國(guó)內(nèi)外特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道單、雙洞長(zhǎng)度分布特征研究

李 琦，王 雪，楊 暢，李 敏，朱 喬，謝雪怡

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 成都 611830)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，鐵路隧道得到了前所未有的迅速發(fā)展。目前，我國(guó)已成為世界上隧道數(shù)量最多、發(fā)展速度最快、地質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜的國(guó)家[1]。截至2020年底，我國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共16 798座，在建的鐵路隧道共2 746座[2]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范以及學(xué)者對(duì)特長(zhǎng)鐵路隧道的單、雙洞選擇進(jìn)行了研究。如： 國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC-Codex 779-9/R《Safety in railway tunnels》指出，相比較于單洞隧道，雙洞隧道更有利于事故后疏散救援，但其造價(jià)高，占地多，最終洞線型式要綜合比選后確定。德國(guó)DSC800—01《General design principles of railway engineering design》指出，當(dāng)隧道地質(zhì)條件較好、無(wú)強(qiáng)制性原因時(shí)，雙線鐵路應(yīng)設(shè)計(jì)為單洞型式。國(guó)內(nèi)鐵路隧道相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[3-4]指出，特長(zhǎng)鐵路隧道多選用單洞型式，并根據(jù)地質(zhì)條件、施工方式和疏散救援等綜合研究確定。馬志富[5]指出長(zhǎng)度在20 km以下的鐵路隧道多依據(jù)施工方法來(lái)確定單、雙洞型式；長(zhǎng)度在20 km以上的鐵路隧道需根據(jù)地質(zhì)條件、線路條件、施工方法等因素綜合考慮單、雙洞型式。趙勇[6]提出應(yīng)結(jié)合線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備運(yùn)營(yíng)要求、投資等因素綜合確定特長(zhǎng)鐵路隧道的單、雙洞型式。王夢(mèng)恕等[7]從施工通風(fēng)方式、設(shè)備投入及快速施工等方面出發(fā)，提出雙線鐵路隧道優(yōu)先選用單洞型式的設(shè)計(jì)理念。劉赪[8]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外特長(zhǎng)鐵路隧道火災(zāi)應(yīng)對(duì)策略及火災(zāi)工況下疏散模擬等進(jìn)行對(duì)比分析，得出特長(zhǎng)鐵路隧道可以采用單洞雙線方案。劉鵬[9]從巖溶段涌突水風(fēng)險(xiǎn)、接觸帶塌方風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行比較，得出雙洞方案對(duì)施工系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)控制更為有利。朱勇等[10]以云屯堡隧道為例，從結(jié)構(gòu)抗震、運(yùn)營(yíng)通風(fēng)、工程投資、施工組織、棄渣與環(huán)保、結(jié)構(gòu)、施工風(fēng)險(xiǎn)和防災(zāi)救援等方面出發(fā)，得出單洞方案較優(yōu)的結(jié)論。李輝[11]以西成高鐵老安山隧道為例，從地形、地質(zhì)條件、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、舒適度和防災(zāi)救援等方面出發(fā)，認(rèn)為應(yīng)采用雙洞型式。張劍等[12]指出從工期、施工難度、防災(zāi)救援和隧道通風(fēng)方面考慮，雙洞單線型式更優(yōu)；從工程造價(jià)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面考慮，單洞雙線型式更優(yōu)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外針對(duì)特長(zhǎng)鐵路隧道單、雙洞選型的研究主要集中于地質(zhì)地形、施工方式及防災(zāi)救援等方面，而關(guān)于隧道長(zhǎng)度與單、雙洞分布特征的研究較少。本文選取國(guó)內(nèi)已建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道184座，在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道85座；國(guó)外已建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道41座，對(duì)特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道單、雙洞分布特征進(jìn)行研究。

1 國(guó)內(nèi)特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道單、雙洞長(zhǎng)度分布研究

1.1 已建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道

選取已建特長(zhǎng)雙線山嶺鐵路隧道184座，其中，單洞雙線隧道155座，雙洞單線隧道29座。國(guó)內(nèi)部分已建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)部分已建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道統(tǒng)計(jì)

由表1可知： 我國(guó)目前已建的最長(zhǎng)山嶺鐵路隧道是新關(guān)角隧道(長(zhǎng)32.645 km)，為雙洞單線型式；已建的最長(zhǎng)單洞雙線山嶺鐵路隧道是石林隧道(長(zhǎng)18.208 km)。國(guó)內(nèi)已建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道長(zhǎng)度分布如圖1所示。

圖1 國(guó)內(nèi)已建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道長(zhǎng)度分布

由圖1可知： 隧道長(zhǎng)度10 km20 km時(shí)，洞線型式基本選用雙洞單線型式。

1.2 在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道

選取在建特長(zhǎng)雙線山嶺鐵路隧道85座，其中，單洞雙線隧道82座，雙洞單線隧道3座。國(guó)內(nèi)部分在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道統(tǒng)計(jì)如表2所示。

由表2可知： 我國(guó)目前在建的最長(zhǎng)單洞雙線山嶺鐵路隧道為寶靈山隧道(長(zhǎng)26.469 km)，其次為云屯堡隧道(長(zhǎng)22.923 km)；在建的最長(zhǎng)雙洞單線山嶺鐵路隧道為色季拉山隧道(長(zhǎng)37.956 km)。國(guó)內(nèi)在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道長(zhǎng)度分布如圖2所示。

表2 國(guó)內(nèi)部分在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道統(tǒng)計(jì)

圖2 國(guó)內(nèi)在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道長(zhǎng)度分布

由圖2可知： 在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道多選用單洞雙線型式，較少部分選用雙洞單線型式，其中采用單洞雙線型式的隧道占96%，隧道長(zhǎng)度多集中在10～20 km。但也存在特殊案例，如寶靈山隧道(長(zhǎng)26.469 km)、云屯堡隧道(長(zhǎng)22.923 km)、甘青隧道(長(zhǎng)22.380 km)、小相嶺隧道(長(zhǎng)21.775 km)和康定二號(hào)隧道(長(zhǎng)20.793 km)。

1.3 已建和在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道單、雙洞長(zhǎng)度分布對(duì)比

已建和在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道的單、雙洞型式在隧道不同長(zhǎng)度下的分布存在差異。國(guó)內(nèi)特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道長(zhǎng)度分布對(duì)比如表3所示。

由表3可知： 隧道長(zhǎng)度10 km20 km時(shí)，已建的單洞雙線隧道占0%，在建的單洞雙線隧道占71%。

表3 國(guó)內(nèi)特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道長(zhǎng)度分布對(duì)比

截至2020年底，已建和在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道總數(shù)中，單洞隧道數(shù)量增長(zhǎng)約30%，雙洞隧道數(shù)量增長(zhǎng)約1%。因此，隨著鐵路隧道的建設(shè)和發(fā)展，在建單洞雙線隧道數(shù)量逐漸增加，且隧道的修建長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，20 km以上的特長(zhǎng)隧道數(shù)量由0座增至5座。

2 國(guó)外特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道單、雙洞長(zhǎng)度分布研究

選取國(guó)外特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道41座，其中，亞洲(除中國(guó)外)特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道19座，歐洲特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道22座。國(guó)外部分特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 國(guó)外部分特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道統(tǒng)計(jì)

由表4可知： 亞洲(除中國(guó)外)最長(zhǎng)的單洞雙線山嶺鐵路隧道為日本的八甲田隧道(長(zhǎng)26.455 km)；歐洲最長(zhǎng)的單洞雙線山嶺鐵路隧道為意大利的亞平寧隧道(長(zhǎng)18.519 km)，最長(zhǎng)的雙洞單線山嶺鐵路隧道為瑞士的圣哥達(dá)基線隧道(長(zhǎng)57.600 km)。國(guó)外特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道長(zhǎng)度分布如圖3所示。

由于國(guó)情、設(shè)計(jì)理念等因素的不同，各個(gè)國(guó)家在隧道洞線型式的選擇上存在較大差異。以日本、韓國(guó)為代表的亞洲國(guó)家，特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道基本選用單洞雙線型式，長(zhǎng)度超過(guò)20 km的特長(zhǎng)單洞雙線山嶺鐵路隧道有5座，占比約為26%。歐洲特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道多選用雙洞單線型式，尤其針對(duì)長(zhǎng)度超過(guò)20 km的特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道，其洞線型式基本為雙洞單線型式，而長(zhǎng)度在20 km以下的山嶺鐵路隧道，其單、雙洞型式數(shù)量比約為3∶2。

圖3 國(guó)外特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道長(zhǎng)度分布

3 國(guó)內(nèi)外特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道單、雙洞典型案例分析

3.1 國(guó)內(nèi)已建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道

3.1.1 石林隧道(單洞雙線)

石林隧道總長(zhǎng)18.208 km，位于云桂鐵路彌勒至石林板橋區(qū)間，是全國(guó)最長(zhǎng)的單洞雙線隧道，也是世界上最長(zhǎng)的采用鉆爆法施工的巖溶隧道。隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶風(fēng)險(xiǎn)較高，不具備輔助坑道條件，運(yùn)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，為安全施工提供信息支持[13]。根據(jù)不同的巖溶形態(tài)，采用科學(xué)合理的穿越方式，保證施工質(zhì)量，節(jié)約工期[14]。相比較于單洞型式，采用雙洞型式建設(shè)成本增加較多。單洞雙線隧道平面示意如圖4所示。

圖4 單洞雙線隧道平面示意圖

3.1.2 中條山隧道(雙洞單線)

中條山隧道總長(zhǎng)18.410 km，隧道線路穿越中條山山脈，是浩吉鐵路全線地質(zhì)條件最復(fù)雜的隧道。地質(zhì)條件差，地應(yīng)力高，褶皺、斷裂及其他構(gòu)造行跡均很發(fā)育，地層含水量較大，在隧道施工中容易出現(xiàn)突水涌砂、塌方和大變形等問(wèn)題，在運(yùn)營(yíng)期間可能會(huì)出現(xiàn)基底翻漿冒泥，從而嚴(yán)重影響隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全[15-16]。考慮到地質(zhì)條件、施工運(yùn)營(yíng)安全、防災(zāi)救援及隧道通風(fēng)等因素，最終選用雙洞單線型式。雙洞單線隧道平面示意如圖5所示。

圖5 雙洞單線隧道平面示意圖

3.2 國(guó)內(nèi)在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道

3.2.1 昭通隧道(單洞雙線)

昭通隧道總長(zhǎng)16.255 km，位于四川盆地南緣與云貴高原之間的斜坡過(guò)渡帶，是渝昆高速鐵路的控制性工程，也是全線高壓富水巖溶隧道的代表性工程。工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶、煤礦采空區(qū)、泥石流、有害氣體等集中[17]，為應(yīng)對(duì)巖溶和滿足高速運(yùn)行條件，按照“抬標(biāo)高、靠河邊、快通過(guò)”的原則，采用順坡施工。在施工技術(shù)的支持下，采用單洞雙線型式可滿足要求。

3.2.2 榴桐寨隧道(雙洞單線)

榴桐寨隧道總長(zhǎng)16.262 km，位于岷江斷裂帶南段，是成蘭鐵路重難點(diǎn)工程，具有“四極三高”的顯著特點(diǎn)： 地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震影響極為顯著；地應(yīng)力高、地震烈度高、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高[18-20]。軟巖大變形很發(fā)育，采用單洞型式難以滿足施工要求，考慮到施工安全、防災(zāi)救援及隧道通風(fēng)等因素，最終選擇采用雙洞單線型式。

綜上，特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道首選單洞雙線型式，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件差、隧道長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，隧道洞線型式應(yīng)從施工運(yùn)營(yíng)安全、防災(zāi)救援及隧道通風(fēng)等方面綜合考慮。

3.3 國(guó)外特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道

3.3.1 亞平寧隧道(單洞雙線)

亞平寧隧道總長(zhǎng)18.519 km，位于意大利亞平寧山脈，是當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)的雙線山嶺鐵路隧道。隧道穿越砂質(zhì)片麻巖、頁(yè)巖和砂巖等地層，多為堅(jiān)硬和牢固的巖石，圍巖整體性較好。雖然隧道長(zhǎng)度近20 km，但隧道地質(zhì)條件較好，故采用單洞雙線型式即可滿足穩(wěn)固性要求。

3.3.2 圣哥達(dá)基線隧道(雙洞單線)

圣哥達(dá)基線隧道總長(zhǎng)57.600 km，位于歐洲中南部，全線貫穿阿爾卑斯山脈，是世界上最長(zhǎng)、覆土最深的鐵路隧道[21]。隧道地質(zhì)構(gòu)造主要由高強(qiáng)度的火成巖和變質(zhì)巖組成，在擠壓、構(gòu)造應(yīng)力增大和溫度升高的作用下，巖石力學(xué)特性惡化，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高[22]。雖然隧道巖性條件較好，但由于隧道長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)高,從地質(zhì)條件、疏散救援和隧道通風(fēng)等方面綜合考慮，選用雙洞單線型式。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道單、雙洞的長(zhǎng)度分布特征，得出以下主要結(jié)論。

1)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度10 km

2)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度15 km

3)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度>20 km的特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道中，已建隧道洞線型式基本選用雙洞單線型式，在建單、雙洞隧道數(shù)量比為5∶2。

4)截至2020年底，已建和在建特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道總數(shù)中，單洞隧道數(shù)量增長(zhǎng)約30%，雙洞隧道數(shù)量增長(zhǎng)約1%。

5)亞洲國(guó)家(除中國(guó)外)長(zhǎng)度超過(guò)20 km的特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道基本選用單洞雙線型式，歐洲國(guó)家長(zhǎng)度超過(guò)20 km的特長(zhǎng)山嶺鐵路隧道基本選用雙洞單線型式。

隨著鐵路隧道長(zhǎng)度的不斷增長(zhǎng)，長(zhǎng)度超過(guò)20 km的超長(zhǎng)隧道不斷涌現(xiàn)，希望加強(qiáng)基于防災(zāi)角度的20 km以上鐵路隧道的結(jié)構(gòu)選型研究，尤其是考慮隧道長(zhǎng)度、列車(chē)類(lèi)型、設(shè)計(jì)時(shí)速等因素下超長(zhǎng)鐵路隧道的洞線型式劃分標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)一步規(guī)范鐵路隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)鐵路隧道的安全運(yùn)營(yíng)。