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川藏公路复杂地质隧道设计对策措施
摘 要 国道318线海子山-竹笆笼段改建工程(简称川藏南线海竹段)共设七座隧道。隧址区自然环境恶劣，生态环境脆弱，涉及高寒、高地震烈度、高地应力、变质岩分布广泛、低类别围岩比例较高和隧道进洞条件差等复杂地质条件。本文重点对这些地质问题在设计上采取的对策措施展开探讨，以供同类隧道的有关设计参考。
关键词 公路隧道设计 抗震 防冻 高应力

1 概述
2003年8月开工建设的川藏南线海竹段总长126km，是川藏交通命脉，也是一条重要的国防通道。路线基本为原路改建的三级公路，新建隧道主要是为绕避特大滑坡、泥石流、水毁、崩塌等不良地质病害(图1)。同时，改建工程也遇到了高寒、高地震烈度、高地应力、变质岩分布广泛、低类别围岩比例较高和隧道进洞条件差等复杂地质条件，这些问题都需要采用妥善的设计对策措施加以解决。
妥善的设计对策措施加以解决。



1.1 隧道规模
全路段隧道均为新建，为双向交通单洞，各隧道长度见表1。


1.2 隧址区主要工程地质特征
隧址区屑丘状高原和深切峡谷高山地貌、高寒地区，隧道洞口高程2600-3500m，最冷月平均温度-3℃，最大冻土深度1.2m。地壳活动强烈，地震烈度高，地震基本裂度为Ⅷ-Ⅸ度，地质构造复杂，断裂褶皱发育。外营力风化剥蚀作用强烈，地表岩体破碎，洞口地形地质条件非常差。由于是老路改建，新增隧道轴线多与松散坡面小角度斜交多，致使洞壁过薄，偏压严重。变质岩分布广，且多为岩浆岩侵人。埋深大(如拉纳山隧道最大埋深达715m)，侵入岩体封闭性好，地应力高，多座隧道有发生岩爆的可能。岩层节理裂隙发育，低类别围岩比例较高。
2 隧道设计对策措施
2.1 抗防冻设计
隧址区地处青藏高原高寒干燥气候带，总的特点是干燥寒冷，冬长夏短，春秋不分。年均气温8.8℃，7月平均气温18.8℃，1月平均最低气温-16.8℃，1月平均气温-3℃，昼夜温差可达20℃以上；年均无霜期184天，冰冻深度0.5—1.3m，最大积雪深度为24cm。
海竹段全线海拔平均3300m，其中路线最高点海子山海拔4685m。隧道洞口最高海拔为德达隧道进口3580m，最低为黄草坪2号隧道出口2650m；前四座隧道洞口海拔在3000m以上。
设计主要对策如下：
a. 模筑混凝土抗渗标号提高到S8。
b．采用加厚止水带作为冻胀伸缩缝，并加密设置。
c．隧道洞门墙的基础置于冻结线下0.25m，必要时换填。
d．明洞顶部回填不采用粘土，而采用于砌片石铺砌，砂浆勾缝，下部为碎石垫层。
e．对于洞口海拔高程大于3000m的4座隧道，设置保温防冻段，在洞口段350m,对于长度小于1000m的隧道则全洞设置。保温防冻层设计采用在二次衬砌内部用硬质聚氨脂泡沫塑料型材+玻璃钢组成，厚4cm。目前正根据洞口段实测气候资料，并结合国内外新材料，进行调研。
f. 根据洞口实测的气温情况，在部分洞口设置保温出水口，必要时采用保温水沟。
s．对隧道施工的材料、设备和季节作特殊要求。
2.2 抗震设计
海竹段地质构造复杂，断裂、褶皱发育，巴塘、金沙江活动断裂带纵横交错于测区；新构造运动剧烈，地壳强烈上升，地震活动频繁，定点水准测量结果表明，地表年变化在0.5mm左右。地壳活动强烈，有史料记载以来仅破坏性地震就发生122次，地震烈度高，地震基本裂度为Ⅷ度。
黄草坪地区经四川省地震局工程地震研究所和其他有关地质部门综合勘察后认为：地震基本裂度为Ⅸ度。该路段工程地质条件在整个海竹段中最为不利，处于巴塘活动断裂带附近，地质条件十分复杂。黄草坪一带存在全新世活动大断裂——巴塘断裂，具有原地复发的特点，该处断裂具备发生7级左右地震的能力，年均蠕滑量为0.57mm，即使按未来百年内不以特征地震形式发生强震，估计的最大可能位错量亦为0.77±0.37m，而强震位错可以达到3.06+0.51m左右。
针对以上地质特征，在隧道选线时黄草坪1号和2号隧道选择了P线作为设计方案(图2)，避开了巴塘—莫西活动大断裂(隧道轴线距断裂300—600m)，仅路线接线的部分路基段穿越巴塘活动断裂和党巴断裂。远离活动大断裂后，隧道的长期营运安全得到了保证。

设计主要对策如下：
a．洞口
控制边仰坡高度，洞门的端墙、柱墙用C20混凝土现浇，与拱圈之间用插筋连成整体，以增强其抗震稳定性。为了减弱地震对结构的影响，明洞拱圈和侧墙采用分体修筑。另外浆砌片石水沟和浆砌块石挡墙或护面墙的砂浆标号均提高一级，分别达到M7.5和M10。
b．洞身
洞口浅埋及偏压段衬砌采用钢筋混凝土结构，洞口段纵向每隔15-20m设环向抗震缝。
黄草坪隧道洞身虽未直接穿越巴塘活动断层带，但也在其影响带内，设计针对地层年均蠕滑0.57mm，措施主要为：采用钢筋混凝土柔性结构并加大配筋率、加密设置抗震沉降缝和适当加大净空。如发生强震，地层错动滑移，则隧道结构无法承受。该隧道已作为抗震科研依托工程，被列入交通部西部课题，开展“活动断裂地区隧道设计、施工、监测技术研究”。
2.3 高地应力设计
隧道穿越深切峡谷地区，山高谷深，壁峭崖悬。洞身深埋段和高陡斜坡坡脚为应力集中区。隧道穿越洞身深埋段硬质岩可能发生岩爆，软质岩可能发生大变形。
2.3.1 岩爆段
根据地质、地震、地应力测试等部门在隧道钻孔内进行的原地应力测试结果见表2。
总体上看，它们之间的关系表现为：σH>σv>σh，水平主应力占主导地位。最大水平主应力方向与隧道轴线夹角较小，对隧道围岩稳定相对有利。
设计采用临界埋深、铁路课题组成果、工程岩体分级标准等五种判据，对隧道是否发生岩爆进行初判。


判断结果表明：波戈溪和拉纳山隧道洞身深埋段硬质岩(拉纳山隧道最大埋深达715m)有可能发生岩爆。其中，穿越波戈溪灰岩段可能发生弱岩爆，穿越拉纳山隧道安山岩段可能发生弱-中等程度岩爆。
设计主要对策如下：喷钢纤维混凝土(岩爆程度高时加钢筋网)，施作短锚杆并适当加密间距，锚杆选用效果快的水泥药包锚杆，以确保施工安全。
2.3.2 大变形段
列衣隧道洞身穿越大段极软岩(以炭质千枚岩和千枚岩为主)，易产生大变形，引起洞室失稳。
对以薄层极软岩(如炭质千枚岩)为主的段落，岩体裂隙、层间小褶皱、断裂和地下水均较发育，岩体破碎，软化后呈碎石土、砂土状，围岩稳定性极差。设计主要对策如下：初期支护加大预留变形量、长自进式锚杆作系统锚杆、喷射钢纤维混凝土、工字钢钢架加密，二次模筑混凝土采用钢筋混凝土。图3为列衣隧道穿越炭质千枚岩中的层间褶皱，白色为破碎的石英脉。
2.4 困难洞口段设计
海竹段7座隧道共14个洞口，有11个位于巨厚的覆盖层上，进洞非常困难。设计考虑在减少洞口开挖和作好坡面防护的基础上，采用大管棚并结合隧道周边注浆进洞，并根据实际地形接长明洞。
其中，雅江隧道出口采用了国内不多见的35m长“反压回填暗挖单压明洞”技术方案。该洞口轴线与地形斜交且坡面松散，覆盖层巨厚，既不能暗挖(洞壁不够厚)，又不能明挖(坡面不允许刷坡)。因此，采用了水泥混合土反压形成人工山体然后进行暗挖的方法，此法可基本不扰动山体，从而可保证施工安全和结构安全(图4)。


3 结束语
川藏南线海竹段改建工程虽然克服了原路特大滑坡、泥石流、水毁、崩塌等不良地质病害，但新建项目隧道工程也遇到了高寒、高地震烈度、高地应力、变质岩分布广泛、低类别围岩比例较高和进洞条件差等复杂地质的处理问题。通过本文介绍的这些设计对策措施，这些问题得到了较好的解决，目前各隧道的施工进展顺利，已基本处于收尾阶段。这些设计对策措施的成功应用，为类似隧道工程项目的设计积累了宝贵经验。

参考文献
1 铁路工程设计技术手册隧道．北京：中国铁道出版社．1999年
2 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院；海竹段各隧道详勘报告
3 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院．海竹段施工图设计文件
(钟 勇 王金平)

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