高速公路超长越江隧道纵坡设计研究

方智荣 李小川 周沁雪

(华设设计集团股份有限公司 南京 210018)

越江隧道纵坡设计需考虑地形地质、两岸接线、河道及河势演变、水文、航道航运、水工岸线建筑等建设条件,相较于城市道路,高速公路除客运交通外,还需承担货运交通功能,其纵坡设计要求更高。采用较大设计纵坡,可缩短隧道里程、节省建设投资,但易导致货车运行速度低于容许速度,降低公路通行能力,增大行车安全隐患,加大隧道通风需求,甚至对越江隧道的防灾救援带来严重影响和不便。合适的货运主导车型选取、合理的纵坡设计,关乎隧道工程规模、公路通行能力、车辆行车安全、运营经济节能等,是隧道总体设计中的关键环节,具有重要意义。

1 公路越江隧道纵坡设计理论

1.1 纵坡设计规定

《公路工程技术标准》《公路路线设计规范》《公路隧道设计规范》等现行行业规范规定:隧道内纵坡应小于3%,大于0.3%,但短于100 m的隧道可不受此限[1]。

《公路水下隧道设计规范》规定隧道内纵坡的最小值一般以隧道建成后洞内水(包括漏水、涌水、渗水等)能自然排泄为原则,同时考虑施工误差,不宜小于0.3%。最大纵坡应系统分析纵坡与汽车排污量的关系,基于我国已有建设经验及现实国情,要求隧道最大纵坡不大于6%。《公路隧道通风设计细则》规定长度大于5 000 m隧道的平均纵坡不宜大于2.0%。

当货车混入率较高时(达20%以上时,自然车),现行规范基于六轴铰接列车实际的爬坡能力和条件,提出连续纵坡路段上坡时不同纵坡的最大坡长建议值,见表1。

表1 不同纵坡最大坡长(铰接列车)

在连续纵坡路段设计时,应围绕载重汽车可以不低于容许最低速度通行,合理设置和采用纵坡坡度、坡长,以及缓和坡段的坡度、坡长。

1.2 最大纵坡及坡长应用现状

实际工程一般会根据项目交通量及交通构成、工程建设条件、专题研究、地区经验等综合考虑。国内典型水下隧道最大纵坡[2]及坡长取值见表2。

表2 典型水下隧道最大纵坡及坡长取值

1.3 纵坡坡型设置方式

受两岸陆域及水下地形条件限制,水下隧道纵坡一般设计为V形坡或W形坡。《公路水下隧道设计规范》规定,公路水下隧道一般采用V形坡。国内工程2种纵坡形式均普遍存在,V形坡隧道的行驶舒适性和营运通风效率较好,也更利于盾构施工角度调整控制。

1.4 纵坡设计对货车运行速度的影响

近年来,高速公路货运主导车型为五、六轴半挂车铰接列车等大型货车。其爬坡能力有限,坡度越大、坡长越长,速度逐渐降低,折减越严重。在3%的平均纵坡上,其全负荷行驶最大稳定速度只有40 km/h,低于50 km/h的容许最低速度,也低于60 km/h的最低限速。大型货车运行速度的降低直接影响连续上坡路段的通行能力和服务水平,引起路段拥堵,增加大、小车型之间运行速度差,易发生追尾、横向剐蹭等事故,对行车安全不利。根据文献[1],整理典型纵坡和坡长大小对车辆速度的影响见表3。

表3 六轴铰接列车满载时上坡速度折减关系表

越江隧道埋深大、里程长,应考虑长大纵坡货车速度折减对行车安全性、通行效率的综合影响,以主导车型上坡速度折减不低于容许最低速度为前提,合理确定单一纵坡坡长和多个连续纵坡的组合纵坡方案;接近或低于容许最低速度时,应设置必要长度的缓和坡段,使得车辆能够恢复到不低于容许最低速度。

1.5 纵坡设计对通风系统的影响

照明系统及其他机电系统受坡度变化影响很小,在评估隧道纵坡变化对运营成本的影响时不予考虑[3]。隧道需风量是制定通风方案的基础和依据,其不仅直接关系到通风方案的合理性及投资规模,而且还关系到隧道后期运营的安全和舒适[4]。公路隧道通风设计以满足稀释烟尘、一氧化碳(CO)、异味等浓度达安全、卫生、舒适性标准所需风量为主,对烟尘、CO排放量按隧道设计速度以下各工况车速10 km/h为一档分别进行计算,考虑交通阻滞和换气的需风量,取其较大者。烟尘排放量QVI按式(1)进行计算,CO排放量QCO按式(2)进行计算[5]。

(1)

(2)

式中:QVI为烟尘排放量,m2/s;QCO为CO排放量,m3/s;qVI、qCO为考虑烟尘或CO的设计目标年份基准排放量;fa(VI)、fa为考虑烟尘或CO的车况系数;fh(VI)、fh为考虑烟尘或CO的海拔高度系数;fiv(VI)、fiv为考虑烟尘或CO的纵坡-车速系数,分别按表4、表5取值;nD、n为柴油车或所有车型类别数;fm(VI)、fm为考虑烟尘或CO的柴油车或所有车型系数;fd为车密度系数;L为隧道长度,m;Nm为各车型交通量,veh/h。

表5 考虑CO的纵坡-车速系数fiv

纵坡是影响隧道需风量和通风方案的重要参数。在某特定车速、其他条件不变时,随着纵坡的增加,fiv值增大,特别是fiv(VI)值增加比较明显,隧道通风的需风量增大,通风系统装机功率随之增大。

综上,高速公路越江隧道的纵坡设计,首先应选取具体工程的货运主导车型,再结合隧道埋深及爬坡需求,拟定不同的纵坡组合方案设计,考虑车辆货车速度折减对行车安全及通行能力的影响,进而通过通风需求计算分析,论证选取合理的纵坡设计方案。

2 工程实例

海太长江隧道北起海太汽渡西侧,南至白茆河口东侧,隧址处江面宽7.0 km,隧道长11.185 km,属超长隧道,设计车速100km/h,采用双管六车道布置,隧道外径为16 m。隧道纵坡设计主要高程控制点为现状陆地及水下地面线、岸上接线交叉道路净空、江堤江中及工作井处盾构隧道埋置深度、冲刷包络线、应急抛锚深度等。综合考虑隧道排水、平纵线形组合及指标协调均衡进行纵坡设计,采用图1所示V形坡,选取如表6所示最大纵坡不大于3%的2.5%,2.7%和2.9% 3个纵坡组合设计方案进行研究。

图1 隧道纵坡设计方案布置示意图(长度单位:m)

表6 隧道纵坡设计方案表

2.1 货车运行速度折减计算

根据交通量预测结果,远景年客货比为80∶20,货车以大货及汽车列车为主,货运主导车型为五、六轴半挂车铰接列车,根据货车上坡减速曲线图表计算可得上坡终点处车速折减情况,见表7。

表7 隧道纵坡设计方案车速折减情况 km/h

隧道埋深控制最低点更靠近南岸侧,上岸高程两岸基本相当,北岸侧平均纵坡小于南岸侧,尽管方案2、3北岸侧货车上坡终点速度仍高于容许最低速度,但北岸需穿长江北堤后登陆,加大最大纵坡对缩短隧道长度无影响。

方案2、3南岸侧货车速度折减值大于30 km/h,上坡终点速度低于高速公路设计容许最低车速,大、小型车辆之间的运行速度差值较大,易发生追尾、横向剐蹭等事故,对行车安全不利,影响隧道通行能力。

2.2 需风量计算

海太长江隧道为单向交通隧道,隧道暗埋段长度10 395 m,远期预测交通量为10 700 pcu/d,隧道长度与设计小时交通量的乘积大于2×106,设置机械通风,稀释烟尘所需通风量大于稀释CO所需,需风量计算结果见表8。

表8 不同坡度条件下隧道需风量计算结果

从计算结果可知,方案2、方案3对应需风量明显高于方案1,隧道通风运营费用较高。

2.3 推荐纵坡设计方案

综上,采用方案1即最大纵坡2.5%的纵坡组合设计方案,能够较好平衡隧道工程规模、公路通行能力、车辆行车安全、运营经济节能等。

3 结语

纵坡设计是根据项目功能定位、交通构成,在符合设计标准的前提下,考虑隧道建设条件、运营条件后综合确定的。对于埋深大、里程长的高速公路超长越江隧道,合适的货运主导车型选取、合理的纵坡设计直接决定隧道规模、通行能力、行车安全、运营节能。

1) 越江隧道应根据交通功能及交通组织管理方案,结合项目预测交通车型组成,选择六轴铰接列车或两轴载重汽车作为货运主导车型,六轴铰接列车对于纵坡组合设计要求高于两轴载重汽车。

2) 连续上坡路段的纵坡设计中,宜考虑长大纵坡对货运主导车型速度折减的影响,当采用的纵坡组合坡段致使实际上坡速度降低到接近或低于容许最低车速时,应降低最大坡度,或设置必要长度的缓和坡段,使得车辆能够恢复到不低于容许最低速度。

3) 当隧道纵坡大于2%时,对隧道通风排烟有一定影响,隧道土建工程为一次性投资,但通风系统运营消耗能源是长期持续的,应结合通风系统对隧道方案进行综合经济技术比较。

4) 工程设计中应综合考虑路线、隧道、通风等专业,进行行车安全性、通行效率,以及经济性比较,针对具体工程项目建设条件,选择科学合理的隧道纵坡设计参数,对工程总体安全性、工程造价及运营管理等方面有重要意义和价值。