雅西高速公路奇觀

現在「南洋理工大學」冬季班己結束了,趁著十餘天的年假,整理了春季碩班的入學報告。其中一位來自中國北京交大學生入學申請書隨文(應為其大學畢業論文),在此節錄提供社友們分享(其原文是以簡體字書寫,後經要求而修正以英文交卷)。
該生曾於2012年通車前的雅西高速公路實習。在其兩年的過程中,透過四川省交通運輸廳公路規劃勘察研究院(隸屬省公路院)的協助下,參與了該工程的設計與測量及末端的監造。最後完成了這條中國號稱「逆天工程」的高速公路。該工程確實實經歷了許多技術挑戰,值得深入了解。

  • 雅西高速公路位置圖(位於中國西南方)。

我叫王祥騮,中國人北京交通大學道路工程系,經系主任推薦而遠赴四川現地實習,才有接觸到這難得學習機會。首先要了解的是,這條公路兩端的高低差雖然僅有一仠公尺,但是其間的地形變化劇烈,既要穿越高山峻嶺,還要借道河谷而行,為了解決縱坡過大的問題,只好在主線上增設了兩個螺旋路段以拉長路線(似臺九線之宜蘭段)。不過路線問題的解決也注定了需要興建更多的橋樑及長隧道,而活躍的地殻運動及其所帶來的地質危害將技術挑戰提升到另一個層次,解決方案勢必突破傳統思維,因而引發技術創新(筆者按;建議他來參加IMC的創新學習)。
翻山越嶺上高原 挑戰路線規劃
在北方絲綢之路開通兩個世紀之前,一條跨越西南高原通往印度的南方絲綢之路就已經存在了,這條對外通商貿易的陸路通道是以成都為起點,向南大致可歸納為中、西、東三條線,其中西線稱為靈關道經由現今的雅安、瀘沽、西昌通往大理,此就是雅西高速公路所使用的路廊,不過當時人馱馬拉對於通行條件的需求自然遠低於現今高速公路的標準。雅西高速公路也稱雅瀘高速公路是京昆高速公路(G5)的一個路段,通車里程240公里,行車時間約四小時。京昆高速公路由北京經西安、成都到昆明,全程2,716公里,是以北京為中心向外輻射的七條國道高速公路之一。雅西高速公路建成之前,這個路段的交通是利用京昆國道(G108)通行,由於路線曲折,爬坡路段多,行車時間至少要8小時,遇到氷雪雨霧等不良天候時行車安全更是堪虞。

2-.雅西高速公路縱坡線型

雅西高速公路起點雅安市的標高638m,終點瀘沽鎮標高約為1,630m,按全程240km計算縱坡僅約0.4%,但兩地之間並無貫通的廊道可供佈設一條平緩的路線,必須穿山越嶺或跨水渡河。由北向南先要穿越峰頂標高3,235m的泥巴山(大相嶺),然後下降至標高約800m的大渡河谷,接著再爬升穿越峰頂標高2,860m的拖烏山,最後遂漸下降至終點,路線規劃最大的挑戰就是連續縱坡的問題。規劃過程中為了將拖烏山北坡的縱坡控制在3%以內,必須將路線拉長,其策略就是在技術上可行、成本合理及行車安全的前提下找到一條迂回的路徑。經過三個方案比選之後決定採用雙螺旋方案,利用橋梁及雙孔隧道以半徑約600m的螺旋路線在干海子及鐵寨子兩處穿越或環繞山體,拉長約8km路線,擔負了約220m的爬升任務。為了維持安全的行車視距,隧道內的內路肩加寬400mm,外路肩加寛200mm。

3-.依谷環山南行的雅西高速公路。
三段連續縱坡是在安全、舒適及成本三項因素綜合考慮下的結果,過程中特就安全性及舒適性建立了一套路線線型良窳的量化評估系統,以運行車速、線型連續及地形協調為參數逐段進行評估,以決定各路段所需要採取的額外安全措施,目的是在既定的線型條件下控制行車風險或降低意外損傷。其中對於重型車輛的行車安全尤為重視,因為重型車輛在長時間處於爬坡或煞車的狀態下,機件故障的機率極高,發生意外所衍生的損也較高,需要特殊的防護。上述额外的安全措施包括設施及管理兩方面,以下將作進一步說明:
1.在連續縱坡的關鍵地點包括起點、終點及轉彎處設置警告標誌和電子看板,提供靜態及動態的警示資訊。在泥巴山及拖烏山北坡經常出現冰雪雨霧的路段或駕駛容易鬆弛的地點再加設警示燈以加強警告效果。
2.於全線設置12處避險車道,以引導失控車輛駛入減速區,由於地形的限制及建設成本的考慮,避險車道除了鋪設傳的阻滯性路面之外,並按裝了機械式的阻尼器,以網索攔截車輛協助減速,避險車道的長度因此可以減少30%。
3.全線設置了8處緊急出口銜接京昆國道(G108)或地方道路,以備在連續縱坡路段發生交通事故時進行緊急疏散及快速救援。
除此之外行車安全及道路管理監控系統的設置,及連續縱坡路段隧道內的照明設計等均有創新的解決方案。
深谷及地震(挑戰橋梁設計)
雅西高速公路,由於通過區域的地形劇烈起伏,全線共有大小橋梁270座,總長度91km,超過全部里程的1/3,其中不乏改進或創新的設計。以下將就最高橋墩達182.5m的臘八斤大橋以及位於小半徑曲線上抗震設防達到9度的干海子大橋加以介紹。

臘八斤大撟
臘八斤大橋的南端與泥巴山大相嶺隧道的北端銜接,基於隧道長度、隧道埋深與橋梁高度的綜合考慮,當大相嶺隧道的埋深定在1,650m之後,臘八斤大撟就注定了採用150m級以上的高橋墩。依四川省公路院的調查,150m以上的高橋墩,大多採用鋼筋混凝土箱形斷面,在完工之後甚至施工中就經常出現大量的裂痕,而且還不斷的擴展,既使經過修補也未見有效改善,是橋梁安全上的一大隠憂。而且鋼筋混凝土構造的高橋墩自重過大,抗震能力被削減,在強震區並非理想的結構形式。

臘八斤大橋全長1,106m,主橋是105m+200mx2+105m四跨連續樑橋,採用懸臂施工法現場澆鑄,最高橋墩達182.5m。每座橋墩由兩支橋柱組成,兩支橋柱之間在高度方向上的中段部分以鋼管水平支撐及交叉斜撐相互聯結。橋柱呈矩形斷面,四個角落各設一根直徑1,320mm的鋼管,內部以自填方式灌注C80高強度混凝土,外部則包覆厚度200mm(較矮的橋墩僅有150mm)的C30鋼筋混凝土。橋柱在橋軸縱向的兩根鋼管呈1/70傾斜,其間以型鋼水平支撐及交叉斜撐組成桁架式的結構;在橋軸橫向的兩根鋼管呈垂直向,其間僅設型鋼水平支撐。四根鋼管之間在高度方向上每隔12m打一片厚度1,000mm的C50鋼筋混凝土橫隔版,然後在模隔版的外緣繞設鋼絞線對版體施加預力。由鋼管柱,支撐及橫隔版組成的構造是橋墩承擔垂直及水平荷重最主要的結構體。

除了上述主要的結構體之外,在橋柱所有外立面的兩根鋼管及兩階橫隔版之間再打設一道厚度500mm的C30鋼筋混凝土腹版,將前述的水平支撐及交叉斜撐包覆在內,並與鋼管的外覆混凝土鑄成一體。雖然斷面上這些腹版似乎形成一個箱形構造,但實際上只是一種輔助的結構體,目的在增加主要結構體的剛度,以減少側向位移。當遭遇到強烈地震時,這些腹版允許開裂以吸收能量,以保障主要結構體不致破壞而倒塌。臘八津大橋的橋橋柱斷面是一種創新(在臺灣已是過時的工法)的橋墩構造與傳統的鋼筋混凝土箱形構相比,可以減少自重28%。
橋柱的鋼管採用一致的管徑以確保應力的平順傳遞,也便於施工,管壁厚度則依照斷面荷重而調整,但維持徑厚比在100以下。在外圍施加預力的橋柱橫膈墩構版可以約束鋼的位移,折減鋼管柱的細長比,進而提升鋼管柱的穩定度。鋼管的內柱及外覆混凝土除了提高鋼管柱的軸向承載力之外,也可以降低鋼管斷面內變形及局部挫屈的機率。不過因為外覆混凝土的強度遠低於鋼管及內注混凝土的強度,所以承擔的荷重極小,再加上抗收縮添加劑的作用,預期可以大幅減少混凝土開裂的可能性。

干海子大橋
本文前節曾經說明,拖烏山北坡為了降低路線縱坡,在主線上加設了兩個螺旋路段,這兩個螺旋路段的一部分是以隧道穿過山體,一部分是以橋樑繞行山體,橋樑部分就是干海子大橋及鐵寨子大橋,橋樑與隧道的平面線形甚為高聳,其干海子大橋的最高橋墩也達107m。


位於泥巴山北坡的臘八斤大橋雖然橋墩較高,但落在八度抗震設防地區,橋樑的水平軸線接近直線,結構的振動模式比較單純,所以抗震課題集中在橋墩的設計上。干海子大橋位於九度抗震設防地區,所藴含的地震加速度是八度地區的兩倍,而更大的挑戰是橋樑位於螺旋路段的圓曲線、緩和曲線及S曲線上,最小半徑只有356m,非對稱結構的振動模式就要複雜多,所以設計方案必須將上下部结構合併考慮。首先要決定的是跨徑,由於曲率半徑太小,只有中等跨徑比較適用,經評估之後決定採用44.5m及62.5m兩種跨徑,但上部結構的深度相同以展現簡單明快的外型。
干海子大橋抗震設計的主要策略在輕量化,因此上下部結構都盡量採用鋼構造,而且以鋼管組成的桁架式結構為主,並在主要的鋼管構件中填塞混凝土。其上部結構的標準斷面,主梁棎由呈V形配置的兩排鋼管桁架及預力混凝土橋面版構成。桁架下端探用直徑813mm的鋼管,內部灌注C50混凝土,腹管採用直徑406mm鋼管,內部不灌注混凝土。干海子大橋全長1,811m,上部結構以伸縮縫公為三段。不同之處是44.5m跨徑的主樑在橋墩處為簡支62.5m跨徑的主樑在橋墩處與下部結構呈固定。
干海子大橋的橋墩為門形剛性構架,其四根主柱採用直徑1,016mm鋼管,內部以自填方式灌注C50混凝土,其作用與臘八斤大橋的橋柱相同,其他鋼管構件的內部則不埴塞混凝土。橋墩在橋軸縱向的兩根鋼管呈1/50傾斜,其間設置密集的鋼管橫撐;橋墩在橋軸撗向的兩根鋼管呈垂直向,其間設置桁架式鋼管橫撐。高度超過60m的橋墩,在橋軸撗向的門形構架中加設鋼管斜撐,同時在橋軸縱向的構架底部30m範圍內打設一道400mm的鋼筋混凝土腹版,其作用亦與臘八斤大橋橋柱的腹版相同。
由於干海子大橋適宜採用中等跨徑,所以傳統的25m及40m預力混凝土簡支樑配以鋼筋混凝土箱形斷面的橋墩可以作為互為比較的方案。如果以輕量化作為比較基礎,則最終採用的桁架式鋼管結構在混凝土用量方面減少了64%,在各種鋼材用量方面減少了23%,橋樑抗震的效能可以大幅提升。

深埋隧道  挑戰探勘技術
雅西高速公路的路廊通過成都平原與青康藏高原之間的過渡地帶,這個地帶也正是四川盆地的邊緣,地形的多變化代表了地殻運動的複雜度。但中國西南部地區的地質構造與華南地塊、川滇地塊及巴顏喀拉地塊就在路廊的週邊地區相遇,其間形成龍門山、鮮水河及小江三條斷層帶,鮮水河~小江斷層帶的南端從西昌至攀枝花一帶就是知名的攀西大斷谷。沿著這些斷層帶地震頻傳,其2008年汶川大地震及其序列餘震都在龍門山斷層帶的沿線。雅西高速公路全線共有25座隧道,總長度39Km,其設計與施工必須依賴可靠的探勘資料才能妥善進行,其中泥巴山隧道因爲是深埋的長隧道,處於地質公園構造這麼複雜的地區,探勘工作本身就是一項嚴峻的挑戰。


泥巴山隧道是長約10km的雙孔隧道,穿過大相嶺背斜及其兩翼急速轉折的向斜,地質構造呈反U狀態。隧道最大埋深達2,650m,由於背斜軸部寛厚,深埋超過1,000m的部分也達5.1km。而工址一帶屬於原始森林區,植生濃密、人煙罕至,缺出入道路,因此無論是鑽探或地表調查都非常困難,加以深層鑙探不僅成本高,技術上也有待完善支援,因此四川省公路院發展了一套綜合研判技術,以各種調查所獲知的地質構造損傷程度來評判隧道週圍岩體的完整性和力學性質。所謂地質構造損傷依照尺度大小涵蓋下列五項元素,分別採用定性或定量的方法進行評判:
1. 位於斷層帶及岩體變形區。
2. 主要斷層的發展未定。
3. 次級斷層的發展未定。
4. 岩體節理的發展未定。
5. 岩體細微斷裂發展未定。
在評估過程中,上列五項元素各賦予0~20的評分,總評分為100,然後依照總評分將地質構造的損傷程度劃分為構造損傷(評分超過75),次強構造損傷(評分介於50~75),構造損傷(評分介於25~50),輕構造損傷(評分低於25)四個等級。


上述綜合研判的技術在泥巴山隧道中的應用包括以下的程序及方法:
一. 首先將區域地筫分析、地表地質調查以及物理探測所獲得的地質資料就上列五項元素中的前四項進行初步研判,然後依靠據研判结果就地質構造損傷的四個等級將泥巴山隧道的週圍岩體劃分為五個區段,每個區段各做一個深層鑚探。
二. 就深層鑽探取得的岩心樣本進行岩體細微裂隙的分析,細微裂隙的發展程度依其在岩心上呈現的總長度及分布形式加以判定。然後將岩體細微裂隙的分析結果併同其他最新獲得的地質資料,再就五項元素進行構造損傷程度的評判。
三. 最後依據岩體結構的特徵,岩體完整性係數及岩體單軸極限抗壓強度判定隧道圍岩的级別,但如果位於斷裂帶範圍內也可h 以逕行為V級。
依據四川省公路院的說的,隧道現場開挖所獲得的資料證實,少量的深層鑚探結合上述的綜合研判技術在泥巴山隧道工程中推測到全部15條主要斷裂,推測到的斷裂位置也大致準確,僅四條偏差超過200m,且埋深超過200m,證明該項技術具有一定程度實用性。
透過工程促進研發  值得借鏡
以上各節的介紹可以體會雅西高速公路確實實是一個深具挑戰性的工程計劃,不過工程上的挑戰是要付出實質的努力才能有所成就的,經由本工程施工進度得知,雅西高速公路在2007年工程開工之前兩年就與規劃設計工作同歩展開了十四項科技研究項目,其經費分別來自中央及地方政府所編列。其實課題涵蓋工程、環境及管理,部分課題還涉及比較理論性的分析與評估,使得技術與現務能夠相輔相成,透過工程而促進研發,透過研發支援工程,非值得我們借鏡學習的。
參考資料
1. Erchie Wang Kai Meng. She Su, Qing Meng, Jean J. Chi Zhiliang Chen. Gang Wang, Xuhua. Shi, and Xinquan Liang.”Block Rotation Tectonic Response of the Sichuan Basin to the Southeastwart Growth of the Tibetan Plateau along the Xianshuiang -Xiaojing Fault”,Tectonics AGU Publications 2014.
2. 程強、卲江、宋洪圖、劉尚成,「大相嶺泥巴山隧道岩體構造捐傷分析」,工程地質學報,1004、9665/2010/18(suppl)-0037-10。
3. 何金龍,「地震帶、斷層岩體鑽探分析」,南洋理工大學2007論文集157~196頁。  (全文完)