西十高鐵秦嶺馬白山特長隧道分合修方案研究

劉陸拓

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

近年來，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，所以特長及超長隧道座數(shù)也在日益增加。高速鐵路為滿足客運需求，縮短運行時間，主要采用上下行雙線鐵路。一般雙線鐵路通過長大隧道工程時，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)計標(biāo)準(zhǔn)、運營及投資等因素綜合確定，客運專線事故概率低，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)列車不能到達緊急救援站的概率僅為0.01%，這個概率與單、雙洞方案無關(guān)，且特長隧道可以采用單洞雙線方案；王夢恕[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)目前國內(nèi)隧道一般設(shè)計情況，當(dāng)隧道長度小于10 km時，一般采用單洞雙線形式；隧道長度為10～20 km時，需要簡單比較，由于不涉及單獨設(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)隧道長度大于20 km時，應(yīng)考慮地形地質(zhì)、防災(zāi)救援、運營、建設(shè)等因素，對分合修方案需進行詳細(xì)比較，選用運營施工安全，經(jīng)濟投資合理的方案。

2 國內(nèi)外長大隧道分合修技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 特長隧道分合修情況

國際上對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。國際國內(nèi)長度超過20 km的隧道統(tǒng)計見表1、表2[4]。

表1 歐洲和日本主要特長隧道統(tǒng)計

表2 中國主要鐵路特長隧道統(tǒng)計

2.2 國內(nèi)外分合修調(diào)研分析

由表1、表2可知：

(1)歐洲長度大于20 km以上的隧道，考慮運營防災(zāi)救援、運輸組織等多采用分修方案；

(2)日本新干線無論隧道長短均采用合修方案；

(3)國內(nèi)考慮運營防災(zāi)救援，通常長度大于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)從國內(nèi)外統(tǒng)計數(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營安全；

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

但是到目前為止國內(nèi)外還沒有速度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)域中的特長隧道秦嶺馬白山隧道為例，對分合修進行比較。秦嶺馬白山隧道為目前速度350 km/h的高鐵第一長隧道，是首座長度超過20 km的高鐵隧道，對秦嶺馬白山隧道進行分、合修方案研究，不但具有巨大的經(jīng)濟價值，而且對今后高鐵特長隧道的建設(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)計速度350 km/h，線路總長257 km，隧道工程總計202.8 km/41座，占線路總長度的79%，其中特長隧道(≥10 km)80.344 km/5座，最長隧道為秦嶺馬白山隧道，長度為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)造形跡以北西西向為主，隧道洞身走向與構(gòu)造近平行。僅穿越1條斷層破碎帶。隧道圍巖級別見表3。

表3 秦嶺馬白山隧道圍巖級別統(tǒng)計

隧道范圍內(nèi)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(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度為3 500 m，占隧道總長度的15.3%。

針對防災(zāi)救援、運營、建設(shè)、特殊地質(zhì)等因素，對秦嶺馬白山隧道分合修進行分析比較。秦嶺馬白山隧道縱斷面見圖1。

圖1 秦嶺馬白山隧道縱斷面簡圖

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，應(yīng)控制列車駛出隧道進行疏散；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行疏散和救援[6-7]。列車出現(xiàn)非火災(zāi)事故后，可停靠在緊急出口、避難所及橫通道進行疏散。

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

秦嶺馬白山隧道在洞身結(jié)合2號斜井設(shè)置1處洞內(nèi)救援站。站長550 m，距隧道進口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)救援站示意見圖2。緊急救援站范圍內(nèi)共設(shè)置12個間距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)緊急停靠救援站，新鮮空氣從火災(zāi)隧道進入，風(fēng)機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，乘客進入聯(lián)絡(luò)通道避險，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，車廂的一個車門因起火無法用于疏散，導(dǎo)致緊急救援站內(nèi)起火車廂對面的橫通道也將無法用于疏散，也就是能用于疏散的橫通道只有11個。通過模擬分析，20節(jié)車廂共1214名乘客通過11個疏散橫通道可以在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。乘客疏散時間見圖4。

圖4 乘客疏散時間模擬

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)救援站示意見圖5。每側(cè)平導(dǎo)與隧道間通過12個間距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，新鮮空氣由斜井進入，通過一側(cè)救援平導(dǎo)及疏散橫通道進入正洞。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，通過排煙井抽排至洞外。

人員疏散：列車遇到火災(zāi)停靠后，旅客首先被疏散至靠近列車的疏散站臺，通過疏散橫通道進入救援平導(dǎo)，進入斜井，疏散至洞口外等待救援。合修隧道救援模式見圖6。

圖6 合修隧道救援站逃生及排煙示意(單位：m)

疏散人員按動車1 495人和普通客1 644人核算，火車著火點及停靠位置按最不利工況計算。通過模擬分析，動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。乘客疏散時間見圖7、圖8。

圖7 動車人員疏散模擬

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 分合修運營影響因素

5.1 運營行車組織

(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現(xiàn)單線運行，保障重要物資的運送和重點客車的運行。

5.2 運營維護

電氣化鐵路，分修隧道內(nèi)養(yǎng)護維修時，只需中斷維護線路的電力，不影響另一條線路運行，合修隧道需同時停電，給維護工作帶來了很大不便。

5.3 旅客舒適度

5.3.1 瞬變壓力方面

對長大隧道和隧道群空氣動力學(xué)影響進行了不同工況的計算分析。

根據(jù)舒適度標(biāo)準(zhǔn)[11]要求，單輛列車運行和兩輛列車交匯時，氣動壓力標(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]，分別計算列車速度350 km/h時，單線隧道列車通過和雙線隧道在3種不同位置兩車交會的情況，兩列車在隧道中央處會車、兩列車在隧道洞口處會車、兩列車在隧道長度1/3處會車。

圖9和圖10分別給出了列車氣密指數(shù)值15 s時單線隧道和雙線隧道內(nèi)交會兩種情形下，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，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，列車交會過程中的車內(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，分合修計算工況均能滿足國內(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1.25 kPa/3 s的評價標(biāo)準(zhǔn)，列車上的司乘人員均不會出現(xiàn)不適感。即使是雙線隧道在洞內(nèi)會車條件下的空氣動力學(xué)影響也要比單線隧道單輛列車通車影響小，特長隧道宜選單洞雙線隧道。

5.3.2 微氣壓波方面

列車高速進入隧道時，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)生一個被稱為微氣壓波的次聲波。我國制定了微氣壓波控制標(biāo)準(zhǔn)，由于秦嶺馬白山隧道進口位于深山溝谷，無建筑物，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，隧道分修時列車承受的平均空氣阻力和最大空氣阻力相對合修時要大20%以上[15]。

5.4 小結(jié)

綜上所述，從行車組織以及運營維護角度分析，分修較合修略有優(yōu)勢；分合修隧道均滿足旅客舒適度要求，合修隧道對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，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。同時部分段落地層巖性為片巖，存在大變形。隧道通過一條區(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)系較小；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、加強初期支護、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，有利于機械化作業(yè)；同時分修隧道增加了一座巖爆隧道，處理難度和投資相對增大。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，主要采用超前導(dǎo)洞釋放應(yīng)力、加強超前錨桿、強支護、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隧道長度來說較短，不會成為隧道分、合修的控制因素。

6.2 施工方案

(1)從鉆爆法機械化配套施工角度，本隧道主要為花崗巖，巖體較完整，掌子面自穩(wěn)性好，支護結(jié)構(gòu)簡單。因此合修一次開挖成洞，分修需要兩次開挖，所以合修施工效率較高。同時合修隧道斷面大，作業(yè)空間充裕，大型機械設(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，不便于大型機械化作業(yè)，影響進度；因此，從鉆爆法機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，一座輔助坑道(斜井、橫洞)擔(dān)負(fù)2個工作面，施工通風(fēng)、排水、運輸?shù)确桨负唵危阌趯嵤徊捎梅中薹桨笗r，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個工作面，施工通風(fēng)、排水、運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，主要分為敞開式、單護盾、雙護盾3種類型。由于秦嶺馬白山隧道主要為花崗巖，巖性為硬巖，飽和抗壓強度為34.1～99.8 MPa。敞開式TBM具有掘進硬巖能力強、施工靈活性高、采用復(fù)合襯砌支護、安全性高、造價低等優(yōu)點，所以建議采用敞開式TBM施工。按照分合修所需斷面大小設(shè)計，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)國內(nèi)TBM使用調(diào)研，目前國內(nèi)僅有兩處工程使用過直徑大于10 m的敞開式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報廢。根據(jù)目前技術(shù)能力無法滿足直徑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，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)置一個管長約550 m隧道為救援通道。兩個方案均能滿足規(guī)范要求，并無明顯優(yōu)劣性。

(2)運營方面：運營期間分合修方案在正常情況下無差別；在出現(xiàn)事故工況下分修方案在維修，保證單線運營方面更加靈活。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較大，空氣阻塞小，列車進入隧道時引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)較小，運營條件相對較分修方案好，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械化施工，合修斷面較大，機具操作空間大，施工效率高。同時輔助坑道施工任務(wù)相對較輕，組織便利。同時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，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。