西十高鐵秦嶺馬白山特長(zhǎng)隧道分合修方案研究

劉陸拓

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

近年來(lái)，隨著鐵路建設(shè)快速發(fā)展，速度350 km/h高速鐵路修建占比增大，同時(shí)線路曲線半徑的增大及隧道修建技術(shù)逐步完善，所以特長(zhǎng)及超長(zhǎng)隧道座數(shù)也在日益增加。高速鐵路為滿足客運(yùn)需求，縮短運(yùn)行時(shí)間，主要采用上下行雙線鐵路。一般雙線鐵路通過(guò)長(zhǎng)大隧道工程時(shí)，必然涉及到隧道分合修的方案比較，即單洞雙線和單線雙洞比較。趙勇[1]認(rèn)為隧道分合修應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營(yíng)及投資等因素綜合確定，客運(yùn)專線事故概率低，可采用含救援站單洞雙線方案；劉赪[2]提出特長(zhǎng)隧道內(nèi)按20 km的間距設(shè)置緊急救援站后，火災(zāi)列車不能到達(dá)緊急救援站的概率僅為0.01%，這個(gè)概率與單、雙洞方案無(wú)關(guān)，且特長(zhǎng)隧道可以采用單洞雙線方案；王夢(mèng)恕[3]提出結(jié)合通風(fēng)、設(shè)備及快速施工等方面考慮，優(yōu)先選用單線雙洞方案。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)隧道一般設(shè)計(jì)情況，當(dāng)隧道長(zhǎng)度小于10 km時(shí)，一般采用單洞雙線形式；隧道長(zhǎng)度為10～20 km時(shí)，需要簡(jiǎn)單比較，由于不涉及單獨(dú)設(shè)置防災(zāi)救援站工程，且分修投資較高，一般采用單洞雙線形式；當(dāng)隧道長(zhǎng)度大于20 km時(shí)，應(yīng)考慮地形地質(zhì)、防災(zāi)救援、運(yùn)營(yíng)、建設(shè)等因素，對(duì)分合修方案需進(jìn)行詳細(xì)比較，選用運(yùn)營(yíng)施工安全，經(jīng)濟(jì)投資合理的方案。

2 國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)大隧道分合修技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 特長(zhǎng)隧道分合修情況

國(guó)際上對(duì)于雙線鐵路隧道工程，同樣存在上下行線分修的模式，也存在上下行線合修的模式。國(guó)際國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度超過(guò)20 km的隧道統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1、表2[4]。

表1 歐洲和日本主要特長(zhǎng)隧道統(tǒng)計(jì)

表2 中國(guó)主要鐵路特長(zhǎng)隧道統(tǒng)計(jì)

2.2 國(guó)內(nèi)外分合修調(diào)研分析

由表1、表2可知：

(1)歐洲長(zhǎng)度大于20 km以上的隧道，考慮運(yùn)營(yíng)防災(zāi)救援、運(yùn)輸組織等多采用分修方案；

(2)日本新干線無(wú)論隧道長(zhǎng)短均采用合修方案；

(3)國(guó)內(nèi)考慮運(yùn)營(yíng)防災(zāi)救援，通常長(zhǎng)度大于20 km的雙線鐵路隧道多采用分修方案，僅成蘭鐵路云屯堡隧道采用合修方案；

(4)從國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，20 km以上的隧道均有分修案例，也有合修的案例，因此分、合修隧道均能夠保證運(yùn)營(yíng)安全；

(5)目前國(guó)內(nèi)已建成的長(zhǎng)度超過(guò)20 km隧道設(shè)計(jì)速度普遍為160～200 km/h，僅太行山隧道設(shè)計(jì)速度為250 km/h。且以上隧道均未發(fā)生過(guò)事故。

但是到目前為止國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有速度350 km/h鐵路隧道分合修修建先例，大多數(shù)理論也基于低速列車進(jìn)行研究。因此，結(jié)合西安至十堰高速鐵路穿越秦嶺中高山脈區(qū)域中的特長(zhǎng)隧道秦嶺馬白山隧道為例，對(duì)分合修進(jìn)行比較。秦嶺馬白山隧道為目前速度350 km/h的高鐵第一長(zhǎng)隧道，是首座長(zhǎng)度超過(guò)20 km的高鐵隧道，對(duì)秦嶺馬白山隧道進(jìn)行分、合修方案研究，不但具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且對(duì)今后高鐵特長(zhǎng)隧道的建設(shè)方案具有非常重要的參考意義。

3 工程概況

西十高鐵[5]設(shè)計(jì)速度350 km/h，線路總長(zhǎng)257 km，隧道工程總計(jì)202.8 km/41座，占線路總長(zhǎng)度的79%，其中特長(zhǎng)隧道(≥10 km)80.344 km/5座，最長(zhǎng)隧道為秦嶺馬白山隧道，長(zhǎng)度為22.895 km。分修隧道內(nèi)凈空面積為70 m2，合修隧道內(nèi)凈空面積為100 m2。隧道進(jìn)口接輞峪河大橋(L-142 m)，出口接油磨河中橋(L-62 m)。合修方案兩側(cè)橋梁均為1座雙線橋，分修方案兩側(cè)橋梁為2座單線橋。

秦嶺馬白山隧道洞身地層為燕山期花崗巖，元古界中下統(tǒng)寬坪群四岔口組的石英片巖、竹林溝組的絹云綠泥石英片巖。隧道地處北秦嶺加里東期褶皺帶內(nèi)，構(gòu)造形跡以北西西向?yàn)橹?，隧道洞身走向與構(gòu)造近平行。僅穿越1條斷層破碎帶。隧道圍巖級(jí)別見(jiàn)表3。

表3 秦嶺馬白山隧道圍巖級(jí)別統(tǒng)計(jì)

隧道范圍內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.4 s。隧道最大埋深約630 m，地應(yīng)力高，且為硬質(zhì)巖，隧道局部段落可能存在巖爆；同時(shí)部分段落為片巖，局部段落可能存在大變形。

據(jù)物探及鉆孔揭示，隧道洞身發(fā)生輕微巖爆或軟弱圍巖變形的長(zhǎng)度為3 500 m，占隧道總長(zhǎng)度的15.3%。

針對(duì)防災(zāi)救援、運(yùn)營(yíng)、建設(shè)、特殊地質(zhì)等因素，對(duì)秦嶺馬白山隧道分合修進(jìn)行分析比較。秦嶺馬白山隧道縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1 秦嶺馬白山隧道縱斷面簡(jiǎn)圖

4 分合修防災(zāi)救援影響因素

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)控制列車駛出隧道進(jìn)行疏散；當(dāng)列車不能駛出隧道，應(yīng)控制列車停靠在緊急救援站進(jìn)行疏散和救援[6-7]。列車出現(xiàn)非火災(zāi)事故后，可?？吭诰o急出口、避難所及橫通道進(jìn)行疏散。

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]對(duì)隧道防災(zāi)救援技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)解析，列車可以繼續(xù)運(yùn)行15～20 min，保守估計(jì)列車速度為80 km/h，殘余運(yùn)行距離為20 km。所以超過(guò)20 km隧道需要設(shè)置洞內(nèi)救援站，且救援站間距不超過(guò)20 km。停車后人員疏散時(shí)間不超過(guò)6 min。

秦嶺馬白山隧道在洞身結(jié)合2號(hào)斜井設(shè)置1處洞內(nèi)救援站。站長(zhǎng)550 m，距隧道進(jìn)口7.85 km，距隧道出口14.5 km，

4.1 分修隧道救援模式

分修隧道方案為2座單線隧道，隧道中部設(shè)置一550 m的緊急救援站，根據(jù)陳紹華[9]研究的關(guān)角隧道防災(zāi)救援模式，秦嶺馬白山隧道分修方案洞內(nèi)救援站示意見(jiàn)圖2。緊急救援站范圍內(nèi)共設(shè)置12個(gè)間距50 m的疏散橫通道。

圖2 分修隧道救援站示意(單位：m)

通風(fēng)排煙：列車遇到火災(zāi)緊急?？烤仍荆迈r空氣從火災(zāi)隧道進(jìn)入，風(fēng)機(jī)分別從救援兩端向中間吹風(fēng)。洞內(nèi)煙氣由隧道拱頂豎向排煙道匯集于上方的縱向排煙道，并通過(guò)斜井排出隧道外。

人員疏散：列車遇到火災(zāi)緊急停靠救援站，乘客進(jìn)入聯(lián)絡(luò)通道避險(xiǎn)，等待救援列車并從另外一管隧道撤離。分修隧道救援模式見(jiàn)圖3。

圖3 分修隧道救援站逃生及排煙示意(單位：m)

整列車按1214名乘客核算，假設(shè)位于列車中部的一節(jié)硬座車廂起火，車廂的一個(gè)車門因起火無(wú)法用于疏散，導(dǎo)致緊急救援站內(nèi)起火車廂對(duì)面的橫通道也將無(wú)法用于疏散，也就是能用于疏散的橫通道只有11個(gè)。通過(guò)模擬分析，20節(jié)車廂共1214名乘客通過(guò)11個(gè)疏散橫通道可以在4 min45 s之內(nèi)全部疏散至安全隧道，滿足規(guī)范中規(guī)定的≯6 min的要求。乘客疏散時(shí)間見(jiàn)圖4。

圖4 乘客疏散時(shí)間模擬

4.2 合修隧道救援模式

合修隧道為1座雙線隧道，設(shè)有1座緊急救援站，在救援站范圍兩線線路中線外側(cè)30 m處各設(shè)1段長(zhǎng)550 m的左側(cè)平導(dǎo)和550 m的右側(cè)平導(dǎo)，作為人員的逃生通道或待避空間。根據(jù)朱勇[10]研究的云屯堡隧道防災(zāi)救援模式，秦嶺馬白山隧道合修方案洞內(nèi)救援站示意見(jiàn)圖5。每側(cè)平導(dǎo)與隧道間通過(guò)12個(gè)間距50 m的疏散通道相連。

圖5 合修隧道救援站示意

通風(fēng)排煙：列車遇到火災(zāi)緊急停靠救援站，新鮮空氣由斜井進(jìn)入，通過(guò)一側(cè)救援平導(dǎo)及疏散橫通道進(jìn)入正洞。風(fēng)向始終迎著新鮮風(fēng)流疏散。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(guò)排煙井抽排至洞外。

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(tái)，通過(guò)疏散橫通道進(jìn)入救援平導(dǎo)，進(jìn)入斜井，疏散至洞口外等待救援。合修隧道救援模式見(jiàn)圖6。

圖6 合修隧道救援站逃生及排煙示意(單位：m)

疏散人員按動(dòng)車1 495人和普通客1 644人核算，火車著火點(diǎn)及?？课恢冒醋畈焕r計(jì)算。通過(guò)模擬分析，動(dòng)車人員疏散至安全空間需要2 min 36 s，普通客車人員需要3 min 14 s，均滿足規(guī)范中規(guī)定的≯6 min的要求。乘客疏散時(shí)間見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 動(dòng)車人員疏散模擬

圖8 普通客車人員疏散模擬

不管隧道為分修還是合修，發(fā)生火災(zāi)后的安全主要取決于緊急救援站的間距。如果救援站間距滿足規(guī)范要求，均是可以滿足人員疏散要求的。因此，防災(zāi)疏散救援因素不決定隧道的分合修方案，隧道的分合修方案還要統(tǒng)籌考慮其他因素后確定。

5 分合修運(yùn)營(yíng)影響因素

5.1 運(yùn)營(yíng)行車組織

(1)線路正常情況下，分修隧道與合修隧道的行車組織無(wú)區(qū)別。

(2)隧道發(fā)生災(zāi)害、事故狀況下，分修隧道可快速組織實(shí)現(xiàn)單線運(yùn)行，保障重要物資的運(yùn)送和重點(diǎn)客車的運(yùn)行。

5.2 運(yùn)營(yíng)維護(hù)

電氣化鐵路，分修隧道內(nèi)養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，只需中斷維護(hù)線路的電力，不影響另一條線路運(yùn)行，合修隧道需同時(shí)停電，給維護(hù)工作帶來(lái)了很大不便。

5.3 旅客舒適度

5.3.1 瞬變壓力方面

對(duì)長(zhǎng)大隧道和隧道群空氣動(dòng)力學(xué)影響進(jìn)行了不同工況的計(jì)算分析。

根據(jù)舒適度標(biāo)準(zhǔn)[11]要求，單輛列車運(yùn)行和兩輛列車交匯時(shí)，氣動(dòng)壓力標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.80，1.25 kPa/3 s。單線隧道(分修)斷面面積為70 m2，雙線隧道(合修)斷面面積為100 m2[12]，分別計(jì)算列車速度350 km/h時(shí)，單線隧道列車通過(guò)和雙線隧道在3種不同位置兩車交會(huì)的情況，兩列車在隧道中央處會(huì)車、兩列車在隧道洞口處會(huì)車、兩列車在隧道長(zhǎng)度1/3處會(huì)車。

圖9和圖10分別給出了列車氣密指數(shù)值15 s時(shí)單線隧道和雙線隧道內(nèi)交會(huì)兩種情形下，車頭車尾內(nèi)3 s內(nèi)最大壓力變化值與標(biāo)準(zhǔn)閾值的比較。

圖9 車頭內(nèi)3 s內(nèi)最大壓力變化值比較

圖10 車尾內(nèi)3 s內(nèi)最大壓力變化值比較

由圖10可知。

(1)單線隧道：在列車氣密值15 s時(shí)，3 s內(nèi)最大壓力變化值均小于或接近0.8 kPa/3 s，滿足舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

(2)雙線隧道：列車氣密值15 s時(shí)，列車交會(huì)過(guò)程中的車內(nèi)3 s內(nèi)最大壓力變化值均小于1.25 kPa/3 s，滿足舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，當(dāng)列車的密封指數(shù)不小于15 s時(shí)，分合修計(jì)算工況均能滿足國(guó)內(nèi)提出的列車內(nèi)瞬變壓力容許值為單車0.80 kPa/3 s、交會(huì)1.25 kPa/3 s的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，列車上的司乘人員均不會(huì)出現(xiàn)不適感。即使是雙線隧道在洞內(nèi)會(huì)車條件下的空氣動(dòng)力學(xué)影響也要比單線隧道單輛列車通車影響小，特長(zhǎng)隧道宜選單洞雙線隧道。

5.3.2 微氣壓波方面

列車高速進(jìn)入隧道時(shí)，前方的空氣受到擠壓，這種擠壓狀態(tài)的空氣以聲速傳播至隧道出口，驟然膨脹，產(chǎn)生一個(gè)被稱為微氣壓波的次聲波。我國(guó)制定了微氣壓波控制標(biāo)準(zhǔn)，由于秦嶺馬白山隧道進(jìn)口位于深山溝谷，無(wú)建筑物，要求距洞口20 m處的微氣壓波小于50 kPa[13]。

研究成果表明，隧道洞口采用緩沖結(jié)構(gòu)，隧道分合修微氣壓波均滿足規(guī)范要求，隧道合修較分修微氣壓波減少約31%[14]。合修優(yōu)于分修。

5.3.3 空氣阻力方面

研究成果表明，隧道空氣阻力隨著隧道長(zhǎng)度的增大而增大，隨著隧道斷面面積的減小而增大，隧道分修時(shí)列車承受的平均空氣阻力和最大空氣阻力相對(duì)合修時(shí)要大20%以上[15]。

5.4 小結(jié)

綜上所述，從行車組織以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)角度分析，分修較合修略有優(yōu)勢(shì)；分合修隧道均滿足旅客舒適度要求，合修隧道對(duì)乘車舒適度和降低列車空氣阻力更有利。

6 分合修建設(shè)影響因素

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)因素主要為隧道地質(zhì)條件、隧道施工組織方案，工程投資等。

6.1 隧道地質(zhì)條件

秦嶺馬白山隧道地層主要為花崗巖，且?guī)r性較好，主要以Ⅱ、Ⅲ級(jí)為主，且隧道最大埋深為630 m，所以隧道部分段落存在高地應(yīng)力導(dǎo)致的輕微巖爆。同時(shí)部分段落地層巖性為片巖，存在大變形。隧道通過(guò)一條區(qū)域性斷裂，寬度約200 m。

6.1.1 巖爆

巖爆發(fā)生與斷面大小關(guān)系較??；在發(fā)生巖爆后，處理措施主要有噴高壓水軟化圍巖、施作應(yīng)力釋放孔、加強(qiáng)初期支護(hù)、噴射鋼纖維混凝土等[16-18]，分合修采用措施基本相同。巖爆段落一般采用機(jī)械化施工，能夠提高工作效率，減少作業(yè)人員，提高安全度。合修隧道空間較大，有利于機(jī)械化作業(yè)；同時(shí)分修隧道增加了一座巖爆隧道，處理難度和投資相對(duì)增大。因此從巖爆方面考慮，合修略優(yōu)于分修。

6.1.2 軟巖大變形

大變形發(fā)生時(shí)，主要采用超前導(dǎo)洞釋放應(yīng)力、加強(qiáng)超前錨桿、強(qiáng)支護(hù)、增加仰拱曲率等[19-20]措施施工。分修隧道斷面較小，應(yīng)力相對(duì)較小，受力結(jié)構(gòu)好，穩(wěn)定性、安全性高，但分修施工組織較困難。因此從大變形方面考慮，分修略優(yōu)于合修。

6.1.3 斷層

一般情況的斷層帶及其影響帶，其內(nèi)部巖體破碎，通過(guò)采取加固措施后，分修隧道斷面小，相比合修隧道，穩(wěn)定性、安全性更高；

雖然分修優(yōu)于合修，但本隧道的斷層及其影響段落相對(duì)隧道長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)較短，不會(huì)成為隧道分、合修的控制因素。

6.2 施工方案

(1)從鉆爆法機(jī)械化配套施工角度，本隧道主要為花崗巖，巖體較完整，掌子面自穩(wěn)性好，支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此合修一次開(kāi)挖成洞，分修需要兩次開(kāi)挖，所以合修施工效率較高。同時(shí)合修隧道斷面大，作業(yè)空間充裕，大型機(jī)械設(shè)備洞內(nèi)作業(yè)組織靈活，效率高；分修隧道斷面較小，作業(yè)空間小，不便于大型機(jī)械化作業(yè)，影響進(jìn)度；因此，從鉆爆法機(jī)械化快速施工方面分析，合修優(yōu)于分修。

(2)施工組織：采用合修方案時(shí)，一座輔助坑道(斜井、橫洞)擔(dān)負(fù)2個(gè)工作面，施工通風(fēng)、排水、運(yùn)輸?shù)确桨负?jiǎn)單，便于實(shí)施；采用分修方案時(shí)，兩座隧道作為正線工程，均承受較重的施工任務(wù)和負(fù)擔(dān)，彼此互相輔助施工的難度較大，不利于施工組織。所以往往1座輔助坑道(斜井、橫洞)需要擔(dān)負(fù)3～4個(gè)工作面，施工通風(fēng)、排水、運(yùn)輸組織等方案難度明顯增加，施組難度大且復(fù)雜。因此從施工組織方面分析，合修方案明顯優(yōu)于分修方案。

(3)施工工法比較：考慮采用TBM施工時(shí)，主要分為敞開(kāi)式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾3種類型。由于秦嶺馬白山隧道主要為花崗巖，巖性為硬巖，飽和抗壓強(qiáng)度為34.1～99.8 MPa。敞開(kāi)式TBM具有掘進(jìn)硬巖能力強(qiáng)、施工靈活性高、采用復(fù)合襯砌支護(hù)、安全性高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，所以建議采用敞開(kāi)式TBM施工。按照分合修所需斷面大小設(shè)計(jì)，分修需要TBM直徑為11.36 m，合修需要TBM直徑為15.2 m。

根據(jù)國(guó)內(nèi)TBM使用調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)僅有兩處工程使用過(guò)直徑大于10 m的敞開(kāi)式TBM，分別為蘭渝鐵路西秦嶺隧道[21](10.23 m)和錦屏水電站輸水隧洞[22](12.4 m)。錦屏隧洞由于高巖爆導(dǎo)致TBM報(bào)廢。根據(jù)目前技術(shù)能力無(wú)法滿足直徑15.2 mTBM施工，合修TBM方案不成立。分修TBM方案是可以滿足要求。

6.3 工程投資

擬定列車速度350 km/h隧道單線和雙線斷面如圖11、圖12所示。

圖11 單線隧道斷面(單位： cm)

圖12 雙線隧道斷面(單位：cm)

秦嶺馬白山隧道分合修斷面每延米工程量比較見(jiàn)表4。

表4 秦嶺馬白山隧道單雙線每延米

隧道分修涉及工程量明顯大于合修，綜合投資比較下來(lái)，分修每延米投資是合修的約1.5倍。

從工程投資方面分析，秦嶺馬白山隧道采用合修方案較分修方案節(jié)省工程投資約8.9億元，合修方案明顯優(yōu)于分修方案。

7 結(jié)論

(1)防災(zāi)救援方面：分修方案在洞內(nèi)救援站處兩管隧道中間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，兩管隧道互為救援通道；合修方案在洞內(nèi)救援站處正線兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)管長(zhǎng)約550 m隧道為救援通道。兩個(gè)方案均能滿足規(guī)范要求，并無(wú)明顯優(yōu)劣性。

(2)運(yùn)營(yíng)方面：運(yùn)營(yíng)期間分合修方案在正常情況下無(wú)差別；在出現(xiàn)事故工況下分修方案在維修，保證單線運(yùn)營(yíng)方面更加靈活。旅客舒適度方面：分合修均能滿足規(guī)范要求，但合修方案隧道斷面相對(duì)較大，空氣阻塞小，列車進(jìn)入隧道時(shí)引起的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)較小，運(yùn)營(yíng)條件相對(duì)較分修方案好，旅客的舒適度更好。

(3)施工建設(shè)方面：目前施工采用大型機(jī)械化施工，合修斷面較大，機(jī)具操作空間大，施工效率高。同時(shí)輔助坑道施工任務(wù)相對(duì)較輕，組織便利。同時(shí)TBM工法比較下，大直徑TBM技術(shù)能力尚不成熟，且考慮TBM投資較高不建議采用。

(4)投資方面：分修工程量較大，綜合投資比較下來(lái)，分修每延米投資約為合修的1.5倍，合修方案明顯優(yōu)于分修方案。

綜合比較建議秦嶺馬白山隧道采用單洞雙線(合修)形式。