成兰铁路云屯堡隧道紧急救援站设计优化研究

王若晨，朱 勇，邸 成，黄 华

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031)

0 引言

随着我国铁路建设的飞速发展，新建铁路长大隧道(隧道群)数量和长度都在不断刷新记录。截至2018年底，我国投入运营的铁路隧道15 117座，总长16 331 km，其中,特长隧道142座，总长1 930 km[1]。隧道防灾救援设计也逐渐上升到了新的高度。国内外特长隧道已有较多设置紧急救援站的案例，最具代表性的当属瑞士圣哥达隧道(57 km)[2]、日本青函海底隧道(53.85 km)[3]、英法海峡隧道(49.4 km)[4]。国内设置救援站且已运营的隧道工程主要有石太线太行山隧道(27.839 km)[5]、兰武线乌鞘岭隧道(20.1 km)[6]、青藏线关角隧道(32.645 km)[7]等。除青函隧道采用单洞合修模式外，其余设置救援站的隧道均为双洞分修模式。成兰铁路云屯堡隧道为国内首座采用单洞合修模式并在洞内设置救援站的特长山岭隧道，其救援站设置模式与既有工程不同。

已有学者对长大隧道救援站设置模式及设计参数等进行了研究，以便为铁路特长隧道设计提供理论依据。例如：李国良等[8]采用流体力学软件STAR_CD/CCM+、安全疏散软件STEPS、隧道软件IDA及现场火灾试验对关角隧道疏散救援、通风排烟、救援指挥系统等进行研究；陈绍华[9]分析了关角隧道救援站方案比选、人员疏散及通风排烟方案，为特长分修隧道防灾通风模式及设计参数的选择提供了一定的理论支持；王明年等[6]采用building-EXODUS人员疏散仿真计算软件对长大铁路隧道救援站的疏散横通道设计参数、救援站台设计参数等进行了模拟计算；刘赪[10]通过调研对比，总结了我国防灾救援工程设计经验，分析了特长隧道单洞模式的可行性。

总体来看，目前关于铁路特长隧道救援站的研究还主要集中在分修模式上，涉及合修模式隧道的理论模型或调研资料仍然偏少。因此，本文尝试根据新建成兰铁路云屯堡隧道救援站段建设过程中遇到的实际问题，从土建规模、工程投资、施工风险、人员疏散与通风排烟、运营维护5个方面进行综合比选，对该处单洞合修模式救援站提出优化建议，以期解决云屯堡隧道工程建设需求，也为今后国内外特长铁路隧道防灾救援设计提供参考。

1 工程概况

云屯堡隧道全长22.9 km，为单洞双线合修隧道，设计速度200 km/h，进口紧邻岷江双线特大桥，出口接松潘车站，线路单面上坡。隧道辅助坑道采用“7横洞”配置方案[11]。

2 原救援站设计方案

云屯堡隧道长度超过20 km，根据TB 10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》[12]及云屯堡隧道补充设计批复意见，结合施工辅助坑道位置、洞口疏散条件，在4#横洞与正洞交叉处设置1座紧急救援站，救援站长550 m，距隧道进口端8.81 km，距隧道出口端13.563 km[13]。

为便于人员逃生疏散，于救援站地段两线线路中线外侧30 m处分别设置450 m长的左侧平导和447 m长的右侧平导，并于左、右侧平导与救援站正洞间按间距约50 m设置1处疏散联络通道，两侧各设11处，共22处，见图1。左侧平导直接利用4#横洞作为紧急出口，右侧平导在中部设置1处联络通道下穿正洞及左侧平导，与4#横洞相接形成通向洞外的逃生通道。为改善救援站地段的人员疏散环境，实现“人烟分离”，于隧道救援站地段拱顶正上方设置430 m长的排烟道；排烟道底部与正洞拱顶间设置6处竖井式联络烟道，并于排烟道与地表间设置1座652 m长的排烟斜井，见图2。

图1云屯堡隧道救援站疏散设施平面布置Fig.1 Plan layout of evacuation facilities of Yuntunbao Tunnel rescue station

图2 云屯堡隧道救援站通风排烟系统平面布置Fig.2 Plan layout of ventilation and smoke extraction system of Yuntunbao Tunnel rescue station

3 建造期间的问题

截至方案研究时，隧道救援站段已完成左侧平导开挖支护450 m、正洞开挖支护与仰拱550 m、二次衬砌237 m。

3.1 工程地质情况

救援站段开挖揭示的岩性主要为千枚岩、炭质千枚岩、炭质板岩，薄层状，层间结合差，岩性软弱多变、均一性差。受岷江活动断裂和新塘关3号倒转背斜等复杂构造影响[14]，岩体挤压揉皱明显，围岩破碎—极破碎，节理裂隙极发育。隧道右侧350 m外平行发育1条岷江支流，救援站位于其渗流范围内，地下水发育，呈股状流出。软质岩遇水软化加剧，松动圈扩大，导致隧道初期支护混凝土发生开裂、掉块，钢架扭曲变形[15]，4#横洞发生底鼓和二次衬砌压溃变形等现象。550 m救援站段落中仅22 m为原设计Ⅳ级围岩，其余528 m均按变更设计调整为Ⅴ级围岩。结合本隧道“复杂的构造运动历史及结构形式，复杂多变的复理岩建造，复杂的地应力环境、地下水条件”的典型特征，推测隧道救援站段处于层间挤压破碎带。

3.2 现场施工工序

云屯堡隧道救援站段采用了上、中、下3层结构形式。

施工图设计时，施工工序总体思路为“先下后上”：先施工4#横洞洞身与隧底疏散联络通道，再施工正洞上跨隧底疏散通道影响段，最后利用左侧疏散救援平导作为运输通道，继续施工正洞与右侧疏散救援平导。

但是，现场实际施工时受多因素影响，工序有所调整，隧底疏散联络通道下穿段未能先行施作，导致目前施工难度与风险增加。

综合实际地质情况及现场施工问题，需对救援站段工程方案进行调整优化。

4 优化方案比较

由于现场已出现初期支护变形、群洞效应显著，且救援站段通道交错，施工风险高、难度大，需减少通道数量或加大相邻洞室结构间距，同时不能影响救援站人员安全疏散功能。因此，根据施工进度，提出了加大线间距、下穿改上跨、减少通道3个调整方案，为系统分析各调整方案优劣，拟从土建规模、工程投资、施工风险、人员疏散与通风排烟、运营维护5个方面进行技术经济比较，寻求优化方案。

4.1 土建规模

4.1.1 加大线间距方案

根据推测挤压破碎带范围，对隧道防灾救援疏散工程进行优化调整，将相关工程结构尽量移至挤压破碎带范围以外。1)右侧平导由距左线线路中线35 m调整为55 m，以降低群洞效应影响，长度447 m不变；2)正洞拱顶上方原平行排烟道位置向外水平调整至距左线线路中线35 m，竖向高度由10 m调整至13 m，结构长度与施工图设计保持一致；3)竖井式联络烟道由竖向直筒结构调整为近90°直弯头结构；4)结合段内层间挤压破碎带范围，将隧底疏散联络通道与右侧平导交点向小里程端调整50 m，以避开不良地质，通道长度为302 m，较原方案增加109 m。方案1三维示意图见图3。

图3 方案1三维示意图Fig.3 3D schematic diagram of scheme 1

同时，结合辅助坑道地形条件，在不影响通风排烟的前提下，为利于轴流风机房布置与设备维护，将联络排烟道(原排烟斜井)与平行排烟道交点向大里程端调整至PD3K222+509处，以避开不良地质，出口与4#横洞洞身相接，通过4#横洞洞口排烟。排烟道长度为445 m，较原方案减少207 m。

该方案与原方案类似，救援站段落仍呈横断面上中下、平面左中右立体分布。

4.1.2 下穿改上跨方案

在方案1加大工程线间距基础上取消下穿疏散联络通道，将救援站段结构优化为上下2层分布，同时不影响排烟效果。右侧平导通过两端上跨结构跨过正洞与左侧平导相接。上跨结构断面尺寸与平导保持一致，采用无轨单车道断面，5 m×6 m(宽×高)。方案2三维示意图见图4。

图4 方案2三维示意图Fig.4 3D schematic diagram of scheme 2

4.1.3 合并结构减少通道方案

在方案1基础上，考虑下穿结构施作难度及风险较大，因此研究取消下穿疏散联络通道方案，优化救援站段结构为上下2层分布。1)将平行排烟道与右侧平导合并，下穿疏散通道与上跨排烟井合并，竖井式联络烟道延长与右侧加高平导上部相接；2)原设计中右侧平导及平行排烟道均采用无轨单车道断面，5 m×6 m(宽×高)，方案3将其合并。为满足通行及排烟相关要求，其断面内净空尺寸为6 m×8.49 m(宽×高)，中部采用45 cm厚隔板分隔为上部排烟道及下步人员疏散通道2部分。原下穿疏散联络通道采用无轨双车道断面，7.5 m×6.2 m(宽×高)，联络排烟道采用无轨单车道断面5 m×6 m(宽×高)，现将其合并，从右侧疏散排烟通道中部引出，上跨正洞，与4#横洞相接。为满足通行及排烟相关要求，其断面内净空尺寸为7.5 m×8.56 m(宽×高)，中部采用45 cm厚隔板分隔为上部排烟道及下部人员疏散通道2部分。方案3三维示意图见图5。

图5 方案3三维示意图Fig.5 3D schematic diagram of scheme 3

通过对比，方案1与方案2工程规模接近，方案3由于合并了两管结构，工程规模最小，具体见表1。

4.2 工程投资

根据各方案土建工程规模，对各方案土建工程投资进行了估算，见表1。

表1 各方案土建规模及投资对比Table 1 Comparison of project scale and investment among 3 schemes

根据投资分析，方案3虽然减少了通道数量，但需要加大断面，增设隔板，投资增加反而最高。方案1与方案2工程量相近，方案1较方案2增加投资约37%。

4.3 施工风险

根据现场揭示的地质情况，隧道救援站段岩性软弱多变，围岩破碎，节理裂隙发育且地下水发育，同时根据现场地应力测试结果[15]，隧址位于较高地应力地区，施工风险高。

4.3.1 加大线间距方案

加大各结构间距，弱化群洞效应。首先，处理变形、对既有结构进行加固，施工工序仍按由下及上编制，先施工下层结构即下穿疏散通道，同时施作联络排烟道非上跨交叉段落；然后，施作中层结构即右侧平导等；最后，施工上层结构，先通过联络烟道施工平行排烟道，再跳段开挖竖井式联络烟道。通过合理安排施工工序，合理使用控制爆破和机械开挖，加强支护措施，降低施工风险。

4.3.2 下穿改上跨方案

本方案较方案1取消了下穿疏散通道，改为平导两端头上跨，但由于整个救援站均位于同一地层中，较差的工程地质环境并未改善，1次下穿改为2次上跨，反而加大了交叉段施工风险。

4.3.3 合并结构减少通道方案

本方案合并结构减少了2条通道，但由于是在大变形地层中进行的调整，断面形式偏于瘦高，不利于变形控制。同时平行排烟道与右侧平导合并，排烟通道高程下降明显，导致原“直弯钩”形竖井式联络烟道变为“几”字形，施工难度加大。

考虑本工区利用4#横洞排水，而疏散联络通道及平导等通道都能实现顺坡排水，因此各方案均不存在排水问题。综上分析，方案3施工风险最高，方案1施工风险最低。

4.4 人员疏散与通风排烟

4.4.1 加大线间距方案

本方案能够提供相对独立的人员疏散空间与烟气排放空间，人员由疏散联络通道经4#横洞安全疏散，火灾烟气由正洞顶部竖井式联络烟道经平行排烟道及联络烟道排出洞外，见图6。

图6 方案1左线失火列车通风排烟方案Fig.6 Diagram of ventilation and smoke extraction scheme for fire train on left line (scheme 1)

4.4.2 下穿改上跨方案

本方案与方案1通风排烟大体一致，但由于下穿通道改为在平导两端上跨相连，疏散通道长度及送风长度增加约76%，风压增加近11%，见图7。

图7 方案2左线失火列车通风排烟方案Fig.7 Diagram of ventilation and smoke extraction scheme for fire train on left line (scheme 2)

4.4.3 合并结构减少通道方案

本方案火灾烟气自正洞抽离后，就一直与人员疏散路径一致，仅靠结构中部隔板分离，同时为利于上跨，疏散联络通道采用12%上坡，原低位平导变为高位平导，导致火灾烟气易侵入疏散联络通道。此外，因本方案竖井式联络烟道呈“几”字形，使其原有烟囱效应弱化，排烟效果不如原方案。该方案风机功率较方案1增加约15%，设备选型及运营阶段成本等都会相应受到影响。

综上，方案1的疏散排烟方案最优。

4.5 运营维护

方案1与方案2各通道相对独立，运营期间检修养护方便。方案3采用加高结构设置隔板以实现人烟分离，理论可行，但火灾烟气为高温气体，且考虑结构的可靠性、材料的耐久性、施工缝的密封处理、目前隧道施工工艺水平等因素，很难达到既有方案的可靠性。同时，竖井式联络烟道因形状原因，维护难度大。因此方案1、方案2在运营期间优势更明显。

5 方案综合比选

将各方案5个方面的对比结果进行汇总，如表2所示。

表2 云屯堡隧道救援站调整方案比选结果汇总Table 2 Comparison among 3 schemes

6 结论与讨论

结合云屯堡隧道救援站的工程特点及现状，通过方案研究比选分析，可以得出：1)特长隧道紧急救援站段结构复杂，但其工程投资与通道数量不一定成正比，设置各司其职的多处小断面通道，可能比仅设置1处大断面综合通道节约投资；2)救援站地段应适当加大各平行或交叉结构间距，以避免或弱化群洞效应；3)救援站整体土建规模较小时也可能存在较高的施工风险，应结合工程地质环境综合考虑；4)救援站内土建工程方案调整对机电设备配套会造成一定影响，从而影响后期运营成本；5)竖井式联络烟道宜按90°直弯头设计，便于施工及运营维护、检修。综上所述，结合现场隧道施工现状，云屯堡隧道内救援站采用方案1作为优化方案。

现阶段我国特长隧道仍以分修为主，防灾救援作为影响隧道合、分修的重要因素之一，尚需进一步的工程经验积累及专业技术人员的系统研究。随着在建项目及拟建项目中特长隧道数量和长度的增加，建议尽快完善特长隧道单、双洞防灾救援方案量化评价方法。同时，建议优化、完善隧道防灾救援设计规范，做到防灾救援疏散工程的因地制宜、经济合理。