马峦山隧道配套技术为长大隧道设计提供可鉴经验

  

  坪山新区作为深圳市重要的城市副中心,与市中心的交通联系将日益密切,亟需加强坪山新区与市中心区之间的快速交通联系,但现状和既有规划的联系通道均存在通行时间长、通行费用高等问题,有必要新建一条低运输成本的快速联系通道,将坪山新区与市中心区紧密联系在一起。 由于东部发展轴北侧为已建成区,高快速通道已很密集,不具备新增快速通道条件。 坪山新区与盐田区之间为自然山体,具备布设快速通道走廊带的条件,可以考虑从坪山新区往盐田区方向寻找与市中心区之间的快速联系通道。 因此,深圳市交通运输委提出了规划建设坪盐通道的设想,通过修建一座特长隧道由北向南穿越马峦山自然山体,连接坪山、盐田两区。

  马峦隧道设计方案

  马峦隧道基本呈南北走向穿越马峦山自然山体,北接锦龙立交,南接盐港东立交。 隧道为分离式独立双洞,基本线间距 37 米,双向六车道。 隧道右线长 7.904 公里,左线长 7.899 公里,属城市道路特长隧道

  

  图 1 项目总体布置图

  隧道全线最大埋深 337 米,设有 1 座通风竖井(深 194 米,在地面设有 1 座风机房)、31 处车行及人行横通道、7 处横洞式变电所(与人行横通道合建)。 隧道工程总平面布置、安全运营管理设施的设置,充分考虑了满足隧道的运营、维修、管理、防灾等需要,并充分体现“安全、高效、环保、节约”的设计理念。

  隧道横断面布置采用“独立双洞”形式,双向六车道。 左右线基本净距为 37 米,洞口段受洞外接线和地形限制净距适当减小。 正洞隧道间以车行横通道和人行横通道连通。

  隧道洞口位置的选择考虑了场地的地形、地质条件、环境保护等要求综合比选,按“早进洞、晚出洞”的原则确定,尽可能减小边仰坡的开挖高度,有利于环境保护,有利于洞口段隧道施工和运营安全。 洞口范围结合周边环境作景观设计。 两端均采用简洁明快、力线清晰的“削竹式”洞门形式。

  

  图 2 坪山端洞口及盐田端洞口均采用“削竹式”洞门

  分段纵向式通风

  马峦山隧道采用分段纵向通风排烟方式,在靠近隧道中部设置 1 座双洞共用通风竖井。 风机房设在山顶地面,通过管养道路与外部道路连通。 距隧道坪山端洞口北侧的管控中心约 17.3 公里,行车需 30 分钟。

  

  图 3 马峦山隧道通风竖井、风道效果图

  隧道给排水及消防

  1.水源及水压

  水源来自市政给水管网。 隧道北端市政给水管网管径为 DN300,至管控中心处的水压约 0.17MPa。 隧道南端市政给水管网管径为 DN800,水压为 0.35MPa,可供到约 40 米的标高,洞口标高为 43 米,需设置二次加压泵。

  2.隧道给排水

  隧道给水:在隧道两端洞口处设置加水栓,供隧道冲洗车加水。 加水栓由坪山端管控中心消防泵房及盐田端二次加压泵房内的生产给水泵供水。

  隧道排水:在隧道路面两侧每隔 20 米设置一个排水口,及时收集路面冲洗废水、消防废水等,通过自流排入市政污水管网。 结构渗漏水由专用的管道进行收集,通过自流排入市政雨水管网,最终接入雨水收集系统进行回用。

  3.隧道消防

  隧道消防系统分为隧道内、隧道外两部分。 隧道内消防系统考虑设置泡沫-水喷雾联用灭火系统、室内消火栓系统、固定式水成膜泡沫灭火系统及配置磷酸铵盐干粉灭火器,隧道外消防系统考虑设置室外消火栓或设置消防水池储存室外消防用水。

  泡沫-水喷雾联用自动灭火系统:马峦山隧道南、北段各设置一套独立的泡沫-水喷雾联用灭火系统,水源由南北洞口附近两座山顶高位消防水池分别供应,泡沫原液由南北两座消防泵房分别供应。 隧道内每 25 米划分为一个泡沫-水喷雾区间,消防时相邻两个区间同时动作,每个区间由一套隧道专用泡沫水喷雾控制阀组控制,并与消防报警系统一一对应。 每个区间在隧道的两侧上方设置 5 只远近射程的泡沫-水喷雾喷头,喷头间距为 5 米。

  隧道综合监控

  马峦山隧道与路桥合设一处管控中心,中央控制管理设施和传输系统统一设计。 管控中心数据上传至交警监控中心,并预留周围道路监控接入条件,实现信息共享。

  马峦山隧道综合监控系统主要包括中央控制管理系统、交通监控系统、环境与设备监控系统、火灾报警子系统、传输通信系统。

  工程创新与亮点

  马峦山隧道是坪盐通道的关键工程,具有特长、深埋、断面大、竖井直径大且深、穿越断层多等工程特点。 工程体量及投资规模巨大,建设条件复杂,技术难度较大,对实施要求较高。

  工程体量及投资规模巨大

  马峦山隧道右线长 7.904 公里,左线长 7.899 公里,属于城市道路特长隧道,是目前广东省乃至全国最长的城市交通隧道;隧道最大埋深 337 米,属于城市道路深埋隧道;隧道为分离式独立双洞,双向六车道,单洞内轮廓最大净宽达 15.17 米,属于城市道路大断面隧道;隧道中间设有 1 座双洞共用通风竖井,深 194 米,内直径 15 米,为目前国内汽车隧道最大直径竖井。

  隧道全线共设有 31 处车行及人行横通道、7 处横洞式变电所(与人行横通道合建)、1 座隧道管控中心、1 座地面风机房;隧道开挖土石方数量达 300 多万方。 坪盐通道工程总投资约 45.2 亿元,其中马峦山隧道建安费为 29.7 亿元。

  运营管理高度自动化

  马峦山隧道属于城市道路特长隧道,为了保证隧道内行车安全,满足隧道的运营、维修、管理、防灾等需要,在隧道内安装有通风、给排水及消防、供电及照明、综合监控、应急疏散指示等设备,各种机电设备种类繁多、数量巨大。 隧道运营管理者通过这些设备及系统之间的相互联动,能够对隧道实行有效的管理,及时、准确地掌握隧道内的交通状况、环境、结构及各类设备的运行情况,并针对各类状况采取正确的应对措施,充分发挥隧道的通过能力,保证隧道的运营安全,从而实现隧道运营管理高度自动化。

  创建智能化综合防灾体系

  马峦山隧道防灾设计以“预防为主,防消结合”,并注重树立“大消防”理念,创建智能化综合防灾体系,隧道通风排烟、灭火技术、疏散通道设置、消防救援等协同配合,达到“防灾、减灾、救灾”的目的。

  1.综合防灾体系及火灾应急控制程序

  综合防灾体系包括:疏散通道、车辆控制、消防给水及灭火设备、防排烟与事故通风、防灾通信、防灾用电与应急照明、火灾自动报警及消防联动系统。

  马峦山隧道火灾预防集中考虑人员的生命安全、财产保护及隧道使用的连续性这三方面要求。 建立以下有效的火灾应急控制程序,在火灾发生时及时联动相关系统,组织相关部门进行灾情救助。

  (1)当隧道内火灾探测器、手动报警按钮、紧急电话发出火灾报警信号时,闭路电视监视系统将监测画面自动切换至相应的摄像机监测区段进行火灾验证并录像。 当确认发生火灾后,立即向隧道管控中心防灾救援办公室报告火灾案情,请求执行火灾预案。 得到授权后,监控中心值班人员立即执行相应的火灾预案,即隧道控制系统由正常情况下的系统控制方式,转入相应火灾情况下系统控制预案,进行通风、照明、交通监控系统联动控制。 同时报告火警 119、交警 122、急救 120 等相关单位。

  (2)关闭隧道、禁止车辆继续驶入隧道,并发布火灾信息。

  (3)开启风机,开启隧道内所有的照明系统,便于救火及人员的疏散。

  (4)非火灾隧道车道控制器改为双向交通模式。

  (5)开启上游所有车行横通道防火门。

  (6)广播系统进行广播,引导人员进行疏散。

  (7)组织救援人员进行灭火控制火势,等待专业

  消防队。

  (8)灭火后,由交警等部门进行现场勘察。

  2.马峦山隧道防灾救援管理预案

  隧道消防组织方案——

  第一梯队:司机及乘客,使用水成膜泡沫枪及干粉灭火器,第一时间扑救小型火灾。

  第二梯队:管控中心救援,火灾发生一段时间后到达现场,能比较熟练使用灭火设备。 隧道洞口两端总共配备四辆三轮消防摩托车及 6~8 名消防值班人员。 消防摩托车内配置泡沫灭火器、泡沫罐、泡沫水枪、消防水龙带、防毒面具等。

  第三梯队:专业消防队,他们设备齐全,是灭火的最强力量。 第三梯队要求在接到火灾报警后的 8 分钟内到达火灾现场。

  北端洞口 10 公里范围内有深圳市公安局消防支队坪山大队、深圳市公安消防特勤大队二中队;南端洞口 10 公里范围内有深圳市消防公安分局盐田大队,到达火场的时间不能满足要求。 设计建议在洞口附近设专业应急消防队,确保在短时间内到达着火点救援。 并可简化自动灭火系统。

  除灭火力量组织外,还需组织救护力量。 在北端洞口附近有坪山医院、南端洞口附近有梅沙医院,均能在 10~15 分钟内到达火灾现场,参与救援。

  注重景观设计 改善驾乘环境

  传统汽车隧道一般不注重景观设计,或景观设计较为单一,导致行车环境枯燥,容易产生视觉疲劳。 马峦山隧道全长约 7.9 公里,属城市道路特长隧道,设计师充分考虑到特长隧道行车时间长、洞内空间压抑、改善驾乘环境需求迫切等因素,在隧道内共布设了海上世界、坪山风光及天然岩洞等 4 个景观段。 单洞分三段式设计,由入口端普通段+中部天然岩洞景观段+出口端景观段组成。

  

  图 4 海上世界景观段效果图

  隧道景观段除了美化洞内空间功能外,还有标记提示作用,提醒驾驶员已进入隧道的部位,体现行程标尺。

  1.盐田出口端景观段构思——“海上世界”

  将墙面做成大海的波浪丝带图形,提示驾驶员隧道出口方向为盐田港,设计将大海的波浪与海蓝色等元素高度概括出抽象的富有韵味的丝带图形,行车视觉上形成相互交融穿插、渐变起伏的动态画面。

  2.坪山出口端景观段构思——“坪山风光”

  将坪山新区的地貌风光、山河、大川美景高度概括成抽象的简洁图案,用剪影的方式组合表达。 整个画面绿意盎然,给驾驶员以平和舒适的感觉。

  3.中部景观段构思——“天然岩洞”

  以土黄色天然岩洞为设计立意,不仅可起到反映地理、地形、地质环境的效果,也增加了崭新的空间体验。 不但可消除视觉疲劳,同时起到标记提示作用,提醒驾驶员已进入隧道中部(已进入隧道 4 公里)。

  

  图 5 天然岩洞景观段效果图

  提高项目科技含量

  坪盐通道工程设计根据“环保优先、经济适用”的原则,积极采用新技术、新材料和新工艺,以提高本项目的科技含量,降低工程造价,减少综合运营成本,使项目的经济效益最大化。

  1.温拌阻燃沥青混合料路面的应用

  温拌沥青是通过对基质沥青添加温拌剂,以达到降低沥青高温黏度、降低沥青混合料生产和施工温度的功能。 一方面可以显著降低施工温度,在节约能源的同时,改善施工环境,起到节能减排的作用;另一方面降低生产和施工温度可减少沥青的老化。 温拌阻燃沥青是通过对基质沥青添加温拌改性剂和阻燃改性剂进行双重改性,以达到温拌和阻燃的双重功能。 一方面可以提高隧道铺面的防火安全性能,另一方面也可以显著降低施工温度,在节约能源的同时,改善施工环境,这对于隧道这种特殊的场合效果尤为突出。

  温拌阻燃沥青混合料的应用,可以从根本上改变过去沥青混凝土铺面易燃烧、易流淌,施工高污染、高能耗的弊端,明显提高沥青混合料的防火阻燃性和施工安全性,尤其是对于马峦山隧道这样的长大隧道,可消除施工烟雾,大幅度改善施工和行车条件,达到节能减排和安全环保的效果,因而具有显著的经济效益和社会效益。

  2.隧道通风竖井采用“反井法”新工艺施工

  马峦山隧道通风竖井深 194 米、内直径 15 米,拟采用“反井法”进行施工。 “反井法”施工步骤如下——

  第一步:从井口采用专用反井钻机由上向下钻导向孔至井底;

  第二步:在井底更换成扩孔钻头,由下向上扩孔直到地面形成直径 2.0~3.0 米出渣通道(辅助人工扩孔);

  第三步:从井口地面开始由上至下采用钻爆法开挖并施做初期支护;

  第四步:最后从井底到井口,由下至上现浇完成二次衬砌施工。

  “反井法”是一种高效、安全、经济的凿井施工方法,广泛应用于煤矿、冶金、水电等工程领域。 国内交通工程采用“反井法”施工实例较少,马峦山通风竖井采用“反井法”新工艺施工,为深圳市积累相关完整的施工管理经验,可供其他类似隧道工程借鉴。

  3.创新性采用地面风机房方案

  国内绝大部分隧道由于受通风竖井口附近地面的地形、气象、交通、用地条件等限制,基本上将风机房布设在地下。 虽然方便供电、管理等,但需要大幅地增加隧道土建暗挖设备房面积及其他附属通道的工程量,土建费用较高。 并且风道复杂,施工难度较大。

  马峦山隧道通风竖井风机房布设时,考虑到通风竖井口周边地面有现状道路,且路况良好,方便风机房设备及人员进出;同时风机房选址避开了东部华侨城用地红线,对周边的规划基本无影响;并距上坪水库库尾区域较远,对环境影响较小。 经综合比较分析,创新性地推荐采用地面风机房方案:风道简单,土建费用较低,并且可一定程度降低施工难度及风险。

  4.低影响开发雨水利用技术的应用

  低影响开发雨水利用技术核心思想是通过采用多种分散式的源头控制措施,维持城市开发后的水文特征与开发前一致,构建将雨水源头控制措施和雨水集中处理设施统一结合的可持续城市雨水系统,不仅有助于有效减少城市地表径流,提高城市排水安全性,还可以充分利用雨水资源,减轻城市水资源的压力。 通过合理设计,大部分低影响开发雨水利用设施,如雨水花园、低势绿地、景观水体、雨水湿地、多功能调蓄池等,都可以发挥储存、调节和净化等水文功能。

  锦龙大道改造段2号桥下的绿化带采用下凹式绿地,将道路红线范围内高架桥收集的桥面雨水,优先汇集进入下凹式绿地进行过滤、滞蓄、渗透,使大部分雨水径流能补充地下水。

  在锦龙立交西南侧设计弃土场处、马峦山隧道管控中心南侧设置锦龙立交雨水收集利用工程。 雨水经收集后,通过雨水管输送至调节池,截留初期雨水,截留的初期雨水在降雨结束后由水泵打入旋流分离器进行预处理,底流直接排入储泥池,预处理后初雨进入潜流湿地进行再处理后流入生态水塘。 后期雨水由调节池通过重力流至生态水塘,生态水塘暂时储存雨水并进行景观扬水,在晴天时由水泵将水塘水泵入潜流湿地进行处理,实现循环并用于雨水回用。

  

  图 6 锦龙立交雨水收集利用工程工艺流程图

  6 项科研技术成果

  1.城市道路特长隧道全寿命周期风险管理技术研究

  查找、辨识和评估马峦山特长隧道设计、施工、营运的各类风险,并提出控制和规避措施;研发出马峦山特长隧道全生命周期风险管理系统。

  2.深圳城市道路特长隧道灾害防控系统设计研究

  建立马峦山特长隧道防灾救援体系,获取其防灾救援系统的关键设计参数;论证了马峦山隧道洞口附近设置专业消防队或消防应急队的必要性,明确城市快速路特长隧道消防队伍的合理设置方案;获取多场环境条件下的隧道高压细水雾灭火特性及关键技术参数,设计和选择马峦山特长隧道自动灭火系统;解决城市快速路特长隧道毗邻大型立交的安全性技术问题。

  3.城市道路特长隧道节能与营运环境控制关键技术研究

  马峦山特长隧道实现节能保环型通风方案、智能通风控制系统,以及照明系统的最优配置及节能保环型智能控制系统、方法,解决特长超大城市道路隧道水雾降温的关键技术问题。

  4.城市道路特长大断面隧道数字化建管养关键技术研究

  建立大跨度特长道路隧道的三维数字化模型、施工过程数字化管理系统、结构健康度的分级评估指标、大跨度特长道路隧道在线实时健康监测与运营养护管理系统;研发了隧道日常巡检手持式设备;制定“长大隧道结构长期健康监测设计指南”。

  5.城市道路特长大断面隧道围岩稳定性及结构支护体系研究

  研究出隧道围岩质量多因素分级、定性与定量分级相结合的方法、岩石的破坏力学参数与围岩分类的定量关系、岩体破坏力学、围岩分类及灾害类型三位一体的围岩分类方法、大断面城市道路隧道合理断面形式及支护体系优化技术方案。

  6.马峦山隧道交通安全分析与控制研究

  研究马峦山隧道限速及车速管控方案,提出基于特长隧道通行效率和运行风险双层规划模型的限速方法;基于马峦山隧道车辆变换车道的安全性,提出基于换道需求的特长隧道交通组织方法;根据马峦山隧道毗邻互通立交的交通组织及安全控制方案,提出隧道-互通立交超短连接段的交通组织方法。

  上述科研成果将形成坪盐通道马峦山隧道综合配套技术,其关键技术研究成果直接为长大隧道设计和施工的重大决策提供科学的技术支撑,进而为深圳市的城市交通隧道工程建设积累技术成果和经验。

  目前马峦山隧道双洞即将全线贯通,可望于 2019 年全面建成通车。 届时,这座长达 7.9 公里的城市道路特长隧道犹如一条绿色的快速线,穿越自然山体的重重阻隔,把“坪山新区、马峦山、盐田区”紧紧地串联在一起,必将成为深圳市一座现代化的城市交通隧道及标志性工程之一。

  本文刊载 / 《桥隧产业资讯》杂志 2018 年 总第 34 期

  作者 / 林有心

  作者单位 / 深圳市市政设计研究院有限公司市政设计二院


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