兰州至乌鲁木齐第二双线达坂山越岭隧道方案研究

侯全德

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)

兰新第二双线横跨甘肃、青海、新疆三省区,经由兰州、西宁、乌鲁木齐三省会,以及其所辖的海东、张掖、酒泉、嘉峪关、吐鲁番、哈密等六个地市,是亚欧大陆桥铁路通道的重要组成部分,在国民经济与路网中均具有非常重要的意义和作用。本线为高标准以客为主铁路,并与既有兰新铁路实现客货分线运输,将大幅提高陆桥铁路通道运输能力和运输质量。

本线自东向西穿越陇西黄土高原区,祁连山中高山区,河西走廊山前冲洪积平原区,天山南麓坡积区,哈密、吐鲁番盆地北缘山前冲洪积平原区,东天山博格多山南坡低中山区和准噶尔盆地南缘山前冲洪积平原区等。

属于祁连山中高山区的达坂山,是本线自然条件最差、建设条件最为艰苦的段落之一,科学合理的研究选择确定越岭隧道方案,对兰新第二双线建设工期、投资控制以及后续的安全运营至关重要。

1 自然概况

达坂山位于青海省西宁市大通县和青海省海北州门源县,线路通过地区为祁连山中高山区,主山体厚达30 km,地形起伏较大,自然坡度20°～40°,分布有众多“V”形侵蚀谷;沟内常年流水,堆积大量卵石、块石,部分沟谷内冰碛漂砾、块石发育;平均海拔约3 000 m,最高海拔为4 211 m;岩性主要为片麻岩夹片岩、石英闪长岩、安山岩、砂岩、板岩等,断层带内分布有断层碎裂角砾,山坡坡面及冲沟内分布有第四系碎石类土等。

本区处于高原严寒地区,根据大通、门源气象站的资料,最冷月平均气温为-10.3～-13.1℃。

2 越岭隧道走向方案研究

达坂山越岭地段地形困难,地质条件复杂;黑泉水库及其水利水电工程、祁连山国家自然保护区、浩门农场煤矿采空区等不良地质,均为控制线路走向及越岭隧道施工工期的主要因素。据此,结合不同的越岭主隧道长度,本次研究了4个不同线路走向方案(见图1)。

2.1 达坂山隧道14.9 km方案(CK)

线路自大通车站引出,顺宝库河右岸行进,跨纳塄沟,在隧道内与引大济湟工程北干渠引水隧道相交,以短隧道群穿越照壁山、阳山向北行进,以14.9 km长隧道穿越达坂山,跨大通河(桥高75 m)后设门源车站至比终点。

该方案比较范围线路总长61.55 km,桥隧总长45.76 km,路基总长15.78 km,主要工程费用为65.20亿元。

图1 达坂山隧道方案比较示意

方案特点:该方案线路长度较长;由于达坂山隧道埋深较大,辅助坑道设置条件略受限制;在照壁山隧道内线路上跨引大济湟工程北干渠(高差约25 m)。但该方案工程地质条件较好,越岭主隧道(达坂山隧道)长度最短,工程投资最省,且门源车站地形相对平缓,站位自然条件较好,符合地方总体规划。

2.2 达坂山隧道21.905 km方案(C1K)

为解决本线与引大济湟工程隧道交叉问题,使线路尽可能的顺直,研究了本方案。其基本走向为:线路出大通车站,沿宝库河右岸行进,在三塘沟庄廓湾村附近上跨引大济湟工程北干渠引水渡槽,线路取直行进,以21.905 km的长隧道穿过大坂山后,跨过大通河(桥高30 m),设门源车站至比较终点。

该方案比较段落线路总长59.56 km,桥隧总长37.13 km,路基总长 22.43 km,工程投资 93.31亿元。

方案特点:线路顺直,避免了与引大济湟工程北干渠洞内交叉,但该方案越岭主隧道最长(21.905 km),隧道出口走行于浩门煤矿矿区,辅助坑道设置条件差,工程浩大,工期最长。为了保证运营救援安全的要求,长达21.9 km的越岭主隧道需要设计为两个单洞,工程投资最贵,且车站距门源县城较远(13.8 km),不符合地方发展的基本要求。

2.3 达坂山隧道15.65 km方案(ⅢCK)

考虑到C1K方案门源站距县城较远,且隧道出口走行于浩门煤矿矿区,因此将C1K方案在新庄乡北侧进洞后,引线至纳楞沟出洞,在三塘沟附近与CK方案相接至比较终点。

该方案比较段落线路总长62.20 km,桥隧总长37.67 km,路基总长24.53 km,工程投资66.66亿元。

方案特点:基本绕避了浩门煤矿矿区,避免了与引大济湟工程北干渠洞内交叉,门源车站站位较好。但该方案辅助坑道设置条件较差,越岭隧道前后两桥相对较高(其中大通河特大桥高85 m),桥梁工程大。

2.4 达坂山隧道15.69 km方案(C26K)

为改善达坂山隧道辅助坑道设置条件,结合线路行经区域沟心高程,将C1K方案从纳楞沟引出,折而向西向北行进,沿黑泉水库东侧山岭引线至童家村附近进入主隧道,于下白土沟处出洞,跨大通河,接C1K方案到比较终点。

该方案比较段落线路总长60.04 km,越岭主隧道长15.69 km,桥隧总长36.91 km,路基总长23.13 km,工程投资为66.24亿元。

方案特点:虽改善达坂山隧道辅助坑道设置条件,但明地勒沟、童家村两处隧道洞口距黑泉水库较近,对水资源污染较大,隧道与引水渠交角较小,施工条件较差,且车站位置远离门源城区,不利于居民出行。

2.5 走向方案的推荐意见

分析上述方案特点:C1K线路顺直,与引水隧道交叉工程条件好,但其越岭主隧道过长,工程投资巨大,施工工期过长,且门源车站位置不能满足地方规划要求;C26K方案虽克服了C1K越岭主隧道过长的缺点,但其施工期对黑泉水库水资源污染较大,且门源站位缺陷依然存在;CK和ⅢCK方案均克服上述两方案的缺点,但ⅢCK方案与CK方案比较,其越岭主隧道较长,工程投资较大,而辅助坑道条件却基本相当;综合考虑研究认为,越岭段的线路方案应推荐CK(达坂山隧道14.9 km)方案。

3 越岭主隧道施工方案研究及工期分析

结合隧道建设方案及施工总工期的要求,根据达坂山隧道的地形、工程地质、水文地质、辅助坑道设置等条件,对隧道的施工方案进行了研究。

3.1 辅助坑道方案选择

CK方案达坂山隧道长14 945 m,洞身范围内,沟谷自然纵坡大,辅助坑道设置条件较差(尤其岭脊地段)。相比而言,自东向西可利用的沟谷主要为进口端的三塘沟,出口端的头塘沟。结合地形、地质条件,考虑施工工期、洞口施工条件及运营期间救援疏散要求,采用3座无轨运输斜井辅助施工(见表1)。

3.2 施工工期分析

各方案采用的施工进度指标见表2、表3、表4。

表2 单线隧道施工进度指标 (m/月)

表3 双线隧道施工进度指标 (m/月)

表4 辅助坑道自身施工进度指标 (m/月)

(1)两单 +斜井方案

本方案按两座单线隧道设计,施工同时成洞贯通,采用3座无轨运输斜井直接辅助正洞施工,为加快施工进度,斜井辅助正洞按两个方向四个工作面考虑,均设置为双车道斜井,斜井总长为4 060 m。

左右线隧道贯通为53个月;土建工程总工期为59个月(含整体道床铺设时间)。

(2)一双 +斜井方案

本方案为一座双线隧道设计,根据地形条件,为加快施工进度,共设置了3座无轨运输斜井,直接辅助正洞两个方向两个工作面施工,均为单车道斜井,斜井总长仍为4 060 m。

隧道贯通为55个月;土建工程总工期为61个月(含整体道床铺设时间)。

(3)一双 +平导方案

本方案为一座双线隧道设置贯通平导设计,平导超前探明地质,担负施工排水,并辅助正洞施工,平导长14 795 m。

隧道贯通为53个月;建设总工期为62个月(含整体道床铺设及站后配套工程)。

(4)一双 +平导 +斜井方案

鉴于以上几种方案工期较长,因此研究了一双 +平导 +斜井方案。该方案设置两座斜井直接辅助平导施工,以最快速度实现平导贯通,通过施工横通道辅助正洞施工。

隧道贯通为42个月;土建工程总工期为48个月(含整体道床铺设时间)。

(5)隧道施工方案的推荐意见

根据对本线的工期要求,结合工程条件,对隧道的施工进行了多方案研究比选,可以看出,四个施工方案中,“一双 +平导 +斜井”施工方案,有一定的工期、技术及经济优势。

4 研究结论

综上所述,推荐方案“达坂山隧道14.9 km方案(CK)”,工程地质条件较好,越岭主隧道(达坂山隧道)长度最短,工程投资最省,且门源车站地形相对平缓,站位符合地方规划。

表1 达坂山隧道辅助坑道设置

施工组织,采用“一双 +平导 +斜井”的施工方案,隧道贯通需要42个月,土建工程总工期为48个月(含整体道床铺设时间),可满足全线的工期要求。

[1]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线可行性研究[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2009

[2]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线隧道初步设计[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010

[3]GB50090—2006 铁路线路设计规范[S]

[4]TB1003—2005/J449—2005 铁路隧道设计规范[S]

[5]TZ204—2008 铁路隧道工程施工技术指南[S]

[6]铁道第一勘察设计院.铁路工程设计技术手册:线路[M].北京:中国铁道出版社,1994