川藏铁路隧道设计理念与主要原则

田四明，王 伟，李国良，陶伟明，石少帅，4

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；3.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；4.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

0 引言

川藏铁路东起四川省成都市，止于西藏自治区拉萨市，线路全长约1 570 km，是西南腹地及华中、华东地区进出西藏最快速、便捷的客、货运输主通道，是支撑“一带一路”倡议、实施长江经济带战略的重要基础设施。它对国家长治久安、巩固边疆稳定，促进沿线国土开发，整合旅游资源，引导产业布局，全面实现国家社会经济可持续发展具有重要的战略意义。川藏铁路东段(成都至雅安段)于2018年12月28日开通运营；西段(拉萨至林芝段)于2014年12月19日开工建设，计划2021年6月底开通运营；中段(雅安至林芝段)是川藏铁路建设最为困难的一段，隧线比高达83%，共有隧道72座，长度约838 km，堪称“高原地铁”。中段雅安至林芝段铁路沿线紧邻印度板块与欧亚板块强烈挤压的“喜马拉雅东构造结”，穿越新构造板块活动强烈的横断山区，特殊地质背景下的硬岩岩爆、软岩大变形、高地温、活动断裂、富水断层及岩溶突涌水等不良地质问题十分突出，先期工程于2020年11月8日开工建设。川藏铁路线路平面图见图1。

图1 川藏铁路线路平面示意图

针对高原缺氧、构造活动强烈、高地应力等不良地质区的隧道设计，国内外学者从活动断裂破坏作用机制、减灾选线、超前预测预报、控制措施等方面开展了系列研究[1-2]，取得了一定的成果，但他们所研究的这些隧道在宏观地质背景、不良地质危害等级等方面远不及川藏铁路隧道，其相关成果尚不能直接应用。本文结合川藏铁路雅安至林芝段隧道工程特点，通过大量的调研分析、技术总结、专题研究和科研攻关，提出隧道工程的设计新理念和主要原则，希望能为川藏铁路雅安至林芝段隧道的规划设计提供参考。

1 川藏铁路隧道工程特点

川藏铁路雅安至林芝段隧道工程建设规模巨大，不良地质问题突出。沿线自然环境恶劣，基础设施薄弱，建设条件困难。经归纳分析，川藏铁路雅安至林芝段隧道具有以下5大特点。

1.1 特长隧道多，工程建设规模巨大

川藏铁路雅安至林芝段共有隧道72座，隧道全长838.253 km，含特长隧道35座、累计长度达730 km。其中，长度大于30 km的隧道6座、累计长度210 km；42.5 km的易贡隧道为目前我国拟建的最长铁路隧道。雅安至林芝段隧道统计情况见表1。为满足建设需要，全线隧道共设置斜井、横洞、竖井等辅助坑道126座，长约252 km，工程建设规模巨大。

表1 川藏铁路雅安至林芝段隧道统计

1.2 地质条件异常复杂，不良地质问题突出

川藏铁路雅安至林芝段隧道工程穿越板块活动强烈的横断山区，面临硬岩岩爆、软岩大变形、高地温、活动断裂、富水断层及岩溶突涌水等复杂地质，存在蚀变岩、有害气体、冰碛物、冰雪灾害等，且隧道埋深大，进一步加剧了不良地质问题的严重程度[3]。

经勘察统计，隧道岩爆段落长达161 km(占线路总长的19%)；软岩大变形段落长达146 km(占线路总长的17%)；高地温段落长达70 km(占线路总长的8%)；设计地震动峰值加速度0.2g及以上段落长度占全线长度的55%，其中0.4g及以上段落约31.3 km；穿越全新世活动断裂带7条，见表2。不良地质的严重程度和规模前所未有。

表2 川藏铁路雅安至林芝段隧道穿越活动断裂统计

1.3 海拔高、环境恶劣，施工降效极为严重

川藏铁路雅安至林芝段沿线海拔高，其中海拔3 000 m以上隧道49座长634 km，约占线路总长的76%；海拔3 500 m以上隧道40座长471 km，约占线路总长的56%；海拔4 000 m以上隧道17座长200 km，约占线路总长的24%；海拔最高的果拉山隧道海拔达4 475 m。高海拔地区空气稀薄、气候环境恶劣，人体在海拔3 500～4 000 m条件下运动能力比在平原地区降低20%～30%，机械设备工作效率也有较大程度降低。特殊的高原气候环境，使得施工组织、通风、供氧等异常困难，施工效率大大降低。

1.4 生态环境敏感而脆弱，环境保护要求高

川藏铁路工程经过国家生态安全战略格局中的“青藏高原生态屏障”和“黄土高原—川滇生态屏障”保护区；穿越原始森林、高原草甸、高原湿地、干旱河谷等生态区，有众多珍稀保护野生动植物，沿线生态环境敏感而脆弱。全线隧道弃渣量巨大，受峡谷地形和环境敏感区限制，弃渣场地设置困难，个别隧道弃渣运距长达数十km，弃渣处理和水土流失防控难度大；同时，对施工产生的废水、废气、废料等处治要求高。

1.5 地形条件复杂，交通困难，施工组织难度大

川藏铁路沿线地势险峻、山高坡陡、河谷深切，岭谷相间排列，其相对高差2 000～3 000 m，地形极为复杂，给隧道施工道路和辅助坑道的设置带来极大的困难，加之沿线多处于高原地区，环境恶劣、人口稀少、经济基础薄弱，交通基础设施和供变电设施配套严重不足，导致大、小临工程建设周期长，后勤保障压力大，施工组织难度极大。

2 川藏铁路隧道的设计理念

结合川藏铁路隧道工程特点，遵循“安全第一、以人为本”的思想，提出“科技引领、重视环境、安全智能”的隧道规划设计理念[4]。

2.1 科技引领

2.1.1 精心勘察

地质勘察是指导隧道科学选线及设计的前提和基础。常规勘察手段及技术以单一钻探、物探等方式为主，难以满足川藏铁路隧道高海拔、大高差特殊环境要求，鉴于此，必须打破常规，坚持科技引领的勘察理念。在总结吸收我国近20 000 km铁路隧道建设经验基础上，创新提出“空、天、地”一体化综合勘察技术；应用卫星平台、航空平台、地面平台多视域勘察技术，并将技术成果融入多源异构地质信息系统，为设计提供可靠的地质基础资料。“空、天、地”一体化勘察示意如图2所示。

图2 川藏铁路“空、天、地”一体化勘察示意图

2.1.2 创新设计

在全面总结和吸收成兰、兰渝、大瑞等铁路隧道以及公路、水电隧道的相关科研成果基础上，结合国内外艰险山区类似工程隧道建设经验，通过大量的科研攻关和专题研究，提出川藏铁路隧道工程技术体系，主要包括以下方面：

1)革新隧道设计理念，提出主动支护新体系。贯彻“以人为本”的指导思想，遵循“高效支护、快速施工、绿色环保、安全可靠”的设计原则，强化锚杆(索)等主动支护措施，通过高性能支护结构和单层支护结构等减少支护量，构建川藏铁路隧道工程主动支护体系，为隧道工程快速施工提供技术支撑。

2)以隧道机械化快速施工为目标，创新隧道施工方法。通过消化吸收郑万高铁隧道大断面机械化快速施工科研成果，提出川藏铁路高原、低压、缺氧环境下快速施工工法、施工装备以及施工工艺要求。

3)加强超前地质预测预报，坚持动态设计。通过建立并完善隧道围岩质量多元信息融合评价体系，构建隧道围岩质量多元信息融合智能化综合评价系统，及时优化调整隧道主动支护措施，把设计贯穿到隧道建设的全过程。

4)运用信息技术，实施智能管控。运用计算机网络技术、信息智能化控制与传感技术，构建隧道主动支护体系全过程建造的智能化管理系统平台，实现围岩评价，支护体系设计、施工、安全性评价等自动化和智能化管控目的，实现多方位、全过程的信息管理监控。

2.2 重视环境

川藏铁路经过区域为国家生态安全战略格局中的“青藏高原生态屏障”、“黄土高原—川滇生态屏障”，沿线生态环境敏感区众多，所经青藏高原是重要的水源涵养地，被称为“亚洲水塔”，铁路工程沿线生态系统敏感而脆弱。

雅安至林芝段隧道工程洞渣总量近2×108m3。沿线地形复杂、地质灾害频发，环境敏感区众多，洞渣安置十分困难。为充分贯彻“重视环境、保护生态”的理念，按照“减量化、资源化、就近化、集约化、无害化”的总体原则，通过优化隧道净空断面、合理确定施工工期、优化辅助坑道设置，实现隧道洞渣减量化的目标；通过隧道洞渣的资源化利用(如用作建筑材料、造地等)，减少弃渣安置量；通过集中布设隧道弃渣场，减少挡护工程量，节约用地；对部分可能存在放射性超标的弃渣、排水，可能污染环境的弃渣场，进行针对性的无害化处理。

规划设计中按照分级分类的方法，对水环境敏感的隧道，坚持“以堵为主，限量排放”的地下水处置思路，并结合环境要求和工程地质条件，深化、细分限量排放标准。同时，重视隧道排水处理，洞内排水需进行“清污分流”设计，尽可能减小对环境的影响，保护生态。

2.3 安全智能

隧道智能建造是实现隧道少人化施工、确保隧道建设安全及高质的根本保障，已成为当今隧道发展的重要趋势。结合川藏铁路高原、低压、缺氧自然环境及复杂地质环境实际情况，提出“以机代人，快速施工”的规划设计思路；选择能适应高原、低氧环境的设备(少内燃多电力、高效、能力匹配)并进行分级配套，实现机械化、少人化施工；在强烈岩爆等极高风险地段，关键工序力争实现智能化无人施工。川藏铁路探索利用大数据、人工智能、移动互联网、云计算、物联网、机器人等技术，应用隧道智能建造管理平台，打造机械化和信息化深度融合的全生命周期隧道智能建造系统，确保建设安全、可靠[5-6]。隧道智能建造平台架构如图3所示。

图3 隧道智能建造平台架构示意图

3 川藏铁路隧道主要设计原则

在“科技引领、重视环境、安全智能”的隧道规划设计理念下，提出了与川藏铁路隧道工程相适应的主要设计原则。

3.1 隧道选址

结合川藏铁路地形地质的复杂性、环水保的敏感性、工程实施的艰巨性、运营安全的重要性，隧道选址应遵循“减灾避险”原则。设计中应充分考虑工程建设风险与运营安全，从源头上防止高山峡谷崩滑灾害、冰川型泥石流、斜坡季节性冻土、深大活动断裂、高频高烈度地震、高地温(热水)、高地应力及高速远程地质灾害等对铁路隧道建设及运营的影响。科学合理地选择隧道线路方案，尽量绕避重大不良地质，减小其对隧道工程的影响，保证隧道工程的安全可靠。

3.2 隧道分、合修

通过对国内外特长隧道分、合修方案调研，在统计的228座长度大于10 km的特长隧道中，合修191座、占比84%，分修37座、占比16%。在国内，长度>20 km的隧道基本采用分修方案；长度在15～20 km的隧道合修略多于分修；长度在10～15 km的隧道以合修为主，占比达94%。在国外，长度>20 km的隧道采用分修的占60%，采用合修的占40%，分修略多于合修；长度在10～20 km的隧道采用分修的占10%，采用合修的90%，以合修为主。

从对建设阶段和运营阶段的影响分析，川藏铁路特长隧道分、合修方案综合比选见表3。对于钻爆法施工的隧道，应结合隧道工程环境条件、地质条件、引线工程等开展针对性的分析比较，确定隧道分、合修方案。对于采用TBM施工的隧道，鉴于合修方案TBM直径需14 m左右，技术方面还存在一定风险，故对TBM施工的隧道采用分修方案。

表3 川藏铁路特长隧道方案比选

3.3 隧道横断面

隧道内轮廓修建需考虑的主要影响因素有建筑限界、空气动力学效应、养护维修、防灾疏散救援、接触网悬挂方式、结构受力、轨下构筑物布置等。

在高海拔地区，空气特征指标会对隧道空气动力学效应及接触网绝缘高度等产生影响。通过大量专题研究，川藏铁路建立了按海拔H对隧道横断面进行分类的标准，即按H≤3 000 m、3 000 m

表4 川藏铁路隧道横断面分类情况

3.4 隧道支护结构

结合川藏铁路隧道工程地质及环境特点，提出“超前加固围岩、控制爆破开挖、高性能初期支护、衬砌安全储备、系统控制变形”的主动支护设计理念，同时结合大型机械化施工特点，隧道支护结构应与机械化施工相适配，以实现高效支护、快速施工的目标。主要通过采用高性能喷射混凝土、低预应力锚杆等，形成有效的锚固体系，充分调动和发挥围岩的自支护能力，提升支护系统作用效能，实现高效、快速、安全、经济的目的。

3.5 防排水

川藏铁路隧道受地形、埋深、纵坡、地质及生态环境等影响，对隧道防排水提出更高的要求。川藏铁路隧道工程防排水设计遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理，保护环境”的基本原则。当地表无水体、地下水不发育或隧道工程对环境影响较小时，采取“以排为主”的原则；当隧道临近水体或地下水较发育时，为减少对环境的影响和保证施工安全，采取“排堵结合”的原则；当水环境有特殊要求时，为避免地下水流失影响生态环境，采取“以堵为主，限量排放”的原则。

3.6 防寒抗冻

川藏铁路属高原海洋性气候和大陆性气候，年平均气温多在7～10 ℃，最高气温可达30 ℃，最低气温可降至-20～-30 ℃。相对于东北高纬度寒区，具有海拔高，最冷月平均气温和极端最低气温并不低，但年平均气温较低的高海拔寒区特点。

结合川藏铁路的特点，兼顾隧道的长度、线路走向、光照、当地最冷月平均气温、地下水水量、隧道内外气温、风速风向、行车速度和密度等多重因素，暂推荐川藏铁路隧道防寒抗冻措施见表5，后期根据现场实测气象条件适时优化调整。

表5 川藏铁路隧道防寒抗冻措施

3.7 防灾疏散救援

根据川藏线隧道环境特点及防灾疏散救援难点，通过专题研究[7-8]，制定隧道防灾疏散救援设计原则。

1)考虑到海拔对人员疏散能力的影响，隧道防灾救援按海拔3 000 m进行分级设计。海拔低于3 000 m的隧道，按TB 10020—2017《铁路隧道防灾救援疏散救援工程设计规范》要求，遵循“以人为本、安全疏散、自救为主、方便救援”的原则；海拔高于3 000 m的隧道，遵循“以人为本、有序疏散、安全待避、及时救援”的原则，建立完善的疏散设施及救援系统，提供安全、有效的疏散途径及避难场所，及时将人员救援至相邻铁路车站或地方应急中心等安全地带，把灾害造成的影响降至最低程度。

2)旅客列车火灾工况，以紧急救援站定点疏散模式为主；故障列车工况或因自然灾害列车行进受阻工况，采取随机停车疏散为主的模式。

3)分修隧道互为救援；设置平行导坑的合修隧道，利用平行导坑作为待避空间实施外部救援；其余隧道利用横洞(斜井)式避难所作为待避空间。

4)外部救援以铁路自救为主，辅以公路救援相结合的模式，在铁路、公路均中断的极端条件下采用空中救援。

3.8 机械化配套

川藏铁路隧道施工辅助坑道设置条件差、环境保护要求高，为提高施工效率，尽可能降低人员作业强度，地质条件适宜的隧道优先考虑采用TBM施工。对钻爆法施工的隧道，结合隧道工区地质条件、施工长度、海拔等因素，按单线、双线及辅助坑道不同断面形式、不同施工需求，以“分级配置、少人化、保证施工质量和安全必配、减轻劳动强度和有利提高功效、有利平行作业”为配套原则，按大型机械化配套、基本机械化配套2种模式进行设计。川藏铁路隧道原则上对海拔大于3 000 m且隧道长度大于2 km、中等岩爆及以上、热害较严重及以上、长度大于5 km的工区采用大型机械化配套。机械配套方案应针对川藏铁路隧道施工的特殊性，随技术进步和工程进展情况不断优化。川藏铁路隧道钻爆法设备配套建议见表6。

表6 川藏铁路隧道钻爆法设备配套

3.9 施工通风和供氧

高原地区氧气含量低，内燃机污染物增加，风机效率降低，通风较平原地区困难，隧道施工通风设计遵照以下原则：

1)钻爆法施工隧道，海拔<3 000 m时，独头通风长度控制在4.5 km以下；3 000 m<海拔≤3 500 m时，独头通风长度控制在4.0 km以下；3 500<海拔≤4 500 m时，独头通风长度控制在3.5 km以下。

2)当通风长度超过4 500 m时，采用风渠式、风道式等通风方式，缩短独头通风长度。

3)高瓦斯及瓦斯突出工区，设置主、副斜井或平行导坑，采用巷道式通风方式。

4)TBM施工隧道独头通风长度一般按10～12 km控制。

为保证施工作业人员的健康，海拔>3 000 m的隧道应设置增氧设施，隧道内掌子面附近采取移动氧吧供氧；对参建人员的办公区、生活区的室内等场所配备弥散式供氧；分区段统筹安排设置医疗站，配备高压氧舱等设备应对施工期间突发的高原反应等疾病。

3.10 洞渣处置和环境保护

全线隧道洞渣总量约2.0×108m3，线路行经区域经济据点少，地方处置消化弃渣需求量小，工程自身利用有限，设计贯彻“以人为本、人与自然和谐共处、可持续发展”的理念，遵循以下原则：

1)隧道断面选择、分合修方案选择、支护措施选用、辅助坑道设置等遵循“减量化”的原则，尽可能减少洞渣量、圬工量及施工道路、场地数量。

2)隧道弃渣遵循“减量化、资源化、就近化、集约化、无害化”的原则。

3)地下水发育的隧道，采取适宜的措施控制地下水的流失。隧道内设置清污分流，对施工产生的污水均经过处理；所有隧道工区设置施工废水沉淀池，严禁未经处理的污水随意排放，污染水源、水体。

4)隧道(辅助坑道)洞口及大小临工程设计，尽可能减少对既有边仰坡的扰动，保护好植被和生态。

3.11 超前地质预测预报

鉴于川藏铁路隧道地质条件的复杂性，施工阶段应充分利用先进技术，提高超前地质预报的准确性，遵循的原则如下：

1)地质调查。采用图像识别、三维激光扫描等数字化技术，开展洞内地质素描、建模与分析，将岩体裂隙、岩层产状及围岩级别等各类地质条件进行全洞段数字化采集与处理，从而提高识别精度、缩短现场素描时间，通过数字化信息采集与分析，实现掌子面前方地质情况预报和智能化地质分析，提高工作效率和效果[9]。

2)超前深孔钻探。应整体提高超前钻探长度，按其孔深大致分为4级：超长距离钻孔(孔深大于300 m)、长距离钻孔(孔深100～300 m)、中长距离钻孔(孔深30～100 m)、短距离钻孔(孔深小于30 m)。

3)物探。断裂(层)破碎带、地层界面或接触带、软岩大变形和硬岩岩爆、高地温及高温热水、有害气体等不良地质采用弹性波法超前地质预报技术。导水断裂(层)破碎带、可溶岩、可溶岩与非可溶岩接触带等涌水突泥风险高的段落采用电(磁)法超前地质预报技术[10]。

3.12 施工组织

川藏铁路雅安至林芝段隧道工程除兼具西南山区铁路的艰险、西北高原铁路的缺氧、东北平原铁路的高寒外，还具有超长隧道多、沿线基础设施落后且自然灾害多发等自身难点，施工组织难度较大。应遵循以下原则：

1)提高“机械化、工厂化、专业化、信息化”水平，按“统一规定、统一标准、统一平台”的原则，开展信息化建设，推广BIM 技术应用。

2)应以保证工程质量和安全为前提，以优化工期、资源配置和投资效益为目标，结合工程实际，对工程建设进行“全项目，全过程、全要素、全目标”规划与组织。

3)应遵循节能环保、节约用地、因地制宜的原则，力求永、临结合，节省投资，并重视生态文明、职业卫生、防灾减灾、文物保护等。

4)应围绕实现安全、质量、工期、投资、环境和稳定“六位一体”的建设目标展开工作。

5)重点隧道工程众多，沿线地形、地质条件复杂，合理确定建设总工期。

4 结论与建议

川藏铁路雅安至林芝段隧道工程是当今世界上地质条件最为复杂、环境条件最为恶劣、建设难度最具挑战的超级工程。自2018年10月以来，在充分消化吸收川藏铁路历次研究成果的基础上，通过大量调研、类似工程总结、专题研究和科研攻关，提出了川藏铁路隧道设计新理念，形成了隧道选址、分合修、横断面、支护结构、防排水、防寒抗冻、防灾救援、机械化配套、施工通风和供氧、弃渣与环保、超前地质预报、施工组织等的主要设计原则，以期支撑川藏铁路雅安至林芝段隧道工程的规划设计。但面对世纪性战略工程，建议在后续的勘察设计和建设过程中，结合川藏铁路隧道工程特点从以下几个方面继续深入开展科技攻关，进一步优化完善隧道设计理念和设计原则，为建设精品工程、安全工程、创新工程、绿色工程和廉洁工程提供支撑。

1)川藏铁路雅安至林芝段岩爆、大变形和高地温等不良地质长度约380 km，占该段隧道总长度的45%，是川藏铁路能否顺利建成的关键，建议继续开展硬岩岩爆、软岩大变形、高地温等不良地质隧道设计理论与处治方法方面的研究，为隧道建设提供技术支撑。

2)川藏铁路隧道工程穿越新构造活动断裂7条，活动性强，对工程危害大，建议加强隧道抗、减震设计方法及控制技术方面的深化研究，形成隧道新型抗、减震支护结构体系，保障隧道长期运营安全。

3)川藏铁路大部分隧道救援站位于海拔3 000 m以上地区，洞内紧急救援站防灾通风极其复杂，建议开展洞内紧急救援站疏散救援模型试验和防灾通风排烟等关键技术研究，进一步完善高海拔地区隧道防灾救援系统设计。

4)结合川藏铁路高原缺氧等环境特点，深入开展隧道智能化建造技术研究，实现高原地区多机少人、以机代人的隧道智能化建造。