成兰铁路云屯堡特长隧道合、分修方案研究

朱 勇 ，吴 华

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 6 10031)

0 引言

铁路隧道相关设计规范指出“双线特长隧道宜修建2座单线隧道”［1-2］，因此，在确定双线铁路特长隧道建设方案时，往往会遇到选择合修(单洞双线)方案还是分修(双洞单线)方案的问题。赵勇［3］提出隧道合、分修方案的选择应结合设计线路的标准、运营设备的要求、投资比较等因素综合确定;王梦恕等［4］从独头通风长度、施工通风方式、设备投入及快速施工等方面出发，提出了双线隧道优先选用分修方案的设计理念。国外由于设计理念的不同，所以在隧道合、分修方案的选择上差异较大。以德国为代表的欧洲铁路新建隧道，长度大于1 km时基本采用分修方案［5］，而韩国、日本大多采用合修方案，如韩国金井隧道(长20．33 km)和日本岩手一户隧道(长25．81 km)［6］。我国在铁路隧道设计实践中，考虑运营期间的防灾救援，一般长度大于15 km的双线隧道采用分修方案。当然，也有例外，如沪昆客专壁板坡隧道(长14．756 km)分、合修方案研究中，主要从岩溶段涌突水风险、接触带坍方风险等方面进行了比较，得出分修方案对施工系统性风险控制更为有利的结论［7］;又如在建云桂铁路石林隧道，长18．208 km，由于设置了贯通平导，采用了合修方案。

隧道合、分修方案研究一般主要集中在越岭特长隧道或特殊复杂地质隧道，而对长度超过20 km的沿河傍山隧道尚无相关研究。本文根据新建成兰铁路云屯堡隧道的地形、地质条件、辅助坑道设置状况、最新的防灾救援疏散工程设置需求，结合隧道进出口接引条件，从多方面对隧道合、分修方案进行了技术经济比较，确定了合理的建设方案。

1 工程概况

云屯堡隧道全长22．923 km，由线路2次跨越岷江方案调整为岷江左岸长隧方案，设计时速200 km，进口紧邻岷江村岷江双线特大桥，出口接松潘车站，车站伸入隧道出口端490 m。1，3号道岔及5，7号道岔间渡线进洞，线路单面上坡，轨面海拔2 600～2 822 m，岷江河谷及213国道位于线路左侧，距隧道中线200～1 400 m，交通便利，为典型的沿江傍山特长隧道。

1．1 地形和地质条件

测区位于青藏高原东部边缘，属构造剥蚀高中山地貌，沿线山高谷深，地形险峻，属我国著名的龙门山地震带岷江活动断裂展布区，隧道最大埋深745 m。

隧道位于岷江活动断裂的下盘(被动盘)，岩性主要为三叠系砂岩夹千枚岩，砂岩夹板岩，炭质千枚岩、千枚岩夹砂岩等3套地层;共发育有9背斜、8向斜和1断层，测区地震峰值加速度为0．3g;预测最大涌水量为4．89万m3/d。线路纵断面如图1所示。

图1 隧道左线纵断面简图Fig．1 Longitudinal profile of left tube of tunnel

1．2 辅助坑道设置

由于隧道沿河傍山，具备良好的“长隧短打”条件，辅助坑道设置具有以下特点:1)位置灵活，沿岷江河谷横洞洞口选址较为自由，利于均衡设置，间距2．4～4．5 km;2)交通便利，横洞洞口距国道 30 ～300 m，便道引入较便利;3)规模较小，平均长度700 m，最长1 235 m，长度较适宜。

根据岷江左岸的地形、地质条件，结合工期、通风、弃碴、防灾救援、施工场地布置、便道引入条件、征地拆迁等因素，隧道采用“6横洞 +1斜井”方案，总长4 802 m，均采用无轨双车道断面。辅助坑道平面布置如图2所示。

图2 辅助坑道设置示意图(单位:m)Fig．2 Arrangement of service galleries(m)

1．3 合、分修方案平面布置

由于云屯堡隧道为后期改线产生的，其进出口端相接的桥隧工程均按合修设计，且进口端岷江村岷江特大桥(长502 m)、王登隧道(长6 601 m)及出口端松潘车站已先于隧道开工建设。因此，隧道进出口端已不具备分修条件，故分修方案只能采用“进出口合修、洞身分修”的非完全分修方案。

1．3．1 合修方案平面布置

合修方案从进口至出口均为单洞双线隧道，出口端松潘车站2股渡线伸入隧道，渡线段左右线线间距为5 m，其余段线间距为4．4～5．0 m，如图3所示。

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

1．3．2 分修方案平面布置

整体线形呈菱形布置，为非完全分修隧道。其中:进口端合修长度为2 040 m，合、分修过渡段长度为150 m;出口端合修长度为1 370 m，合、分修过渡段长度为260 m;洞身分修段长度为19 513 m。左线线位与合修方案完全相同，右线与左线线间距为4．4～30 m，如图4所示。

图4 分修方案平面示意图(单位:m)Fig．4 Plan of option of twin single-track tunnel tubes(m)

2 合、分修方案比较

为系统地分析云屯堡隧道合、分修方案的优劣，从防灾救援、工程投资、施工风险、施工组织、支护结构对软岩大变形的适应性、结构抗震、弃碴与环保、运营通风8方面进行了技术经济比较。

2．1 防灾救援

2．1．1 紧急救援站救援

云屯堡隧道长度大于20 km，根据《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》，应设置1处紧急救援站。考虑布置均衡，结合辅助坑道位置及其洞口疏散条件，合、分修方案均于洞身4号横洞处设置紧急救援站，站长550 m，距隧道进口8．8 km，距隧道出口13．6 km，如图5所示。

图5 紧急救援站布置位置示意图Fig．5 Arrangement of emergency rescue station

2．1．1．1 合修方案

1)设施配置。防灾救援疏散设施按“方便自救、安全疏散”的原则进行设置。救援站范围:洞内两侧均设疏散站台;洞外两侧各设1条救援疏散平导，通过疏散横通道与正洞相连，横通道内设防护门;靠横洞侧救援疏散平导与横洞直接连接，横洞对侧救援疏散平导通过下穿正洞的联络通道与横洞连接。隧道拱顶上方设置纵向排烟道，通过竖向排烟道与正洞连接。设置通往地面的排烟井，并与纵向排烟道相连。救援站设施布置如图6—8所示。

图6 合修方案救援站及排烟道横断面布置示意图Fig．6 Cross-section of emergency rescue station and exhausted air discharging gallery in the case of option of single double-track tunnel tube

图7 合修方案救援站人员疏散系统平面布置示意图Fig．7 Plan of arrangement of passenger evacuation system of emergency rescue station in the case of option of single double-track tunnel tube

图8 合修方案救援站顶部排烟系统平面布置示意图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)人员疏散。列车遇到火灾停靠后，旅客首先被疏散至靠近列车的疏散站台，通过疏散横通道进入救援平导，随后进入横洞，疏散至横洞洞口外等待救援。

3)风流组织。列车遇到火灾停靠后，新鲜空气由横洞进入，通过一侧救援平导及疏散横通道进入正洞，而对侧疏散横通道防护门处于关闭状态，在此期间人员始终迎着新鲜风流向进行疏散［8］。救援站内烟气由拱顶竖向排烟道汇集于隧道拱顶上方的纵向排烟道，通过排烟井抽排至洞外。

2．1．1．2 分修方案

1)设施配置。防灾救援疏散设施按“方便自救、安全疏散”的原则进行设置。救援站范围:洞内2条隧道相邻侧各设单侧疏散站台，通过疏散横通道相连，横通道内设防护门。隧道上方在2条隧道间设置纵向排烟道，通过竖向排烟道与正洞连接。设置连接横洞与纵向排烟道的联络烟道。救援站设施布置如图9—11所示。

图9 分修方案救援站及排烟道横断面布置示意图Fig．9 Cross-section of emergency rescue station and exhausted air discharging gallery in the case of option of twin singletrack tunnel tubes

图10 分修方案救援站人员疏散系统平面布置示意图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)人员疏散。列车遇到火灾停靠后，旅客通过2条线路间的疏散站台进入疏散横通道待避，由安全隧道内救援列车向洞外疏散。

3)风流组织。列车遇到火灾停靠后，新鲜空气迎着人流疏散方向由安全隧道通过疏散横通道进入火灾隧道。救援站内烟气由火灾隧道内拱顶竖向排烟道汇集于隧道上方的纵向排烟道，通过联络烟道及横洞抽排至洞口外，此时，安全隧道内竖向排烟道风阀处于关闭状态。

图11 分修方案救援站顶部排烟系统平面布置示意图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

通过对比分析，合、分修方案在救援站处均可实现安全、可靠的疏散救援，二者设施配置及功能需求均满足《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》的相关要求，均实现了安全疏散的目的［9］。因此，在救援站救援方面，二者的优劣无明显差异。

2．1．2 紧急出口或避难所救援

2．1．2．1 合修方案

根据《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》第3．0．7条:紧急出口、避难所应结合辅助坑道尽量均匀布置，其间距不宜大于5 km。本隧道辅助坑道布置对此具有良好的适应性，其间距最大为4．5 km。可将2，3，6号横洞、7号斜井作为紧急出口，4号横洞作为救援站疏散通道，5号横洞由于长度大于1 000 m，不宜作为紧急出口，可作为避难所使用。

当列车遇到火灾无法停靠在紧急救援站时，可控制列车尽量停靠于紧急出口(或避难所)附近，由紧急出口向洞外疏散。最不利停靠位置为2个横洞间中部，其最远疏散距离为0．85～2．25 km，相对较短。

2．1．2．2 分修方案

2条隧道间互为救援，利用间距为500 m的横通道作为紧急出口，疏散距离最远不大于250 m。

通过对比分析，在紧急出口(或避难所)救援方面，合、分修方案均满足《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》要求，均具备良好的疏散救援条件，但就任意点停车疏散距离方面，分修方案更优。

2．1．3 防灾救援小结

综上所述，在定点疏散救援方面，合、分修方案基本相当，但在任意点停车疏散救援方面，分修方案较优。

2．2 工程投资

根据工程量进行投资分析，分修方案概算总额较合修方案增加投资23．4%，因此，在工程投资方面，合修方案明显优于分修方案。

2．3 施工风险控制

隧道主要通过以砂岩为主的地层，受构造影响，岩体较破碎，主要施工风险为坍方。双线隧道开挖断面大，坍方风险相对高于单线隧道，但目前我国时速为200 km的单、双线隧道设计、施工技术均已非常成熟;且本隧以硬岩居多，地质条件相对较好，采取针对性的支护措施，均可将坍方风险控制在可接受范围内。

分修方案中，由于存在合、分修过渡段，导致在进出口端形成2处喇叭口衬砌段，最大开挖跨度达21 m，甚至大于3线隧道开挖跨度，其安全风险显著高于双线隧道［10］。

通过对比分析，在施工风险方面，分修方案分开段施工风险较小，但2处合、分修过渡段施工风险相对较大。

2．4 施工组织

1)施工管理。合修方案各工区仅有2处掌子面，分修方案1号横洞工区有2处掌子面、2～6号横洞工区各有4处掌子面、7号斜井工区有3处掌子面。考虑施工期间运输组织、施工通风、横通道施工等因素，相对而言，合修方案施工管理相对简单。

2)断面类型。合修方案仅为双线断面，断面型式单一。分修方案有单线、双线、过渡段大跨等多种断面型式。相比较而言，合修方案更利于组织施工。

3)工期。按《施工组织设计指南》中进度指标的要求［11］，合修方案土建工期为46个月，如图12所示。分修方案左线土建工期为45个月，右线土建工期为61个月，如图13所示。合、分修方案均满足全线总工期要求，但合修方案总工期较分修方案少15个月。

从现场施工管理、断面类型、工期等方面分析，合修方案更优。

图12 合修方案指导性施工组织示意图Fig．12 Tunnel construction schedule in the case of option of single double-track tunnel tube

图13 分修方案指导性施工组织示意图Fig．13 Tunnel construction schedule in the case of option of twin single-track tunnel tubes

2．5 结构对软岩大变形的适应性

结构对软岩大变形的适应性方面，合、分修方案的主要区别在于开挖跨度和开挖洞形。开挖跨度方面，双线隧道开挖跨度大，围岩压力大，变形控制较单线隧道困难，设计、施工难度较大;而开挖洞形方面，双线隧道开挖洞形接近圆形，结构受力条件较好，单线隧道略呈“马蹄”形，结构受力条件一般。由于隧道以砂岩等硬岩为主，可能发生软岩大变形的段落长度占全隧的9%，并非为选择合、分修方案的主要因素。

通过对比分析，无法判断二者优劣，结合工程实践，分修方案较优。

2．6 结构抗震

云屯堡隧道地震作用影响大的洞口、断层及浅埋段均位于进出口段，进行合、分修比较的段落均位于地震作用影响小的深埋段。

因此，结构抗震方面并不影响隧道合、分修方案的选择。

2．7 弃碴与环保

隧道弃碴场均沿岷江河谷设置，受地形、地质(泥石流)、环保条件的限制，碴场选址极为困难。大部分弃碴需经213国道运输，而213国道为通往九寨沟、黄龙等著名景区的旅游道路，弃碴运输对国道交通影响巨大。

合修方案经213国道运输的弃碴为319万m3，分修方案较合修方案增加弃碴约80万m3，增加弃碴占地4．67 hm2，且均需经过213国道运输，进一步加大了弃碴运输对213国道的交通压力。因此，在弃碴环保方面，合修方案较优。

2．8 运营通风

合、分修方案运营通风模式基本相同，均为采用救援站处排烟道作为排风口的分段纵向式通风方案。即隧道进出口端向洞身中部输送新鲜风，污风由救援站处烟道抽排至洞外。运营通风方案如图14和图15所示。

图14 合修方案运营通风示意图Fig．14 Operation ventilation of tunnel in the case of option of single double-track tunnel tube

图15 分修方案运营通风示意图Fig．15 Operation ventilation of tunnel in the case of option of twin single-track tunnel tubes

本隧道防灾通风控制风机数量，并兼顾运营通风一并布设。合修方案共设置72台风机，总功率1 997 kW。分修方案共设置 77台风机，总功率2 214 kW。

通过对比分析，在运营通风方面，合、分修方案均采用分段纵向式通风，通风方案一致，风机功率相当，无明显优劣。

3 综合比较

将合、分修方案8方面的比较结果进行汇总，如表1所示。

表1 云屯堡隧道合、分修方案比较结果汇总Table 1 Comparison and contrast between option of single doubletrack tunnel tube and that of twin single-track tunnel tubes

4 结论与讨论

结合云屯堡隧道的工程特点及现状，通过各方面的对比分析，可以得出:1)结构抗震、运营通风对隧道合、分修方案的选择基本无影响;2)施工组织、弃碴与环保方面合修方案较优;3)结构对软岩大变形的适应性方面，分修方案较优;4)在控制施工风险方面，一般段落分修方案较为有利，但在喇叭口大跨段，分修方案风险较高;5)由于隧道具有不同于常规越岭隧道的疏散救援条件，合、分修方案的防灾救援设施均满足《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》的相关要求，但在任意点防灾救援方面，分修方案更优;6)工程投资方面，合修方案优势明显，具有良好的经济性。

综上所述，结合隧道进出口端相连工程已开工建设的现状，云屯堡隧道可采用合修(单洞双线)的建设方案。

隧道合、分修方案的选择需要考虑的因素较多，受技术人员知识水平及外部建设环境的制约，有时甚至可能导致错误的结论，因此，建议尽快完善我国隧道合、分修方案选择的评价体系及评价标准。

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