景區旅游軌道交通隧道設計特點分析

賀曉銘，張振龍，閆正冶，周重陽，王劉振

（1.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 400045；2.貝卡爾特應用材料科技（上海）有限公司，上海 200000）

0 引言

近年來景區與景區、 景區與城市旅游客運站點之間的交通擁堵和客運服務供需問題日顯突出［1］。比較纜車、公路、軌道交通這3 種客運方式［2］，旅游軌道交通系統具有運客量大、占地少、能耗低、環境友好等優勢。因此，一些學者對旅游軌道交通進行研究。李強從空間結構、 功能結構、 旅游扶貧3 個方面著手，對太行山大峽谷旅游軌道交通進行規劃［3］。 韓亞品等通過分析旅游交通出行鏈， 結合客流特征和工程實施條件，提出4 種軌道交通規劃形式［4］。 沈增濤以普陀山智軌為例，從景區規劃、客流需求、交通資源利用等方面論述了智軌系統［5］。 沈健對齒軌制式設備關鍵技術進行分析， 就我國山地齒軌旅游交通系統的研究方向提出一些建議［6］。 目前，對景區旅游軌道交通的研究主要集中于路網規劃、路線選線、軌道交通制式等方面， 對旅游軌道交通沿線隧道工程設計方面研究較少。 筆者試依托某景區旅游軌道交通項目，從大縱坡軌道制式選型、隧道運輸施工組織設計、洞口防護設計、隧道洞口景觀設計4 個方面對景區軌道交通隧道工程進行設計， 以期供類似工程參考。

1 隧道工程概況

1.1 工程線路

項目線路自七星山下高鷹寺 （海拔340 m）引出，經高鷹寺水塘西北側沿溝谷而上，展線以隧道穿越陡壁后，以明線沿溝谷迂回爬升，后以隧道穿越龍陽臺山折向東南至五道梯站，車站設于橋上，東倚長帽山埡口，西望波落峪溝谷，出站后，線路展線經長帽山于七星山東部崖壁下穿越望鄉臺， 至螃蟹溪上游約700 m 設七星山站（海拔1 370 m）。線路正線長8.705 km，正線運營里程7.97 km，隧道4.221 km／7座（具體如表1 所示），隧線比接近53%。 考慮到本項目的旅游屬性和橋站施工難度， 五道梯觀景車站設置在五道梯一號隧道內 （DK5＋320～DK5＋445 段落），距外面崖壁約30～60 m，特增設3 個橫通道，分別位于DK5＋340、DK5＋380、DK5＋420 處，觀景車站范圍隧道單側進行加寬，增設站臺，人員通過橫通道進入懸崖峭壁外的棧道。

表1 隧道一覽表Tab.1 List of tunnels

1.2 地形地貌

線路行走于武陵山脈的構造侵蝕溶蝕中低山區，地形起伏較大，地面高程在540～1 386 m 之間，相對高差為400～850 m。山上植被茂密，多以喬木為主，山坡上陡崖密布，交通不便。

1.3 工程地質特征

1.3.1 地層巖性

隧址沿線地層主要為第四系全新統粉質黏土、細角礫土、塊石土，基巖為寒武系下統清虛洞組灰巖夾頁巖、中統敖溪組白云巖夾頁巖夾灰巖、中統花橋組灰巖、上統車夫組灰巖夾白云巖等。

（2）寒武系下統（∈1）。 清虛洞組灰巖夾頁巖（）呈深灰－灰綠色，鈣質、泥質膠結，薄層狀構造。 強風化層厚2～4 m，屬Ⅳ級軟石，以Ⅴ級圍巖為主，σ0＝500 kPa。 弱風化層屬Ⅴ級次堅石，以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，σ0＝800 kPa。

（3）寒武系中統（∈2）。 敖溪組白云巖夾頁巖夾灰巖（）呈青灰－深灰色，結晶粒狀結構、泥質結構，薄層狀構造， 下部為深灰至黑色薄層白云質頁巖及泥灰巖，巖體較破碎。 強風化層厚2～4 m，屬Ⅳ級軟石，以Ⅴ級圍巖為主，σ0＝400 kPa。 弱風化層屬Ⅴ級次堅石，以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，σ0＝800 kPa。 巖溶弱－中等發育?；蚪M灰巖（）呈深灰色，由薄層致密灰巖及泥質微層灰巖、白云質灰巖組成，結晶粒狀結構，薄層狀構造，巖體較破碎。 強風化層厚2～3 m，屬Ⅳ級軟石，以Ⅴ級圍巖為主，σ0＝400 kPa。 弱風化層， 屬Ⅴ級次堅石，以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，σ0＝800 kPa。 巖溶中等－強烈發育。

（4）寒武系上統（∈3）。 車夫組灰巖夾白云巖（）呈深灰色，由薄層致密灰巖、具微層理的薄層灰巖、泥質條帶灰巖組成，夾少量微層白云巖，致密塊狀、結晶粒狀結構，厚層狀構造，巖體較破碎-較完整，強風化層厚2～3 m，屬Ⅳ級軟石，以Ⅳ級圍巖為主，σ0＝500 kPa。 弱風化層屬Ⅴ級次堅石，以Ⅲ級圍巖為主，σ0＝1 200 kPa。 巖溶中等－強烈發育。

1.3.2 地質構造

線路所經區域構造體系主要隸屬華夏和新華夏構造體系。在大地構造單元上隸屬揚子地臺。線路經過區域位于天門山—黃洞向斜北西翼上。 區域斷裂構造不發育。

1.4 水文地質特征

沿線地表水主要為常年流水，受大氣降水、基巖裂隙水及暗河水補給。 地下水類型以第四系松散層孔隙水、碳酸鹽巖溶水等為主，補給來源依靠大氣降水及地表下滲。

1.5 不良地質

沿線峽谷、孤峰陡壁地段，坡陡谷深、構造復雜、X 型構造節理發育，以垂直節理為主，由切割破碎的灰巖、 白云巖組成的峽谷河段或陡峻山坡地帶分布有危巖體，在降雨后或受到強烈震動時，極易發生崩塌、落石，并在坡腳及緩坡地帶形成巖堆。

2 隧道設計特點分析

與城市軌道交通相比， 旅游軌道交通在功能定位、系統制式、規劃選線等方面均有所不同［7］。 雖然我國在軌道交通建設方面積累了大量的經驗，但由于旅游線路通常經過景色奇特、山嶺陡峻地區，故旅游軌道交通的隧道工程在軌道制式、 運輸施工組織方式、洞口防護設計、洞口景觀設計等方面呈現迥然不同的風貌，形成差異化的特點。

2.1 軌道制式

國內外常用的軌道制式有懸掛式空軌、輕軌、纜索鐵路、 齒軌鐵路等， 不同制式軌道交通的路線線性、爬坡能力、建設成本、運行速度、運載能力均有不同，應因地制宜選擇軌道制式。常用軌道交通的特點如表2 和表3 所示［8］。

表2 各種軌道交通基本參數Tab.2 Basic parameters of various rail transit

表3 各種軌道交通指標Tab.3 Indicators of various rail transit

由表2、表3 可知，齒軌鐵路和纜索鐵路可適應大坡度地形， 其最大適應坡度分別是常規輪軌坡度的16 倍、9 倍，能很好地適應山區線性的需要。 從路線指標分析，纜索鐵路攀斜能力優于齒軌鐵路，但齒軌鐵路路線指標適應力更強。從車輛運輸能力分析，齒軌鐵路至少是纜索鐵路的4.3 倍。 結合本項目旅游景區路線指標、客流規劃、工程造價等因素，采用齒軌鐵路作為大縱坡隧道軌道交通運輸制式。

2.2 隧道運輸組織方案

望鄉臺隧道最大縱坡為25%，且隧道高程相對較高，常規自卸車難以滿足隧道施工運輸需求，施工物料和出渣運輸問題突出。 水利工程大體積混凝土運輸常采用溜槽系統， 如江埡大壩采用自卸汽車＋深槽皮帶＋負壓溜槽系統， 浩口水電站重力壩采用負壓溜槽系統＋自卸車。 貨運架空索道是一種為滿足復雜地形運輸施工而架設的簡易物料運輸系統，常應用在輸電線路工程中，如向家壩—上?！?00kV直流輸電線路鄂湘標段、康崇線500kV 輸電線路工程等。 溜槽具有造價簡單、結實耐用的優點，貨運索道具有臨時性、簡易性、便于拆裝的優點。 經過工程類比分析， 望鄉臺隧道采用高洞口反坡溜槽＋貨運索道＋自卸車運輸組織方案。

2.3 隧道洞口防護設計

景區自然景觀獨特，山峰聳立，易存在“U”形、“V”形巨型溝壑，危巖落石嚴重影響橋隧相接段的安全。 茅碧何隧道出口和望鄉臺隧道進口洞門上方分別高達158 m、290 m，中間設置為景觀橋梁，橋梁長130 m。 為了確保洞口安全，運用RocFall 軟件對茅碧何隧道（6 號隧道）出口、望鄉臺隧道（7 號隧道）進口進行落石模擬計算分析［9］。假定落石體積為0.3 m3，質量為690 kg，落石的水平方向初速度為0.1 m／s （落石模擬參數見表4）。 6 號隧道出口落石軌跡、落石位置分布、落石沖擊能量曲線見圖1～圖3，7 號隧道進口落石軌跡、落石位置分布、落石沖擊能量曲線如圖4～圖6 所示。

圖1 6 號隧道出口落石軌跡Fig.1 Rockfall trajectory of No.6 tunnel exit

圖2 6 號隧道出口落石位置分布Fig.2 Rockfall location distribution of No.6 tunnel exit

圖3 6 號隧道出口落石沖擊能量曲線Fig.3 Rockfall impact energy curves of No.6 tunnel exit

圖4 7 號隧道進口落石軌跡Fig.4 Rockfall trajectory of No.7 tunnel entrance

表4 落石模擬參數Tab.4 Simulation parameters of rockfall

由圖1 和圖4 可知，落石的運動主要有滑動、滾動、墜落以及彈跳4 種形式，而其運動過程往往是多種運動形式的組合。6 號隧道出口因山壁直立，落石空中軌跡似“自由落體運動”，7 號隧道進口因山頂平臺碰撞，落石空中軌跡似“拋物線運動”，這說明山體形態嚴重影響落石運動軌跡。落石墜落地面后，不僅與地面發生碰撞，還在彈跳中相互碰撞，最終因勢能消耗、自重作用導致其隨機分布在溝壑之間。

由圖2 和圖5 可知，落石分布位置會隨山體高度的增加呈現集聚位置遠、范圍大的規律。6 號隧道出口落石位置分布范圍為洞外30～70 m，縱向長度為40 m；7 號隧道進口落石位置分布范圍為洞外30～100 m，縱向長度為70 m。 依據落石數量分布位置，橋梁中部靠小里程部位橋面承受落石破壞最嚴重。

圖5 7 號隧道進口落石位置分布Fig.5 Rockfall location distribution of No.7 tunnel entrance

由圖3 和圖6 可得，落石能量呈“幾”形分布特征，隨距落石沖擊點水平距離的增加而降低。 在崩塌落石工況下，景觀橋全線會遭受落石沖擊荷載的破壞，從而威脅景區軌道交通運營安全。

圖6 7 號隧道進口落石沖擊能量曲線Fig.6 Rockfall impact energy curves of No.7 tunnel entrance

依據落石軌跡模擬分析，本項目隧道洞口危巖落石防護設計采用主、 被動防護網相結合的方案，景觀橋梁的建設采用柔性鋼棚洞方案，從源頭加固巖體，減少危巖崩塌，緩沖落石沖擊力。

2.4 隧道洞口景觀設計

隧道洞口景觀設計是集園林藝術、 建筑藝術、防護技術及工程建設為一體的綜合性建筑工程藝術，它主要由自然景觀設計、人文景觀設計及工程結構物景觀設計3 部分組成。 景區軌道交通的隧道與公路、鐵路隧道相比， 具有得天獨厚的自然景觀和人文景觀，所以應有效提升隧道洞口景觀的文化品位，同時應突出隧道洞口的人文景觀設計，加強游客在觀光過程中的心理印象，以達到宣傳景區旅游文化品牌的目的。

本項目隧道洞口景觀設計按照層次要素法設計，即“點”的要素、“面”的要素、“線”的要素?！包c”的要素指隧道洞門的設計，“面” 的要素指周圍環境設計，“線”的要素指全線的風格設計?？偨Y隧道洞口主要的景觀要素指標，可將其分為直接景觀要素、間接景觀要素和相關景觀要素，具體如圖7 所示。

圖7 隧道洞口景觀要素分類Fig.7 Classification of tunnel portal landscape elements

本項目隧道洞口景觀設計遵循安全性原則、生態設計原則、整體協調性原則、地域性原則、經濟性原則。 安全性原則強調保障景區軌道交通安全是首要任務。 生態設計原則注重洞口景觀設計不但要與美學結合，還要求充分考慮生態設計，盡可能保護旅游景區的自然生態環境， 確保工程建設與自然環境和諧相處。 整體協調性原則要求隧道洞口景觀與軌道交通全線景觀相統一，與旅游景區自然景觀相協調、人文景觀相結合。 地域性原則要求使隧道洞口景觀與地方特色、地域文化等相融合，依據每座隧道洞口自身特點，進行合理布局，實現“生境、畫境和意境”的有機結合。經濟性原則不僅意味隧道洞口景觀建設應兼顧實用性和經濟性，還需降低造價和后期綠化管養費用。

3 結語

綜上所述， 大縱坡隧道軌道交通制式宜采用齒軌鐵路，既能滿足路線爬坡要求，也能滿足大客流運量的需求。景區軌道交通隧道工程坡度大、洞口位置場地受局限， 常規自卸車方式不能到達隧道洞口位置，宜采用溜槽＋貨索＋自卸車方式。 結合隧道洞口落石分析，主體工程“兩隧夾一橋”應加強落石防護設計，洞口注重主、被動防護網，橋面采用棚洞防護。景區軌道交通項目所在地具有得天獨厚的自然景觀資源，隧道工程應進行專項洞口景觀設計，使其既是隧道結構美學的體現， 也是對景區地域文化和自然景觀宣傳的途徑。