西部山區(qū)西安至成都客運專線越嶺隧道群合理長度布設研究

薛新功

(中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

1 概述

在2008年國務院批復的《中長期鐵路網規(guī)劃(2008年調整)》中,鐵路客運專線建設目標為1.6萬km以上[1]。目前我國的高速客運專線鐵路掀起了建設高潮。“規(guī)劃”同時指出：擴大西部路網規(guī)模,形成西部鐵路網骨架。這就意味著,客運專線不僅在平原和沿海地帶建設,也在地質條件復雜的西部山區(qū)展開。隨著西部山區(qū)客運專線鐵路的修建,隧道工程所占有的比例也越來越大，復雜越嶺跨谷隧道群長度合理布設就成為勘察設計中的難題。

2 我國已運營及在建部分客運專線隧道分布情況

據統(tǒng)計,目前我國運營和在建客運專線隧道總長度已達892 km,其中有長度大于10 km的特長隧道9座,分別是石太客運專線的太行山隧道27.8 km和南梁隧道11.5 km、東凌井隧道10.9 km,合武客運專線的大別山隧道13.3 km和金寨隧道10.8 km、溫福客運專線的霞浦隧道13.1 km,武廣客運專線的大瑤山一號隧道10.1 km,廈深線的大南山隧道12.7 km,廣深港的獅子洋隧道10.9 km[2]。其中獅子洋隧道采用盾構法施工,其他均采用鉆爆法施工。而在建項目設計時速350 km的最長隧道尚無超過15 km,并且隧道群多位于緩坡上,長大持續(xù)上坡地段短。西成線及在建相關客運專線隧道設置情況統(tǒng)計詳見表1。

表1 西成客運專線及在建相關客運專線隧道設置情況統(tǒng)計

注：武廣、鄭西客運專線速度目標值為350 km/h,其余項目為250 km/h。

3 西成客運專線隧道分布特點及研究重點

西成客運專線鐵路行經秦巴山區(qū),因穿越秦嶺屏障且溝谷狹窄,受越嶺高程及環(huán)保等條件約束,穿越秦嶺地段(戶縣—洋縣間)形成百余公里的長大密集隧道群；隧道比重高達94%,平均單座隧道長度6.64 km,特長隧道累計6座85.7 km,其中最長隧道為16 km左右。漢中—江油(厚壩)間翻越米倉山地段隧道比重亦達77%,構成中長隧道群,平均單座隧道長度3.28 km。

全線特點是：隧道長、占線路比重大,并且成群密集分布。如此越嶺長大持續(xù)緊坡密集隧道群,在國內外高速鐵路建設中實屬罕見。在建設期,給隧道施工、棄砟帶來極大的困難。在運營期,增加防災救援難度。高速列車在隧道運行時,還會產生微壓力波和瞬變壓力,降低旅客乘車舒適度。同時產生的輪軌噪聲、機械噪聲、弓網噪聲和空氣動力學噪聲,對自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊的人文環(huán)境影響明顯。因此,如何結合地質條件、線路標準等綜合因素,選擇適宜的越嶺隧道長度及引線地段合理隧道長度布設方案顯得尤為重要。重點研究的問題是：長大隧道群空氣動力學效應引起的旅客舒適度的變化、線路越嶺最大坡度的選擇、環(huán)境保護等限制因素對隧道長度的影響；以及施工條件、施工工期、防災救援等與隧道長度的關系。

4 主越嶺隧道長度及引線隧道長度影響因素

4.1 地形、地質條件

秦嶺山區(qū)北陡南緩,溝谷狹窄,線路克服高程障礙巨大。考慮客運專線最大坡度技術標準條件,線路需以長大足坡(地段長達40余km)隧道群越嶺,主隧道以特長隧道通過。米倉山區(qū)地形相對較緩,但溝谷狹窄,水系發(fā)達,需以中長隧道群引線。

地質方面主要受不良地質、水文地質條件影響隧道長度。

4.2 環(huán)保條件

秦嶺山脈分布眾多國家級、省級自然保護區(qū),以及野生動物保護區(qū)。黑河水系為水源地,地表植被發(fā)育茂盛。根據環(huán)保專題《秦嶺山地區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境保護與線路宏觀走向選擇研究》結論,Ⅰ、Ⅱ級生態(tài)功能保護區(qū)在海拔1 500 m以上,越嶺隧道設計高程宜控制在1 500 m以下,并應盡量加長隧道下穿保護區(qū),減少隧道露頭對環(huán)境的破壞。

4.3 施工條件、工期、投資

從施工條件考慮,特長隧道宜采用人字坡,但會引起隧道長度增加,加長工期,加大投入。隧道位置盡量靠近溝谷,改善輔助坑道設置條件。隧道洞口盡量選擇在地形開闊處,便于施工場地布置和棄砟。

4.4 運營條件

從防災救援條件考慮,隧道長度宜短不宜長,便于在災害情況下的旅客疏散和救援。從旅客舒適度考慮,相鄰隧道間應盡量加大露頭長度,避免微氣壓波頻繁變化。

以上因素,對越嶺隧道長度和引線地段合理隧道長度布設的影響是相互矛盾的,應做綜合技術、經濟分析和研究。

5 主越嶺隧道長度及引線隧道長度布設原則及成果

5.1 布設原則

(1)根據客運專線平面曲線半徑及坡度要求,結合秦嶺越嶺地段地形及地質條件分析,線路若采用20‰坡度,越嶺隧道長度在15～25 km；采用25‰坡度,越嶺隧道長度在10～20 km[3]；

(2)考慮線路在秦嶺Ⅰ、Ⅱ級生態(tài)保護區(qū)外通過,即海拔高程低于1 500 m,則主越嶺隧道長度選擇在15～20 km；

(3)考慮施工條件、工期、投資,則主越嶺隧道長度越短施工條件越好、工期越短主越嶺隧道工程投資越省；

(4)考慮防災救援條件隧道長度宜短不宜長；

(5)考慮旅客舒適度因素,盡量減短隧道群單體長度,并且相鄰隧道間應盡量加大露頭長度,避免微氣壓波頻繁變化。

5.2 布設成果

綜合地形、地質、環(huán)保條件,考慮隧道施工工期、施工條件、運營條件、工程投資等因素,并針對客運專線線路直、坡度大的特點,確定西成客運專線翻越秦嶺山脈主隧道長度應在15～20 km為宜,引線地段不宜超過15 km、以10 km以下隧道群分布為優(yōu)。翻越米倉山地段,隧道長度在10 km左右及以下為宜。

設計中,采用25‰最大坡度翻越秦嶺,主隧道采用16 km左右特長隧道,嶺南采用4座10～15 km隧道群。米倉山越嶺采用10 km左右及以下隧道群方案。

5.3 防災救援方式

從防災救援的角度看,隧道不宜過長,但可利用輔助坑道作為救援通道,并與輔助坑道的疏密及條件有關。通常防災救援做法如下：

(1)在隧道內設置貫通的雙側救援通道,寬1.5 m、高2.2 m；

(2)長度大于6 km的隧道,設置緊急出口,寬度不小于2.3 m,高度不小于2.5 m,縱向仰角不大于30°。隧道緊急出口外,設置一個提供緊急停車和容納逃生人員的安全區(qū),并與外界道路連通,設置消防池和消防栓。

(3)隧道內設置必要的監(jiān)控、防災預警、滅火、排煙系統(tǒng)；救援通道每隔200 m設置圖像、文字標記,指示兩個方向分別到下個緊急出口的整百米數,并配燈光顯示方向。

6 乘客適應性及舒適度分析

當列車進入隧道時,原來占據著空間的空氣被排開。空氣的黏性以及隧道壁面與列車表面的摩阻作用,使得被排開的空氣不能像隧道外那樣及時、順暢地沿列車兩側和上部形成繞流。于是,列車前方的空氣受到壓縮,列車后方則形成一定的負壓。這就產生了一個壓力波動過程。這種壓力波動又以聲速傳播至隧道口,形成反射波,回傳、疊加,產生一系列復雜的空氣動力學效應。其發(fā)生的實態(tài)如圖1所示。

圖1 列車進入隧道引起的壓力波動曲線(遂渝鐵路實測)

微氣壓波和影響瞬變壓力的因素包括：列車速度,列車長度,列車車形,列車橫截面積,列車壁摩擦系數,以及隧道凈空面積、隧道長度、隧道壁摩擦系數等。諸因素中列車速度V和阻塞比β是對隧道內及列車上壓力波動程度起主導作用的因素,對于隧道長度的影響,壓力波動程度并非僅隨著隧道長度的增加而加劇。武廣客運專線研究表明,對于At=101 m2,V=350 km/h,ICE3(Av=10.4 m2),Lv=400 m的情況不考慮列車在隧道內交會,隧道臨界長度為1 490 m；考慮列車在隧道內交會,隧道臨界長度為1 380 m[2]。因此,單體隧道長度宜在3～5 km以上。

微氣壓波和瞬變壓力會造成旅客耳朵不適,必須采取加大橫斷面凈空面積、提高車輛密封指數等措施控制車廂內壓力的瞬變程度。衛(wèi)生專家指出,可引起中耳氣壓傷的最低氣壓差為8.0 kPa。因此,需要從旅客乘車舒適度出發(fā),對壓力波動程度進行評估并提出相關舒適度準則。西成客運專線為山區(qū)客運專線,隧道密集,結合國內外高速鐵路的科研成果,舒適度準則為雙線隧道1.25 kPa/3 s,單線隧道為0.8 kPa/3 s。采取的措施有降低運行速度、提高車輛密封指數、增加隧道凈空面積等。基于此,兩隧道間露頭長度宜大于400 m,不足200 m時,以明洞或封閉露頭為好。

對于洞口微氣壓波問題,通過設置凈空斷面積大于隧道凈空的緩沖結構加以消減,采用斷面漸變的喇叭形緩沖結構,開口率為0.3,緩沖結構長度取2倍隧道換算直徑,緩沖結構的凈空斷面積/隧道橫斷面凈空面積=1.3。

7 結語

山區(qū)客運專線越嶺隧道群長度合理布設在我國是一個嶄新的課題,需要專業(yè)技術人員和鐵路建設者不斷的實踐和探究。以西成客運專線鐵路設計為實例,闡述了山區(qū)客運專線越嶺隧道群長度的合理布設原則和研究成果,希望對同類工程有所啟示和借鑒。同時建議,對武廣、鄭西、石太、溫福等客運專線的隧道運營情況,做進一步的測試和專題研究,以保證山區(qū)鐵路客運專線長大密集隧道群地段旅客乘車的舒適度。

[1] 鐵道部.中長期鐵路網規(guī)劃(2008年調整)[Z]. 北京：2008．

[2] 鐵道部工程設計鑒定中心. 高速鐵路隧道[M]. 北京：中國鐵道出版社，2006．

[3] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.西安至成都客運專線西安至江油段可行性研究[R].西安：2009.