西十高铁秦岭马白山特长隧道分合修方案研究

刘陆拓

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概述

近年来，随着铁路建设快速发展，速度350 km/h高速铁路修建占比增大，同时线路曲线半径的增大及隧道修建技术逐步完善，所以特长及超长隧道座数也在日益增加。高速铁路为满足客运需求，缩短运行时间，主要采用上下行双线铁路。一般双线铁路通过长大隧道工程时，必然涉及到隧道分合修的方案比较，即单洞双线和单线双洞比较。赵勇[1]认为隧道分合修应结合设计标准、运营及投资等因素综合确定，客运专线事故概率低，可采用含救援站单洞双线方案；刘赪[2]提出特长隧道内按20 km的间距设置紧急救援站后，火灾列车不能到达紧急救援站的概率仅为0.01%，这个概率与单、双洞方案无关，且特长隧道可以采用单洞双线方案；王梦恕[3]提出结合通风、设备及快速施工等方面考虑，优先选用单线双洞方案。

根据目前国内隧道一般设计情况，当隧道长度小于10 km时，一般采用单洞双线形式；隧道长度为10～20 km时，需要简单比较，由于不涉及单独设置防灾救援站工程，且分修投资较高，一般采用单洞双线形式；当隧道长度大于20 km时，应考虑地形地质、防灾救援、运营、建设等因素，对分合修方案需进行详细比较，选用运营施工安全，经济投资合理的方案。

2 国内外长大隧道分合修技术现状

2.1 特长隧道分合修情况

国际上对于双线铁路隧道工程，同样存在上下行线分修的模式，也存在上下行线合修的模式。国际国内长度超过20 km的隧道统计见表1、表2[4]。

表1 欧洲和日本主要特长隧道统计

表2 中国主要铁路特长隧道统计

2.2 国内外分合修调研分析

由表1、表2可知：

(1)欧洲长度大于20 km以上的隧道，考虑运营防灾救援、运输组织等多采用分修方案；

(2)日本新干线无论隧道长短均采用合修方案；

(3)国内考虑运营防灾救援，通常长度大于20 km的双线铁路隧道多采用分修方案，仅成兰铁路云屯堡隧道采用合修方案；

(4)从国内外统计数据可看出，20 km以上的隧道均有分修案例，也有合修的案例，因此分、合修隧道均能够保证运营安全；

(5)目前国内已建成的长度超过20 km隧道设计速度普遍为160～200 km/h，仅太行山隧道设计速度为250 km/h。且以上隧道均未发生过事故。

但是到目前为止国内外还没有速度350 km/h铁路隧道分合修修建先例，大多数理论也基于低速列车进行研究。因此，结合西安至十堰高速铁路穿越秦岭中高山脉区域中的特长隧道秦岭马白山隧道为例，对分合修进行比较。秦岭马白山隧道为目前速度350 km/h的高铁第一长隧道，是首座长度超过20 km的高铁隧道，对秦岭马白山隧道进行分、合修方案研究，不但具有巨大的经济价值，而且对今后高铁特长隧道的建设方案具有非常重要的参考意义。

3 工程概况

西十高铁[5]设计速度350 km/h，线路总长257 km，隧道工程总计202.8 km/41座，占线路总长度的79%，其中特长隧道(≥10 km)80.344 km/5座，最长隧道为秦岭马白山隧道，长度为22.895 km。分修隧道内净空面积为70 m2，合修隧道内净空面积为100 m2。隧道进口接辋峪河大桥(L-142 m)，出口接油磨河中桥(L-62 m)。合修方案两侧桥梁均为1座双线桥，分修方案两侧桥梁为2座单线桥。

秦岭马白山隧道洞身地层为燕山期花岗岩，元古界中下统宽坪群四岔口组的石英片岩、竹林沟组的绢云绿泥石英片岩。隧道地处北秦岭加里东期褶皱带内，构造形迹以北西西向为主，隧道洞身走向与构造近平行。仅穿越1条断层破碎带。隧道围岩级别见表3。

表3 秦岭马白山隧道围岩级别统计

隧道范围内地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期0.4 s。隧道最大埋深约630 m，地应力高，且为硬质岩，隧道局部段落可能存在岩爆；同时部分段落为片岩，局部段落可能存在大变形。

据物探及钻孔揭示，隧道洞身发生轻微岩爆或软弱围岩变形的长度为3 500 m，占隧道总长度的15.3%。

针对防灾救援、运营、建设、特殊地质等因素，对秦岭马白山隧道分合修进行分析比较。秦岭马白山隧道纵断面见图1。

图1 秦岭马白山隧道纵断面简图

4 分合修防灾救援影响因素

根据相关规范要求，列车在隧道内发生火灾时，应控制列车驶出隧道进行疏散；当列车不能驶出隧道，应控制列车停靠在紧急救援站进行疏散和救援[6-7]。列车出现非火灾事故后，可停靠在紧急出口、避难所及横通道进行疏散。

发生火灾时，根据文献[8]对隧道防灾救援技术标准解析，列车可以继续运行15～20 min，保守估计列车速度为80 km/h，残余运行距离为20 km。所以超过20 km隧道需要设置洞内救援站，且救援站间距不超过20 km。停车后人员疏散时间不超过6 min。

秦岭马白山隧道在洞身结合2号斜井设置1处洞内救援站。站长550 m，距隧道进口7.85 km，距隧道出口14.5 km，

4.1 分修隧道救援模式

分修隧道方案为2座单线隧道，隧道中部设置一550 m的紧急救援站，根据陈绍华[9]研究的关角隧道防灾救援模式，秦岭马白山隧道分修方案洞内救援站示意见图2。紧急救援站范围内共设置12个间距50 m的疏散横通道。

图2 分修隧道救援站示意(单位：m)

通风排烟：列车遇到火灾紧急停靠救援站，新鲜空气从火灾隧道进入，风机分别从救援两端向中间吹风。洞内烟气由隧道拱顶竖向排烟道汇集于上方的纵向排烟道，并通过斜井排出隧道外。

人员疏散：列车遇到火灾紧急停靠救援站，乘客进入联络通道避险，等待救援列车并从另外一管隧道撤离。分修隧道救援模式见图3。

图3 分修隧道救援站逃生及排烟示意(单位：m)

整列车按1214名乘客核算，假设位于列车中部的一节硬座车厢起火，车厢的一个车门因起火无法用于疏散，导致紧急救援站内起火车厢对面的横通道也将无法用于疏散，也就是能用于疏散的横通道只有11个。通过模拟分析，20节车厢共1214名乘客通过11个疏散横通道可以在4 min45 s之内全部疏散至安全隧道，满足规范中规定的≯6 min的要求。乘客疏散时间见图4。

图4 乘客疏散时间模拟

4.2 合修隧道救援模式

合修隧道为1座双线隧道，设有1座紧急救援站，在救援站范围两线线路中线外侧30 m处各设1段长550 m的左侧平导和550 m的右侧平导，作为人员的逃生通道或待避空间。根据朱勇[10]研究的云屯堡隧道防灾救援模式，秦岭马白山隧道合修方案洞内救援站示意见图5。每侧平导与隧道间通过12个间距50 m的疏散通道相连。

图5 合修隧道救援站示意

通风排烟：列车遇到火灾紧急停靠救援站，新鲜空气由斜井进入，通过一侧救援平导及疏散横通道进入正洞。风向始终迎着新鲜风流疏散。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。

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，进入斜井，疏散至洞口外等待救援。合修隧道救援模式见图6。

图6 合修隧道救援站逃生及排烟示意(单位：m)

疏散人员按动车1 495人和普通客1 644人核算，火车着火点及停靠位置按最不利工况计算。通过模拟分析，动车人员疏散至安全空间需要2 min 36 s，普通客车人员需要3 min 14 s，均满足规范中规定的≯6 min的要求。乘客疏散时间见图7、图8。

图7 动车人员疏散模拟

图8 普通客车人员疏散模拟

不管隧道为分修还是合修，发生火灾后的安全主要取决于紧急救援站的间距。如果救援站间距满足规范要求，均是可以满足人员疏散要求的。因此，防灾疏散救援因素不决定隧道的分合修方案，隧道的分合修方案还要统筹考虑其他因素后确定。

5 分合修运营影响因素

5.1 运营行车组织

(1)线路正常情况下，分修隧道与合修隧道的行车组织无区别。

(2)隧道发生灾害、事故状况下，分修隧道可快速组织实现单线运行，保障重要物资的运送和重点客车的运行。

5.2 运营维护

电气化铁路，分修隧道内养护维修时，只需中断维护线路的电力，不影响另一条线路运行，合修隧道需同时停电，给维护工作带来了很大不便。

5.3 旅客舒适度

5.3.1 瞬变压力方面

对长大隧道和隧道群空气动力学影响进行了不同工况的计算分析。

根据舒适度标准[11]要求，单辆列车运行和两辆列车交汇时，气动压力标准值分别为0.80，1.25 kPa/3 s。单线隧道(分修)断面面积为70 m2，双线隧道(合修)断面面积为100 m2[12]，分别计算列车速度350 km/h时，单线隧道列车通过和双线隧道在3种不同位置两车交会的情况，两列车在隧道中央处会车、两列车在隧道洞口处会车、两列车在隧道长度1/3处会车。

图9和图10分别给出了列车气密指数值15 s时单线隧道和双线隧道内交会两种情形下，车头车尾内3 s内最大压力变化值与标准阈值的比较。

图9 车头内3 s内最大压力变化值比较

图10 车尾内3 s内最大压力变化值比较

由图10可知。

(1)单线隧道：在列车气密值15 s时，3 s内最大压力变化值均小于或接近0.8 kPa/3 s，满足舒适度标准。

(2)双线隧道：列车气密值15 s时，列车交会过程中的车内3 s内最大压力变化值均小于1.25 kPa/3 s，满足舒适度标准。

综上所述，当列车的密封指数不小于15 s时，分合修计算工况均能满足国内提出的列车内瞬变压力容许值为单车0.80 kPa/3 s、交会1.25 kPa/3 s的评价标准，列车上的司乘人员均不会出现不适感。即使是双线隧道在洞内会车条件下的空气动力学影响也要比单线隧道单辆列车通车影响小，特长隧道宜选单洞双线隧道。

5.3.2 微气压波方面

列车高速进入隧道时，前方的空气受到挤压，这种挤压状态的空气以声速传播至隧道出口，骤然膨胀，产生一个被称为微气压波的次声波。我国制定了微气压波控制标准，由于秦岭马白山隧道进口位于深山沟谷，无建筑物，要求距洞口20 m处的微气压波小于50 kPa[13]。

研究成果表明，隧道洞口采用缓冲结构，隧道分合修微气压波均满足规范要求，隧道合修较分修微气压波减少约31%[14]。合修优于分修。

5.3.3 空气阻力方面

研究成果表明，隧道空气阻力随着隧道长度的增大而增大，随着隧道断面面积的减小而增大，隧道分修时列车承受的平均空气阻力和最大空气阻力相对合修时要大20%以上[15]。

5.4 小结

综上所述，从行车组织以及运营维护角度分析，分修较合修略有优势；分合修隧道均满足旅客舒适度要求，合修隧道对乘车舒适度和降低列车空气阻力更有利。

6 分合修建设影响因素

根据以往工程经验，建设因素主要为隧道地质条件、隧道施工组织方案，工程投资等。

6.1 隧道地质条件

秦岭马白山隧道地层主要为花岗岩，且岩性较好，主要以Ⅱ、Ⅲ级为主，且隧道最大埋深为630 m，所以隧道部分段落存在高地应力导致的轻微岩爆。同时部分段落地层岩性为片岩，存在大变形。隧道通过一条区域性断裂，宽度约200 m。

6.1.1 岩爆

岩爆发生与断面大小关系较小；在发生岩爆后，处理措施主要有喷高压水软化围岩、施作应力释放孔、加强初期支护、喷射钢纤维混凝土等[16-18]，分合修采用措施基本相同。岩爆段落一般采用机械化施工，能够提高工作效率，减少作业人员，提高安全度。合修隧道空间较大，有利于机械化作业；同时分修隧道增加了一座岩爆隧道，处理难度和投资相对增大。因此从岩爆方面考虑，合修略优于分修。

6.1.2 软岩大变形

大变形发生时，主要采用超前导洞释放应力、加强超前锚杆、强支护、增加仰拱曲率等[19-20]措施施工。分修隧道断面较小，应力相对较小，受力结构好，稳定性、安全性高，但分修施工组织较困难。因此从大变形方面考虑，分修略优于合修。

6.1.3 断层

一般情况的断层带及其影响带，其内部岩体破碎，通过采取加固措施后，分修隧道断面小，相比合修隧道，稳定性、安全性更高；

虽然分修优于合修，但本隧道的断层及其影响段落相对隧道长度来说较短，不会成为隧道分、合修的控制因素。

6.2 施工方案

(1)从钻爆法机械化配套施工角度，本隧道主要为花岗岩，岩体较完整，掌子面自稳性好，支护结构简单。因此合修一次开挖成洞，分修需要两次开挖，所以合修施工效率较高。同时合修隧道断面大，作业空间充裕，大型机械设备洞内作业组织灵活，效率高；分修隧道断面较小，作业空间小，不便于大型机械化作业，影响进度；因此，从钻爆法机械化快速施工方面分析，合修优于分修。

(2)施工组织：采用合修方案时，一座辅助坑道(斜井、横洞)担负2个工作面，施工通风、排水、运输等方案简单，便于实施；采用分修方案时，两座隧道作为正线工程，均承受较重的施工任务和负担，彼此互相辅助施工的难度较大，不利于施工组织。所以往往1座辅助坑道(斜井、横洞)需要担负3～4个工作面，施工通风、排水、运输组织等方案难度明显增加，施组难度大且复杂。因此从施工组织方面分析，合修方案明显优于分修方案。

(3)施工工法比较：考虑采用TBM施工时，主要分为敞开式、单护盾、双护盾3种类型。由于秦岭马白山隧道主要为花岗岩，岩性为硬岩，饱和抗压强度为34.1～99.8 MPa。敞开式TBM具有掘进硬岩能力强、施工灵活性高、采用复合衬砌支护、安全性高、造价低等优点，所以建议采用敞开式TBM施工。按照分合修所需断面大小设计，分修需要TBM直径为11.36 m，合修需要TBM直径为15.2 m。

根据国内TBM使用调研，目前国内仅有两处工程使用过直径大于10 m的敞开式TBM，分别为兰渝铁路西秦岭隧道[21](10.23 m)和锦屏水电站输水隧洞[22](12.4 m)。锦屏隧洞由于高岩爆导致TBM报废。根据目前技术能力无法满足直径15.2 mTBM施工，合修TBM方案不成立。分修TBM方案是可以满足要求。

6.3 工程投资

拟定列车速度350 km/h隧道单线和双线断面如图11、图12所示。

图11 单线隧道断面(单位： cm)

图12 双线隧道断面(单位：cm)

秦岭马白山隧道分合修断面每延米工程量比较见表4。

表4 秦岭马白山隧道单双线每延米

隧道分修涉及工程量明显大于合修，综合投资比较下来，分修每延米投资是合修的约1.5倍。

从工程投资方面分析，秦岭马白山隧道采用合修方案较分修方案节省工程投资约8.9亿元，合修方案明显优于分修方案。

7 结论

(1)防灾救援方面：分修方案在洞内救援站处两管隧道中间设置联络通道，两管隧道互为救援通道；合修方案在洞内救援站处正线两侧各设置一个管长约550 m隧道为救援通道。两个方案均能满足规范要求，并无明显优劣性。

(2)运营方面：运营期间分合修方案在正常情况下无差别；在出现事故工况下分修方案在维修，保证单线运营方面更加灵活。旅客舒适度方面：分合修均能满足规范要求，但合修方案隧道断面相对较大，空气阻塞小，列车进入隧道时引起的空气动力学效应较小，运营条件相对较分修方案好，旅客的舒适度更好。

(3)施工建设方面：目前施工采用大型机械化施工，合修断面较大，机具操作空间大，施工效率高。同时辅助坑道施工任务相对较轻，组织便利。同时TBM工法比较下，大直径TBM技术能力尚不成熟，且考虑TBM投资较高不建议采用。

(4)投资方面：分修工程量较大，综合投资比较下来，分修每延米投资约为合修的1.5倍，合修方案明显优于分修方案。

综合比较建议秦岭马白山隧道采用单洞双线(合修)形式。