運主導車型速度折減的影響,當采用的縱坡組合坡段致使實際上坡速度降低到接近或低于容許最低車速時,應降低最大坡度,或設置必要長度的緩和坡段,使得車輛能夠恢復到不低于容許最低速度。

3) 當隧道縱坡大于2%時,對隧道通風排煙有一定影響,隧道土建工程為一次性投資,但通風系統運營消耗能源是長期持續的,應結合通風系統對隧道方案進行綜合經濟技術比較。

4) 工程設計中應綜合考慮路線、隧道、通風等專業,進行行車安全性、通行效率,以及經濟性比較,針對具體工程項目建設條件,選擇科學合理的隧道縱坡設計參數,對工程總體安全性、工程造價及運營管理等方面有重要意義和價值。