金台铁路越岭特长隧道设计方案研究

谢勇涛

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

金台铁路越岭特长隧道设计方案研究

谢勇涛

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

金华至台州铁路的技术标准为单线预留双线，地形和地质条件复杂的越岭段存在隧道方案单双线的比较、工程投资、施工安全、工期控制及防灾救援体系等诸多设计难点。通过对隧道两端的接线条件、会让站的设置、地质条件、单线与双线、施工方法、防灾救援、工期、工程投资及环保等多方面的研究，在确保工期合理、节省投资和运营支出、施工安全可控的前提下，推荐采用18.37 km特长隧道的越岭方案，并采用一次双线分期实施，进口钻爆法+出口1台TBM施工的隧道设计方案。

铁路隧道；越岭；特长隧道 ；方案比选；防灾救援

1 概述

金台铁路位于浙江省中东部的金华、丽水、台州地区。线路自金华地区在建金温扩能项目的永康南站引出，向东经丽水市缙云县所辖的壶镇、金华市所辖的磐安、台州市所辖的仙居、临海和台州城区，接入甬台温铁路台州站，正线全长145.101 km。金台铁路是国家“十二五”铁路规划的组成部分，也是浙江省2014年确定铁路建设“八八计划”开工项目之一[1]。

金台铁路正线隧道共76.030 km/34座，隧道占线路长度的52.3%，其中磐安至仙居段为本线越岭段，线路需穿越大盘山脉，地势西高东低，地形复杂，地质构造发育，线路选择范围大，越岭隧道可比方案多，因而，越岭隧道的选择是全线工作的重点，直接影响线路方案的稳定和工程的可实施性。

2 线路方案研究

2.1 越岭段线路走向选择

磐安站至仙居站区间为本线越岭段，根据区域地形特征及越岭隧道两端引线条件，按照铁路发展的思路及当今的技术水平，考虑近远期输送能力的需求，以近远期结合、彻底绕避不良地质、线路运营长度短的总体思路，根据本线的技术标准，结合地形地质条件[2-3]，通过分析比选，筛选出如图1所示的3种走向方案，即南方案——15.96 km越岭隧道方案、中方案——18.37 km越岭隧道方案、北方案——28.87 km越岭隧道方案。

图1 越岭段方案比选示意

2.1.1 水文地质条件分析比选

越岭段地形、地质条件复杂，岩性变化大，山高坡陡谷深，气候的平面分区和垂直分带明显，各处水文地质条件差异较大。特长隧道应进行专门的水文地质勘察与评价工作[4]，表1给出了初测阶段按地下径流模数法初步估算调绘区各隧道方案的正常涌水量计算预测结果，地下水类型主要有以下3种：松散岩类孔隙潜水、红色碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水，均受大气降水补给。

表1 越岭隧道方案地下水预测

对比分析各方案隧道涌水量的计算可知，南方案和北方案，属中等富水区；中方案隧址属弱富水区。

2.1.2 工程地质特征分析比选

(1)地层岩性

3种越岭方案都以侏罗系上统熔结凝灰岩为主，局部地段有岩脉倾入，北方案隧道区约300 m穿越老火山口，以流纹岩为主；中方案隧道区局部发育侵入岩脉，以英安玢岩为主，占隧道长度1%；南方案隧道区长达2.5 km穿越老火山口，以流纹岩为主，占隧道长度17%。

隧道方案经过地层条件相差不大。但从岩性及岩层的完整性来看，北方案受构造影响严重，岩体较为破碎，完整性较差，Ⅳ级和Ⅴ级占44.5%。中方案侵入岩和正变质岩等硬质岩相对较多，岩体完整性及工程性质相对较好，围岩级别Ⅱ级、Ⅲ级为主，占隧道长度的72.18%，少量Ⅳ级和Ⅴ级；南方案岩性仍为凝灰岩为主、局部为侵入岩，Ⅳ级、Ⅴ级围岩约占43.9%。综上所述，中方案隧道围岩相对较好。

(2)地质构造

北方案隧道区发育21条断层，平均每公里0.7条，多为大角度相交于线路，其中F23和线路基本平行10 km，断层影响带占隧道长度的49.6%；中方案隧道区发育10条断层，平均每公里0.5条，均大角度相交于线路，断层影响带占隧道长度的30.9%；南方案隧道区发育7条断层，平均每公里0.5条，多大角度相交于线路，出隧道后线路平行于1条北西向断层，断层影响段落约5 km，断层影响带占隧道长度的58.5%。3种方案的地质构造情况详见图2，经比较，中方案工程地质条件较好，地质条件不利地段也最短，具有明显的比较优势。

图2 越岭段地质构造示意

2.1.3 辅助坑道条件

北方案辅助坑道选择困难，采用5座斜井(斜井总长5 950 m)+出口段长约10 km的平导，工期约44个月，工程实施难度较大。中方案进口段辅助坑道条件较好，出口段隧道埋深较大，斜井选择困难，因此辅助坑道采用2座斜井+出口平导方案，斜井共1 995 m，平导8 370 m，工期约37.97个月。南方案采用3座斜井施工，共4 500 m，工期约35个月，其中2号斜井较长，约2 200 m，施工场地条件较差。

2.1.4 综合评价及推荐意见

通过越岭段区域勘察，北方案工程地质条件较差，辅助坑道选择困难；中方案越岭隧道长度、线路长度适中，工程实施难度较小，地质条件较好，辅助坑道方案较为合理，施工工期较短；南方案在越岭隧道后有大段落滑坡及平行断层等不良地质段落，且南方案线路运营长度较中方案长约2.1 km。通过比选，中方案经济技术条件明显占优，工程地质条件相对较好，推荐中方案18.37 km越岭隧道的线路走向方案。

2.2 单、双线方案比选(图3)

全线技术标准为单线预留二线，磐安站至白塔站间为越岭段，站间距为27.2 km，根据越岭隧道两站区间的运量情况分析，按单线不能满足输送能力，具体通过列车数量见表2，需采取在隧道中增设会让站过渡，双插，局部双线，局部双线分期投资的措施。

图3 单双线方案比选

列/d

2.2.1 单线方案

越岭区间为单线，于将军岭越岭隧道内CK48+200处设无人值守将军岭站，设站后磐安至白塔段形成两单线区间，站间距均为13.6 km，能满足近期通过能力要求。本方案线路长度24.920 km，桥隧比98.24%。投资估算203 218.72万元。由于隧道中间设越行站，会车时通风条件差，事故救援困难，车站设备养护维修困难，故运营风险高，另远期将军岭车站关闭，产生废弃工程，车站投资约2 315万元。

2.2.2 双线方案

(1)同期实施

越岭区间为两条单线，将军岭隧道为双洞单线，可以满足近远期运量问题。本方案左线长度24.920 km，右线长度24.888 km。桥隧比98.24%。投资估算335 680.86万元，其中越岭隧道一次性工程投资约160 303万元。

(2)分期实施

本方案区间为两条单线，将军岭隧道为双洞单线，考虑隧道内设站不利于运营管理，采取双线分期实施左右线隧道的方案。Ⅰ期隧道采用进口两斜井+出口平导方案，Ⅱ期隧道利用Ⅰ期进口两斜井+出口平导扩挖。经检算运营初期Ⅰ线隧道中可不设越行站，越岭段区间货运输送能力为792万t/年，能满足输送能力，按计划本线2020年通车，2024年运量将超过792万t/年，故双插段Ⅱ期工程可推迟4年。

本方案一期工程投资估算266 398万元，总投资估算约349 064万元。其中越岭隧道分期实施，一期投入约109 176万元，二线隧道费用较省，约64 210万元，越岭隧道总投资约173 386万元。二期工程推迟4 年开通，可节省利息约18 084万元。

2.2.3 比选结论

通过比选，单线方案隧道内设会让站，不利于铁路运营管理，且车站远期为废弃工程，车站投资约2 315万元，工程浪费较大。双线方案能满足客货运输的要求，且远期投资较省、运营风险小，考虑一次双线投资压力的问题，越岭隧道分期实施方案可以缓解近期工程投资压力，可节省利息支出约18 084万元，较同期实施经济效果具有明显优势。因此推荐磐安至白塔站区间为双线，越岭隧道分期实施的方案。

3 施工方法的研究

《铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南》中规定，新建铁路隧道长度大于10 km时，且地形、地质、水文和运输场地等条件适合采用掘进机法修建时，经技术经济比较后应优先采用掘进机法[5]。韩冰等通过调研国内外TBM在隧道施工中的应用情况，研究了TBM的施工组织设计，得出特长隧道采用TBM快速施工是首选施工方案[6]。唐志强研究了TBM施工方法在青岛地铁中的应用[7]。由于本线越岭隧道工程地质条件相对较好，且出口端辅助坑道条件较差，为保证施工进度，积极采用新技术，本隧道应研究采用TBM施工的可行性。

3.1 TBM适应性研究

余洁根据中天山隧道的地形地质条件并借鉴西康线秦岭隧道的实践经验，分析了TBM的工程适应性得出隧道围岩的工程地质对TBM掘进效率影响显著的结论[8]。

可见地质情况是TBM选型的主要因素之一，本隧道穿越主要地层为西山头组第一段含角砾玻屑凝灰岩，第二段晶屑凝灰岩，第三段晶屑凝灰岩、含角砾玻屑凝灰岩，侏罗系上统霏细斑岩。隧道通过区褶皱构造发育，共有断层33条，断层带及影响带宽约1 760 m。地层条件统计见表3。

表3 隧道地层岩性统计

本隧道Ⅴ级围岩长度1 930 m，约占10.5%，Ⅳ级围岩长度3 180 m，约占17.3%，Ⅲ级围岩长度5 165 m，约占28.1%，Ⅱ级围岩长度8 095 m，约占44.1%。隧道主导地质以中等硬岩为主，岩石的干燥抗压强度为40 MPa，隧道地下水不甚发育，涌水量较小，水文地质条件较好。隧道洞壁能承受TBM的水平(X型)支撑力，能满足敞开式掘进机的施工条件。洞身一些小的断层带、物探低阻带，尽管TBM的适应性差，但通过采取辅助措施可以通过。因此，将军岭隧道采用TBM方案具有可实施性。

3.2 TBM施工方案

结合越岭隧道方案比选，分别对单线隧道方案和双洞单线方案进行研究。各方案施工方案及工程投资见表4。

表4 TBM施工方案比较

3.3 TBM施工方案研究结论

单线方案时，隧道采用TBM施工只掘进7.95 km，利用率不高，投资较大，不经济。双线方案同期实施，采用出口2台TBM同时施工左、右线隧道出口端，工程一次性投入大。双线分期投资方案，一期采用1台TBM施工左线隧道出口端，进口端采用2座无轨单车道斜井施工。待二期实施时，TBM施工右线隧道出口端。进口端利用一期斜井施工。设备使用率高，总投资最省，可以降低项目设计概算和资本金。

因此，在考虑控制本项目可研投资估算，又可以发挥出本线的运输能力，采用越岭区间按一次双线分期投资的情况下，TBM方案是可行的。

4 隧道设计方案研究

《隧道设计规范》及相关铁路文件规定，新建双线10 km及以上的特长隧道应根据地形地质条件，结合施工方法、施工组织要求，以及运营与防灾救援疏散工程设置等的需要，进行修建单洞双线隧道和双洞单线隧道的技术经济比较[9-10]。为此，分别对越岭隧道单双线方案进行分析比选，确保工期合理、节省投资和运营支出、施工安全可控。

4.1 单线隧道方案4.1.1 方案概况

将军岭隧道位于丽水市壶镇至仙居县皤滩乡西北，隧道起讫里程为CK41+030～CK59+400，全长18 370 m。为客货共线单线电气化铁路隧道，CK47+650～CK48+744段设将军岭车站，设计速度为160 km/h，洞内铺设无砟轨道。

4.1.2 施工方法及施工组织设计

(1)施工方法

由于单线隧道采用TBM方案投资高，机械利用率低，故采用钻爆法施工。Ⅱ、Ⅲ级围岩一般地段采用全断面施工，岩爆地段采用台阶法施工；Ⅳ级围岩采用台阶法施工；Ⅴ级围岩采用台阶法或环形开挖预留核心土法施工。

(2)施工组织

结合隧道所在地区的地形地貌和工程地质条件，对辅助坑道方案进行比较。

方案一：两斜井+局部平导，斜井总长1 995 m，平导8 370 m，工程贯通需约37.97个月。

方案二：三斜井+局部平导道，斜井总长3 845 m，平导4 230 m，工程贯通需约37.7个月。

方案三：两斜井+局部平导，平导总长18 370 m，工程贯通需约45个月。

优缺点比较：方案一辅助坑道比方案二辅助坑道长2 290 m，方案一的出口端平导施工组织相对方便，施工排水均可以顺坡排水，平导可作为防灾救援疏散通道，远期增二线时可扩挖二线。方案二的2号与3号斜井均较长，两斜井之间为反坡排水困难，施工通风段落较长，约5.5 km，施工通风难度较大，且3号斜井施工场地相对狭小，施工组织及隧道出砟运距较困难。方案三辅助坑道最长，施工工期45个月，近期投资较大，但贯通平导对铁路运营及防灾救援有利，平导可以直接扩挖为二线。

综上所述，从投资、工期、施工组织及防灾救援等方面进行综合比较，辅助坑道方案推荐方案一。

4.2 双线隧道方案比选4.2.1 方案概况

将军岭隧道左线隧道起讫里程为CK41+030～CK59+400，全长18 370 m。客货共线双洞单线电气化铁路隧道，两线间距为30 m，设计速度为160 km/h，洞内铺设无砟轨道。

4.2.2 同期实施方案施工方法及施工组织设计

(1)施工方法

由于左右线同期施工，采用2台TBM施工方案投资高，机械利用率低，故采用钻爆法施工。

(2)施工组织

结合隧道所在地区的地形地貌和工程地质条件，对辅助坑道方案进行比较。

方案一：三斜井+局部平导，斜井总长3 845 m，平导4 230 m，左线工期37.8个月；贯通工期39.8个月。

方案二：两斜井+右线快速施工(初期支护为主要承重结构)，斜井总长1 995 m，贯通工期45.12个月。

方案三：两斜井+局部平导道，斜井总长1 995 m，平导8 370 m，左线工期40.3个月，贯通工期43.4个月

优缺点比较：方案一施工工期最短，约39.8个月，该方案3号斜井较长，斜井工区段落约5 km，施工通风、排水较困难，出口平导可扩挖为正洞。方案二总投资最少，但施工工期最长，约45.12个月，右线出口平导一次开挖至正洞断面，施工组织简单。方案三施工工期相对较长，约43.4个月，投资相对较少，但平导扩挖为正洞施工组织比较复杂。

综上所述，从投资、工期及施工组织等方面进行综合比较，辅助坑道方案推荐方案一。

4.2.3 分期实施方案施工方法及施工组织设计

(1)施工方法

由于左右线分期投资方案，一期采用1台TBM施工左线隧道出口端，待二期实施时，TBM机施工右线隧道出口端。设备使用率高，总投资较省，可以减小设计概算和项目资本金。故采用TBM法施工。

(2)施工组织

进口端采用2座无轨单车道斜井施工，斜井总长1 995 m。出口端采用1台TBM施工左线隧道，待二期实施时TBM机施工右线隧道出口端。进口端利用一期斜井施工。一期施工工期约39.18个月。二期工期约36个月。

4.3 防灾救援工程设计

隧道防灾贯彻“以人为本、应急有备、方便自救、安全疏散”的原则[11]。将军岭隧道长18 370 m，隧道进口端紧邻央塘隧道出口，央塘隧道起讫里程为CK37+990～CK40+825，全长2 835 m。央塘隧道出口距将军岭隧道进口205 m，两隧道形成21.41 km的隧道群，针对特长隧道的特点，对防灾救援方案进行设置避难所及救援站的综合比选。各方案优缺点对比见表5。

表5 防灾救援方案优缺点对比

经综合比选，采用设1座救援站位于明线处的方案，救援站长度560 m，疏散站台宽度2.3 m，高度2.3 m，双洞单洞隧道横通道间距50 m，单线隧道时在预留Ⅱ线位置设救援通道[12]。

4.4 经济效果评价

通过对越岭隧道单、双线方案的比选，分别确定了隧道施工方法、施工组织、防灾救援等的设计方案，鉴于一次投入资金压力较大，隧道方案的确定还应考虑经济效益，在充分考虑资金时效性的基础上进行确定。各隧道设计方案对比见表6。

表6 越岭隧道方案对比

通过以上分析可以看出，单线方案近期投资最省，但是单线方案洞内设将军岭会让站对铁路运营管理不利，运营风险高，且远期该车站为废弃工程，投资约2 315万元，工程浪费较大。越岭隧道分期实施方案虽然总投资较高，但可以通过分期实施缓解工程一次投资压力，二期可以推迟4年完工，可节省利息支出约18 084万元，较同期实施在经济效果上具有明显优势。

5 结论和体会

5.1 结论

通过对金台铁路越岭地段的地质条件分析、运输通过能力分析、施工方案的研究及不同方案的经济效果的评价，最终确定了越岭特长隧道方案：采用中方案(18.37 km隧道)技术条件可行、方案经济合理。区间采用双线方案，越岭隧道分期实施，采用TBM+钻爆法施工。

5.2 几点体会

(1)地质条件复杂越岭地段，应进行不同越岭位置、不同隧道工程的区域地质调绘，查明控制方案的区域工程地质条件和影响越岭隧道的地质问题，并在此基础上进行地质选线，从而确定技术条件可行、方案经济合理的越岭位置和隧道方案。

(2)越岭特长隧道应根据线路技术标准及客货运量的要求确定区间单双线方案，通过对单线隧道中间增设会让站，双插，局部双线，局部双线分期投资的措施进行综合比选，从而确定合理的隧道方案。

(3)在长及特长深埋隧道的方案研究比选中，要开展施工工法(TBM与钻爆法) 的比较，研究设置辅助坑道条件和TBM的适应性。根据具体的地质条件和地形情况合理地选择施工方法。

(4)特长隧道设计方案的确定，应充分考虑工程投资的时效性，在运力能够满足需求的前提下，分期实施既可缓解近期投资压力，又可节省利息支出，较同期实施经济效果具有明显优势。

[1] 中铁第五勘察设计院集团有限公司.金华至台州铁路工程可行性研究[R].北京:中铁第五勘察设计院集团有限公司，2014．

[2] 赵永红.西安至平凉线永寿梁越岭地区综合选线方案研究[J].铁道标准设计，2013(12):27-31．

[3] 曹祥.山西中南部铁路通道吕梁山越岭段方案研究[J].铁道标准设计，2014(2):8-11．

[4] 中华人民共和国铁道部.TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S].北京:中国铁道出版社，2007．

[5] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]106号铁路隧道全断面掘进机法技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2007．

[6] 韩冰，柴永模.客运专线铁路特长隧道TBM施工方案研究[J].铁道标准设计，2007(6):97-101．

[7] 唐志强.青岛地铁隧道施工采用TBM工法分析[J].铁道标准设计，2013(5):90-93．

[8] 余洁.中天山隧道TBM掘进施工适应性研究[J].现代隧道技术，2014，51(3):51-60．

[9] 中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005．

[10]中国铁路总公司.铁总建设[2013]103号铁路工程设计措施优化指导意见[S].北京:中国铁路总公司，2013．

[11]中华人民共和国铁道部.TB10020—2012铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2012．

[12]谢勇涛，丁祥.香山特长隧道运营通风及防灾救援方案设计研究[J].铁道标准设计，2010(4):81-84．

Research on Design Scheme for Extra-long Tunnel on Jinhua to Taizhou Railway

XIE Yong-tao

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 102600)

Jinhua to Taizhou railway is designed as a single-track line with reservation for future double-track. There are many difficulties encountered during the design such as scheme comparison between single-track and double-track， project investment， construction safety， progress control and disaster rescue system related to complex terrain and geological conditions. With extensive studies on connection conditions at the ends of the tunnel， setting of meeting station， geological conditions， single-track and double-track， construction methods， disaster rescue， construction period， project investment and environmental protection， a 18.37 km extra-long tunnel is recommended under the precondition of reasonable progress schedule， less investment and operation expenses and controlled construction safety， and a two-phase implementation， and drilling and blasting method+TBM are also recommended.

Railway tunnel; Cross mountain; Extra-long tunnel; Comparison and selection; Disaster prevention and rescue

2014-10-30；

2014-11-12

谢勇涛(1974—)，男，高级工程师，注册岩土工程师，1996年毕业于西南交通大学隧道与地下工程专业，工学硕士，E-mail：xyt8630276@163.com。

1004-2954(2015)07-0128-06

U452.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.029