川藏鐵路隧道設計理念與主要原則

田四明，王 偉，李國良，陶偉明，石少帥，4

(1.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司，北京 100038；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043；3.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；4.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

0 引言

川藏鐵路東起四川省成都市，止于西藏自治區拉薩市，線路全長約1 570 km，是西南腹地及華中、華東地區進出西藏最快速、便捷的客、貨運輸主通道，是支撐“一帶一路”倡議、實施長江經濟帶戰略的重要基礎設施。它對國家長治久安、鞏固邊疆穩定，促進沿線國土開發，整合旅游資源，引導產業布局，全面實現國家社會經濟可持續發展具有重要的戰略意義。川藏鐵路東段(成都至雅安段)于2018年12月28日開通運營；西段(拉薩至林芝段)于2014年12月19日開工建設，計劃2021年6月底開通運營；中段(雅安至林芝段)是川藏鐵路建設最為困難的一段，隧線比高達83%，共有隧道72座，長度約838 km，堪稱“高原地鐵”。中段雅安至林芝段鐵路沿線緊鄰印度板塊與歐亞板塊強烈擠壓的“喜馬拉雅東構造結”，穿越新構造板塊活動強烈的橫斷山區，特殊地質背景下的硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫、活動斷裂、富水斷層及巖溶突涌水等不良地質問題十分突出，先期工程于2020年11月8日開工建設。川藏鐵路線路平面圖見圖1。

圖1 川藏鐵路線路平面示意圖

針對高原缺氧、構造活動強烈、高地應力等不良地質區的隧道設計，國內外學者從活動斷裂破壞作用機制、減災選線、超前預測預報、控制措施等方面開展了系列研究[1-2]，取得了一定的成果，但他們所研究的這些隧道在宏觀地質背景、不良地質危害等級等方面遠不及川藏鐵路隧道，其相關成果尚不能直接應用。本文結合川藏鐵路雅安至林芝段隧道工程特點，通過大量的調研分析、技術總結、專題研究和科研攻關，提出隧道工程的設計新理念和主要原則，希望能為川藏鐵路雅安至林芝段隧道的規劃設計提供參考。

1 川藏鐵路隧道工程特點

川藏鐵路雅安至林芝段隧道工程建設規模巨大，不良地質問題突出。沿線自然環境惡劣，基礎設施薄弱，建設條件困難。經歸納分析，川藏鐵路雅安至林芝段隧道具有以下5大特點。

1.1 特長隧道多，工程建設規模巨大

川藏鐵路雅安至林芝段共有隧道72座，隧道全長838.253 km，含特長隧道35座、累計長度達730 km。其中，長度大于30 km的隧道6座、累計長度210 km；42.5 km的易貢隧道為目前我國擬建的最長鐵路隧道。雅安至林芝段隧道統計情況見表1。為滿足建設需要，全線隧道共設置斜井、橫洞、豎井等輔助坑道126座，長約252 km，工程建設規模巨大。

表1 川藏鐵路雅安至林芝段隧道統計

1.2 地質條件異常復雜，不良地質問題突出

川藏鐵路雅安至林芝段隧道工程穿越板塊活動強烈的橫斷山區，面臨硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫、活動斷裂、富水斷層及巖溶突涌水等復雜地質，存在蝕變巖、有害氣體、冰磧物、冰雪災害等，且隧道埋深大，進一步加劇了不良地質問題的嚴重程度[3]。

經勘察統計，隧道巖爆段落長達161 km(占線路總長的19%)；軟巖大變形段落長達146 km(占線路總長的17%)；高地溫段落長達70 km(占線路總長的8%)；設計地震動峰值加速度0.2g及以上段落長度占全線長度的55%，其中0.4g及以上段落約31.3 km；穿越全新世活動斷裂帶7條，見表2。不良地質的嚴重程度和規模前所未有。

表2 川藏鐵路雅安至林芝段隧道穿越活動斷裂統計

1.3 海拔高、環境惡劣，施工降效極為嚴重

川藏鐵路雅安至林芝段沿線海拔高，其中海拔3 000 m以上隧道49座長634 km，約占線路總長的76%；海拔3 500 m以上隧道40座長471 km，約占線路總長的56%；海拔4 000 m以上隧道17座長200 km，約占線路總長的24%；海拔最高的果拉山隧道海拔達4 475 m。高海拔地區空氣稀薄、氣候環境惡劣，人體在海拔3 500～4 000 m條件下運動能力比在平原地區降低20%～30%，機械設備工作效率也有較大程度降低。特殊的高原氣候環境，使得施工組織、通風、供氧等異常困難，施工效率大大降低。

1.4 生態環境敏感而脆弱，環境保護要求高

川藏鐵路工程經過國家生態安全戰略格局中的“青藏高原生態屏障”和“黃土高原—川滇生態屏障”保護區；穿越原始森林、高原草甸、高原濕地、干旱河谷等生態區，有眾多珍稀保護野生動植物，沿線生態環境敏感而脆弱。全線隧道棄渣量巨大，受峽谷地形和環境敏感區限制，棄渣場地設置困難，個別隧道棄渣運距長達數十km，棄渣處理和水土流失防控難度大；同時，對施工產生的廢水、廢氣、廢料等處治要求高。

1.5 地形條件復雜，交通困難，施工組織難度大

川藏鐵路沿線地勢險峻、山高坡陡、河谷深切，嶺谷相間排列，其相對高差2 000～3 000 m，地形極為復雜，給隧道施工道路和輔助坑道的設置帶來極大的困難，加之沿線多處于高原地區，環境惡劣、人口稀少、經濟基礎薄弱，交通基礎設施和供變電設施配套嚴重不足，導致大、小臨工程建設周期長，后勤保障壓力大，施工組織難度極大。

2 川藏鐵路隧道的設計理念

結合川藏鐵路隧道工程特點，遵循“安全第一、以人為本”的思想，提出“科技引領、重視環境、安全智能”的隧道規劃設計理念[4]。

2.1 科技引領

2.1.1 精心勘察

地質勘察是指導隧道科學選線及設計的前提和基礎。常規勘察手段及技術以單一鉆探、物探等方式為主，難以滿足川藏鐵路隧道高海拔、大高差特殊環境要求，鑒于此，必須打破常規，堅持科技引領的勘察理念。在總結吸收我國近20 000 km鐵路隧道建設經驗基礎上，創新提出“空、天、地”一體化綜合勘察技術；應用衛星平臺、航空平臺、地面平臺多視域勘察技術，并將技術成果融入多源異構地質信息系統，為設計提供可靠的地質基礎資料。“空、天、地”一體化勘察示意如圖2所示。

圖2 川藏鐵路“空、天、地”一體化勘察示意圖

2.1.2 創新設計

在全面總結和吸收成蘭、蘭渝、大瑞等鐵路隧道以及公路、水電隧道的相關科研成果基礎上，結合國內外艱險山區類似工程隧道建設經驗，通過大量的科研攻關和專題研究，提出川藏鐵路隧道工程技術體系，主要包括以下方面：

1)革新隧道設計理念，提出主動支護新體系。貫徹“以人為本”的指導思想，遵循“高效支護、快速施工、綠色環保、安全可靠”的設計原則，強化錨桿(索)等主動支護措施，通過高性能支護結構和單層支護結構等減少支護量，構建川藏鐵路隧道工程主動支護體系，為隧道工程快速施工提供技術支撐。

2)以隧道機械化快速施工為目標，創新隧道施工方法。通過消化吸收鄭萬高鐵隧道大斷面機械化快速施工科研成果，提出川藏鐵路高原、低壓、缺氧環境下快速施工工法、施工裝備以及施工工藝要求。

3)加強超前地質預測預報，堅持動態設計。通過建立并完善隧道圍巖質量多元信息融合評價體系，構建隧道圍巖質量多元信息融合智能化綜合評價系統，及時優化調整隧道主動支護措施，把設計貫穿到隧道建設的全過程。

4)運用信息技術，實施智能管控。運用計算機網絡技術、信息智能化控制與傳感技術，構建隧道主動支護體系全過程建造的智能化管理系統平臺，實現圍巖評價，支護體系設計、施工、安全性評價等自動化和智能化管控目的，實現多方位、全過程的信息管理監控。

2.2 重視環境

川藏鐵路經過區域為國家生態安全戰略格局中的“青藏高原生態屏障”、“黃土高原—川滇生態屏障”，沿線生態環境敏感區眾多，所經青藏高原是重要的水源涵養地，被稱為“亞洲水塔”，鐵路工程沿線生態系統敏感而脆弱。

雅安至林芝段隧道工程洞渣總量近2×108m3。沿線地形復雜、地質災害頻發，環境敏感區眾多，洞渣安置十分困難。為充分貫徹“重視環境、保護生態”的理念，按照“減量化、資源化、就近化、集約化、無害化”的總體原則，通過優化隧道凈空斷面、合理確定施工工期、優化輔助坑道設置，實現隧道洞渣減量化的目標；通過隧道洞渣的資源化利用(如用作建筑材料、造地等)，減少棄渣安置量；通過集中布設隧道棄渣場，減少擋護工程量，節約用地；對部分可能存在放射性超標的棄渣、排水，可能污染環境的棄渣場，進行針對性的無害化處理。

規劃設計中按照分級分類的方法，對水環境敏感的隧道，堅持“以堵為主，限量排放”的地下水處置思路，并結合環境要求和工程地質條件，深化、細分限量排放標準。同時，重視隧道排水處理，洞內排水需進行“清污分流”設計，盡可能減小對環境的影響，保護生態。

2.3 安全智能

隧道智能建造是實現隧道少人化施工、確保隧道建設安全及高質的根本保障，已成為當今隧道發展的重要趨勢。結合川藏鐵路高原、低壓、缺氧自然環境及復雜地質環境實際情況，提出“以機代人，快速施工”的規劃設計思路；選擇能適應高原、低氧環境的設備(少內燃多電力、高效、能力匹配)并進行分級配套，實現機械化、少人化施工；在強烈巖爆等極高風險地段，關鍵工序力爭實現智能化無人施工。川藏鐵路探索利用大數據、人工智能、移動互聯網、云計算、物聯網、機器人等技術，應用隧道智能建造管理平臺，打造機械化和信息化深度融合的全生命周期隧道智能建造系統，確保建設安全、可靠[5-6]。隧道智能建造平臺架構如圖3所示。

圖3 隧道智能建造平臺架構示意圖

3 川藏鐵路隧道主要設計原則

在“科技引領、重視環境、安全智能”的隧道規劃設計理念下，提出了與川藏鐵路隧道工程相適應的主要設計原則。

3.1 隧道選址

結合川藏鐵路地形地質的復雜性、環水保的敏感性、工程實施的艱巨性、運營安全的重要性，隧道選址應遵循“減災避險”原則。設計中應充分考慮工程建設風險與運營安全，從源頭上防止高山峽谷崩滑災害、冰川型泥石流、斜坡季節性凍土、深大活動斷裂、高頻高烈度地震、高地溫(熱水)、高地應力及高速遠程地質災害等對鐵路隧道建設及運營的影響。科學合理地選擇隧道線路方案，盡量繞避重大不良地質，減小其對隧道工程的影響，保證隧道工程的安全可靠。

3.2 隧道分、合修

通過對國內外特長隧道分、合修方案調研，在統計的228座長度大于10 km的特長隧道中，合修191座、占比84%，分修37座、占比16%。在國內，長度>20 km的隧道基本采用分修方案；長度在15～20 km的隧道合修略多于分修；長度在10～15 km的隧道以合修為主，占比達94%。在國外，長度>20 km的隧道采用分修的占60%，采用合修的占40%，分修略多于合修；長度在10～20 km的隧道采用分修的占10%，采用合修的90%，以合修為主。

從對建設階段和運營階段的影響分析，川藏鐵路特長隧道分、合修方案綜合比選見表3。對于鉆爆法施工的隧道，應結合隧道工程環境條件、地質條件、引線工程等開展針對性的分析比較，確定隧道分、合修方案。對于采用TBM施工的隧道，鑒于合修方案TBM直徑需14 m左右，技術方面還存在一定風險，故對TBM施工的隧道采用分修方案。

表3 川藏鐵路特長隧道方案比選

3.3 隧道橫斷面

隧道內輪廓修建需考慮的主要影響因素有建筑限界、空氣動力學效應、養護維修、防災疏散救援、接觸網懸掛方式、結構受力、軌下構筑物布置等。

在高海拔地區，空氣特征指標會對隧道空氣動力學效應及接觸網絕緣高度等產生影響。通過大量專題研究，川藏鐵路建立了按海拔H對隧道橫斷面進行分類的標準，即按H≤3 000 m、3 000 m

表4 川藏鐵路隧道橫斷面分類情況

3.4 隧道支護結構

結合川藏鐵路隧道工程地質及環境特點，提出“超前加固圍巖、控制爆破開挖、高性能初期支護、襯砌安全儲備、系統控制變形”的主動支護設計理念，同時結合大型機械化施工特點，隧道支護結構應與機械化施工相適配，以實現高效支護、快速施工的目標。主要通過采用高性能噴射混凝土、低預應力錨桿等，形成有效的錨固體系，充分調動和發揮圍巖的自支護能力，提升支護系統作用效能，實現高效、快速、安全、經濟的目的。

3.5 防排水

川藏鐵路隧道受地形、埋深、縱坡、地質及生態環境等影響，對隧道防排水提出更高的要求。川藏鐵路隧道工程防排水設計遵循“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理，保護環境”的基本原則。當地表無水體、地下水不發育或隧道工程對環境影響較小時，采取“以排為主”的原則；當隧道臨近水體或地下水較發育時，為減少對環境的影響和保證施工安全，采取“排堵結合”的原則；當水環境有特殊要求時，為避免地下水流失影響生態環境，采取“以堵為主，限量排放”的原則。

3.6 防寒抗凍

川藏鐵路屬高原海洋性氣候和大陸性氣候，年平均氣溫多在7～10 ℃，最高氣溫可達30 ℃，最低氣溫可降至-20～-30 ℃。相對于東北高緯度寒區，具有海拔高，最冷月平均氣溫和極端最低氣溫并不低，但年平均氣溫較低的高海拔寒區特點。

結合川藏鐵路的特點，兼顧隧道的長度、線路走向、光照、當地最冷月平均氣溫、地下水水量、隧道內外氣溫、風速風向、行車速度和密度等多重因素，暫推薦川藏鐵路隧道防寒抗凍措施見表5，后期根據現場實測氣象條件適時優化調整。

表5 川藏鐵路隧道防寒抗凍措施

3.7 防災疏散救援

根據川藏線隧道環境特點及防災疏散救援難點，通過專題研究[7-8]，制定隧道防災疏散救援設計原則。

1)考慮到海拔對人員疏散能力的影響，隧道防災救援按海拔3 000 m進行分級設計。海拔低于3 000 m的隧道，按TB 10020—2017《鐵路隧道防災救援疏散救援工程設計規范》要求，遵循“以人為本、安全疏散、自救為主、方便救援”的原則；海拔高于3 000 m的隧道，遵循“以人為本、有序疏散、安全待避、及時救援”的原則，建立完善的疏散設施及救援系統，提供安全、有效的疏散途徑及避難場所，及時將人員救援至相鄰鐵路車站或地方應急中心等安全地帶，把災害造成的影響降至最低程度。

2)旅客列車火災工況，以緊急救援站定點疏散模式為主；故障列車工況或因自然災害列車行進受阻工況，采取隨機停車疏散為主的模式。

3)分修隧道互為救援；設置平行導坑的合修隧道，利用平行導坑作為待避空間實施外部救援；其余隧道利用橫洞(斜井)式避難所作為待避空間。

4)外部救援以鐵路自救為主，輔以公路救援相結合的模式，在鐵路、公路均中斷的極端條件下采用空中救援。

3.8 機械化配套

川藏鐵路隧道施工輔助坑道設置條件差、環境保護要求高，為提高施工效率，盡可能降低人員作業強度，地質條件適宜的隧道優先考慮采用TBM施工。對鉆爆法施工的隧道，結合隧道工區地質條件、施工長度、海拔等因素，按單線、雙線及輔助坑道不同斷面形式、不同施工需求，以“分級配置、少人化、保證施工質量和安全必配、減輕勞動強度和有利提高功效、有利平行作業”為配套原則，按大型機械化配套、基本機械化配套2種模式進行設計。川藏鐵路隧道原則上對海拔大于3 000 m且隧道長度大于2 km、中等巖爆及以上、熱害較嚴重及以上、長度大于5 km的工區采用大型機械化配套。機械配套方案應針對川藏鐵路隧道施工的特殊性，隨技術進步和工程進展情況不斷優化。川藏鐵路隧道鉆爆法設備配套建議見表6。

表6 川藏鐵路隧道鉆爆法設備配套

3.9 施工通風和供氧

高原地區氧氣含量低，內燃機污染物增加，風機效率降低，通風較平原地區困難，隧道施工通風設計遵照以下原則：

1)鉆爆法施工隧道，海拔<3 000 m時，獨頭通風長度控制在4.5 km以下；3 000 m<海拔≤3 500 m時，獨頭通風長度控制在4.0 km以下；3 500<海拔≤4 500 m時，獨頭通風長度控制在3.5 km以下。

2)當通風長度超過4 500 m時，采用風渠式、風道式等通風方式，縮短獨頭通風長度。

3)高瓦斯及瓦斯突出工區，設置主、副斜井或平行導坑，采用巷道式通風方式。

4)TBM施工隧道獨頭通風長度一般按10～12 km控制。

為保證施工作業人員的健康，海拔>3 000 m的隧道應設置增氧設施，隧道內掌子面附近采取移動氧吧供氧；對參建人員的辦公區、生活區的室內等場所配備彌散式供氧；分區段統籌安排設置醫療站，配備高壓氧艙等設備應對施工期間突發的高原反應等疾病。

3.10 洞渣處置和環境保護

全線隧道洞渣總量約2.0×108m3，線路行經區域經濟據點少，地方處置消化棄渣需求量小，工程自身利用有限，設計貫徹“以人為本、人與自然和諧共處、可持續發展”的理念，遵循以下原則：

1)隧道斷面選擇、分合修方案選擇、支護措施選用、輔助坑道設置等遵循“減量化”的原則，盡可能減少洞渣量、圬工量及施工道路、場地數量。

2)隧道棄渣遵循“減量化、資源化、就近化、集約化、無害化”的原則。

3)地下水發育的隧道，采取適宜的措施控制地下水的流失。隧道內設置清污分流，對施工產生的污水均經過處理；所有隧道工區設置施工廢水沉淀池，嚴禁未經處理的污水隨意排放，污染水源、水體。

4)隧道(輔助坑道)洞口及大小臨工程設計，盡可能減少對既有邊仰坡的擾動，保護好植被和生態。

3.11 超前地質預測預報

鑒于川藏鐵路隧道地質條件的復雜性，施工階段應充分利用先進技術，提高超前地質預報的準確性，遵循的原則如下：

1)地質調查。采用圖像識別、三維激光掃描等數字化技術，開展洞內地質素描、建模與分析，將巖體裂隙、巖層產狀及圍巖級別等各類地質條件進行全洞段數字化采集與處理，從而提高識別精度、縮短現場素描時間，通過數字化信息采集與分析，實現掌子面前方地質情況預報和智能化地質分析，提高工作效率和效果[9]。

2)超前深孔鉆探。應整體提高超前鉆探長度，按其孔深大致分為4級：超長距離鉆孔(孔深大于300 m)、長距離鉆孔(孔深100～300 m)、中長距離鉆孔(孔深30～100 m)、短距離鉆孔(孔深小于30 m)。

3)物探。斷裂(層)破碎帶、地層界面或接觸帶、軟巖大變形和硬巖巖爆、高地溫及高溫熱水、有害氣體等不良地質采用彈性波法超前地質預報技術。導水斷裂(層)破碎帶、可溶巖、可溶巖與非可溶巖接觸帶等涌水突泥風險高的段落采用電(磁)法超前地質預報技術[10]。

3.12 施工組織

川藏鐵路雅安至林芝段隧道工程除兼具西南山區鐵路的艱險、西北高原鐵路的缺氧、東北平原鐵路的高寒外，還具有超長隧道多、沿線基礎設施落后且自然災害多發等自身難點，施工組織難度較大。應遵循以下原則：

1)提高“機械化、工廠化、專業化、信息化”水平，按“統一規定、統一標準、統一平臺”的原則，開展信息化建設，推廣BIM 技術應用。

2)應以保證工程質量和安全為前提，以優化工期、資源配置和投資效益為目標，結合工程實際，對工程建設進行“全項目，全過程、全要素、全目標”規劃與組織。

3)應遵循節能環保、節約用地、因地制宜的原則，力求永、臨結合，節省投資，并重視生態文明、職業衛生、防災減災、文物保護等。

4)應圍繞實現安全、質量、工期、投資、環境和穩定“六位一體”的建設目標展開工作。

5)重點隧道工程眾多，沿線地形、地質條件復雜，合理確定建設總工期。

4 結論與建議

川藏鐵路雅安至林芝段隧道工程是當今世界上地質條件最為復雜、環境條件最為惡劣、建設難度最具挑戰的超級工程。自2018年10月以來，在充分消化吸收川藏鐵路歷次研究成果的基礎上，通過大量調研、類似工程總結、專題研究和科研攻關，提出了川藏鐵路隧道設計新理念，形成了隧道選址、分合修、橫斷面、支護結構、防排水、防寒抗凍、防災救援、機械化配套、施工通風和供氧、棄渣與環保、超前地質預報、施工組織等的主要設計原則，以期支撐川藏鐵路雅安至林芝段隧道工程的規劃設計。但面對世紀性戰略工程，建議在后續的勘察設計和建設過程中，結合川藏鐵路隧道工程特點從以下幾個方面繼續深入開展科技攻關，進一步優化完善隧道設計理念和設計原則，為建設精品工程、安全工程、創新工程、綠色工程和廉潔工程提供支撐。

1)川藏鐵路雅安至林芝段巖爆、大變形和高地溫等不良地質長度約380 km，占該段隧道總長度的45%，是川藏鐵路能否順利建成的關鍵，建議繼續開展硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫等不良地質隧道設計理論與處治方法方面的研究，為隧道建設提供技術支撐。

2)川藏鐵路隧道工程穿越新構造活動斷裂7條，活動性強，對工程危害大，建議加強隧道抗、減震設計方法及控制技術方面的深化研究，形成隧道新型抗、減震支護結構體系，保障隧道長期運營安全。

3)川藏鐵路大部分隧道救援站位于海拔3 000 m以上地區，洞內緊急救援站防災通風極其復雜，建議開展洞內緊急救援站疏散救援模型試驗和防災通風排煙等關鍵技術研究，進一步完善高海拔地區隧道防災救援系統設計。

4)結合川藏鐵路高原缺氧等環境特點，深入開展隧道智能化建造技術研究，實現高原地區多機少人、以機代人的隧道智能化建造。