西格二線關(guān)角隧道施工方案對比分析

何春保

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東廣州 510642)

青藏鐵路西寧至格爾木段增建第二線工程關(guān)角隧道，位于既有青藏鐵路天棚至察汗諾車站區(qū)間，增建二線線路跨布哈河、魯茫曲于青海南山山前新設(shè)天峻站后，以32.605 km的隧道穿越青海南山(隧道進(jìn)口軌面高程為3 380.97 m，出口軌面高程為3 323.58 m)。新建關(guān)角隧道為兩座平行的單線隧道，隧道進(jìn)口端里程為DK280+570，出口端里程為DK313+175。隧道進(jìn)口段為8‰的上坡，在嶺脊設(shè)坡度代數(shù)差后，以9.5‰的坡度連續(xù)下坡。該項(xiàng)目地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大［1］，通風(fēng)要求高。本文對不同施工方案和通風(fēng)方案進(jìn)行對比分析。

1 關(guān)角隧道設(shè)計(jì)原則

關(guān)角隧道主要的設(shè)計(jì)原則包括:

1)設(shè)計(jì)列車行車速度目標(biāo)值為160 km/h。

2)按文獻(xiàn)［2］的要求，對于旅客列車最高行車速度160 km/h的新建隧道，隧道軌面以上凈空橫斷面面積，單線隧道不小于42 m2。

3)采用彈性支撐塊整體道床，道床寬度2 600 mm，內(nèi)軌頂面至道床底面高度為614 mm。

4)洞內(nèi)軌道類型按重型設(shè)計(jì)。

5)兩隧道線間距為40 m。

隧道襯砌斷面內(nèi)輪廓如圖1所示。

2 隧道施工中的主要地質(zhì)問題

1)高地應(yīng)力

圖1 隧道內(nèi)輪廓示意(單位:cm)

隧道區(qū)位于新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏高原東北緣，跨越柴達(dá)木陸塊北緣、宗務(wù)隆山裂陷槽、南祁連陸塊三個(gè)大地構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)斷裂及褶皺均發(fā)育，因此推斷隧道區(qū)可能存在較高的地應(yīng)力。根據(jù)水壓致裂法實(shí)測結(jié)果分析，隧道嶺脊埋深較大段存在較高的地應(yīng)力。高地應(yīng)力易引起軟弱圍巖(主要指斷層破碎帶)的流變失穩(wěn)及堅(jiān)硬巖石(主要指花崗巖、閃長巖、混合巖)的巖爆。

根據(jù)DSZ-1，DSZ-7，DSZ-8等3個(gè)孔地應(yīng)力的實(shí)測結(jié)果，最大水平主應(yīng)力的最大值為22.04 MPa，DSZ-8孔最大水平主應(yīng)力測值明顯高于DSZ-1孔、DSZ-7孔，而DSZ-8孔位于f17斷層附近(F3斷裂帶內(nèi))，表明隨著鉆孔所處構(gòu)造部位的不同，所反映的構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)度差異也較大，在斷裂帶附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。在3個(gè)孔共19個(gè)測段中，Rc/σmax＜4的極高地應(yīng)力占全部測段的15.8%，4＜Rc/σmax＜7高地應(yīng)力占全部測段的10.5%。經(jīng)綜合分析，嶺脊埋深較大的石炭系變質(zhì)砂巖及片巖段可能存在高地應(yīng)力問題。隧道在施工中軟弱圍巖(主要指斷層破碎帶)，存在發(fā)生較大變形的可能。

2)突、涌水

根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)調(diào)查及對既有關(guān)角隧道涌水情況的調(diào)查，區(qū)內(nèi)地下水發(fā)育，特別是三疊系、二疊系砂巖、灰?guī)r及石炭系變質(zhì)砂巖，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，而且灰?guī)r中有古巖溶發(fā)育，賦水性好;因此，隧道施工可能會產(chǎn)生突、涌水。

3)圍巖失穩(wěn)

關(guān)角隧道位于地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏高原東北緣，區(qū)內(nèi)斷裂及褶皺均較發(fā)育，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育～較發(fā)育，巖體較破碎，尤其是DK283+479—DK284+889，DK301+000—DK306+000 段，斷層發(fā)育，巖體破碎，局部含水;施工中可能會出現(xiàn)坍塌、變形等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 工程重點(diǎn)、難點(diǎn)

1)地處高原嚴(yán)寒地區(qū)，施工難度大。關(guān)角隧道是全線控制工程，洞身處于海拔3 300～3 400 m，其中斜井口最高海拔3 768.2 m。常年平均氣溫為 －0.5℃，極端最低氣溫 －35.8℃，常冬無夏，春秋相連，最大凍結(jié)深度達(dá)299 cm。在此條件下內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備功率降低，施工難度大。

2)工程規(guī)模大，施工組織跨度大，施工管理是重點(diǎn)。

3)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)施工長度長是施工的難點(diǎn)。

4)斜井長，進(jìn)入正洞反坡施工，施工排水是重點(diǎn)。

5)斜井進(jìn)入正洞后多工作面施工，長距離多工作面施工通風(fēng)是難點(diǎn)。

6)生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境保護(hù)和水資源保護(hù)是重點(diǎn)。

4 鉆爆法施工方案比選

按西格二線的建設(shè)總工期為5年的要求，根據(jù)工期條件，進(jìn)行了全斜井方案、Ⅱ線貫通平導(dǎo)方案(部分斜井方案)及Ⅱ線局部平導(dǎo)方案(部分斜井方案)3個(gè)施工方案的比較。

1)斜井方案

在Ⅱ線隧道共設(shè)置12座斜井，斜井施工到位后先開辟橫通道施工Ⅰ線隧道，完成Ⅰ線隧道掘進(jìn)后立即進(jìn)行Ⅱ線隧道開挖。待Ⅰ線隧道全部貫通后，通過Ⅰ線隧道進(jìn)、出口及部分斜井對Ⅰ線隧道開始鋪設(shè)整體道床，鋪設(shè)整體道床的斜井同時(shí)還兼顧Ⅱ線隧道的開挖。該方案共設(shè)置斜井17 467 m/12座。

2)Ⅱ線局部平導(dǎo)方案

將Ⅱ線隧道進(jìn)口7 945 m，出口10 565 m共18 510 m先期設(shè)置為平導(dǎo)，平導(dǎo)超前后，通過開辟橫通道輔助Ⅰ線施工，同時(shí)設(shè)置7座斜井，2座用于及早與兩端洞口平導(dǎo)貫通，5座主攻隧道嶺脊地段14 095 m，嶺脊地段隧道一次成洞，Ⅰ線施工任務(wù)完成后通過橫通道再進(jìn)行平導(dǎo)擴(kuò)挖。Ⅰ，Ⅱ線整體道床的鋪設(shè)通過進(jìn)、出口及斜井工區(qū)同時(shí)進(jìn)行。該方案設(shè)置平導(dǎo)18 510 m，斜井11 713 m/7座。

3)Ⅱ線貫通平導(dǎo)方案

Ⅱ線先期為平導(dǎo)，為了及早貫通平導(dǎo)，共設(shè)置了7座斜井，先期輔助施工平導(dǎo)，并通過平導(dǎo)及斜井開辟橫通道輔助施工Ⅰ線隧道，Ⅰ線隧道一次建成正洞，Ⅰ線貫通后，再利用Ⅰ線及斜井通過橫通道擴(kuò)挖Ⅱ線。Ⅰ、Ⅱ線整體道床的鋪設(shè)通過進(jìn)、出口及斜井工區(qū)同時(shí)進(jìn)行。該方案設(shè)置平導(dǎo)32 605 m，斜井10 063.8 m/7座。

以上各方案的示意圖如圖2，方案比較見表1。

圖2 關(guān)角隧道鉆爆法施工方案示意

綜合分析，三個(gè)方案均能滿足工期目標(biāo)，由于斜井方案施工組織相對容易，投資少，施工通風(fēng)難度相對較低，故設(shè)計(jì)考慮采用斜井方案。

5 通風(fēng)方案對比

本工程采用爆破法開挖，將產(chǎn)生大量炮煙;出渣采用無軌出渣，汽車、裝載機(jī)等機(jī)械設(shè)備將產(chǎn)生大量有害氣體［3-4］，考慮采用以下兩種通風(fēng)方案。

1)全縱向射流誘導(dǎo)式通風(fēng)

封閉所有的輔助坑道，采用全縱向射流誘導(dǎo)式通風(fēng)，利用射流風(fēng)機(jī)的射流增壓效應(yīng)，Ⅰ(Ⅱ)線隧道新鮮空氣由隧道的進(jìn)(出)口端進(jìn)入隧道，將污濁空氣從隧道的出(進(jìn))口端排除，機(jī)械風(fēng)沿隧道縱向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)空氣的換氣目的，如圖3所示。每座隧道需要42臺SLFJ-112-3T型射流風(fēng)機(jī)，洞內(nèi)射流風(fēng)機(jī)采用集中并聯(lián)布置，每個(gè)斷面布置6臺風(fēng)機(jī)，采用壁龕式懸掛。Ⅰ線隧道設(shè)于西寧端，Ⅱ線隧道設(shè)于格爾木端，通風(fēng)總功率為1 260×2=2 520 kW。

表1 關(guān)角隧道鉆爆法施工方案比較

圖3 全縱向射流誘導(dǎo)式通風(fēng)方案(單位:m)

2)軸流風(fēng)機(jī)及射流風(fēng)機(jī)壓出式通風(fēng)

Ⅰ線隧道利用10號斜井采用軸流風(fēng)機(jī)及射流風(fēng)機(jī)壓出式通風(fēng)如圖4(a)。在10號斜井內(nèi)設(shè)軸流風(fēng)機(jī)2臺向外壓風(fēng)，在隧道西寧端設(shè)置SLFJ-112射流風(fēng)機(jī)10臺，以降低西寧端段的阻力，在格爾木端設(shè)置SLFJ-112射流風(fēng)機(jī)8臺，以增加格爾木端段的阻力，形成射流風(fēng)幕，從而減小格爾木端的風(fēng)速，平衡風(fēng)道口兩端洞口的風(fēng)壓，使兩端洞口的排煙時(shí)間相等。洞內(nèi)射流風(fēng)機(jī)采用集中并聯(lián)布置，每個(gè)斷面布置4臺或6臺風(fēng)機(jī)，采用壁龕式懸掛。通風(fēng)風(fēng)機(jī)總功率為1 130 kW。

Ⅱ線隧道利用2號斜井采用軸流風(fēng)機(jī)及射流風(fēng)機(jī)壓出式通風(fēng)，如圖4(b)。在2號斜井內(nèi)設(shè)軸流風(fēng)機(jī)2臺向外壓風(fēng)，在隧道格爾木端設(shè)置SLFJ-112射流風(fēng)機(jī)14臺，以降低格爾木端段的阻力，在西寧端設(shè)置SLFJ-112射流風(fēng)機(jī)8臺，以增加西寧端段的阻力，形成射流風(fēng)幕，從而減小西寧端的風(fēng)速，平衡風(fēng)道口兩端洞口的風(fēng)壓，使兩端洞口的排煙時(shí)間相等。洞內(nèi)射流風(fēng)機(jī)采用集中并聯(lián)布置，每個(gè)斷面布置4臺或6臺風(fēng)機(jī)，采用壁龕式懸掛。通風(fēng)風(fēng)機(jī)總功率為1 100 kW。

圖4 利用斜井壓出式通風(fēng)方案(單位:m)

3)通風(fēng)方案比選

關(guān)角隧道通風(fēng)方案設(shè)備對比如表2。

表2 通風(fēng)設(shè)備對比

全縱向射流誘導(dǎo)式通風(fēng)方案，僅在懸掛風(fēng)機(jī)的地段隧道斷面需要擴(kuò)大，土建工程費(fèi)用增加較小;另外風(fēng)機(jī)全部為同型號射流風(fēng)機(jī)，均位于洞口段，運(yùn)營管理方便，在事故狀態(tài)下風(fēng)向、風(fēng)速控制都比較容易。但本方案新鮮空氣必需從隧道的進(jìn)口端穿過隧道流向出口端，由于通風(fēng)時(shí)間的限制，風(fēng)速、需風(fēng)量均較大，需要的風(fēng)機(jī)功率較大。

利用斜井采用軸流風(fēng)機(jī)及射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓出式通風(fēng)方案，由于采用射流風(fēng)機(jī)平衡風(fēng)壓，隧道進(jìn)口端風(fēng)速較小，總的需風(fēng)量較小，需要的風(fēng)機(jī)功率也較小。但該方案利用的斜井要修建為專用風(fēng)道(永久工程)，斜井內(nèi)需要修建專用的軸流風(fēng)機(jī)房，洞內(nèi)懸掛射流風(fēng)機(jī)的地段隧道斷面也需要擴(kuò)大，土建工程費(fèi)用增加較大;另外風(fēng)機(jī)為軸流及射流兩種類型風(fēng)機(jī)，均位于洞身段，運(yùn)營管理不方便，在事故狀態(tài)下風(fēng)向、風(fēng)速都不易控制。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，Ⅰ、Ⅱ線隧道均采用縱向射流誘導(dǎo)式通風(fēng)。施工通風(fēng)方案剖面布置如圖5所示。

圖5 施工通風(fēng)方案剖面布置

6 隧道棄渣及環(huán)保措施

為了減小施工對環(huán)境的影響，采取以下環(huán)保和棄渣措施。

1)隧道進(jìn)口位于布哈河南緣階地，布哈河為青海黃魚的產(chǎn)卵區(qū)，因此隧道施工的污水必須處理達(dá)標(biāo)后才能排放，確保布哈河不受污染。

2)施工中產(chǎn)生的生產(chǎn)、生活垃圾應(yīng)設(shè)點(diǎn)集中處理，不得隨意丟棄。

3)棄渣按滿足環(huán)保和水土保持的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，不對生態(tài)環(huán)境造成破壞，不污染環(huán)境，不造成水土流失。

4)棄渣應(yīng)結(jié)合路基、站場專業(yè)作好調(diào)配予以充分利用，其余部分遵循就近分散，盡量利用荒坡、荒溝堆棄。渣腳設(shè)擋墻進(jìn)行防護(hù)。

5)施作渣場前應(yīng)將渣場部位約1 m厚的地表土鏟除，待渣頂整平后將其覆蓋在上面，供綠化使用。

7 結(jié)語

西格二線關(guān)角隧道是國內(nèi)建設(shè)的最長鐵路隧道，獨(dú)頭掘進(jìn)＞20 000 m，地質(zhì)條件復(fù)雜，面臨著圍巖變形失穩(wěn)、高地應(yīng)力、突泥涌水、施工通風(fēng)等諸多工程技術(shù)難題。本文通過詳細(xì)的對比分析，對該隧道的不同施工方案和通風(fēng)措施進(jìn)行了對比分析，結(jié)合以往長大隧道施工中積累的經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)、合理地提出了此項(xiàng)長大隧道的施工方案和通風(fēng)方案。為保證關(guān)角隧道的順利施工奠定了基礎(chǔ)。為今后特長隧道的勘察、設(shè)計(jì)及施工提供參考。

［1］ 趙天熙．超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在西格二線關(guān)角隧道的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2010(1):30-33．

［2］ 中華人民共和國鐵道部．TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2000．

［3］ 張成剛．長大隧道鉆爆法施工中通風(fēng)防塵方案［J］．鐵道建筑，2009(5):67-69．

［4］ 關(guān)寶樹．隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］．北京:人民交通出版社，2003．