成蘭鐵路云屯堡特長隧道合、分修方案研究

朱 勇 ，吳 華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 6 10031)

0 引言

鐵路隧道相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范指出“雙線特長隧道宜修建2座單線隧道”［1-2］，因此，在確定雙線鐵路特長隧道建設(shè)方案時(shí)，往往會遇到選擇合修(單洞雙線)方案還是分修(雙洞單線)方案的問題。趙勇［3］提出隧道合、分修方案的選擇應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)線路的標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營設(shè)備的要求、投資比較等因素綜合確定;王夢恕等［4］從獨(dú)頭通風(fēng)長度、施工通風(fēng)方式、設(shè)備投入及快速施工等方面出發(fā)，提出了雙線隧道優(yōu)先選用分修方案的設(shè)計(jì)理念。國外由于設(shè)計(jì)理念的不同，所以在隧道合、分修方案的選擇上差異較大。以德國為代表的歐洲鐵路新建隧道，長度大于1 km時(shí)基本采用分修方案［5］，而韓國、日本大多采用合修方案，如韓國金井隧道(長20．33 km)和日本巖手一戶隧道(長25．81 km)［6］。我國在鐵路隧道設(shè)計(jì)實(shí)踐中，考慮運(yùn)營期間的防災(zāi)救援，一般長度大于15 km的雙線隧道采用分修方案。當(dāng)然，也有例外，如滬昆客專壁板坡隧道(長14．756 km)分、合修方案研究中，主要從巖溶段涌突水風(fēng)險(xiǎn)、接觸帶坍方風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行了比較，得出分修方案對施工系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)控制更為有利的結(jié)論［7］;又如在建云桂鐵路石林隧道，長18．208 km，由于設(shè)置了貫通平導(dǎo)，采用了合修方案。

隧道合、分修方案研究一般主要集中在越嶺特長隧道或特殊復(fù)雜地質(zhì)隧道，而對長度超過20 km的沿河傍山隧道尚無相關(guān)研究。本文根據(jù)新建成蘭鐵路云屯堡隧道的地形、地質(zhì)條件、輔助坑道設(shè)置狀況、最新的防災(zāi)救援疏散工程設(shè)置需求，結(jié)合隧道進(jìn)出口接引條件，從多方面對隧道合、分修方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定了合理的建設(shè)方案。

1 工程概況

云屯堡隧道全長22．923 km，由線路2次跨越岷江方案調(diào)整為岷江左岸長隧方案，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km，進(jìn)口緊鄰岷江村岷江雙線特大橋，出口接松潘車站，車站伸入隧道出口端490 m。1，3號道岔及5，7號道岔間渡線進(jìn)洞，線路單面上坡，軌面海拔2 600～2 822 m，岷江河谷及213國道位于線路左側(cè)，距隧道中線200～1 400 m，交通便利，為典型的沿江傍山特長隧道。

1．1 地形和地質(zhì)條件

測區(qū)位于青藏高原東部邊緣，屬構(gòu)造剝蝕高中山地貌，沿線山高谷深，地形險(xiǎn)峻，屬我國著名的龍門山地震帶岷江活動斷裂展布區(qū)，隧道最大埋深745 m。

隧道位于岷江活動斷裂的下盤(被動盤)，巖性主要為三疊系砂巖夾千枚巖，砂巖夾板巖，炭質(zhì)千枚巖、千枚巖夾砂巖等3套地層;共發(fā)育有9背斜、8向斜和1斷層，測區(qū)地震峰值加速度為0．3g;預(yù)測最大涌水量為4．89萬m3/d。線路縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道左線縱斷面簡圖Fig．1 Longitudinal profile of left tube of tunnel

1．2 輔助坑道設(shè)置

由于隧道沿河傍山，具備良好的“長隧短打”條件，輔助坑道設(shè)置具有以下特點(diǎn):1)位置靈活，沿岷江河谷橫洞洞口選址較為自由，利于均衡設(shè)置，間距2．4～4．5 km;2)交通便利，橫洞洞口距國道 30 ～300 m，便道引入較便利;3)規(guī)模較小，平均長度700 m，最長1 235 m，長度較適宜。

根據(jù)岷江左岸的地形、地質(zhì)條件，結(jié)合工期、通風(fēng)、棄碴、防災(zāi)救援、施工場地布置、便道引入條件、征地拆遷等因素，隧道采用“6橫洞 +1斜井”方案，總長4 802 m，均采用無軌雙車道斷面。輔助坑道平面布置如圖2所示。

圖2 輔助坑道設(shè)置示意圖(單位:m)Fig．2 Arrangement of service galleries(m)

1．3 合、分修方案平面布置

由于云屯堡隧道為后期改線產(chǎn)生的，其進(jìn)出口端相接的橋隧工程均按合修設(shè)計(jì)，且進(jìn)口端岷江村岷江特大橋(長502 m)、王登隧道(長6 601 m)及出口端松潘車站已先于隧道開工建設(shè)。因此，隧道進(jìn)出口端已不具備分修條件，故分修方案只能采用“進(jìn)出口合修、洞身分修”的非完全分修方案。

1．3．1 合修方案平面布置

合修方案從進(jìn)口至出口均為單洞雙線隧道，出口端松潘車站2股渡線伸入隧道，渡線段左右線線間距為5 m，其余段線間距為4．4～5．0 m，如圖3所示。

圖3 合修方案平面示意圖Fig．3 Plan of option of single double-track tunnel tube

1．3．2 分修方案平面布置

整體線形呈菱形布置，為非完全分修隧道。其中:進(jìn)口端合修長度為2 040 m，合、分修過渡段長度為150 m;出口端合修長度為1 370 m，合、分修過渡段長度為260 m;洞身分修段長度為19 513 m。左線線位與合修方案完全相同，右線與左線線間距為4．4～30 m，如圖4所示。

圖4 分修方案平面示意圖(單位:m)Fig．4 Plan of option of twin single-track tunnel tubes(m)

2 合、分修方案比較

為系統(tǒng)地分析云屯堡隧道合、分修方案的優(yōu)劣，從防災(zāi)救援、工程投資、施工風(fēng)險(xiǎn)、施工組織、支護(hù)結(jié)構(gòu)對軟巖大變形的適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)抗震、棄碴與環(huán)保、運(yùn)營通風(fēng)8方面進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2．1 防災(zāi)救援

2．1．1 緊急救援站救援

云屯堡隧道長度大于20 km，根據(jù)《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，應(yīng)設(shè)置1處緊急救援站?？紤]布置均衡，結(jié)合輔助坑道位置及其洞口疏散條件，合、分修方案均于洞身4號橫洞處設(shè)置緊急救援站，站長550 m，距隧道進(jìn)口8．8 km，距隧道出口13．6 km，如圖5所示。

圖5 緊急救援站布置位置示意圖Fig．5 Arrangement of emergency rescue station

2．1．1．1 合修方案

1)設(shè)施配置。防災(zāi)救援疏散設(shè)施按“方便自救、安全疏散”的原則進(jìn)行設(shè)置。救援站范圍:洞內(nèi)兩側(cè)均設(shè)疏散站臺;洞外兩側(cè)各設(shè)1條救援疏散平導(dǎo)，通過疏散橫通道與正洞相連，橫通道內(nèi)設(shè)防護(hù)門;靠橫洞側(cè)救援疏散平導(dǎo)與橫洞直接連接，橫洞對側(cè)救援疏散平導(dǎo)通過下穿正洞的聯(lián)絡(luò)通道與橫洞連接。隧道拱頂上方設(shè)置縱向排煙道，通過豎向排煙道與正洞連接。設(shè)置通往地面的排煙井，并與縱向排煙道相連。救援站設(shè)施布置如圖6—8所示。

圖6 合修方案救援站及排煙道橫斷面布置示意圖Fig．6 Cross-section of emergency rescue station and exhausted air discharging gallery in the case of option of single double-track tunnel tube

圖7 合修方案救援站人員疏散系統(tǒng)平面布置示意圖Fig．7 Plan of arrangement of passenger evacuation system of emergency rescue station in the case of option of single double-track tunnel tube

圖8 合修方案救援站頂部排煙系統(tǒng)平面布置示意圖Fig．8 Plan of arrangement of exhausted air discharging system above emergency rescue station in the case of option of single double-track tunnel tube

2)人員疏散。列車遇到火災(zāi)?？亢?，旅客首先被疏散至靠近列車的疏散站臺，通過疏散橫通道進(jìn)入救援平導(dǎo)，隨后進(jìn)入橫洞，疏散至橫洞洞口外等待救援。

3)風(fēng)流組織。列車遇到火災(zāi)停靠后，新鮮空氣由橫洞進(jìn)入，通過一側(cè)救援平導(dǎo)及疏散橫通道進(jìn)入正洞，而對側(cè)疏散橫通道防護(hù)門處于關(guān)閉狀態(tài)，在此期間人員始終迎著新鮮風(fēng)流向進(jìn)行疏散［8］。救援站內(nèi)煙氣由拱頂豎向排煙道匯集于隧道拱頂上方的縱向排煙道，通過排煙井抽排至洞外。

2．1．1．2 分修方案

1)設(shè)施配置。防災(zāi)救援疏散設(shè)施按“方便自救、安全疏散”的原則進(jìn)行設(shè)置。救援站范圍:洞內(nèi)2條隧道相鄰側(cè)各設(shè)單側(cè)疏散站臺，通過疏散橫通道相連，橫通道內(nèi)設(shè)防護(hù)門。隧道上方在2條隧道間設(shè)置縱向排煙道，通過豎向排煙道與正洞連接。設(shè)置連接橫洞與縱向排煙道的聯(lián)絡(luò)煙道。救援站設(shè)施布置如圖9—11所示。

圖9 分修方案救援站及排煙道橫斷面布置示意圖Fig．9 Cross-section of emergency rescue station and exhausted air discharging gallery in the case of option of twin singletrack tunnel tubes

圖10 分修方案救援站人員疏散系統(tǒng)平面布置示意圖Fig．10 Plan of arrangement of passenger evacuation system of emergency rescue station in the case of option of twin single-track tunnel tubes

2)人員疏散。列車遇到火災(zāi)?？亢?，旅客通過2條線路間的疏散站臺進(jìn)入疏散橫通道待避，由安全隧道內(nèi)救援列車向洞外疏散。

3)風(fēng)流組織。列車遇到火災(zāi)?？亢螅迈r空氣迎著人流疏散方向由安全隧道通過疏散橫通道進(jìn)入火災(zāi)隧道。救援站內(nèi)煙氣由火災(zāi)隧道內(nèi)拱頂豎向排煙道匯集于隧道上方的縱向排煙道，通過聯(lián)絡(luò)煙道及橫洞抽排至洞口外，此時(shí)，安全隧道內(nèi)豎向排煙道風(fēng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖11 分修方案救援站頂部排煙系統(tǒng)平面布置示意圖Fig．11 Plan of arrangement of exhausted air discharging system above emergency rescue station in the case of option of twin single-track tunnel tubes

通過對比分析，合、分修方案在救援站處均可實(shí)現(xiàn)安全、可靠的疏散救援，二者設(shè)施配置及功能需求均滿足《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，均實(shí)現(xiàn)了安全疏散的目的［9］。因此，在救援站救援方面，二者的優(yōu)劣無明顯差異。

2．1．2 緊急出口或避難所救援

2．1．2．1 合修方案

根據(jù)《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第3．0．7條:緊急出口、避難所應(yīng)結(jié)合輔助坑道盡量均勻布置，其間距不宜大于5 km。本隧道輔助坑道布置對此具有良好的適應(yīng)性，其間距最大為4．5 km。可將2，3，6號橫洞、7號斜井作為緊急出口，4號橫洞作為救援站疏散通道，5號橫洞由于長度大于1 000 m，不宜作為緊急出口，可作為避難所使用。

當(dāng)列車遇到火災(zāi)無法?？吭诰o急救援站時(shí)，可控制列車盡量?？坑诰o急出口(或避難所)附近，由緊急出口向洞外疏散。最不利?？课恢脼?個(gè)橫洞間中部，其最遠(yuǎn)疏散距離為0．85～2．25 km，相對較短。

2．1．2．2 分修方案

2條隧道間互為救援，利用間距為500 m的橫通道作為緊急出口，疏散距離最遠(yuǎn)不大于250 m。

通過對比分析，在緊急出口(或避難所)救援方面，合、分修方案均滿足《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，均具備良好的疏散救援條件，但就任意點(diǎn)停車疏散距離方面，分修方案更優(yōu)。

2．1．3 防災(zāi)救援小結(jié)

綜上所述，在定點(diǎn)疏散救援方面，合、分修方案基本相當(dāng)，但在任意點(diǎn)停車疏散救援方面，分修方案較優(yōu)。

2．2 工程投資

根據(jù)工程量進(jìn)行投資分析，分修方案概算總額較合修方案增加投資23．4%，因此，在工程投資方面，合修方案明顯優(yōu)于分修方案。

2．3 施工風(fēng)險(xiǎn)控制

隧道主要通過以砂巖為主的地層，受構(gòu)造影響，巖體較破碎，主要施工風(fēng)險(xiǎn)為坍方。雙線隧道開挖斷面大，坍方風(fēng)險(xiǎn)相對高于單線隧道，但目前我國時(shí)速為200 km的單、雙線隧道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)均已非常成熟;且本隧以硬巖居多，地質(zhì)條件相對較好，采取針對性的支護(hù)措施，均可將坍方風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi)。

分修方案中，由于存在合、分修過渡段，導(dǎo)致在進(jìn)出口端形成2處喇叭口襯砌段，最大開挖跨度達(dá)21 m，甚至大于3線隧道開挖跨度，其安全風(fēng)險(xiǎn)顯著高于雙線隧道［10］。

通過對比分析，在施工風(fēng)險(xiǎn)方面，分修方案分開段施工風(fēng)險(xiǎn)較小，但2處合、分修過渡段施工風(fēng)險(xiǎn)相對較大。

2．4 施工組織

1)施工管理。合修方案各工區(qū)僅有2處掌子面，分修方案1號橫洞工區(qū)有2處掌子面、2～6號橫洞工區(qū)各有4處掌子面、7號斜井工區(qū)有3處掌子面。考慮施工期間運(yùn)輸組織、施工通風(fēng)、橫通道施工等因素，相對而言，合修方案施工管理相對簡單。

2)斷面類型。合修方案僅為雙線斷面，斷面型式單一。分修方案有單線、雙線、過渡段大跨等多種斷面型式。相比較而言，合修方案更利于組織施工。

3)工期。按《施工組織設(shè)計(jì)指南》中進(jìn)度指標(biāo)的要求［11］，合修方案土建工期為46個(gè)月，如圖12所示。分修方案左線土建工期為45個(gè)月，右線土建工期為61個(gè)月，如圖13所示。合、分修方案均滿足全線總工期要求，但合修方案總工期較分修方案少15個(gè)月。

從現(xiàn)場施工管理、斷面類型、工期等方面分析，合修方案更優(yōu)。

圖12 合修方案指導(dǎo)性施工組織示意圖Fig．12 Tunnel construction schedule in the case of option of single double-track tunnel tube

圖13 分修方案指導(dǎo)性施工組織示意圖Fig．13 Tunnel construction schedule in the case of option of twin single-track tunnel tubes

2．5 結(jié)構(gòu)對軟巖大變形的適應(yīng)性

結(jié)構(gòu)對軟巖大變形的適應(yīng)性方面，合、分修方案的主要區(qū)別在于開挖跨度和開挖洞形。開挖跨度方面，雙線隧道開挖跨度大，圍巖壓力大，變形控制較單線隧道困難，設(shè)計(jì)、施工難度較大;而開挖洞形方面，雙線隧道開挖洞形接近圓形，結(jié)構(gòu)受力條件較好，單線隧道略呈“馬蹄”形，結(jié)構(gòu)受力條件一般。由于隧道以砂巖等硬巖為主，可能發(fā)生軟巖大變形的段落長度占全隧的9%，并非為選擇合、分修方案的主要因素。

通過對比分析，無法判斷二者優(yōu)劣，結(jié)合工程實(shí)踐，分修方案較優(yōu)。

2．6 結(jié)構(gòu)抗震

云屯堡隧道地震作用影響大的洞口、斷層及淺埋段均位于進(jìn)出口段，進(jìn)行合、分修比較的段落均位于地震作用影響小的深埋段。

因此，結(jié)構(gòu)抗震方面并不影響隧道合、分修方案的選擇。

2．7 棄碴與環(huán)保

隧道棄碴場均沿岷江河谷設(shè)置，受地形、地質(zhì)(泥石流)、環(huán)保條件的限制，碴場選址極為困難。大部分棄碴需經(jīng)213國道運(yùn)輸，而213國道為通往九寨溝、黃龍等著名景區(qū)的旅游道路，棄碴運(yùn)輸對國道交通影響巨大。

合修方案經(jīng)213國道運(yùn)輸?shù)臈壊隇?19萬m3，分修方案較合修方案增加棄碴約80萬m3，增加棄碴占地4．67 hm2，且均需經(jīng)過213國道運(yùn)輸，進(jìn)一步加大了棄碴運(yùn)輸對213國道的交通壓力。因此，在棄碴環(huán)保方面，合修方案較優(yōu)。

2．8 運(yùn)營通風(fēng)

合、分修方案運(yùn)營通風(fēng)模式基本相同，均為采用救援站處排煙道作為排風(fēng)口的分段縱向式通風(fēng)方案。即隧道進(jìn)出口端向洞身中部輸送新鮮風(fēng)，污風(fēng)由救援站處煙道抽排至洞外。運(yùn)營通風(fēng)方案如圖14和圖15所示。

圖14 合修方案運(yùn)營通風(fēng)示意圖Fig．14 Operation ventilation of tunnel in the case of option of single double-track tunnel tube

圖15 分修方案運(yùn)營通風(fēng)示意圖Fig．15 Operation ventilation of tunnel in the case of option of twin single-track tunnel tubes

本隧道防災(zāi)通風(fēng)控制風(fēng)機(jī)數(shù)量，并兼顧運(yùn)營通風(fēng)一并布設(shè)。合修方案共設(shè)置72臺風(fēng)機(jī)，總功率1 997 kW。分修方案共設(shè)置 77臺風(fēng)機(jī)，總功率2 214 kW。

通過對比分析，在運(yùn)營通風(fēng)方面，合、分修方案均采用分段縱向式通風(fēng)，通風(fēng)方案一致，風(fēng)機(jī)功率相當(dāng)，無明顯優(yōu)劣。

3 綜合比較

將合、分修方案8方面的比較結(jié)果進(jìn)行匯總，如表1所示。

表1 云屯堡隧道合、分修方案比較結(jié)果匯總Table 1 Comparison and contrast between option of single doubletrack tunnel tube and that of twin single-track tunnel tubes

4 結(jié)論與討論

結(jié)合云屯堡隧道的工程特點(diǎn)及現(xiàn)狀，通過各方面的對比分析，可以得出:1)結(jié)構(gòu)抗震、運(yùn)營通風(fēng)對隧道合、分修方案的選擇基本無影響;2)施工組織、棄碴與環(huán)保方面合修方案較優(yōu);3)結(jié)構(gòu)對軟巖大變形的適應(yīng)性方面，分修方案較優(yōu);4)在控制施工風(fēng)險(xiǎn)方面，一般段落分修方案較為有利，但在喇叭口大跨段，分修方案風(fēng)險(xiǎn)較高;5)由于隧道具有不同于常規(guī)越嶺隧道的疏散救援條件，合、分修方案的防災(zāi)救援設(shè)施均滿足《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，但在任意點(diǎn)防災(zāi)救援方面，分修方案更優(yōu);6)工程投資方面，合修方案優(yōu)勢明顯，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

綜上所述，結(jié)合隧道進(jìn)出口端相連工程已開工建設(shè)的現(xiàn)狀，云屯堡隧道可采用合修(單洞雙線)的建設(shè)方案。

隧道合、分修方案的選擇需要考慮的因素較多，受技術(shù)人員知識水平及外部建設(shè)環(huán)境的制約，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)論，因此，建議盡快完善我國隧道合、分修方案選擇的評價(jià)體系及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

［1］TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［2］TB 10063—2007鐵路工程防火設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2007．

［3］趙勇．鐵路隧道建設(shè)的幾個(gè)問題［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(7):28，138-141，144．(ZHAO Yong．Several issues concerning railway tunnel construction［J］．Railway Standard Design，2004(7):28，138-141，144．(in Chinese))

［4］王夢恕，張梅．鐵路隧道建設(shè)理念和設(shè)計(jì)原則［J］．中國工程科學(xué)，2009(12):6-10．(WANG Mengshu，ZHANG Mei．Construction idea and design principle of railway tunnels［J］．Engineering Sciences，2009(12):6-10．(in Chinese))

［5］曾滿元，喻渝．中德鐵路工程隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比分析研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45(6):39-43．(ZENG Manyuan，YU Yu．Comparison between Chinese and Germany railway tunneling technical standards［J］．Modern Tunnelling Technology，2008，45(6):39-43．(in Chinese))

［6］TB 10020—2012鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2012．

［7］劉鵬．滬昆客運(yùn)專線壁板坡隧道分合修方案研究［J］．山西建筑，2011，37(15):158-160．(LⅠU Peng．Study on wainscot slope tunnel division and reunion maintenance program on Hu-Kun passenger special line［J］．Shanxi Architecture，2011，37(15):158-160．(in Chinese))

［8］茅為中，張念．鐵路隧道火災(zāi)預(yù)防及救援探討［J］．隧道建設(shè)，2010，30(1):26-29．(MAO Weizhong，ZHANG Nian．Study on fire-prevention and passenger-rescue of railway tunnels［J］．Tunnel Construction，2010，30(1):26-29．(in Chinese))

［9］鄧 敏政，簡賢文，蘇昭郎．系統(tǒng)思考于長隧道防災(zāi)之研究［J］．隧道建設(shè)，2011，31(S1):131-137．

［10］朱 亮來，董天樂．近距大跨超淺埋雙洞分修隧道穿越鐵路施工技術(shù)［J］．隧道建設(shè)，2006，26(1):86-89．(ZHU Lianglai，DONG Tianle．Construction technology of closespaced，large-spanned and super-shallow-buried twin-tube tunnel that runs underneath existing railway［J］．Tunnel Construction，2006，26(1):86-89．(in Chinese))

［11］鐵 建設(shè)［2009］226號．鐵路工程施工組織設(shè)計(jì)指南［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．