成蘭鐵路云屯堡隧道緊急救援站設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

王若晨，朱 勇，邸 成，黃 華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，新建鐵路長大隧道(隧道群)數(shù)量和長度都在不斷刷新記錄。截至2018年底，我國投入運(yùn)營的鐵路隧道15 117座，總長16 331 km，其中,特長隧道142座，總長1 930 km[1]。隧道防災(zāi)救援設(shè)計(jì)也逐漸上升到了新的高度。國內(nèi)外特長隧道已有較多設(shè)置緊急救援站的案例，最具代表性的當(dāng)屬瑞士圣哥達(dá)隧道(57 km)[2]、日本青函海底隧道(53.85 km)[3]、英法海峽隧道(49.4 km)[4]。國內(nèi)設(shè)置救援站且已運(yùn)營的隧道工程主要有石太線太行山隧道(27.839 km)[5]、蘭武線烏鞘嶺隧道(20.1 km)[6]、青藏線關(guān)角隧道(32.645 km)[7]等。除青函隧道采用單洞合修模式外，其余設(shè)置救援站的隧道均為雙洞分修模式。成蘭鐵路云屯堡隧道為國內(nèi)首座采用單洞合修模式并在洞內(nèi)設(shè)置救援站的特長山嶺隧道，其救援站設(shè)置模式與既有工程不同。

已有學(xué)者對(duì)長大隧道救援站設(shè)置模式及設(shè)計(jì)參數(shù)等進(jìn)行了研究，以便為鐵路特長隧道設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。例如：李國良等[8]采用流體力學(xué)軟件STAR_CD/CCM+、安全疏散軟件STEPS、隧道軟件IDA及現(xiàn)場火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)關(guān)角隧道疏散救援、通風(fēng)排煙、救援指揮系統(tǒng)等進(jìn)行研究；陳紹華[9]分析了關(guān)角隧道救援站方案比選、人員疏散及通風(fēng)排煙方案，為特長分修隧道防災(zāi)通風(fēng)模式及設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇提供了一定的理論支持；王明年等[6]采用building-EXODUS人員疏散仿真計(jì)算軟件對(duì)長大鐵路隧道救援站的疏散橫通道設(shè)計(jì)參數(shù)、救援站臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)等進(jìn)行了模擬計(jì)算；劉赪[10]通過調(diào)研對(duì)比，總結(jié)了我國防災(zāi)救援工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析了特長隧道單洞模式的可行性。

總體來看，目前關(guān)于鐵路特長隧道救援站的研究還主要集中在分修模式上，涉及合修模式隧道的理論模型或調(diào)研資料仍然偏少。因此，本文嘗試根據(jù)新建成蘭鐵路云屯堡隧道救援站段建設(shè)過程中遇到的實(shí)際問題，從土建規(guī)模、工程投資、施工風(fēng)險(xiǎn)、人員疏散與通風(fēng)排煙、運(yùn)營維護(hù)5個(gè)方面進(jìn)行綜合比選，對(duì)該處單洞合修模式救援站提出優(yōu)化建議，以期解決云屯堡隧道工程建設(shè)需求，也為今后國內(nèi)外特長鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

云屯堡隧道全長22.9 km，為單洞雙線合修隧道，設(shè)計(jì)速度200 km/h，進(jìn)口緊鄰岷江雙線特大橋，出口接松潘車站，線路單面上坡。隧道輔助坑道采用“7橫洞”配置方案[11]。

2 原救援站設(shè)計(jì)方案

云屯堡隧道長度超過20 km，根據(jù)TB 10020—2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]及云屯堡隧道補(bǔ)充設(shè)計(jì)批復(fù)意見，結(jié)合施工輔助坑道位置、洞口疏散條件，在4#橫洞與正洞交叉處設(shè)置1座緊急救援站，救援站長550 m，距隧道進(jìn)口端8.81 km，距隧道出口端13.563 km[13]。

為便于人員逃生疏散，于救援站地段兩線線路中線外側(cè)30 m處分別設(shè)置450 m長的左側(cè)平導(dǎo)和447 m長的右側(cè)平導(dǎo)，并于左、右側(cè)平導(dǎo)與救援站正洞間按間距約50 m設(shè)置1處疏散聯(lián)絡(luò)通道，兩側(cè)各設(shè)11處，共22處，見圖1。左側(cè)平導(dǎo)直接利用4#橫洞作為緊急出口，右側(cè)平導(dǎo)在中部設(shè)置1處聯(lián)絡(luò)通道下穿正洞及左側(cè)平導(dǎo)，與4#橫洞相接形成通向洞外的逃生通道。為改善救援站地段的人員疏散環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“人煙分離”，于隧道救援站地段拱頂正上方設(shè)置430 m長的排煙道；排煙道底部與正洞拱頂間設(shè)置6處豎井式聯(lián)絡(luò)煙道，并于排煙道與地表間設(shè)置1座652 m長的排煙斜井，見圖2。

圖1云屯堡隧道救援站疏散設(shè)施平面布置Fig.1 Plan layout of evacuation facilities of Yuntunbao Tunnel rescue station

圖2 云屯堡隧道救援站通風(fēng)排煙系統(tǒng)平面布置Fig.2 Plan layout of ventilation and smoke extraction system of Yuntunbao Tunnel rescue station

3 建造期間的問題

截至方案研究時(shí)，隧道救援站段已完成左側(cè)平導(dǎo)開挖支護(hù)450 m、正洞開挖支護(hù)與仰拱550 m、二次襯砌237 m。

3.1 工程地質(zhì)情況

救援站段開挖揭示的巖性主要為千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)板巖，薄層狀，層間結(jié)合差，巖性軟弱多變、均一性差。受岷江活動(dòng)斷裂和新塘關(guān)3號(hào)倒轉(zhuǎn)背斜等復(fù)雜構(gòu)造影響[14]，巖體擠壓揉皺明顯，圍巖破碎—極破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育。隧道右側(cè)350 m外平行發(fā)育1條岷江支流，救援站位于其滲流范圍內(nèi)，地下水發(fā)育，呈股狀流出。軟質(zhì)巖遇水軟化加劇，松動(dòng)圈擴(kuò)大，導(dǎo)致隧道初期支護(hù)混凝土發(fā)生開裂、掉塊，鋼架扭曲變形[15]，4#橫洞發(fā)生底鼓和二次襯砌壓潰變形等現(xiàn)象。550 m救援站段落中僅22 m為原設(shè)計(jì)Ⅳ級(jí)圍巖，其余528 m均按變更設(shè)計(jì)調(diào)整為Ⅴ級(jí)圍巖。結(jié)合本隧道“復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史及結(jié)構(gòu)形式，復(fù)雜多變的復(fù)理巖建造，復(fù)雜的地應(yīng)力環(huán)境、地下水條件”的典型特征，推測隧道救援站段處于層間擠壓破碎帶。

3.2 現(xiàn)場施工工序

云屯堡隧道救援站段采用了上、中、下3層結(jié)構(gòu)形式。

施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，施工工序總體思路為“先下后上”：先施工4#橫洞洞身與隧底疏散聯(lián)絡(luò)通道，再施工正洞上跨隧底疏散通道影響段，最后利用左側(cè)疏散救援平導(dǎo)作為運(yùn)輸通道，繼續(xù)施工正洞與右側(cè)疏散救援平導(dǎo)。

但是，現(xiàn)場實(shí)際施工時(shí)受多因素影響，工序有所調(diào)整，隧底疏散聯(lián)絡(luò)通道下穿段未能先行施作，導(dǎo)致目前施工難度與風(fēng)險(xiǎn)增加。

綜合實(shí)際地質(zhì)情況及現(xiàn)場施工問題，需對(duì)救援站段工程方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

4 優(yōu)化方案比較

由于現(xiàn)場已出現(xiàn)初期支護(hù)變形、群洞效應(yīng)顯著，且救援站段通道交錯(cuò)，施工風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，需減少通道數(shù)量或加大相鄰洞室結(jié)構(gòu)間距，同時(shí)不能影響救援站人員安全疏散功能。因此，根據(jù)施工進(jìn)度，提出了加大線間距、下穿改上跨、減少通道3個(gè)調(diào)整方案，為系統(tǒng)分析各調(diào)整方案優(yōu)劣，擬從土建規(guī)模、工程投資、施工風(fēng)險(xiǎn)、人員疏散與通風(fēng)排煙、運(yùn)營維護(hù)5個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，尋求優(yōu)化方案。

4.1 土建規(guī)模

4.1.1 加大線間距方案

根據(jù)推測擠壓破碎帶范圍，對(duì)隧道防災(zāi)救援疏散工程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將相關(guān)工程結(jié)構(gòu)盡量移至擠壓破碎帶范圍以外。1)右側(cè)平導(dǎo)由距左線線路中線35 m調(diào)整為55 m，以降低群洞效應(yīng)影響，長度447 m不變；2)正洞拱頂上方原平行排煙道位置向外水平調(diào)整至距左線線路中線35 m，豎向高度由10 m調(diào)整至13 m，結(jié)構(gòu)長度與施工圖設(shè)計(jì)保持一致；3)豎井式聯(lián)絡(luò)煙道由豎向直筒結(jié)構(gòu)調(diào)整為近90°直彎頭結(jié)構(gòu)；4)結(jié)合段內(nèi)層間擠壓破碎帶范圍，將隧底疏散聯(lián)絡(luò)通道與右側(cè)平導(dǎo)交點(diǎn)向小里程端調(diào)整50 m，以避開不良地質(zhì)，通道長度為302 m，較原方案增加109 m。方案1三維示意圖見圖3。

圖3 方案1三維示意圖Fig.3 3D schematic diagram of scheme 1

同時(shí)，結(jié)合輔助坑道地形條件，在不影響通風(fēng)排煙的前提下，為利于軸流風(fēng)機(jī)房布置與設(shè)備維護(hù)，將聯(lián)絡(luò)排煙道(原排煙斜井)與平行排煙道交點(diǎn)向大里程端調(diào)整至PD3K222+509處，以避開不良地質(zhì)，出口與4#橫洞洞身相接，通過4#橫洞洞口排煙。排煙道長度為445 m，較原方案減少207 m。

該方案與原方案類似，救援站段落仍呈橫斷面上中下、平面左中右立體分布。

4.1.2 下穿改上跨方案

在方案1加大工程線間距基礎(chǔ)上取消下穿疏散聯(lián)絡(luò)通道，將救援站段結(jié)構(gòu)優(yōu)化為上下2層分布，同時(shí)不影響排煙效果。右側(cè)平導(dǎo)通過兩端上跨結(jié)構(gòu)跨過正洞與左側(cè)平導(dǎo)相接。上跨結(jié)構(gòu)斷面尺寸與平導(dǎo)保持一致，采用無軌單車道斷面，5 m×6 m(寬×高)。方案2三維示意圖見圖4。

圖4 方案2三維示意圖Fig.4 3D schematic diagram of scheme 2

4.1.3 合并結(jié)構(gòu)減少通道方案

在方案1基礎(chǔ)上，考慮下穿結(jié)構(gòu)施作難度及風(fēng)險(xiǎn)較大，因此研究取消下穿疏散聯(lián)絡(luò)通道方案，優(yōu)化救援站段結(jié)構(gòu)為上下2層分布。1)將平行排煙道與右側(cè)平導(dǎo)合并，下穿疏散通道與上跨排煙井合并，豎井式聯(lián)絡(luò)煙道延長與右側(cè)加高平導(dǎo)上部相接；2)原設(shè)計(jì)中右側(cè)平導(dǎo)及平行排煙道均采用無軌單車道斷面，5 m×6 m(寬×高)，方案3將其合并。為滿足通行及排煙相關(guān)要求，其斷面內(nèi)凈空尺寸為6 m×8.49 m(寬×高)，中部采用45 cm厚隔板分隔為上部排煙道及下步人員疏散通道2部分。原下穿疏散聯(lián)絡(luò)通道采用無軌雙車道斷面，7.5 m×6.2 m(寬×高)，聯(lián)絡(luò)排煙道采用無軌單車道斷面5 m×6 m(寬×高)，現(xiàn)將其合并，從右側(cè)疏散排煙通道中部引出，上跨正洞，與4#橫洞相接。為滿足通行及排煙相關(guān)要求，其斷面內(nèi)凈空尺寸為7.5 m×8.56 m(寬×高)，中部采用45 cm厚隔板分隔為上部排煙道及下部人員疏散通道2部分。方案3三維示意圖見圖5。

圖5 方案3三維示意圖Fig.5 3D schematic diagram of scheme 3

通過對(duì)比，方案1與方案2工程規(guī)模接近，方案3由于合并了兩管結(jié)構(gòu)，工程規(guī)模最小，具體見表1。

4.2 工程投資

根據(jù)各方案土建工程規(guī)模，對(duì)各方案土建工程投資進(jìn)行了估算，見表1。

表1 各方案土建規(guī)模及投資對(duì)比Table 1 Comparison of project scale and investment among 3 schemes

根據(jù)投資分析，方案3雖然減少了通道數(shù)量，但需要加大斷面，增設(shè)隔板，投資增加反而最高。方案1與方案2工程量相近，方案1較方案2增加投資約37%。

4.3 施工風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)現(xiàn)場揭示的地質(zhì)情況，隧道救援站段巖性軟弱多變，圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育且地下水發(fā)育，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果[15]，隧址位于較高地應(yīng)力地區(qū)，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

4.3.1 加大線間距方案

加大各結(jié)構(gòu)間距，弱化群洞效應(yīng)。首先，處理變形、對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，施工工序仍按由下及上編制，先施工下層結(jié)構(gòu)即下穿疏散通道，同時(shí)施作聯(lián)絡(luò)排煙道非上跨交叉段落；然后，施作中層結(jié)構(gòu)即右側(cè)平導(dǎo)等；最后，施工上層結(jié)構(gòu)，先通過聯(lián)絡(luò)煙道施工平行排煙道，再跳段開挖豎井式聯(lián)絡(luò)煙道。通過合理安排施工工序，合理使用控制爆破和機(jī)械開挖，加強(qiáng)支護(hù)措施，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

4.3.2 下穿改上跨方案

本方案較方案1取消了下穿疏散通道，改為平導(dǎo)兩端頭上跨，但由于整個(gè)救援站均位于同一地層中，較差的工程地質(zhì)環(huán)境并未改善，1次下穿改為2次上跨，反而加大了交叉段施工風(fēng)險(xiǎn)。

4.3.3 合并結(jié)構(gòu)減少通道方案

本方案合并結(jié)構(gòu)減少了2條通道，但由于是在大變形地層中進(jìn)行的調(diào)整，斷面形式偏于瘦高，不利于變形控制。同時(shí)平行排煙道與右側(cè)平導(dǎo)合并，排煙通道高程下降明顯，導(dǎo)致原“直彎鉤”形豎井式聯(lián)絡(luò)煙道變?yōu)椤皫住弊中?，施工難度加大。

考慮本工區(qū)利用4#橫洞排水，而疏散聯(lián)絡(luò)通道及平導(dǎo)等通道都能實(shí)現(xiàn)順坡排水，因此各方案均不存在排水問題。綜上分析，方案3施工風(fēng)險(xiǎn)最高，方案1施工風(fēng)險(xiǎn)最低。

4.4 人員疏散與通風(fēng)排煙

4.4.1 加大線間距方案

本方案能夠提供相對(duì)獨(dú)立的人員疏散空間與煙氣排放空間，人員由疏散聯(lián)絡(luò)通道經(jīng)4#橫洞安全疏散，火災(zāi)煙氣由正洞頂部豎井式聯(lián)絡(luò)煙道經(jīng)平行排煙道及聯(lián)絡(luò)煙道排出洞外，見圖6。

圖6 方案1左線失火列車通風(fēng)排煙方案Fig.6 Diagram of ventilation and smoke extraction scheme for fire train on left line (scheme 1)

4.4.2 下穿改上跨方案

本方案與方案1通風(fēng)排煙大體一致，但由于下穿通道改為在平導(dǎo)兩端上跨相連，疏散通道長度及送風(fēng)長度增加約76%，風(fēng)壓增加近11%，見圖7。

圖7 方案2左線失火列車通風(fēng)排煙方案Fig.7 Diagram of ventilation and smoke extraction scheme for fire train on left line (scheme 2)

4.4.3 合并結(jié)構(gòu)減少通道方案

本方案火災(zāi)煙氣自正洞抽離后，就一直與人員疏散路徑一致，僅靠結(jié)構(gòu)中部隔板分離，同時(shí)為利于上跨，疏散聯(lián)絡(luò)通道采用12%上坡，原低位平導(dǎo)變?yōu)楦呶黄綄?dǎo)，導(dǎo)致火災(zāi)煙氣易侵入疏散聯(lián)絡(luò)通道。此外，因本方案豎井式聯(lián)絡(luò)煙道呈“幾”字形，使其原有煙囪效應(yīng)弱化，排煙效果不如原方案。該方案風(fēng)機(jī)功率較方案1增加約15%，設(shè)備選型及運(yùn)營階段成本等都會(huì)相應(yīng)受到影響。

綜上，方案1的疏散排煙方案最優(yōu)。

4.5 運(yùn)營維護(hù)

方案1與方案2各通道相對(duì)獨(dú)立，運(yùn)營期間檢修養(yǎng)護(hù)方便。方案3采用加高結(jié)構(gòu)設(shè)置隔板以實(shí)現(xiàn)人煙分離，理論可行，但火災(zāi)煙氣為高溫氣體，且考慮結(jié)構(gòu)的可靠性、材料的耐久性、施工縫的密封處理、目前隧道施工工藝水平等因素，很難達(dá)到既有方案的可靠性。同時(shí)，豎井式聯(lián)絡(luò)煙道因形狀原因，維護(hù)難度大。因此方案1、方案2在運(yùn)營期間優(yōu)勢(shì)更明顯。

5 方案綜合比選

將各方案5個(gè)方面的對(duì)比結(jié)果進(jìn)行匯總，如表2所示。

表2 云屯堡隧道救援站調(diào)整方案比選結(jié)果匯總Table 2 Comparison among 3 schemes

6 結(jié)論與討論

結(jié)合云屯堡隧道救援站的工程特點(diǎn)及現(xiàn)狀，通過方案研究比選分析，可以得出：1)特長隧道緊急救援站段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其工程投資與通道數(shù)量不一定成正比，設(shè)置各司其職的多處小斷面通道，可能比僅設(shè)置1處大斷面綜合通道節(jié)約投資；2)救援站地段應(yīng)適當(dāng)加大各平行或交叉結(jié)構(gòu)間距，以避免或弱化群洞效應(yīng)；3)救援站整體土建規(guī)模較小時(shí)也可能存在較高的施工風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)環(huán)境綜合考慮；4)救援站內(nèi)土建工程方案調(diào)整對(duì)機(jī)電設(shè)備配套會(huì)造成一定影響，從而影響后期運(yùn)營成本；5)豎井式聯(lián)絡(luò)煙道宜按90°直彎頭設(shè)計(jì)，便于施工及運(yùn)營維護(hù)、檢修。綜上所述，結(jié)合現(xiàn)場隧道施工現(xiàn)狀，云屯堡隧道內(nèi)救援站采用方案1作為優(yōu)化方案。

現(xiàn)階段我國特長隧道仍以分修為主，防災(zāi)救援作為影響隧道合、分修的重要因素之一，尚需進(jìn)一步的工程經(jīng)驗(yàn)積累及專業(yè)技術(shù)人員的系統(tǒng)研究。隨著在建項(xiàng)目及擬建項(xiàng)目中特長隧道數(shù)量和長度的增加，建議盡快完善特長隧道單、雙洞防災(zāi)救援方案量化評(píng)價(jià)方法。同時(shí)，建議優(yōu)化、完善隧道防災(zāi)救援設(shè)計(jì)規(guī)范，做到防災(zāi)救援疏散工程的因地制宜、經(jīng)濟(jì)合理。