青藏鐵路新關角隧道

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青藏鐵路新關角隧道

1 工程意義

青藏鐵路西寧—格爾木段修建于1950—1970年，是青海、西藏兩省區與內地進行人員、物資交流的主要運輸通道和經濟聯系的紐帶，受修建技術水平及綜合國力等限制，既有鐵路技術標準低、運營條件差，且既有關角隧道(4 010 m)病害頻繁產生，養護維修工作量巨大，投入費用較高。

隨著21世紀中國加快推進西部大開發戰略，西寧—格爾木段的運輸能力已不能適應區域社會、經濟發展的需要，故增建二線勢在必行。新關角隧道是該項目的控制性工程，是中國最長的鐵路隧道，也是海拔3 000 m以上世界第一長隧，建設難度極大。

新關角隧道的建成，使天棚車站到察汗諾車站區間縮短線路長度36.82 km，運行時間由原來的2 h縮短為20 min，使列車的運行能力由22對提升為180對，為在青藏高原再次修建長隧道提供了成功的參考案例，也為穿越喜馬拉雅山脈，實現國家“一帶一路”戰略，與南亞國家共同發展提供了技術與運能儲備。

2 工程概況

2.1 線路概況

新建關角隧道是青藏鐵路西寧—格爾木段增建第二線的控制工程，位于青海省天峻縣和烏蘭縣，全長32.690 km，進口高程為3 380.26 m，出口高程為3 324.05 m。

隧道設計為2座平行的單線隧道，線間距40 m，均位于直線段(見圖1)。隧道進口段為8‰的上坡，在嶺脊設過渡坡段后以9.5‰的坡度連續下坡。設計旅客列車行車速度目標值為160 km/h，采用雙塊式無砟軌道。

圖1 線路平面示意圖

2.2 氣候及地質概況

隧道平均海拔3 400 m，區域內年平均氣溫-0.5 ℃,極端最低氣溫-35.8 ℃。隧道區巖漿巖、沉積巖、變質巖同時出現，巖性變化頻繁。位于新構造活動強烈的青藏高原東北緣，區內斷裂及褶皺發育，由f3、f17、f20、f22、f23、f25斷層組成的二郎洞斷層束長達3 000 m，存在應力集中現象，灰巖地層巖溶裂隙水發育，隧道洞口段還穿越550 m細砂地層(見圖2)。

3 工程難點及施工方案

3.1 工程難點

新關角隧道建設面臨一系列的技術難題。

1)自然環境極其惡劣。隧道位于青藏高原，高寒缺氧，最大埋深900 m，施工通風距離達5 000 m，洞內氧氣含量低，僅為平原地區的60%，嚴重影響作業人員身體健康和機械設備效率，施工環境保障面臨極大挑戰。

2)地質條件極其復雜。隧道通過3條區域性寬大斷裂帶，受到極高地應力作用，變形控制難度大，穿越長10 km的高壓富水灰巖地層，風險極高。

3)高海拔特長隧道的運營通風、防災救援及旅客疏散等運營安全技術均無成熟的經驗可借鑒。

圖2 隧道地質縱斷面圖

3.2 施工方案

新關角隧道洞口及斜井口海拔3 300～3 800 m，在構造帶附近會發生大變形，在河溝附近存在高壓涌水風險。采用TBM方案存在技術和工期風險，綜合考慮TBM施工不能利用隧道棄碴作為混凝土骨料、TBM設備制造時間等問題，最終選擇鉆爆法施工方案。

4 工程關鍵技術

4.1 復雜地質問題處理技術

新關角隧道位于新構造活動強烈的青藏高原東北緣,建設過程中多個區段發生了大變形(見圖3)。采取的技術措施如下： 1)調整隧道開挖輪廓邊墻曲率，使結構趨于圓形，改善受力狀況； 2)加強初期支護的鋼架、噴混凝土厚度及錨桿長度； 3)加大預留變形量，允許適度變形； 4)針對水平應力大、水平收斂變形大的特征，采用不等厚結構控制隧道變形，僅加厚隧道邊墻，針對性地加強抵抗水平荷載的能力。

(a) 現場變形照片 (b) 變形段隧道斷面

圖3 隧道變形(單位： cm)

4.2 涌水處理技術

新關角隧道在穿越河溝時，發生了高壓涌水(見圖4)。施工中除采用多級泵站進行排水外，還實施了超前預注漿堵水。在線狀涌水發育的段落，開挖后采用高分子化學材料實施了徑向注漿堵水(見圖5)。

圖4 高壓涌水 圖5 帷幕注漿

4.3 施工通風與健康保障技術

為克服高海拔缺氧環境造成的施工效率下降和職業健康保障問題，主要采取了如下技術措施：

1)采用多工作面同時施工，克服單個工作面進度緩慢的問題。

2)采用斜井隔板通風技術(見圖6)，為多個工作面同時供風。采用可重復利用的材料，拼裝成隔板對斜井進行分隔，利用斜井頂部空間作為供風道并安裝射流風機，在斜井井底設置風倉，通過軸流風機接力向4個工作面供風。這種方法不但能保障隧道施工必要的新鮮空氣供應，解決長距離送風的問題，而且供風量大，解決了多個工作面同時施工的通風需求，使高海拔條件下獨頭通風長度達到5 000 m，為鉆爆法施工特長隧道提供新的通風和施工模式。

3)在工作面附近為作業人員提供氧氣袋進行補氧，在隧道口和斜井口建立高壓氧倉(見圖7)，保證職業健康。

圖6 施工供風方案圖7 高壓氧倉

4.4 鉆爆法斜井皮帶出碴技術

在長大斜井內設置皮帶運輸機出碴系統(見圖8)，在中國首次將皮帶運輸系統成功應用于鉆爆法施工的隧道，極大地減少了重載出碴車輛爬坡排放的重污染尾氣，保障了工作人員的職業健康，提高了出碴速度和綜合掘進效率。

(a) 井口皮帶機 (b) 井底皮帶機

圖8 皮帶運輸機出碴系統

4.5 防凍害技術

在高海拔嚴寒地區，隧道洞口段一旦出現滲漏水，隧道襯砌上將會結冰，在最冷的月份，水溝內也會發生結冰現象，這些凍害將嚴重影響行車安全。為防止隧道洞口段發生病害，主要采取了如下技術措施：

1)嚴格控制防水板的鋪設質量，提高混凝土的抗滲等級，防止隧道發生滲漏水。

2)在隧道洞口段設置防寒泄水洞(見圖9)，大量的隧道水通過泄水洞排泄至洞口附近的河溝。

3)洞口段4 km范圍內隧道側溝設置保溫材料(見圖10)，減少熱交換。

圖9 防寒泄水洞 圖10 保溫水溝

4)洞口段2 km范圍內隧道側溝采用電加熱技術，在最冷月份對側溝直接進行加熱，防止隧道水溝結冰。

4.6 運營通風技術

首次在高海拔隧道內利用列車活塞風進行通風換氣，很好地解決了運營通風問題。

在電氣化鐵路隧道中，列車運行產生的污染相對較少。按照“擠壓”理論，列車在經過5.3～5.5次后，列車活塞風即可將新關角隧道內的空氣置換1次。實際上，僅運營的客車即可使隧道內的空氣每天置換2.4次。實際運營情況表明，隧道內空氣控制質量良好。這種自然換氣的方法節約了大量的風機和供電設備的運營和維護費用，實現了低碳運營。

4.7 防災疏散救援技術

首次在高海拔隧道內設置緊急救援站(見圖11)，為在高海拔隧道設置防災疏散救援系統提供了中國模式。

圖11 緊急救援站

結合中國經濟發展水平和鐵路運營管理特點，按照保證人員疏散安全、自救為主的思路以及2管隧道的運營系統和通風排煙系統相互獨立的原則設置緊急救援站。在緊急救援站，2管隧道通過加密的疏散橫通道(間距50 m)連接，以滿足災害條件下的疏散要求；2管隧道采用相互獨立的供風排煙系統，即隧道口附近設置射流風機，向隧道內加壓，通過疏散橫通道向火災的隧道供風，滿足疏散中人員迎著新鮮風逃逸的需求，通過均勻設置的豎井，及時從隧道頂部排煙；2管隧道為完全獨立的運營系統，在區間內不設置聯絡2隧道的渡線。

4.8 環境保護措施

工程建設中高度重視環境保護，未對所在區域環境造成影響。主要采取如下措施：

1)選擇從底部穿越青海南山的隧道方案，縮短線路長度明顯，從選線開始就最大限度地減少對環境的破壞。

2)在隧道口設置污水處理系統，保證排放的施工污水達標，最終排入布哈河，施工排水未對國家二級保護動物青海湟魚產生影響，湟魚的數量也在穩步回升。

3)為了解隧道修建對環境的影響，在隧道區域設置氣象站，進行水文環境和氣候長期監測。實踐證明，新關角隧道的修建未對當地的氣候環境造成影響，未發現植被出現異常的現象，也未改變區域內青海湖匯水逐年增長、湖面逐年升高的趨勢。

4)在棄碴場設置必要的擋護及排水工程，對碴頂和坡面進行綠化，竣工后對施工場地、營地、施工便道進行環境恢復工作，使竣工后基本恢復了原地貌。施工過程中對所有的占地均進行高原草皮的臨時堆放保存，施工完成后直接用于棄碴場綠化和臨時用地的環境恢復，從而避免因綠化需要而新增大量取土場的情況。

5 主要技術創新

關角隧道建設中創新了隧道施工通風技術、出碴運輸模式、防凍害技術、運營通風和防災疏散救援技術，推動了特長隧道技術的進步。

6 工期及獲得榮譽

6.1 工期

工程于2007年11月開工，2014年12月通車運營。

6.2 獲得榮譽

獲國際隧道及地下工程協會(ITA)2016年度重大工程獎。

7 工程參建單位

設計單位： 中鐵第一勘察設計院集團有限公司。

施工單位： 中鐵隧道集團有限公司承擔關角隧道出口標段的施工任務，中鐵十六局集團有限公司承擔關角隧道進口標段的施工任務。

8 供稿人

中鐵第一勘察設計院集團有限公司： 陳紹華；

中鐵隧道集團有限公司： 李志平；

中鐵十六局集團有限公司： 馬棟。