成蘭鐵路云屯堡特長隧道合、分修方案研究

朱 勇 ，吳 華

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 6 10031)

0 引言

鐵路隧道相關設計規(guī)范指出“雙線特長隧道宜修建2座單線隧道”［1-2］，因此，在確定雙線鐵路特長隧道建設方案時，往往會遇到選擇合修(單洞雙線)方案還是分修(雙洞單線)方案的問題。趙勇［3］提出隧道合、分修方案的選擇應結合設計線路的標準、運營設備的要求、投資比較等因素綜合確定;王夢恕等［4］從獨頭通風長度、施工通風方式、設備投入及快速施工等方面出發(fā)，提出了雙線隧道優(yōu)先選用分修方案的設計理念。國外由于設計理念的不同，所以在隧道合、分修方案的選擇上差異較大。以德國為代表的歐洲鐵路新建隧道，長度大于1 km時基本采用分修方案［5］，而韓國、日本大多采用合修方案，如韓國金井隧道(長20．33 km)和日本巖手一戶隧道(長25．81 km)［6］。我國在鐵路隧道設計實踐中，考慮運營期間的防災救援，一般長度大于15 km的雙線隧道采用分修方案。當然，也有例外，如滬昆客專壁板坡隧道(長14．756 km)分、合修方案研究中，主要從巖溶段涌突水風險、接觸帶坍方風險等方面進行了比較，得出分修方案對施工系統(tǒng)性風險控制更為有利的結論［7］;又如在建云桂鐵路石林隧道，長18．208 km，由于設置了貫通平導，采用了合修方案。

隧道合、分修方案研究一般主要集中在越嶺特長隧道或特殊復雜地質隧道，而對長度超過20 km的沿河傍山隧道尚無相關研究。本文根據新建成蘭鐵路云屯堡隧道的地形、地質條件、輔助坑道設置狀況、最新的防災救援疏散工程設置需求，結合隧道進出口接引條件，從多方面對隧道合、分修方案進行了技術經濟比較，確定了合理的建設方案。

1 工程概況

云屯堡隧道全長22．923 km，由線路2次跨越岷江方案調整為岷江左岸長隧方案，設計時速200 km，進口緊鄰岷江村岷江雙線特大橋，出口接松潘車站，車站伸入隧道出口端490 m。1，3號道岔及5，7號道岔間渡線進洞，線路單面上坡，軌面海拔2 600～2 822 m，岷江河谷及213國道位于線路左側，距隧道中線200～1 400 m，交通便利，為典型的沿江傍山特長隧道。

1．1 地形和地質條件

測區(qū)位于青藏高原東部邊緣，屬構造剝蝕高中山地貌，沿線山高谷深，地形險峻，屬我國著名的龍門山地震帶岷江活動斷裂展布區(qū)，隧道最大埋深745 m。

隧道位于岷江活動斷裂的下盤(被動盤)，巖性主要為三疊系砂巖夾千枚巖，砂巖夾板巖，炭質千枚巖、千枚巖夾砂巖等3套地層;共發(fā)育有9背斜、8向斜和1斷層，測區(qū)地震峰值加速度為0．3g;預測最大涌水量為4．89萬m3/d。線路縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道左線縱斷面簡圖Fig．1 Longitudinal profile of left tube of tunnel

1．2 輔助坑道設置

由于隧道沿河傍山，具備良好的“長隧短打”條件，輔助坑道設置具有以下特點:1)位置靈活，沿岷江河谷橫洞洞口選址較為自由，利于均衡設置，間距2．4～4．5 km;2)交通便利，橫洞洞口距國道 30 ～300 m，便道引入較便利;3)規(guī)模較小，平均長度700 m，最長1 235 m，長度較適宜。

根據岷江左岸的地形、地質條件，結合工期、通風、棄碴、防災救援、施工場地布置、便道引入條件、征地拆遷等因素，隧道采用“6橫洞 +1斜井”方案，總長4 802 m，均采用無軌雙車道斷面。輔助坑道平面布置如圖2所示。

圖2 輔助坑道設置示意圖(單位:m)Fig．2 Arrangement of service galleries(m)

1．3 合、分修方案平面布置

由于云屯堡隧道為后期改線產生的，其進出口端相接的橋隧工程均按合修設計，且進口端岷江村岷江特大橋(長502 m)、王登隧道(長6 601 m)及出口端松潘車站已先于隧道開工建設。因此，隧道進出口端已不具備分修條件，故分修方案只能采用“進出口合修、洞身分修”的非完全分修方案。

1．3．1 合修方案平面布置

合修方案從進口至出口均為單洞雙線隧道，出口端松潘車站2股渡線伸入隧道，渡線段左右線線間距為5 m，其余段線間距為4．4～5．0 m，如圖3所示。

圖3 合修方案平面示意圖Fig．3 Plan of option of single double-track tunnel tube

1．3．2 分修方案平面布置

整體線形呈菱形布置，為非完全分修隧道。其中:進口端合修長度為2 040 m，合、分修過渡段長度為150 m;出口端合修長度為1 370 m，合、分修過渡段長度為260 m;洞身分修段長度為19 513 m。左線線位與合修方案完全相同，右線與左線線間距為4．4～30 m，如圖4所示。

圖4 分修方案平面示意圖(單位:m)Fig．4 Plan of option of twin single-track tunnel tubes(m)

2 合、分修方案比較

為系統(tǒng)地分析云屯堡隧道合、分修方案的優(yōu)劣，從防災救援、工程投資、施工風險、施工組織、支護結構對軟巖大變形的適應性、結構抗震、棄碴與環(huán)保、運營通風8方面進行了技術經濟比較。

2．1 防災救援

2．1．1 緊急救援站救援

云屯堡隧道長度大于20 km，根據《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規(guī)范》，應設置1處緊急救援站。考慮布置均衡，結合輔助坑道位置及其洞口疏散條件，合、分修方案均于洞身4號橫洞處設置緊急救援站，站長550 m，距隧道進口8．8 km，距隧道出口13．6 km，如圖5所示。

圖5 緊急救援站布置位置示意圖Fig．5 Arrangement of emergency rescue station

2．1．1．1 合修方案

1)設施配置。防災救援疏散設施按“方便自救、安全疏散”的原則進行設置。救援站范圍:洞內兩側均設疏散站臺;洞外兩側各設1條救援疏散平導，通過疏散橫通道與正洞相連，橫通道內設防護門;靠橫洞側救援疏散平導與橫洞直接連接，橫洞對側救援疏散平導通過下穿正洞的聯絡通道與橫洞連接。隧道拱頂上方設置縱向排煙道，通過豎向排煙道與正洞連接。設置通往地面的排煙井，并與縱向排煙道相連。救援站設施布置如圖6—8所示。

圖6 合修方案救援站及排煙道橫斷面布置示意圖Fig．6 Cross-section of emergency rescue station and exhausted air discharging gallery in the case of option of single double-track tunnel tube

圖7 合修方案救援站人員疏散系統(tǒng)平面布置示意圖Fig．7 Plan of arrangement of passenger evacuation system of emergency rescue station in the case of option of single double-track tunnel tube

圖8 合修方案救援站頂部排煙系統(tǒng)平面布置示意圖Fig．8 Plan of arrangement of exhausted air discharging system above emergency rescue station in the case of option of single double-track tunnel tube

2)人員疏散。列車遇到火災停靠后，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，隨后進入橫洞，疏散至橫洞洞口外等待救援。

3)風流組織。列車遇到火災停靠后，新鮮空氣由橫洞進入，通過一側救援平導及疏散橫通道進入正洞，而對側疏散橫通道防護門處于關閉狀態(tài)，在此期間人員始終迎著新鮮風流向進行疏散［8］。救援站內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。

2．1．1．2 分修方案

1)設施配置。防災救援疏散設施按“方便自救、安全疏散”的原則進行設置。救援站范圍:洞內2條隧道相鄰側各設單側疏散站臺，通過疏散橫通道相連，橫通道內設防護門。隧道上方在2條隧道間設置縱向排煙道，通過豎向排煙道與正洞連接。設置連接橫洞與縱向排煙道的聯絡煙道。救援站設施布置如圖9—11所示。

圖9 分修方案救援站及排煙道橫斷面布置示意圖Fig．9 Cross-section of emergency rescue station and exhausted air discharging gallery in the case of option of twin singletrack tunnel tubes

圖10 分修方案救援站人員疏散系統(tǒng)平面布置示意圖Fig．10 Plan of arrangement of passenger evacuation system of emergency rescue station in the case of option of twin single-track tunnel tubes

2)人員疏散。列車遇到火災停靠后，旅客通過2條線路間的疏散站臺進入疏散橫通道待避，由安全隧道內救援列車向洞外疏散。

3)風流組織。列車遇到火災停靠后，新鮮空氣迎著人流疏散方向由安全隧道通過疏散橫通道進入火災隧道。救援站內煙氣由火災隧道內拱頂豎向排煙道匯集于隧道上方的縱向排煙道，通過聯絡煙道及橫洞抽排至洞口外，此時，安全隧道內豎向排煙道風閥處于關閉狀態(tài)。

圖11 分修方案救援站頂部排煙系統(tǒng)平面布置示意圖Fig．11 Plan of arrangement of exhausted air discharging system above emergency rescue station in the case of option of twin single-track tunnel tubes

通過對比分析，合、分修方案在救援站處均可實現安全、可靠的疏散救援，二者設施配置及功能需求均滿足《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規(guī)范》的相關要求，均實現了安全疏散的目的［9］。因此，在救援站救援方面，二者的優(yōu)劣無明顯差異。

2．1．2 緊急出口或避難所救援

2．1．2．1 合修方案

根據《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規(guī)范》第3．0．7條:緊急出口、避難所應結合輔助坑道盡量均勻布置，其間距不宜大于5 km。本隧道輔助坑道布置對此具有良好的適應性，其間距最大為4．5 km。可將2，3，6號橫洞、7號斜井作為緊急出口，4號橫洞作為救援站疏散通道，5號橫洞由于長度大于1 000 m，不宜作為緊急出口，可作為避難所使用。

當列車遇到火災無法停靠在緊急救援站時，可控制列車盡量停靠于緊急出口(或避難所)附近，由緊急出口向洞外疏散。最不利停靠位置為2個橫洞間中部，其最遠疏散距離為0．85～2．25 km，相對較短。

2．1．2．2 分修方案

2條隧道間互為救援，利用間距為500 m的橫通道作為緊急出口，疏散距離最遠不大于250 m。

通過對比分析，在緊急出口(或避難所)救援方面，合、分修方案均滿足《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規(guī)范》要求，均具備良好的疏散救援條件，但就任意點停車疏散距離方面，分修方案更優(yōu)。

2．1．3 防災救援小結

綜上所述，在定點疏散救援方面，合、分修方案基本相當，但在任意點停車疏散救援方面，分修方案較優(yōu)。

2．2 工程投資

根據工程量進行投資分析，分修方案概算總額較合修方案增加投資23．4%，因此，在工程投資方面，合修方案明顯優(yōu)于分修方案。

2．3 施工風險控制

隧道主要通過以砂巖為主的地層，受構造影響，巖體較破碎，主要施工風險為坍方。雙線隧道開挖斷面大，坍方風險相對高于單線隧道，但目前我國時速為200 km的單、雙線隧道設計、施工技術均已非常成熟;且本隧以硬巖居多，地質條件相對較好，采取針對性的支護措施，均可將坍方風險控制在可接受范圍內。

分修方案中，由于存在合、分修過渡段，導致在進出口端形成2處喇叭口襯砌段，最大開挖跨度達21 m，甚至大于3線隧道開挖跨度，其安全風險顯著高于雙線隧道［10］。

通過對比分析，在施工風險方面，分修方案分開段施工風險較小，但2處合、分修過渡段施工風險相對較大。

2．4 施工組織

1)施工管理。合修方案各工區(qū)僅有2處掌子面，分修方案1號橫洞工區(qū)有2處掌子面、2～6號橫洞工區(qū)各有4處掌子面、7號斜井工區(qū)有3處掌子面。考慮施工期間運輸組織、施工通風、橫通道施工等因素，相對而言，合修方案施工管理相對簡單。

2)斷面類型。合修方案僅為雙線斷面，斷面型式單一。分修方案有單線、雙線、過渡段大跨等多種斷面型式。相比較而言，合修方案更利于組織施工。

3)工期。按《施工組織設計指南》中進度指標的要求［11］，合修方案土建工期為46個月，如圖12所示。分修方案左線土建工期為45個月，右線土建工期為61個月，如圖13所示。合、分修方案均滿足全線總工期要求，但合修方案總工期較分修方案少15個月。

從現場施工管理、斷面類型、工期等方面分析，合修方案更優(yōu)。

圖12 合修方案指導性施工組織示意圖Fig．12 Tunnel construction schedule in the case of option of single double-track tunnel tube

圖13 分修方案指導性施工組織示意圖Fig．13 Tunnel construction schedule in the case of option of twin single-track tunnel tubes

2．5 結構對軟巖大變形的適應性

結構對軟巖大變形的適應性方面，合、分修方案的主要區(qū)別在于開挖跨度和開挖洞形。開挖跨度方面，雙線隧道開挖跨度大，圍巖壓力大，變形控制較單線隧道困難，設計、施工難度較大;而開挖洞形方面，雙線隧道開挖洞形接近圓形，結構受力條件較好，單線隧道略呈“馬蹄”形，結構受力條件一般。由于隧道以砂巖等硬巖為主，可能發(fā)生軟巖大變形的段落長度占全隧的9%，并非為選擇合、分修方案的主要因素。

通過對比分析，無法判斷二者優(yōu)劣，結合工程實踐，分修方案較優(yōu)。

2．6 結構抗震

云屯堡隧道地震作用影響大的洞口、斷層及淺埋段均位于進出口段，進行合、分修比較的段落均位于地震作用影響小的深埋段。

因此，結構抗震方面并不影響隧道合、分修方案的選擇。

2．7 棄碴與環(huán)保

隧道棄碴場均沿岷江河谷設置，受地形、地質(泥石流)、環(huán)保條件的限制，碴場選址極為困難。大部分棄碴需經213國道運輸，而213國道為通往九寨溝、黃龍等著名景區(qū)的旅游道路，棄碴運輸對國道交通影響巨大。

合修方案經213國道運輸的棄碴為319萬m3，分修方案較合修方案增加棄碴約80萬m3，增加棄碴占地4．67 hm2，且均需經過213國道運輸，進一步加大了棄碴運輸對213國道的交通壓力。因此，在棄碴環(huán)保方面，合修方案較優(yōu)。

2．8 運營通風

合、分修方案運營通風模式基本相同，均為采用救援站處排煙道作為排風口的分段縱向式通風方案。即隧道進出口端向洞身中部輸送新鮮風，污風由救援站處煙道抽排至洞外。運營通風方案如圖14和圖15所示。

圖14 合修方案運營通風示意圖Fig．14 Operation ventilation of tunnel in the case of option of single double-track tunnel tube

圖15 分修方案運營通風示意圖Fig．15 Operation ventilation of tunnel in the case of option of twin single-track tunnel tubes

本隧道防災通風控制風機數量，并兼顧運營通風一并布設。合修方案共設置72臺風機，總功率1 997 kW。分修方案共設置 77臺風機，總功率2 214 kW。

通過對比分析，在運營通風方面，合、分修方案均采用分段縱向式通風，通風方案一致，風機功率相當，無明顯優(yōu)劣。

3 綜合比較

將合、分修方案8方面的比較結果進行匯總，如表1所示。

表1 云屯堡隧道合、分修方案比較結果匯總Table 1 Comparison and contrast between option of single doubletrack tunnel tube and that of twin single-track tunnel tubes

4 結論與討論

結合云屯堡隧道的工程特點及現狀，通過各方面的對比分析，可以得出:1)結構抗震、運營通風對隧道合、分修方案的選擇基本無影響;2)施工組織、棄碴與環(huán)保方面合修方案較優(yōu);3)結構對軟巖大變形的適應性方面，分修方案較優(yōu);4)在控制施工風險方面，一般段落分修方案較為有利，但在喇叭口大跨段，分修方案風險較高;5)由于隧道具有不同于常規(guī)越嶺隧道的疏散救援條件，合、分修方案的防災救援設施均滿足《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規(guī)范》的相關要求，但在任意點防災救援方面，分修方案更優(yōu);6)工程投資方面，合修方案優(yōu)勢明顯，具有良好的經濟性。

綜上所述，結合隧道進出口端相連工程已開工建設的現狀，云屯堡隧道可采用合修(單洞雙線)的建設方案。

隧道合、分修方案的選擇需要考慮的因素較多，受技術人員知識水平及外部建設環(huán)境的制約，有時甚至可能導致錯誤的結論，因此，建議盡快完善我國隧道合、分修方案選擇的評價體系及評價標準。

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