芜湖城南长江快速公路隧道总体设计
王 立, 王旭东
(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088)
摘 要:芜湖城南长江隧道为安徽省首座长江隧道,也是芜湖市城市快速路的一部分。本文主要介绍了过江隧道总体设计的思路和部分技术指标,包括隧道平面线形设计、纵断面设计、横断面设计、交通组织及收费模式分析等。
关键词: 芜湖城南长江隧道;总体设计;纵坡;交通组织;收费站;盾构
1 工程背景
芜湖城南长江隧道为八百里皖江第一隧,位于芜湖市长江大拐弯段。西起江北新区纬一路,东至江南弋江区大工山路,全长约6km,距下游在建商合杭高铁大桥6km,距离下游现状芜湖长江大桥9km(图1)。《长江经济带综合立交交通走廊规划(2014-2020)》中芜湖城南过江隧道被列安徽省内 17 条过江通道之一[1]。
图1 工程位置图
本项目的建设对缓解现有芜湖长江大桥交通压力,加快芜湖市跨江发展战略实施,密切芜湖与合肥的联系具有重大意义。
2 隧道线位选择
设计过程中,结合规划对本隧道的选址进行了进一步论证比较(图2)。
方案一:纬一路↔大工山路走向
大工山路位于芜湖城市总体规划中的中心城区“日”字型城市快速路内环线的南线,道路等级高,红线较宽,接线条件顺畅,通行能力较好;隧道出口设置在大工山路,可以充分利用大工山路的绿化带设置隧道出入口,便于交通组织;同时大工山路现状车流量不大,施工场地条件较好,工程影响小。
但是,该走向南北两岸接线道路位置错位较大,穿江段路线长,盾构区长4 000m,工程造价高。其次隧道在南北江滩段弯道半径较小,其中江南段隧道最小半径为1 000m,虽然可满足规范要求,但隧道行车舒适性相对较低。
方案二:纬一路↔红花山路走向
该方案,隧道总长较方案一缩短235m,其中盾构区缩短至3 620m。最小弯道半径可提高至1 500m。从造价及行车舒适性而言,均具有一定优势。
但红花山路宽度为40m,且两侧地块均已建成,建筑退让较少,不具有进一步拓宽条件。同时在红花山路上进一步实施高架快速路与隧道衔接将困难重重。
因此,综合考虑南岸接线道路后期快速化改造的难易程度,及快速路网结构布局等因素,确定纬一路↔大工山路作为城南过江隧道的实施线位。
图2 隧道线位比较
3 设计标准
(1)道路等级:主线城市快速路。
(2)设计速度:主线 80km/h,辅道 40km/h。
(3)车道数:主线双向六车道。
(4)车道宽度: 3.5m(小客)、3.75 m(客货)。
(5)路缘带宽度: 0.5m。
(6)横坡:隧道内 1%、隧道外 1.5%。
(7)道路净空:4.5m。
(8)主线最小平曲线半径 1 000m。
(9)凸/凹形竖曲线最小半径 4 500m。
(10)主线最大纵坡:4%。
(11)交通量等级:重型交通等级。
(12)通行车辆:禁止危险化学品、大货、中货等车辆,仅限通行客车及小货。
4 工程建设条件
场区地貌属长江中下游冲积平原,地层结构较复杂,地层上部为人工填土,第四系松散沉积物,下伏白垩系、侏罗系基岩。第四系松散沉积物无为侧为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、粉土等,厚度 30~50m;南岸侧为淤泥、淤泥质粉质黏土、粉质黏土等,厚度 30~40m。基岩风化起伏较平缓,岩性软单一,无为岸为白垩系粉砂岩,芜湖岸为侏罗系凝灰角砾岩。长江区域在 YK5+245~YK5+275(ZK5+280~ZK5+310)处发育 F1层,断层以北揭露的基岩变化较大,岩石抗压强度存在较大差异,主要为白垩系紫红色粉砂岩、灰白色石英砂岩、灰黑色泥质粉砂岩呈互层状分布;断层以南为侏罗系凝灰角砾岩,岩性单一。
5 总体设计方案
5.1 平面设计
线路沿纬一路敷设,过规划化工东路路口后开始下穿,在S319以北、规划滨江路以南设工作井,城南过江隧道经过江北工作井后,盾构区间依次穿越无为侧长江大堤、1.66km北岸漫滩、1km宽长江主河槽、0.8km南岸漫滩、芜湖侧长江大堤、长江南路后在大工山路与长江南路交口东侧设置江南接收井,之后采用明挖暗埋隧道及敞口U型槽方式,在中山南路交口西侧190m处接地,预留后期大工山路高架跨中山南路后与隧道衔接条件。
由于线路条件的限制,过江段隧道为大角度S形式。左右线进行设计,利用S型平曲线的两个弯道实现左右线间距在隧道外、盾构井、江中段的过渡衔接。
其中右线起点YK1+020,终点YK6+985,路线长度5.965km。暗埋段隧道长度 4.515km,两处平曲线半径分别为2 000m和1 000m;左线起点 ZK1+020,终点 ZK6+976.075,路线长度 5.956km,其中隧道长度 4.945km,两处平曲线半径分别为1 800m和1 100m。
5.2 纵断面设计控制条件
(1)起终点高程现状场地及道路高程。
(2)道路最小排水纵坡的要求。
(3)地下道路与地面连接匝道布设要求。
(4)道路净空4.5m。
(5)盾构井覆土厚度h≥ 0.5D(D 为洞泾)。
(6)大堤处洞顶与堤脚垂直间距不小于 1D。
(7)江中盾构隧道埋置深度施工期在现状河床以下一般小于 1.0D,局部地段不小于 0.7D;运营期在河床冲刷包络线以下的深度应满足抗浮要求,且应满足航道规划水深以及船舶锚击深度要求(最大锚击深度以下不小于 2m)。
(8)减少盾构穿越土岩复合地层的长度。
(9)明挖现浇暗埋段,顶板上覆土绿化时,顶板覆土厚度不小于 2m。
5.3 纵断面设计关键点
5.3.1 隧道防涝标高
隧道两端均为内涝低排区。其中南岸大工山路所在弋江区为芜湖市城市建成区,场地平坦,标高7~8m。为便于隧道接线与大工山路及两侧地块的衔接,隧道防洪标准与城市防洪标准保持一致。当出现超城市内涝水位时,可紧急启用隧道防淹门,确保隧道自身安全。
北岸规划为江北新城,但现状均为水田、村庄。场地平坦,标高5~6m,现状为农排防涝标准。规划防洪排涝水位尚不确定,为确保隧道安全使用,采用邻近的合芜高速公路最低点标高作为隧道接线驼峰的最高标高。驼峰以西的设计标高适当降低,便于后期城市建设。
5.3.2 隧道纵坡度控制
借鉴已通车的南京长江隧道、扬子江长江隧道、上海外滩隧道经验[2-4],从控制工程规模方面考虑,本隧道最大纵坡采用4%,相应坡长控制在700m以内。
南岸出洞较早,隧道内连续爬坡长度为1.66km,平均纵坡3.5%。通过设置420m长2%休息坡,将1.66km爬坡段分为盾构埋深抬升段(控制造价)——坡长620m、坡度4%,缓坡休息段——坡长420m、坡度2%,出洞接地段——坡长620m、坡度4%,通过以上调整实现了减少硬岩段盾构长度、缩短U槽长度减少征地、预留后期高架起坡跨中山南路等多个目的。
5.3.3 盾构与地层关系
隧址处地址状况自上而下主要为淤泥质软土层、粉砂/细沙层、粉砂岩/角砾岩层。在中粉砂岩/角砾岩层中进行掘进施工,成本高、速度慢。江南由于过江后需要快速出洞,上下调整纵坡,优化盾构埋深的余地不大;江北段存在1.6km长的长江慢滩盾构区,采用0.96%缓坡通过该段粉砂/细沙层,最大程度避让下卧粉砂岩层,降低造价、缩短工期。
5.4 纵断面设计
江北接线道路最小纵坡按 0.5%控制,收费站设置在高点。在接近隧道段设置驼峰,隧道主线纵断面于 K1+883处(距离收费站广场 470m)以627m4%的纵坡入地。下穿北岸长江大堤后,设置1 415m 0.964%的缓坡,避免盾构过早进入硬岩层。然后接着以660m 4%的纵坡进入江底,隧道在江底设置640m 1.35%的缓坡,之后沿620m 4%的纵坡上坡,为避免过长的大纵坡,在K5+890处开始设置420m 2%的缓坡下穿长江南岸大堤后,到达江南盾构井,然后再以4%的坡度上坡直到地面。主线在江北、江南分别设置0.5%、0.4%的反坡,形成驼峰,避免雨水倒灌进入隧道。
全线共设变坡点10处,竖曲线最小半径4 500m(凸型)和4 500m(凹型)。在进行平纵面组合设计时,力求使路线与地形、景观和视觉相协调。保证行车安全、舒适,使平纵指标均衡协调,避免出现各种不良线形搭配和组合(图3)。
图3 芜湖城南长江隧道平纵缩图
5.5 横断面设计
隧道盾构段采用圆形横断面,隧道外径14.5m,内径13.3m,管片厚0.6m,隧道横断面分为上、中、下三部分,上部分主要布置排烟道;中间部分主要为行车道,行车道层布置三车道行车空间,净高不小于4.5m,车道分布为3.5×2+3.75=10.75m,路缘带宽度0.5m,侧向净宽0.25m,总宽12.25m;下部为服务层,布置逃生滑道、疏散通道和维修、消防专用通道及电缆通道(图4)。
图4 盾构隧道横断面图
隧道明挖暗埋段采用两车道孔+中间管线廊道的横断面布置;明挖敞开段采用U形结构,其设备主要布置在两侧边墙,车道宽度与主隧道一致(图5、6)。
图5 盾构隧道横断面图
图6 U槽段横断面图
6 交通疏解设计
6.1 江南岸交通疏解设计
(1)与中山南路衔接。本项目为过江隧道工程,项目周期长,大工山路还未启动快速化改造,为减少工程造价,降低工程复杂程度,近期与中山南路平交,待远期快速化改造时,一并分析解决快速内环线的大范围交通组织设计问题。本次设计预留远期上跨中山南路条件。
(2)与长江南路衔接。盾构井位于长江南路交口,与长江南路高差达20.5m,无法设置连接匝道,主线两侧设置地面辅道与长江南路平交,过江车辆通过中山南路平交口及周边路网绕行(图7)。
图7 江南交通疏解示意图
因此,设计中要加强周边道路的交通渠化及边道路的路网功能,避免交通拥堵。
6.2 江北岸交通疏解设计
江北岸主要道路有滨江路、化工东路,受纵断面方案及隧道口位置的限制,收费站设置于化工东路以西,并设置组合式喇叭形互通立交,主线东西向通过设置间接式内环匝道接入化工东路、滨江路,滨江路、化工东路通过设置内环匝道接入隧道主线;主线南北侧均设置辅道(图8)。
图8 江北路网规划
江北分近远期实施,近期只实施主线部分(包含主线收费站),远期随着规划区域开发建设,交通流量的增长,再实施远期互通立交及联系辅道(图9)。
图9 江北远期互通效果图
7 收费模式分析
江南为城市建成区,无设置收费站条件,故将收费站设置在江北。为避免收费站成为交通瓶颈,结合我国交通工程发展水平及芜湖地区现状,进行了“电子不停车收费”型式的探讨。电子不停车收费系统是指整个收费广场基本由ETC车道组成,有OBU卡的车辆在自由流的状态下无阻拦不减速不停靠的状态下通行ETC车道,自动完成计次计费[5]。电子不停车收费站较传统收费站规模较小,通行速度快,是收费技术的发展趋势,现阶段,仅在一定区域范围内实施案例,如武汉过江桥隧就采用电子不停车收费系统[6]。
电子不停车收费节点的建设除了完备制度保障,还需要投入较大的人力进行管理,完成收费的全过程管理和监督,营运管理难度较大。目前芜湖地区过江通道较少,如果只针对本项目建设相关配套设施,其成本就显得有点大。因此,本项目推荐采用常规收费站模式。
根据《收费公路联网收费技术要求》(2007年第35号公告),收费系统机电系统为使用开始10年,计划2023年底通车,因此以2024年为特征年,计算标准设计小时交通量,年平均日交通量 54 000 pcu/d,高峰小时流量 3 121 pcu/h,计算车道数为13进13出。考虑本项目交通量主要为小客车及不停车收费(ETC)的设置,适当减少收费站规模,确定收费站规模为11进11,其中包含3进3出不停车收费车道。
8 结束语
随着我国城市经济的快速发展,沿江城市穿越长江隧道等工程在我国已有了不少成功案例,但主要集中在上海、南京等沿江经济发达城市。作为安徽省的首座长江隧道,芜湖城南长江工程具有其特有的示范价值。本文主要介绍了芜湖城南长江隧道总体设计的思路和部分技术指标,希望可为以后同类型工程的规划和设计起到一定的参考作用。
〔参考文献〕
[1] 中国市政工程网.安徽筹建首条过江隧道将采取BOOT模式[J]. 隧道建设(中英文), 2014(8):736.
[2] 郭信君, 闵凡路, 钟小春,等.南京长江隧道工程难点分析及关键技术总结[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(10):2154-2160.
[3] 王勇. 上海外滩隧道工程大直径盾构出洞施工技术概述[J]. 隧道与轨道交通, 2011(4):27-29.
[4] 曲明玉. 南京长江隧道与扬子江隧道工程技术对比[J]. 中国建材科技, 2016, 25(4):113-116.
[5] 石倩.高速公路电子不停车收费系统(ETC)应用及发展趋势探讨[J].中国新技术新产品, 2016(12):179-180.
[6] 张铁军.武汉路桥ETC系统实施经验[J].交通世界,2017(21):18-19.
中图分类号:U452.2
文献标识码:A
文章编号:1673-5781(2018)05-0708-04
收稿日期:2018-10-12;
修改日期:2018-10-30
作者简介:王 立(1983-),男,陕西西安人,安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司高级工程师.