西格二线关角隧道施工方案对比分析

何春保

(华南农业大学水利与土木工程学院，广东广州 510642)

青藏铁路西宁至格尔木段增建第二线工程关角隧道，位于既有青藏铁路天棚至察汗诺车站区间，增建二线线路跨布哈河、鲁茫曲于青海南山山前新设天峻站后，以32.605 km的隧道穿越青海南山(隧道进口轨面高程为3 380.97 m，出口轨面高程为3 323.58 m)。新建关角隧道为两座平行的单线隧道，隧道进口端里程为DK280+570，出口端里程为DK313+175。隧道进口段为8‰的上坡，在岭脊设坡度代数差后，以9.5‰的坡度连续下坡。该项目地质条件复杂，施工难度大［1］，通风要求高。本文对不同施工方案和通风方案进行对比分析。

1 关角隧道设计原则

关角隧道主要的设计原则包括:

1)设计列车行车速度目标值为160 km/h。

2)按文献［2］的要求，对于旅客列车最高行车速度160 km/h的新建隧道，隧道轨面以上净空横断面面积，单线隧道不小于42 m2。

3)采用弹性支撑块整体道床，道床宽度2 600 mm，内轨顶面至道床底面高度为614 mm。

4)洞内轨道类型按重型设计。

5)两隧道线间距为40 m。

隧道衬砌断面内轮廓如图1所示。

2 隧道施工中的主要地质问题

1)高地应力

图1 隧道内轮廓示意(单位:cm)

隧道区位于新构造活动强烈的青藏高原东北缘，跨越柴达木陆块北缘、宗务隆山裂陷槽、南祁连陆块三个大地构造单元，区内断裂及褶皱均发育，因此推断隧道区可能存在较高的地应力。根据水压致裂法实测结果分析，隧道岭脊埋深较大段存在较高的地应力。高地应力易引起软弱围岩(主要指断层破碎带)的流变失稳及坚硬岩石(主要指花岗岩、闪长岩、混合岩)的岩爆。

根据DSZ-1，DSZ-7，DSZ-8等3个孔地应力的实测结果，最大水平主应力的最大值为22.04 MPa，DSZ-8孔最大水平主应力测值明显高于DSZ-1孔、DSZ-7孔，而DSZ-8孔位于f17断层附近(F3断裂带内)，表明随着钻孔所处构造部位的不同，所反映的构造应力强度差异也较大，在断裂带附近存在应力集中现象。在3个孔共19个测段中，Rc/σmax＜4的极高地应力占全部测段的15.8%，4＜Rc/σmax＜7高地应力占全部测段的10.5%。经综合分析，岭脊埋深较大的石炭系变质砂岩及片岩段可能存在高地应力问题。隧道在施工中软弱围岩(主要指断层破碎带)，存在发生较大变形的可能。

2)突、涌水

根据区内水文地质调查及对既有关角隧道涌水情况的调查，区内地下水发育，特别是三叠系、二叠系砂岩、灰岩及石炭系变质砂岩，岩体节理、裂隙发育，而且灰岩中有古岩溶发育，赋水性好;因此，隧道施工可能会产生突、涌水。

3)围岩失稳

关角隧道位于地质构造活动强烈的青藏高原东北缘，区内断裂及褶皱均较发育，岩体节理、裂隙发育～较发育，岩体较破碎，尤其是DK283+479—DK284+889，DK301+000—DK306+000 段，断层发育，岩体破碎，局部含水;施工中可能会出现坍塌、变形等围岩失稳现象。

3 工程重点、难点

1)地处高原严寒地区，施工难度大。关角隧道是全线控制工程，洞身处于海拔3 300～3 400 m，其中斜井口最高海拔3 768.2 m。常年平均气温为 －0.5℃，极端最低气温 －35.8℃，常冬无夏，春秋相连，最大冻结深度达299 cm。在此条件下内燃机械设备功率降低，施工难度大。

2)工程规模大，施工组织跨度大，施工管理是重点。

3)地质构造复杂，不良地质施工长度长是施工的难点。

4)斜井长，进入正洞反坡施工，施工排水是重点。

5)斜井进入正洞后多工作面施工，长距离多工作面施工通风是难点。

6)生态环境脆弱，环境保护和水资源保护是重点。

4 钻爆法施工方案比选

按西格二线的建设总工期为5年的要求，根据工期条件，进行了全斜井方案、Ⅱ线贯通平导方案(部分斜井方案)及Ⅱ线局部平导方案(部分斜井方案)3个施工方案的比较。

1)斜井方案

在Ⅱ线隧道共设置12座斜井，斜井施工到位后先开辟横通道施工Ⅰ线隧道，完成Ⅰ线隧道掘进后立即进行Ⅱ线隧道开挖。待Ⅰ线隧道全部贯通后，通过Ⅰ线隧道进、出口及部分斜井对Ⅰ线隧道开始铺设整体道床，铺设整体道床的斜井同时还兼顾Ⅱ线隧道的开挖。该方案共设置斜井17 467 m/12座。

2)Ⅱ线局部平导方案

将Ⅱ线隧道进口7 945 m，出口10 565 m共18 510 m先期设置为平导，平导超前后，通过开辟横通道辅助Ⅰ线施工，同时设置7座斜井，2座用于及早与两端洞口平导贯通，5座主攻隧道岭脊地段14 095 m，岭脊地段隧道一次成洞，Ⅰ线施工任务完成后通过横通道再进行平导扩挖。Ⅰ，Ⅱ线整体道床的铺设通过进、出口及斜井工区同时进行。该方案设置平导18 510 m，斜井11 713 m/7座。

3)Ⅱ线贯通平导方案

Ⅱ线先期为平导，为了及早贯通平导，共设置了7座斜井，先期辅助施工平导，并通过平导及斜井开辟横通道辅助施工Ⅰ线隧道，Ⅰ线隧道一次建成正洞，Ⅰ线贯通后，再利用Ⅰ线及斜井通过横通道扩挖Ⅱ线。Ⅰ、Ⅱ线整体道床的铺设通过进、出口及斜井工区同时进行。该方案设置平导32 605 m，斜井10 063.8 m/7座。

以上各方案的示意图如图2，方案比较见表1。

图2 关角隧道钻爆法施工方案示意

综合分析，三个方案均能满足工期目标，由于斜井方案施工组织相对容易，投资少，施工通风难度相对较低，故设计考虑采用斜井方案。

5 通风方案对比

本工程采用爆破法开挖，将产生大量炮烟;出渣采用无轨出渣，汽车、装载机等机械设备将产生大量有害气体［3-4］，考虑采用以下两种通风方案。

1)全纵向射流诱导式通风

封闭所有的辅助坑道，采用全纵向射流诱导式通风，利用射流风机的射流增压效应，Ⅰ(Ⅱ)线隧道新鲜空气由隧道的进(出)口端进入隧道，将污浊空气从隧道的出(进)口端排除，机械风沿隧道纵向流动，从而实现隧道内空气的换气目的，如图3所示。每座隧道需要42台SLFJ-112-3T型射流风机，洞内射流风机采用集中并联布置，每个断面布置6台风机，采用壁龛式悬挂。Ⅰ线隧道设于西宁端，Ⅱ线隧道设于格尔木端，通风总功率为1 260×2=2 520 kW。

表1 关角隧道钻爆法施工方案比较

图3 全纵向射流诱导式通风方案(单位:m)

2)轴流风机及射流风机压出式通风

Ⅰ线隧道利用10号斜井采用轴流风机及射流风机压出式通风如图4(a)。在10号斜井内设轴流风机2台向外压风，在隧道西宁端设置SLFJ-112射流风机10台，以降低西宁端段的阻力，在格尔木端设置SLFJ-112射流风机8台，以增加格尔木端段的阻力，形成射流风幕，从而减小格尔木端的风速，平衡风道口两端洞口的风压，使两端洞口的排烟时间相等。洞内射流风机采用集中并联布置，每个断面布置4台或6台风机，采用壁龛式悬挂。通风风机总功率为1 130 kW。

Ⅱ线隧道利用2号斜井采用轴流风机及射流风机压出式通风，如图4(b)。在2号斜井内设轴流风机2台向外压风，在隧道格尔木端设置SLFJ-112射流风机14台，以降低格尔木端段的阻力，在西宁端设置SLFJ-112射流风机8台，以增加西宁端段的阻力，形成射流风幕，从而减小西宁端的风速，平衡风道口两端洞口的风压，使两端洞口的排烟时间相等。洞内射流风机采用集中并联布置，每个断面布置4台或6台风机，采用壁龛式悬挂。通风风机总功率为1 100 kW。

图4 利用斜井压出式通风方案(单位:m)

3)通风方案比选

关角隧道通风方案设备对比如表2。

表2 通风设备对比

全纵向射流诱导式通风方案，仅在悬挂风机的地段隧道断面需要扩大，土建工程费用增加较小;另外风机全部为同型号射流风机，均位于洞口段，运营管理方便，在事故状态下风向、风速控制都比较容易。但本方案新鲜空气必需从隧道的进口端穿过隧道流向出口端，由于通风时间的限制，风速、需风量均较大，需要的风机功率较大。

利用斜井采用轴流风机及射流风机进行压出式通风方案，由于采用射流风机平衡风压，隧道进口端风速较小，总的需风量较小，需要的风机功率也较小。但该方案利用的斜井要修建为专用风道(永久工程)，斜井内需要修建专用的轴流风机房，洞内悬挂射流风机的地段隧道断面也需要扩大，土建工程费用增加较大;另外风机为轴流及射流两种类型风机，均位于洞身段，运营管理不方便，在事故状态下风向、风速都不易控制。

经技术经济比较，Ⅰ、Ⅱ线隧道均采用纵向射流诱导式通风。施工通风方案剖面布置如图5所示。

图5 施工通风方案剖面布置

6 隧道弃渣及环保措施

为了减小施工对环境的影响，采取以下环保和弃渣措施。

1)隧道进口位于布哈河南缘阶地，布哈河为青海黄鱼的产卵区，因此隧道施工的污水必须处理达标后才能排放，确保布哈河不受污染。

2)施工中产生的生产、生活垃圾应设点集中处理，不得随意丢弃。

3)弃渣按满足环保和水土保持的要求进行设计，不对生态环境造成破坏，不污染环境，不造成水土流失。

4)弃渣应结合路基、站场专业作好调配予以充分利用，其余部分遵循就近分散，尽量利用荒坡、荒沟堆弃。渣脚设挡墙进行防护。

5)施作渣场前应将渣场部位约1 m厚的地表土铲除，待渣顶整平后将其覆盖在上面，供绿化使用。

7 结语

西格二线关角隧道是国内建设的最长铁路隧道，独头掘进＞20 000 m，地质条件复杂，面临着围岩变形失稳、高地应力、突泥涌水、施工通风等诸多工程技术难题。本文通过详细的对比分析，对该隧道的不同施工方案和通风措施进行了对比分析，结合以往长大隧道施工中积累的经验，科学、合理地提出了此项长大隧道的施工方案和通风方案。为保证关角隧道的顺利施工奠定了基础。为今后特长隧道的勘察、设计及施工提供参考。

［1］ 赵天熙．超前地质预报技术在西格二线关角隧道的应用［J］．铁道建筑，2010(1):30-33．

［2］ 中华人民共和国铁道部．TB 10003—2005 铁路隧道设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2000．

［3］ 张成刚．长大隧道钻爆法施工中通风防尘方案［J］．铁道建筑，2009(5):67-69．

［4］ 关宝树．隧道工程设计要点集［M］．北京:人民交通出版社，2003．