國內(nèi)外特長山嶺鐵路隧道單、雙洞長度分布特征研究

李 琦，王 雪，楊 暢，李 敏，朱 喬，謝雪怡

(四川農(nóng)業(yè)大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，四川 成都 611830)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，鐵路隧道得到了前所未有的迅速發(fā)展。目前，我國已成為世界上隧道數(shù)量最多、發(fā)展速度最快、地質(zhì)及結構形式最復雜的國家[1]。截至2020年底，我國投入運營的鐵路隧道共16 798座，在建的鐵路隧道共2 746座[2]。

國內(nèi)外相關規(guī)范以及學者對特長鐵路隧道的單、雙洞選擇進行了研究。如： 國際鐵路聯(lián)盟UIC-Codex 779-9/R《Safety in railway tunnels》指出，相比較于單洞隧道，雙洞隧道更有利于事故后疏散救援，但其造價高，占地多，最終洞線型式要綜合比選后確定。德國DSC800—01《General design principles of railway engineering design》指出，當隧道地質(zhì)條件較好、無強制性原因時，雙線鐵路應設計為單洞型式。國內(nèi)鐵路隧道相關設計規(guī)范[3-4]指出，特長鐵路隧道多選用單洞型式，并根據(jù)地質(zhì)條件、施工方式和疏散救援等綜合研究確定。馬志富[5]指出長度在20 km以下的鐵路隧道多依據(jù)施工方法來確定單、雙洞型式；長度在20 km以上的鐵路隧道需根據(jù)地質(zhì)條件、線路條件、施工方法等因素綜合考慮單、雙洞型式。趙勇[6]提出應結合線路設計標準、設備運營要求、投資等因素綜合確定特長鐵路隧道的單、雙洞型式。王夢恕等[7]從施工通風方式、設備投入及快速施工等方面出發(fā)，提出雙線鐵路隧道優(yōu)先選用單洞型式的設計理念。劉赪[8]通過對國內(nèi)外特長鐵路隧道火災應對策略及火災工況下疏散模擬等進行對比分析，得出特長鐵路隧道可以采用單洞雙線方案。劉鵬[9]從巖溶段涌突水風險、接觸帶塌方風險等方面進行比較，得出雙洞方案對施工系統(tǒng)性風險控制更為有利。朱勇等[10]以云屯堡隧道為例，從結構抗震、運營通風、工程投資、施工組織、棄渣與環(huán)保、結構、施工風險和防災救援等方面出發(fā)，得出單洞方案較優(yōu)的結論。李輝[11]以西成高鐵老安山隧道為例，從地形、地質(zhì)條件、技術、經(jīng)濟、舒適度和防災救援等方面出發(fā)，認為應采用雙洞型式。張劍等[12]指出從工期、施工難度、防災救援和隧道通風方面考慮，雙洞單線型式更優(yōu)；從工程造價、運營維護方面考慮，單洞雙線型式更優(yōu)。

綜上所述，國內(nèi)外針對特長鐵路隧道單、雙洞選型的研究主要集中于地質(zhì)地形、施工方式及防災救援等方面，而關于隧道長度與單、雙洞分布特征的研究較少。本文選取國內(nèi)已建特長山嶺鐵路隧道184座，在建特長山嶺鐵路隧道85座；國外已建特長山嶺鐵路隧道41座，對特長山嶺鐵路隧道單、雙洞分布特征進行研究。

1 國內(nèi)特長山嶺鐵路隧道單、雙洞長度分布研究

1.1 已建特長山嶺鐵路隧道

選取已建特長雙線山嶺鐵路隧道184座，其中，單洞雙線隧道155座，雙洞單線隧道29座。國內(nèi)部分已建特長山嶺鐵路隧道統(tǒng)計如表1所示。

表1 國內(nèi)部分已建特長山嶺鐵路隧道統(tǒng)計

由表1可知： 我國目前已建的最長山嶺鐵路隧道是新關角隧道(長32.645 km)，為雙洞單線型式；已建的最長單洞雙線山嶺鐵路隧道是石林隧道(長18.208 km)。國內(nèi)已建特長山嶺鐵路隧道長度分布如圖1所示。

圖1 國內(nèi)已建特長山嶺鐵路隧道長度分布

由圖1可知： 隧道長度10 km20 km時，洞線型式基本選用雙洞單線型式。

1.2 在建特長山嶺鐵路隧道

選取在建特長雙線山嶺鐵路隧道85座，其中，單洞雙線隧道82座，雙洞單線隧道3座。國內(nèi)部分在建特長山嶺鐵路隧道統(tǒng)計如表2所示。

由表2可知： 我國目前在建的最長單洞雙線山嶺鐵路隧道為寶靈山隧道(長26.469 km)，其次為云屯堡隧道(長22.923 km)；在建的最長雙洞單線山嶺鐵路隧道為色季拉山隧道(長37.956 km)。國內(nèi)在建特長山嶺鐵路隧道長度分布如圖2所示。

表2 國內(nèi)部分在建特長山嶺鐵路隧道統(tǒng)計

圖2 國內(nèi)在建特長山嶺鐵路隧道長度分布

由圖2可知： 在建特長山嶺鐵路隧道多選用單洞雙線型式，較少部分選用雙洞單線型式，其中采用單洞雙線型式的隧道占96%，隧道長度多集中在10～20 km。但也存在特殊案例，如寶靈山隧道(長26.469 km)、云屯堡隧道(長22.923 km)、甘青隧道(長22.380 km)、小相嶺隧道(長21.775 km)和康定二號隧道(長20.793 km)。

1.3 已建和在建特長山嶺鐵路隧道單、雙洞長度分布對比

已建和在建特長山嶺鐵路隧道的單、雙洞型式在隧道不同長度下的分布存在差異。國內(nèi)特長山嶺鐵路隧道長度分布對比如表3所示。

由表3可知： 隧道長度10 km20 km時，已建的單洞雙線隧道占0%，在建的單洞雙線隧道占71%。

表3 國內(nèi)特長山嶺鐵路隧道長度分布對比

截至2020年底，已建和在建特長山嶺鐵路隧道總數(shù)中，單洞隧道數(shù)量增長約30%，雙洞隧道數(shù)量增長約1%。因此，隨著鐵路隧道的建設和發(fā)展，在建單洞雙線隧道數(shù)量逐漸增加，且隧道的修建長度越來越長，20 km以上的特長隧道數(shù)量由0座增至5座。

2 國外特長山嶺鐵路隧道單、雙洞長度分布研究

選取國外特長山嶺鐵路隧道41座，其中，亞洲(除中國外)特長山嶺鐵路隧道19座，歐洲特長山嶺鐵路隧道22座。國外部分特長山嶺鐵路隧道統(tǒng)計如表4所示。

表4 國外部分特長山嶺鐵路隧道統(tǒng)計

由表4可知： 亞洲(除中國外)最長的單洞雙線山嶺鐵路隧道為日本的八甲田隧道(長26.455 km)；歐洲最長的單洞雙線山嶺鐵路隧道為意大利的亞平寧隧道(長18.519 km)，最長的雙洞單線山嶺鐵路隧道為瑞士的圣哥達基線隧道(長57.600 km)。國外特長山嶺鐵路隧道長度分布如圖3所示。

由于國情、設計理念等因素的不同，各個國家在隧道洞線型式的選擇上存在較大差異。以日本、韓國為代表的亞洲國家，特長山嶺鐵路隧道基本選用單洞雙線型式，長度超過20 km的特長單洞雙線山嶺鐵路隧道有5座，占比約為26%。歐洲特長山嶺鐵路隧道多選用雙洞單線型式，尤其針對長度超過20 km的特長山嶺鐵路隧道，其洞線型式基本為雙洞單線型式，而長度在20 km以下的山嶺鐵路隧道，其單、雙洞型式數(shù)量比約為3∶2。

圖3 國外特長山嶺鐵路隧道長度分布

3 國內(nèi)外特長山嶺鐵路隧道單、雙洞典型案例分析

3.1 國內(nèi)已建特長山嶺鐵路隧道

3.1.1 石林隧道(單洞雙線)

石林隧道總長18.208 km，位于云桂鐵路彌勒至石林板橋區(qū)間，是全國最長的單洞雙線隧道，也是世界上最長的采用鉆爆法施工的巖溶隧道。隧道工程地質(zhì)條件復雜，巖溶風險較高，不具備輔助坑道條件，運用綜合超前地質(zhì)預報，為安全施工提供信息支持[13]。根據(jù)不同的巖溶形態(tài)，采用科學合理的穿越方式，保證施工質(zhì)量，節(jié)約工期[14]。相比較于單洞型式，采用雙洞型式建設成本增加較多。單洞雙線隧道平面示意如圖4所示。

圖4 單洞雙線隧道平面示意圖

3.1.2 中條山隧道(雙洞單線)

中條山隧道總長18.410 km，隧道線路穿越中條山山脈，是浩吉鐵路全線地質(zhì)條件最復雜的隧道。地質(zhì)條件差，地應力高，褶皺、斷裂及其他構造行跡均很發(fā)育，地層含水量較大，在隧道施工中容易出現(xiàn)突水涌砂、塌方和大變形等問題，在運營期間可能會出現(xiàn)基底翻漿冒泥，從而嚴重影響隧道施工和運營安全[15-16]?？紤]到地質(zhì)條件、施工運營安全、防災救援及隧道通風等因素，最終選用雙洞單線型式。雙洞單線隧道平面示意如圖5所示。

圖5 雙洞單線隧道平面示意圖

3.2 國內(nèi)在建特長山嶺鐵路隧道

3.2.1 昭通隧道(單洞雙線)

昭通隧道總長16.255 km，位于四川盆地南緣與云貴高原之間的斜坡過渡帶，是渝昆高速鐵路的控制性工程，也是全線高壓富水巖溶隧道的代表性工程。工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復雜，巖溶、煤礦采空區(qū)、泥石流、有害氣體等集中[17]，為應對巖溶和滿足高速運行條件，按照“抬標高、靠河邊、快通過”的原則，采用順坡施工。在施工技術的支持下，采用單洞雙線型式可滿足要求。

3.2.2 榴桐寨隧道(雙洞單線)

榴桐寨隧道總長16.262 km，位于岷江斷裂帶南段，是成蘭鐵路重難點工程，具有“四極三高”的顯著特點： 地形切割極為強烈、構造條件極為復雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震影響極為顯著；地應力高、地震烈度高、地質(zhì)災害風險高[18-20]。軟巖大變形很發(fā)育，采用單洞型式難以滿足施工要求，考慮到施工安全、防災救援及隧道通風等因素，最終選擇采用雙洞單線型式。

綜上，特長山嶺鐵路隧道首選單洞雙線型式，當?shù)刭|(zhì)條件差、隧道長度過長時，隧道洞線型式應從施工運營安全、防災救援及隧道通風等方面綜合考慮。

3.3 國外特長山嶺鐵路隧道

3.3.1 亞平寧隧道(單洞雙線)

亞平寧隧道總長18.519 km，位于意大利亞平寧山脈，是當時世界上最長的雙線山嶺鐵路隧道。隧道穿越砂質(zhì)片麻巖、頁巖和砂巖等地層，多為堅硬和牢固的巖石，圍巖整體性較好。雖然隧道長度近20 km，但隧道地質(zhì)條件較好，故采用單洞雙線型式即可滿足穩(wěn)固性要求。

3.3.2 圣哥達基線隧道(雙洞單線)

圣哥達基線隧道總長57.600 km，位于歐洲中南部，全線貫穿阿爾卑斯山脈，是世界上最長、覆土最深的鐵路隧道[21]。隧道地質(zhì)構造主要由高強度的火成巖和變質(zhì)巖組成，在擠壓、構造應力增大和溫度升高的作用下，巖石力學特性惡化，地質(zhì)災害風險高[22]。雖然隧道巖性條件較好，但由于隧道長度過長、地質(zhì)風險高,從地質(zhì)條件、疏散救援和隧道通風等方面綜合考慮，選用雙洞單線型式。

4 結論與建議

通過研究國內(nèi)外特長山嶺鐵路隧道單、雙洞的長度分布特征，得出以下主要結論。

1)國內(nèi)長度10 km

2)國內(nèi)長度15 km

3)國內(nèi)長度>20 km的特長山嶺鐵路隧道中，已建隧道洞線型式基本選用雙洞單線型式，在建單、雙洞隧道數(shù)量比為5∶2。

4)截至2020年底，已建和在建特長山嶺鐵路隧道總數(shù)中，單洞隧道數(shù)量增長約30%，雙洞隧道數(shù)量增長約1%。

5)亞洲國家(除中國外)長度超過20 km的特長山嶺鐵路隧道基本選用單洞雙線型式，歐洲國家長度超過20 km的特長山嶺鐵路隧道基本選用雙洞單線型式。

隨著鐵路隧道長度的不斷增長，長度超過20 km的超長隧道不斷涌現(xiàn)，希望加強基于防災角度的20 km以上鐵路隧道的結構選型研究，尤其是考慮隧道長度、列車類型、設計時速等因素下超長鐵路隧道的洞線型式劃分標準，以進一步規(guī)范鐵路隧道建設標準，推動鐵路隧道的安全運營。