鐵路特長(zhǎng)隧道分、合修影響因素及原則探討

畢 強(qiáng)，李 偉，林世金

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)西部地區(qū)鐵路的加速建設(shè)，出現(xiàn)了大量特長(zhǎng)隧道，僅某高原鐵路某段特長(zhǎng)隧道就多達(dá)36座。特長(zhǎng)隧道分修、合修方案選擇，主要涉及建設(shè)和運(yùn)營(yíng)兩大層面，是項(xiàng)目建設(shè)時(shí)需要重點(diǎn)研究決策的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)也有大量的研究，但設(shè)計(jì)理念和關(guān)注的重點(diǎn)也不完全相同。有學(xué)者結(jié)合具體工程實(shí)例從防災(zāi)救援、運(yùn)營(yíng)維修、空氣動(dòng)力學(xué)、施工組織、地形、地質(zhì)及工程投資等方面對(duì)分、合修方案進(jìn)行比較，提出了推薦方案[1-4]。也有學(xué)者分析論證了分、合修優(yōu)缺點(diǎn)，給出了量化評(píng)價(jià)的方法。馬志富[5]結(jié)合某隧道分合修方案比選，給出了量化指標(biāo)的思路；王明年[6]提出在明確鐵路隧道分、合修洞型選型影響因素的基礎(chǔ)上，可利用AHP_熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)方法制定指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于防災(zāi)疏散救援對(duì)分合修影響問(wèn)題，劉赪[7]重點(diǎn)從防災(zāi)疏散救援方面進(jìn)行分析對(duì)比，認(rèn)為列車(chē)在隧道內(nèi)著火時(shí)，絕對(duì)安全是不可能實(shí)現(xiàn)的，但可以通過(guò)合理的措施把風(fēng)險(xiǎn)降低到一個(gè)可以接受的低水平，提出合理設(shè)置通風(fēng)排煙及疏散工程(緊急救援站等)后，特長(zhǎng)隧道可以采用合修方案。關(guān)于高海拔特長(zhǎng)隧道防災(zāi)救援、疏散技術(shù)問(wèn)題，有學(xué)者[8-9]提出分修隧道，在隧道兩端洞口設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，火災(zāi)時(shí)自洞口向洞內(nèi)加壓，由安全隧道向事故隧道供風(fēng)的方案，簡(jiǎn)單可靠、經(jīng)濟(jì)合理。也有學(xué)者對(duì)某復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)高原鐵路設(shè)計(jì)理念及方案進(jìn)行了研究[10-13]，提出由于合修方案在節(jié)省投資方面有一定優(yōu)勢(shì)，如設(shè)置兼顧救援、疏散、維護(hù)和排水等多重功能的服務(wù)隧道，則可彌補(bǔ)在運(yùn)營(yíng)和防災(zāi)救援方面的劣勢(shì)。

總體來(lái)看，業(yè)界對(duì)分、合修已做了大量研究工作，也有初步的定量分析案例，但未就影響特長(zhǎng)隧道分、合修方案選擇的因素和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行系統(tǒng)性歸納和總結(jié)，并不便于工程技術(shù)人員掌握和運(yùn)用。

1 分、合修現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外特長(zhǎng)隧道分、合修情況

1.1.1 有關(guān)規(guī)范、規(guī)定

UIC規(guī)程并未明確規(guī)定，但指出與單洞隧道相比雙洞隧道可以避免因列車(chē)脫軌而阻斷鄰近的軌道，并能夠在發(fā)生事故(特別是火災(zāi)事故)時(shí)能更好地進(jìn)行疏散救援，考慮到工程占地多、工程投資高，需通過(guò)綜合比選確定方案。

歐盟鐵路系統(tǒng)(TSI)規(guī)定隧道的緊急出口間距不超過(guò)1 km，當(dāng)合修隧道難以按此規(guī)定設(shè)置緊急出口時(shí)，可考慮采用分修方案。

日本相關(guān)規(guī)范中對(duì)于鐵路隧道分、合修也無(wú)明確規(guī)定，分、合修方案主要考慮其安全性、經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性，同時(shí)，綜合運(yùn)輸需求、地形地貌、水文地質(zhì)、施工場(chǎng)地條件、環(huán)境保護(hù)要求以及規(guī)劃等因素，經(jīng)比選后確定。

1.1.2 分、合修統(tǒng)計(jì)情況

從國(guó)外特長(zhǎng)隧道分、合修統(tǒng)計(jì)情況看(表1)，長(zhǎng)度20 km以下隧道以合修為主，占比約90%；長(zhǎng)度大于20 km的15座隧道中，分修隧道9座占60%，合修隧道6座占40%，分修略多于合修。

表1 國(guó)外鐵路特長(zhǎng)隧道分合修情況統(tǒng)計(jì)[14]

從不同國(guó)別及地區(qū)來(lái)看，日本、韓國(guó)隧道不論長(zhǎng)短基本采用合修方案；歐洲國(guó)家20 km以上隧道基本采用分修方案，且分修隧道中大多采用TBM法施工。國(guó)外20 km以上鐵路隧道分合修情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 國(guó)外20 km以上鐵路隧道分合修情況統(tǒng)計(jì)[14]

綜合分析，國(guó)外對(duì)特長(zhǎng)隧道分、合修無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定，但更注重運(yùn)營(yíng)安全，方案的選取主要考慮防災(zāi)疏散救援以及養(yǎng)護(hù)維修的需求[15-16]。

1.2 國(guó)內(nèi)特長(zhǎng)隧道分、合修情況

1.2.1 有關(guān)規(guī)范、規(guī)定

國(guó)內(nèi)有關(guān)規(guī)范指出“在松軟地層、不良地質(zhì)地段修建隧道時(shí)，跨度大小對(duì)隧道工程的影響較其他地區(qū)更為顯著，往往修建2座單線隧道較修建1座雙線隧道較易于保證工程質(zhì)量和施工安全。一般情況下，長(zhǎng)距離穿越高地應(yīng)力軟巖、含水砂層、風(fēng)積沙、強(qiáng)膨脹巖(土)地層的新建特長(zhǎng)雙線鐵路隧道，多采用雙洞單線隧道方案；長(zhǎng)度20 km及以上的特長(zhǎng)雙線隧道，從防災(zāi)救援方面考慮，采用雙洞單線隧道方案”[17-18]。

1.2.2 分、合修統(tǒng)計(jì)情況

統(tǒng)計(jì)顯示，國(guó)內(nèi)在建和運(yùn)營(yíng)的228座10 km以上鐵路特長(zhǎng)隧道中(不含某高原鐵路)，長(zhǎng)度10～20 km的以合修為主，長(zhǎng)度20 km以上的以分修為主。見(jiàn)表3。

表3 國(guó)內(nèi)10 km以上鐵路特長(zhǎng)隧道分合修統(tǒng)計(jì)[19]

2 影響因素及量化評(píng)價(jià)

綜合國(guó)內(nèi)外特長(zhǎng)隧道分、合修現(xiàn)狀及有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)參考高原鐵路特長(zhǎng)隧道分、合方案選擇，經(jīng)系統(tǒng)梳理特長(zhǎng)隧道分、合修方案選擇應(yīng)綜合考慮建設(shè)階段及運(yùn)營(yíng)階段的需求來(lái)確定，主要影響因素如圖1所示。

圖1 特長(zhǎng)隧道分、合修方案主要影響因素

2.1 建設(shè)階段

2.1.1 建設(shè)安全

建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于不良地質(zhì)問(wèn)題，一般情況下為突泥涌水、巖爆、高(水)地溫、有害氣體、大變形等。

對(duì)于巖溶及富水地層，分、合修方案一般均需設(shè)置平導(dǎo)疏排地下水。因此，在均設(shè)置了平導(dǎo)的情況下，突泥涌水問(wèn)題不控制分、合修方案的選擇，但分修方案工程規(guī)模較大，工程投資較高。

對(duì)于巖爆問(wèn)題，有關(guān)研究表明，巖爆存在洞室形狀效應(yīng)，同一尺寸下橢圓形斷面對(duì)減少巖爆最有利，同時(shí)巖爆存在洞室尺寸效應(yīng)即同一洞室形狀下的巖爆都隨洞室開(kāi)挖尺寸的增大而增強(qiáng)[20]。合修的優(yōu)勢(shì)在于大型機(jī)械化作業(yè)有利，可減少作業(yè)人員和作業(yè)時(shí)間。

對(duì)于高(水)地溫問(wèn)題，分、合修方案同等條件下處理措施基本一致，但合修隧道空間大，施工作業(yè)較為便利。

對(duì)于有毒有害氣體問(wèn)題，主要取決于通風(fēng)方式及效果，因此，該問(wèn)題并不是分、合修的控制因素。

對(duì)于軟巖大變形問(wèn)題，有關(guān)工程實(shí)踐及研究表明大變形地段隧道斷面具有尺寸效應(yīng)。輕微、中等變形地段，單線與雙線隧道的變形程度基本相當(dāng)，尺寸效應(yīng)不明顯；嚴(yán)重變形地段，隧道斷面尺寸效應(yīng)明顯，合修隧道變形遠(yuǎn)大于分修隧道。

2.1.2 建設(shè)條件

建設(shè)條件主要涉及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、施工通風(fēng)、施工作業(yè)空間及施工排水等。

從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的角度，主要取決于是否設(shè)置平導(dǎo)，與分、合修無(wú)必然聯(lián)系。從施工通風(fēng)角度分析，分修隧道可實(shí)現(xiàn)巷道通風(fēng)，且通風(fēng)距離長(zhǎng)，合修方案在設(shè)置了平導(dǎo)時(shí)可實(shí)現(xiàn)巷道通風(fēng)，與分修方案相當(dāng)。從作業(yè)空間分析，合修隧道斷面大，作業(yè)靈活。施工排水不控制分、合修方案選擇。

2.1.3 工期風(fēng)險(xiǎn)

有關(guān)工程實(shí)踐證明，同等條件下合修方案隧道斷面大，施工作業(yè)靈活，施工進(jìn)度一般較分修快。除嚴(yán)重軟巖大變形地段外，其他不良地質(zhì)地段，合修方案施工進(jìn)度一般也快于分修方案。

2.1.4 引線條件

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋隧相連，與合修方案相比，分修方案對(duì)相鄰工程影響較大，特別是在隧道洞口附近分布有車(chē)站或特殊橋梁時(shí)，分修對(duì)車(chē)站使用功能、相鄰工程技術(shù)條件及工程規(guī)模影響較大。

當(dāng)選擇采用分修方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合引線工程，著重考慮進(jìn)出口段的分、合修及線間距對(duì)引線工程的影響，必要時(shí)進(jìn)出口可采用小凈距方案。

2.2 運(yùn)營(yíng)階段

2.2.1 運(yùn)營(yíng)安全

根據(jù)有關(guān)方面提供的數(shù)據(jù)，2007年至2020年5月，全路共發(fā)生事故29 265起，其中，隧道內(nèi)417起，僅占1.4%。隧道內(nèi)火災(zāi)、脫軌及沖突等較為嚴(yán)重的事故12起，其中，單線鐵路隧道內(nèi)7起，雙線合修隧道內(nèi)3起，雙線分修隧道內(nèi)2起。從以上情況分析，事故發(fā)生的概率與隧道分、合修并沒(méi)有直接關(guān)系。

從事故的危害程度分析，由于隧道內(nèi)為半封閉空間，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故的危害程度要高于非火災(zāi)事故。分、合修方案選擇應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注火災(zāi)事故及其救援。

從火災(zāi)發(fā)生后的救援方式來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)列車(chē)在隧道內(nèi)火災(zāi)處置基本原則一致，均為著火列車(chē)應(yīng)盡量駛出洞外，無(wú)法駛出洞外時(shí)?？烤o急救援站進(jìn)行定點(diǎn)救援的模式。防災(zāi)救援過(guò)程可分為疏散、待避和救援3個(gè)階段，合修方案疏散總距離略長(zhǎng)；待避階段分、合修差異不大；救援階段分修方案人員疏散不受煙氣干擾，安全有保障。

2.2.2 養(yǎng)護(hù)維修及運(yùn)營(yíng)保通

分、合修養(yǎng)護(hù)維修工作量及工作效率與維修天窗形式息息相關(guān)，采用矩形天窗時(shí)，合修方案養(yǎng)護(hù)維修工作量較低；采用“V”形天窗時(shí)，分、合修兩種方案基本相當(dāng)。養(yǎng)護(hù)維修工作量測(cè)算見(jiàn)表4。

表4 一般養(yǎng)護(hù)維修工作量測(cè)算

據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，自1994年至2019年底，隧道內(nèi)產(chǎn)生影響運(yùn)輸?shù)牟『?13處，涉及隧道314座，占全路隧道總座數(shù)的2%，其中襯砌裂損、隧道水害和軌道上拱是導(dǎo)致行車(chē)中斷或限速的三大主要病害。襯砌裂損主要與施工質(zhì)量有關(guān)，與分、合修無(wú)直接關(guān)系；水害、隧底隆起等問(wèn)題與工程地質(zhì)條件密切相關(guān)，分修隧道兩線距離較近，一線發(fā)生病害時(shí)另一線發(fā)生病害的概率極高。分修方案隧道發(fā)生重大病害時(shí)，一般采用一線封閉，單線運(yùn)行的方式，對(duì)運(yùn)營(yíng)影響小。因此，對(duì)于重大病害分修方案有利于養(yǎng)護(hù)維修及運(yùn)營(yíng)保通，同時(shí)分修方案一線作業(yè)不受另一線的影響，養(yǎng)護(hù)維修便利性及管理難度均小于合修方案。

2.2.3 運(yùn)營(yíng)排水

運(yùn)營(yíng)期排水不是分、合修方案選擇的決定性因素。

2.2.4 旅客舒適度

影響旅客舒適度的指標(biāo)為瞬變壓力，分、合修均滿足現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。合修方案隧道斷面相對(duì)較大，有關(guān)資料顯示，列車(chē)不交會(huì)時(shí)，合修方案舒適度較分修方案提高40%左右[21-23]；合修方案列車(chē)僅在隧道局部位置交會(huì)時(shí)瞬變壓力較分修略大，但均小于分修。

2.3 量化評(píng)價(jià)

結(jié)合以上分析，可以運(yùn)用式(1)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

(1)

式中，W為評(píng)價(jià)對(duì)象總得分；Wi為評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣程度，見(jiàn)表5；Ai為各指標(biāo)項(xiàng)的權(quán)重，見(jiàn)表6。

表5 優(yōu)劣程度指標(biāo)

表6 權(quán)重指標(biāo)

以上量化指標(biāo)可能并不全面，建議繼續(xù)深化研究，建立系統(tǒng)的量化評(píng)價(jià)方法。

從影響因素分析情況看，影響分、合修方案選擇的主要因素，建設(shè)期為建設(shè)安全(軟巖大變形、巖爆、高地溫等)、相鄰工程以及投資等，運(yùn)營(yíng)期為養(yǎng)護(hù)維修、運(yùn)營(yíng)保通和防災(zāi)救援等，以上幾個(gè)因素權(quán)重較高。

3 典型案例

某高原鐵路某段隧道占比達(dá)83%，特長(zhǎng)隧道共有36座，其分、合修方案選擇極具參考價(jià)值。統(tǒng)計(jì)顯示，該鐵路長(zhǎng)度10 km以下隧道全部采用合修方案，長(zhǎng)度15～20 km隧道分、合修占比基本相當(dāng)，長(zhǎng)度20 km以上隧道基本采用分修方案。特長(zhǎng)隧道分、合修情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。

表7 某高原鐵路特長(zhǎng)隧道分、合修情況統(tǒng)計(jì)

其中，GN隧道及GJ隧道的分合修方案選擇具有一定的代表性。

3.1 GN隧道

GN隧道全長(zhǎng)18.2 km，進(jìn)口端為A連續(xù)梁大橋和C隧道(5.7 km)，出口端為B特大橋(500 m跨度拱橋)，GN隧道地下水發(fā)育，涌突水風(fēng)險(xiǎn)較高，分、合修兩個(gè)方案均需設(shè)置貫通平導(dǎo)。

由于本段橋隧相連，分修方案重點(diǎn)對(duì)進(jìn)出口段分、合修方案及線間距進(jìn)行了研究，分修對(duì)相鄰工程影響較大，工程投資增加較多，即使采用小凈距方案仍不能有效降低工程投資和實(shí)施難度。因此，分修方案其進(jìn)出口段予以合修，見(jiàn)圖2。

圖2 GN隧道分修方案示意(單位：m)

根據(jù)影響因素，從建設(shè)期分析由于分、合修兩個(gè)方案均設(shè)置了貫通平導(dǎo)，且分修方案進(jìn)出口段也采用合修。因此，建設(shè)期分修方案與合修方案并無(wú)較大差異。

從運(yùn)營(yíng)期分析，分修方案養(yǎng)護(hù)維修及保通條件相對(duì)較好，但由于隧道緊臨G215，交通條件好。因此，運(yùn)營(yíng)期分修方案與合修方案也無(wú)較大差異。

從工程投資分析，分修方案由于設(shè)置了貫通平導(dǎo)，工程投資較合修方案增加近9億元，增幅達(dá)23%。

綜合分析，該隧道采用合修方案。根據(jù)式(1)從量化對(duì)比情況看，該隧道采用合修方案是合適的。隧道合、分修方案量化對(duì)比見(jiàn)表8。

表8 GN隧道合、分修方案量化對(duì)比

3.2 GJ隧道

GJ隧道全長(zhǎng)26.2 km，進(jìn)口端為A特大橋(簡(jiǎn)支梁橋)，出口端緊鄰B車(chē)站，該隧道平均海拔超過(guò)3 800 m，且交通條件較差，養(yǎng)護(hù)維修及運(yùn)營(yíng)保通難度大，合修方案需設(shè)置貫通平導(dǎo)。

分修方案重點(diǎn)對(duì)進(jìn)出口段分、合修方案及線間距進(jìn)行了研究。由于進(jìn)口位于狹窄山脊上，右側(cè)為滑坡體，正常分修線間距為35 m，靠近滑坡體，工程風(fēng)險(xiǎn)較高，12 m小凈距可改善進(jìn)洞條件，線路遠(yuǎn)離滑坡體，工程風(fēng)險(xiǎn)低，且對(duì)相鄰的A大橋影響較小，工程投資節(jié)省近1 700萬(wàn)元。因此，進(jìn)口端采用了12 m小凈距方案，見(jiàn)圖3。

圖3 GJ隧道進(jìn)口段方案示意(單位：m)

出口端主要受控于B車(chē)站，該車(chē)站為該鐵路沿線主要的中間站之一，規(guī)模較大，即使采用小凈距方案，仍然會(huì)影響B(tài)車(chē)站的使用靈活性和作業(yè)效率，C特大橋結(jié)構(gòu)也會(huì)更加復(fù)雜，且工程投資將增加近2 000萬(wàn)元。因此，出口端采用了合修方案，見(jiàn)圖4。

圖4 GJ隧道出口段方案示意(單位：m)

根據(jù)影響因素，從建設(shè)期分析該隧道工程地質(zhì)條件整體較好，分、合修兩個(gè)方案無(wú)本質(zhì)區(qū)別。從運(yùn)營(yíng)期分析，該隧道整體海拔高，養(yǎng)護(hù)維修及運(yùn)營(yíng)保通難度大，分修方案優(yōu)勢(shì)明顯。從工程投資分析，分修方案較合修方案工程投資僅節(jié)省2%，差異不大。因此，綜合比選后GJ隧道采用分修方案。

量化對(duì)比結(jié)果也支持該結(jié)論，隧道合、分修方案量化對(duì)比見(jiàn)表9。

表9 GJ隧道合、分修方案量化對(duì)比

4 結(jié)論

(1)建設(shè)期影響分、合修的最重要因素為相鄰工程及投資，運(yùn)營(yíng)期為養(yǎng)護(hù)維修、運(yùn)營(yíng)保通和防災(zāi)救援。

(2)軟巖大變形嚴(yán)重、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和保通或工法有要求的隧道，不論長(zhǎng)短均應(yīng)采用分修方案。

(3)防災(zāi)救援及養(yǎng)護(hù)難度較高的鐵路，當(dāng)隧道長(zhǎng)度超過(guò)15 km時(shí)應(yīng)考慮采用分修方案，當(dāng)采用合修方案時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

(4)采用分修方案的隧道，應(yīng)結(jié)合相鄰工程、洞口地形及地質(zhì)條件，綜合研究洞口的分、合修方案，當(dāng)洞口分修時(shí)應(yīng)研究采用小凈距的可行性。

研究成果可為復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路勘察設(shè)計(jì)提供參考。