蘭州至烏魯木齊第二雙線達坂山越嶺隧道方案研究

侯全德

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,陜西西安 710043)

蘭新第二雙線橫跨甘肅、青海、新疆三省區(qū),經(jīng)由蘭州、西寧、烏魯木齊三省會,以及其所轄的海東、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)、吐魯番、哈密等六個地市,是亞歐大陸橋鐵路通道的重要組成部分,在國民經(jīng)濟與路網(wǎng)中均具有非常重要的意義和作用。本線為高標(biāo)準(zhǔn)以客為主鐵路,并與既有蘭新鐵路實現(xiàn)客貨分線運輸,將大幅提高陸橋鐵路通道運輸能力和運輸質(zhì)量。

本線自東向西穿越隴西黃土高原區(qū),祁連山中高山區(qū),河西走廊山前沖洪積平原區(qū),天山南麓坡積區(qū),哈密、吐魯番盆地北緣山前沖洪積平原區(qū),東天山博格多山南坡低中山區(qū)和準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前沖洪積平原區(qū)等。

屬于祁連山中高山區(qū)的達坂山,是本線自然條件最差、建設(shè)條件最為艱苦的段落之一,科學(xué)合理的研究選擇確定越嶺隧道方案,對蘭新第二雙線建設(shè)工期、投資控制以及后續(xù)的安全運營至關(guān)重要。

1 自然概況

達坂山位于青海省西寧市大通縣和青海省海北州門源縣,線路通過地區(qū)為祁連山中高山區(qū),主山體厚達30 km,地形起伏較大,自然坡度20°～40°,分布有眾多“V”形侵蝕谷;溝內(nèi)常年流水,堆積大量卵石、塊石,部分溝谷內(nèi)冰磧漂礫、塊石發(fā)育;平均海拔約3 000 m,最高海拔為4 211 m;巖性主要為片麻巖夾片巖、石英閃長巖、安山巖、砂巖、板巖等,斷層帶內(nèi)分布有斷層碎裂角礫,山坡坡面及沖溝內(nèi)分布有第四系碎石類土等。

本區(qū)處于高原嚴(yán)寒地區(qū),根據(jù)大通、門源氣象站的資料,最冷月平均氣溫為-10.3～-13.1℃。

2 越嶺隧道走向方案研究

達坂山越嶺地段地形困難,地質(zhì)條件復(fù)雜;黑泉水庫及其水利水電工程、祁連山國家自然保護區(qū)、浩門農(nóng)場煤礦采空區(qū)等不良地質(zhì),均為控制線路走向及越嶺隧道施工工期的主要因素。據(jù)此,結(jié)合不同的越嶺主隧道長度,本次研究了4個不同線路走向方案(見圖1)。

2.1 達坂山隧道14.9 km方案(CK)

線路自大通車站引出,順寶庫河右岸行進,跨納塄溝,在隧道內(nèi)與引大濟湟工程北干渠引水隧道相交,以短隧道群穿越照壁山、陽山向北行進,以14.9 km長隧道穿越達坂山,跨大通河(橋高75 m)后設(shè)門源車站至比終點。

該方案比較范圍線路總長61.55 km,橋隧總長45.76 km,路基總長15.78 km,主要工程費用為65.20億元。

圖1 達坂山隧道方案比較示意

方案特點:該方案線路長度較長;由于達坂山隧道埋深較大,輔助坑道設(shè)置條件略受限制;在照壁山隧道內(nèi)線路上跨引大濟湟工程北干渠(高差約25 m)。但該方案工程地質(zhì)條件較好,越嶺主隧道(達坂山隧道)長度最短,工程投資最省,且門源車站地形相對平緩,站位自然條件較好,符合地方總體規(guī)劃。

2.2 達坂山隧道21.905 km方案(C1K)

為解決本線與引大濟湟工程隧道交叉問題,使線路盡可能的順直,研究了本方案。其基本走向為:線路出大通車站,沿寶庫河右岸行進,在三塘溝莊廓灣村附近上跨引大濟湟工程北干渠引水渡槽,線路取直行進,以21.905 km的長隧道穿過大坂山后,跨過大通河(橋高30 m),設(shè)門源車站至比較終點。

該方案比較段落線路總長59.56 km,橋隧總長37.13 km,路基總長 22.43 km,工程投資 93.31億元。

方案特點:線路順直,避免了與引大濟湟工程北干渠洞內(nèi)交叉,但該方案越嶺主隧道最長(21.905 km),隧道出口走行于浩門煤礦礦區(qū),輔助坑道設(shè)置條件差,工程浩大,工期最長。為了保證運營救援安全的要求,長達21.9 km的越嶺主隧道需要設(shè)計為兩個單洞,工程投資最貴,且車站距門源縣城較遠(yuǎn)(13.8 km),不符合地方發(fā)展的基本要求。

2.3 達坂山隧道15.65 km方案(ⅢCK)

考慮到C1K方案門源站距縣城較遠(yuǎn),且隧道出口走行于浩門煤礦礦區(qū),因此將C1K方案在新莊鄉(xiāng)北側(cè)進洞后,引線至納楞溝出洞,在三塘溝附近與CK方案相接至比較終點。

該方案比較段落線路總長62.20 km,橋隧總長37.67 km,路基總長24.53 km,工程投資66.66億元。

方案特點:基本繞避了浩門煤礦礦區(qū),避免了與引大濟湟工程北干渠洞內(nèi)交叉,門源車站站位較好。但該方案輔助坑道設(shè)置條件較差,越嶺隧道前后兩橋相對較高(其中大通河特大橋高85 m),橋梁工程大。

2.4 達坂山隧道15.69 km方案(C26K)

為改善達坂山隧道輔助坑道設(shè)置條件,結(jié)合線路行經(jīng)區(qū)域溝心高程,將C1K方案從納楞溝引出,折而向西向北行進,沿黑泉水庫東側(cè)山嶺引線至童家村附近進入主隧道,于下白土溝處出洞,跨大通河,接C1K方案到比較終點。

該方案比較段落線路總長60.04 km,越嶺主隧道長15.69 km,橋隧總長36.91 km,路基總長23.13 km,工程投資為66.24億元。

方案特點:雖改善達坂山隧道輔助坑道設(shè)置條件,但明地勒溝、童家村兩處隧道洞口距黑泉水庫較近,對水資源污染較大,隧道與引水渠交角較小,施工條件較差,且車站位置遠(yuǎn)離門源城區(qū),不利于居民出行。

2.5 走向方案的推薦意見

分析上述方案特點:C1K線路順直,與引水隧道交叉工程條件好,但其越嶺主隧道過長,工程投資巨大,施工工期過長,且門源車站位置不能滿足地方規(guī)劃要求;C26K方案雖克服了C1K越嶺主隧道過長的缺點,但其施工期對黑泉水庫水資源污染較大,且門源站位缺陷依然存在;CK和ⅢCK方案均克服上述兩方案的缺點,但ⅢCK方案與CK方案比較,其越嶺主隧道較長,工程投資較大,而輔助坑道條件卻基本相當(dāng);綜合考慮研究認(rèn)為,越嶺段的線路方案應(yīng)推薦CK(達坂山隧道14.9 km)方案。

3 越嶺主隧道施工方案研究及工期分析

結(jié)合隧道建設(shè)方案及施工總工期的要求,根據(jù)達坂山隧道的地形、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、輔助坑道設(shè)置等條件,對隧道的施工方案進行了研究。

3.1 輔助坑道方案選擇

CK方案達坂山隧道長14 945 m,洞身范圍內(nèi),溝谷自然縱坡大,輔助坑道設(shè)置條件較差(尤其嶺脊地段)。相比而言,自東向西可利用的溝谷主要為進口端的三塘溝,出口端的頭塘溝。結(jié)合地形、地質(zhì)條件,考慮施工工期、洞口施工條件及運營期間救援疏散要求,采用3座無軌運輸斜井輔助施工(見表1)。

3.2 施工工期分析

各方案采用的施工進度指標(biāo)見表2、表3、表4。

表2 單線隧道施工進度指標(biāo) (m/月)

表3 雙線隧道施工進度指標(biāo) (m/月)

表4 輔助坑道自身施工進度指標(biāo) (m/月)

(1)兩單 +斜井方案

本方案按兩座單線隧道設(shè)計,施工同時成洞貫通,采用3座無軌運輸斜井直接輔助正洞施工,為加快施工進度,斜井輔助正洞按兩個方向四個工作面考慮,均設(shè)置為雙車道斜井,斜井總長為4 060 m。

左右線隧道貫通為53個月;土建工程總工期為59個月(含整體道床鋪設(shè)時間)。

(2)一雙 +斜井方案

本方案為一座雙線隧道設(shè)計,根據(jù)地形條件,為加快施工進度,共設(shè)置了3座無軌運輸斜井,直接輔助正洞兩個方向兩個工作面施工,均為單車道斜井,斜井總長仍為4 060 m。

隧道貫通為55個月;土建工程總工期為61個月(含整體道床鋪設(shè)時間)。

(3)一雙 +平導(dǎo)方案

本方案為一座雙線隧道設(shè)置貫通平導(dǎo)設(shè)計,平導(dǎo)超前探明地質(zhì),擔(dān)負(fù)施工排水,并輔助正洞施工,平導(dǎo)長14 795 m。

隧道貫通為53個月;建設(shè)總工期為62個月(含整體道床鋪設(shè)及站后配套工程)。

(4)一雙 +平導(dǎo) +斜井方案

鑒于以上幾種方案工期較長,因此研究了一雙 +平導(dǎo) +斜井方案。該方案設(shè)置兩座斜井直接輔助平導(dǎo)施工,以最快速度實現(xiàn)平導(dǎo)貫通,通過施工橫通道輔助正洞施工。

隧道貫通為42個月;土建工程總工期為48個月(含整體道床鋪設(shè)時間)。

(5)隧道施工方案的推薦意見

根據(jù)對本線的工期要求,結(jié)合工程條件,對隧道的施工進行了多方案研究比選,可以看出,四個施工方案中,“一雙 +平導(dǎo) +斜井”施工方案,有一定的工期、技術(shù)及經(jīng)濟優(yōu)勢。

4 研究結(jié)論

綜上所述,推薦方案“達坂山隧道14.9 km方案(CK)”,工程地質(zhì)條件較好,越嶺主隧道(達坂山隧道)長度最短,工程投資最省,且門源車站地形相對平緩,站位符合地方規(guī)劃。

表1 達坂山隧道輔助坑道設(shè)置

施工組織,采用“一雙 +平導(dǎo) +斜井”的施工方案,隧道貫通需要42個月,土建工程總工期為48個月(含整體道床鋪設(shè)時間),可滿足全線的工期要求。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線可行性研究[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,2009

[2]中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線隧道初步設(shè)計[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,2010

[3]GB50090—2006 鐵路線路設(shè)計規(guī)范[S]

[4]TB1003—2005/J449—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S]

[5]TZ204—2008 鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S]

[6]鐵道第一勘察設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊:線路[M].北京:中國鐵道出版社,1994