西宁至成都铁路甘青隧道设计及工程对策

符亚鹏，何永旺，杨木高，靳宝成，徐 冲，赵秋林

(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)

引言

甘青隧道位于甘肃省与青海省交界地带，受区域构造影响，地质条件复杂多变，断裂构造发育，通过的三叠系板岩、板岩夹砂岩地层与邻近的兰渝铁路挤压变形地层类似，建设面临的主要技术难题有：分合修方案；膨胀岩、高地应力岩爆、高地应力挤压变形隧道针对性设计措施；突涌水；防寒保温措施；长距离施工通风；防灾救援设施。青藏高原板块青藏铁路、兰新高铁、兰渝铁路等长大干线建设中，在隧道分合修、复杂地质隧道处治对策，防灾救援，通风，隧道防寒等方面已取得了一系列成果。

在隧道分合修方面，统计国内外长度大于20 km的特长隧道修建概况，可以得出以下结论[1-2]：欧洲长度大于20 km以上隧道(新圣哥达隧道—57.6 km、布雷纳隧道—53.85 km、赛默灵隧道—52.5 km、英法海峡隧道—49.5 km、新勒奇山隧道—34.6 km、瓜达马拉隧道—28.4 km、Pajares隧道—24.6 km)，考虑运营防灾救援、运输组织等采用了分修方案；日本新干线(青函海峡隧道—53.85 km，八甲田隧道—26.455 km，岩手一户隧道—25.8 km，大清水隧道—22.23 km)无论隧道长短均采用合修方案；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，在建的成昆二线小相岭隧道(L—21 775 m)、成兰铁路云屯堡隧道(L—22 943 m)采用合修方案。借鉴已建成的宝兰高铁、兰新高铁膨胀岩隧道建设经验，进一步提出优化仰拱曲率、取消仰拱填充内中心水沟、填充面增设钢筋网的针对性处理措施[3-4]；在已建成的兰渝铁路、在建的成兰铁路隧道建设中，总结了变形等级划分及变形控制技术，并提出针对性设计参数[5]，进一步提出优化仰拱曲率的针对性处理措施。在隧道冻害防治方面，吴剑等[6]针对高海拔寒区低温环境中隧道衬砌开裂、挂冰等冻害问题，通过现场测试分析了各种设防长度方法的优缺点，并提出了用于高海拔隧道保温层设防长度计算的修正经验公式；于丽等[7]针对设防长度选取标准问题，给出了衬砌层不出现冻害和围岩不出现冻害的临界洞内温度，分析洞内通风和围岩条件对隧道洞内温度场的影响，提出了一种寒区隧道抗冻设防长度的计算方法；借鉴寒区隧道防寒、防冻措施，根据隧道地下水发育、隧道纵坡情况，提出采用深埋中心水沟[8]、“仰拱底浅埋中心水沟+泄水洞”[9]等不同的防寒排水措施。在高原寒区隧道施工问题，谌桂舟等[10]通过现场测试揭示了施工劳动强度与供氧浓度之间的关系；白永厚等[11]分析了高原环境下内燃机的工作规律，计算了内燃机在高海拔隧道施工中的燃油经济成本；王耀等[12]针对高海拔隧道施工存在的内燃施工机械功率下降、排放增加、施工人员缺氧等问题，分析了高海拔隧道施工机械配套与普通隧道机械配套的差异，总结了高海拔隧道施工机械配套的基本原则。在高海拔隧道通风防灾方面，高峰等[13]分析了影响高寒、高海拔螺旋隧道内风机参数的主要影响因素，并提出了适合于高寒高海拔螺旋隧道的施工通风风机设计参数计算方法；高菊茹等[14]针对高海拔隧道“低温、低气压、低氧”等特点导致的通风效率低、内燃机械排放的有毒有害气体含量高等问题开展了研究，从施工通风、制氧供氧及内燃机械有害气体减排技术方面提出了对应措施；李琦等[15]推导了高海拔地区风管漏风率修正系数，指出高海拔地区风管漏风率比平原地区高50%。在防灾救援方面，以往防灾救援多结合地方公路交通设施救援[16]，甘青隧道地处高原、辅助坑道长、坡度大、道路交通条件差，以往借助路外交通救援难度大，提出洞内定点救援模式。

通过借鉴既有隧道成功建设经验，结合甘青隧道地形地貌地质特点，提出针对性设计方案；为推广机械化施工[17]、降低人力劳动强度，确保高原寒区隧道安全快速施工，提出了针对性的机械化配套方案。

1 隧道概况

甘青隧道为西成铁路控制性工程，进口位于甘肃省甘南州夏河县甘加乡，出口位于青海省黄南州同仁市双朋西乡，起讫里程DK381+055～DK403+435，全长22 380 m，进口高程为3 248.991 m，出口高程为2 756.581 m，最大埋深670 m。洞内纵坡依次为5‰/740 m、-10‰/1 000 m、-25‰/18 600 m、-10‰/2 000 m、-25‰/30 m。

1.1 自然环境特征

属秦岭中高山区，地面高程2 700～3 750 m，相对高差200～600 m。整体呈南高北低的态势，区内沟谷深切，交合隆洼、阔合隆等宽谷分布，无大型河流发育，植被较为发育。瓜什则盆地以北冲沟以“V”形沟谷为主，沟谷内多见季节性流水。沟谷两侧山坡自然坡度30°～60°，大部分地区基岩出露。大型沟谷内有多年流水，植被以草甸、灌木及针叶林为主。瓜什则盆地以南山坡较缓，自然坡度5°～30°，基岩较少出露，可见冰川活动迹象，缓U形冰川槽谷发育，现多为草原牧区。

根据隧址区气象资料：年平均气温3.7 ℃，年最高气温30.7 ℃，年最低气温-26.0 ℃，最冷月平均气温为-8.8 ℃，最大季节冻结深度138 cm。

1.2 地质概况

隧道洞身主要通过新近系砾岩夹砂岩、泥岩夹砂岩地层，三叠系板岩夹砂岩、板岩，燕山期闪长岩、花岗闪长岩，构造岩，如图1所示。以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，其中Ⅱ级围岩长890 m，占4.0%；Ⅲ级围岩长4 410 m，占19.7%；Ⅳ级围岩长8 698 m，占38.9%；Ⅴ级围岩长8 382 m，占37.4%。隶属于秦岭地槽褶皱系的临潭-天水褶皱带，受多其次构造运动影响强烈，断裂构造发育，次生褶皱构造极为发育隧道区断裂构造发育，共通过5条区域性断裂，影响最大的为F13、F14断裂及支断裂。

预测隧道正常涌水量为Q=50 039 m3/d，可能出现的最大涌水量为150 116 m3/d。

图1 甘青隧道地质分布概况

1.3 特殊地质

1.3.1 膨胀岩

隧道进口分布的新近系上新统泥岩夹砂岩地层，泥质胶结，成岩较差，泥岩为主，局部夹砂岩，具膨胀性，属极软岩地层，遇水膨胀变形。

通过以往类似地层工程建设经验，膨胀性泥岩地层，施工阶段往往揭示无水，但施工完毕后，易出现仰拱上拱现象。如兰渝线胡麻岭隧道、马家坡隧道基底泥岩段在施工过程中出现仰拱填充面沿中心水沟表面有不同程度开裂，局部隆起变形，如图2所示。采取封闭初期支护，仰拱填充面布设钢筋网等措施，成功解决了仰拱填充面开裂问题；宝兰客专泥岩隧道施工过程中仰拱出现不同程度的隆起变形，针对异常段落，采用竖向排水及桩基加固措施，成功解决上拱问题。泥岩等膨胀性地层的主要病害在运营期间隧道出现，主要为基底上拱，原因是隧道底部积水软化泥岩。

图2 仰拱填充面开裂

1.3.2 高地应力

隧址区地质构造复杂、新构造运动强烈、应力高度集中、多次岩浆侵入、埋深大的地质环境，存在高地应力现象，脆性岩体可能发生岩爆，软质岩体可能发生大变形。

(1)岩爆

根据地勘资料，本隧道可能发生岩爆的地层主要为燕山期花岗闪长岩，钻孔揭示如图3所示，属硬质岩体，主要以轻微和中等岩爆为主。

图3 燕山期花岗闪长岩

根据类似工程建设，轻微、中等岩爆主要破坏特征如图4所示。

图4 岩爆典型案例

(2)软岩大变形

三叠系板岩夹砂岩、板岩地层钻孔揭示照片如图5所示，属软质岩体，具软岩变形风险，根据地应力测试成果，本隧道最大水平主应力为22.88 MPa，最大水平主应力方向为N28°～71°E之间，属于高～极高地应力区，经初步判识，变形等级主要以一级、二级变形为主。

图5 三叠系板岩、板岩夹砂岩

构造岩主要分布于断层破碎带内，原岩由板岩、砂岩及侵入岩组成，以断层角砾为主，局部为断层泥岩。根据地勘资料初步判识，F13-1断层主要以三级变形为主、F38断层主要以二级、三级变形为主，钻孔揭示照片如图6所示。

图6 构造岩

本隧道毗邻兰渝铁路，相对关系如图7所示，同属于秦岭褶皱系、松潘甘孜褶皱系，岩性相近，图中P代表三叠系。兰渝铁路建设过程中普遍存在围岩应力强、施工中发生围岩大变形的情况。隧道从构造和岩性上与兰渝铁路马家山隧道、哈达铺隧道、同寨隧道具有相似性。根据兰渝铁路建设经验，建设过程中主要出现初期支护挤压破坏、侵限、钢架扭曲变形、二衬开裂等，如图8所示。

图7 西成铁路与兰渝铁路岩性对比

图8 挤压大变形地层隧道开裂情况

2 分合修方案研究

从运营安全、维修养护、建设因素、对引线工程的影响、工期、投资等角度综合分析，见表1。由表1可知，从施工风险及风险应对处理措施、运营维护、防灾救援疏散等因素分析，分修方案具有一定优势，但合修方案具有适合大型机械化施工、施工组织方便、有利于减小毗邻工程规模的优点，在工程投资方面具有明显优势。结合工程投资、对毗邻引线工程的影响、高效发挥大型机械化施工的工效等因素，推荐采用合修方案。

表1 分合修方案对比分析

3 施工组织方案研究

结合隧道勘探资料，分析了TBM适应性[18]，瓜什则盆地内辅助坑道选址应避开盆地内水稳性差的新近系砂砾岩地层，因此，辅助坑道设置条件较差，双洞单线隧道开挖断面小，机械化作业空间较小，临时占地大，结合工程投资及TBM适应性，设计为单洞双线隧道，钻爆法施工。本隧道出口方向为长21.63 km的单面下坡，富水区多集中在此区段，施工中突涌水风险高，平导可实现超前探明地质，降低施工风险，但洞身局部平导相较于出口局部平导方案，无法实现顺坡排水，突涌水风险高，出口局部平导方案优势明显，下文主要对比分析“斜井”、“斜井+贯通平导”、“斜井+局部平导”方案。

3.1 方案一：单洞双线隧道+6座斜井

设双车道无轨运输斜井15.97 km/6座，如图9所示，斜井设计综合坡度为10%，每座斜井担负2个工作面施工，隧道土建贯通工期为66个月。

图9 辅助坑道示意(方案一)

3.2 方案二：单洞双线隧道+贯通平导+3座斜井

线路右侧设贯通平导、洞身设无轨运输双车道斜井8.19 km/3座，如图10所示，斜井设计综合坡度为10%，平导设计纵坡同线路纵坡，平导、斜井同时最多担负3个工作面施工，平导、正洞土建贯通工期分别为56.7个月、68.4个月。

3.3 方案三：单洞双线隧道+出口局部平导+4座斜井

绕避F14和F14-1断层和洞口浅埋段，于线路左侧增设长9.03 km的局部平导、洞身设无轨运输双车道斜井10.53 km/4座，如图11所示，斜井设计综合坡度为10%，平导、斜井同时最多担负3个工作面施工，平导土建贯通工期为50.5个月，正洞土建贯通工期为66.2个月。

图10 辅助坑道示意(方案二)

图11 辅助坑道示意(方案三)

3.4 研究结论

结合建设工期、工程投资、施工风险、后期运营养护及防灾救援疏散等因素，综合比选结果见表2，由表可得以下结论。

(1)方案二工程投资高、工期风险大，方案一和方案三明显优于方案二。

(2)方案一和方案三相比，工程投资低、工期略优，但由于本隧道富水隧道，且富水区均为单面向下的坡度，全斜井方案施工排水费用及风险高，而方案三设出口局部平导方案具有以下优势：①出口局部平导可超前探明地质，起到超前探洞作用，降低正洞挤压变形、突涌水风险；②出口局部平导可实现顺坡排水，降低施工排水风险；③出口局部平导兼作后期防灾救援、检修及运营排水通道。

表2 钻爆法施工组织方案比较

综上分析，设计推荐方案三，采用单洞双线隧道+出口局部平导+4座斜井方案，设斜井10.5 km/4座、出口局部平导9.0 km，同时为防灾救援需要，线路右侧增设救援站平导1.6 km。辅助坑道布置、施工组织示意如图12、图13所示。

图12 甘青隧道辅助坑道布置示意

图13 甘青隧道指导性施工组织示意

4 甘青隧道工程设计对策

4.1 岩爆段设计措施

岩爆段应遵循“预防为主、防治结合、强化管理、实时优化”的原则，施工过程中应加强监测，根据揭示岩爆等级，实时优化支护措施，岩爆段为确保施工安全，采用大型机械化施工，减少洞内作业人数，降低施工风险。加强支护措施，拱墙增设消能防护网；增强锚固体系，根据岩爆等级，系统锚杆加密加长，轻微岩爆段隧道系统锚杆加长至3.5 m@1.2 m×1.2 m、中等岩爆段隧道系统锚杆加长至4.0 m@1.0 m×1.0 m、强烈岩爆段隧道系统锚杆加长至5.0 m@1.0 m×1.0 m。此外，强烈岩爆还采取提高钢架刚度，采用H150钢架，间距为1.2 m。

4.2 软岩大变形段设计措施

主要采取“调整仰拱曲率、提高支护刚度、加大预留变形量、长短锚杆结合、让抗结合”措施。

(1)调整仰拱曲率

调整仰拱曲率，轨道结构顶面至仰拱底的距离由通用图中的191 cm加深至231 cm，加深40 cm。

(2)喷射混凝土

采用早高强喷混凝土，Ⅰ级、Ⅱ级变形地层采用C25喷早高强混凝土；Ⅲ级变形地层采用C30喷早高强混凝土。喷射混凝土厚度较一般地层加强型衬砌厚度加大4～7 cm。

(3)型钢钢架

Ⅰ级变形：I22a，间距0.8～1.0 m。

Ⅱ级变形：H175，间距1.0～0.8 m。

Ⅲ级变形：H175，间距为0.6～0.8 m。

(4)预留变形量

增大预留变形量，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级变形对应预留变形量分别为20，30，40 cm。

(5)加强锚固体系

Ⅱ、Ⅲ级变形采用“长短锚杆结合”的锚固体系。

Ⅱ级变形：系统锚杆(拱部组合中空锚杆、边墙全长粘结式砂浆锚杆)，边墙配合钢架增设8根R32N自进式锚杆，单根长8 m。

Ⅲ级变形：系统锚杆采用涨壳式锚杆，边墙配合钢架增设8根R32N自进式锚杆，单根长10 m。

(6)加强二衬

采用钢筋混凝土结构，且厚度随变形等级依次加厚。

4.3 膨胀性地层设计措施

(1)调整仰拱曲率，仰拱加深40 cm。

(2)衬砌支护钢架封闭。

(3)二衬仰拱采用钢筋混凝土。

(4)取消仰拱填充内中心水沟，并在仰拱填充顶面布设护面钢筋网。

4.4 防寒措施设计

根据隧道区气象资料，隧道进出口一定范围内需考虑抗冻设防，结合隧址区气温条件、隧道纵坡，采用的防寒措施有保温水沟、防寒泄水洞、深埋中心水沟。

(1)隧道进口1 800 m、出口1 500 m采用保温水沟形式，双层盖板之间填充聚氨酯保温材料。

(2)西宁端洞口1 212 m范围正洞下方设置防寒泄水洞及紧贴仰拱底的浅埋中心水沟，隧道内上游侧沟水通过防寒泄水洞排走，环纵向盲管将衬砌背后水直接排入浅埋中心水沟，每隔50 m设置泄水孔排至泄水洞。

(3)黄胜关端洞口人字坡段795 m设置深埋中心水沟。

泄水洞和深埋中心水沟设置方案分别如图14、图15所示。

图14 仰拱底浅埋中心水沟+泄水洞

图15 深埋中心水沟

4.5 防灾救援设计

根据TB 10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》[19]要求，优化防灾救援模式，提出洞内列车定点救援模式[20]，于DK394+850～DK396+530区段设置紧急救援站，长L=1 680 m。救援站及疏散区设置示意如图16、图17所示，其中1号、3号及出口局部平导按永久工程设计，1号斜井设计为避难所；3号斜井、出口局部平导设计为洞内紧急救援站防灾通风及检修通道。为满足救援需求，两侧45 m各设一座疏散平导，其中疏散区550 m，过渡区580 m，待避区550 m，救援站内站台宽度2.3 m，站台面高于内轨顶面30 cm。发生事故后，事故列车停靠在救援站疏散区，救援列车停靠在待避区，人员下车后通过横通道进入救援站平导内，然后步行至救援站待避区乘坐救援列车驶离隧道。

图16 防灾救援站布置示意

图17 疏散区布置示意

5 机械化配套设计

5.1 概述

甘青隧道轨面高程均在2 500 m以上，除出口、出口局部平导工区外，其余工区海拔均在3 000 m以上。传统的人工台架法开挖施工方法，所用作业人员多，作业人员劳动强度大，工序作业凌乱，高原地区，氧气含量低，高强度作业对人员造成的伤害较大，且效率低，采用大型机械化配套施工，可减少施工人数、提高施工进度，确保隧道施工安全和质量。

甘青隧道为全线控制性工程，部分工区施工任务重、工期可控性差。尤其是1号斜井工区、2号斜井大里程工区、3号斜井小里程工区，独头掘进距离长，工期可控性差。

基于甘青隧道上述特点，提出如下配套原则。

(1)结合施工工法进行配置机械设备。

(2)存在施工风险的关键工序应尽量减少作业人数和作业强度，采用机械设备作业。

(3)为减少不同配套转换时的施工干扰，工区内同一个施工作业面，只采用一种配套方式。

(4)环境脆弱，长大隧道施工以快速机械化施工为主，尽量减少对周边环境的人为影响。

(5)控制工区、围岩条件相对较好的地层采用大型机械化配套。

5.2 机械化配套方案

借鉴郑万高铁机械化施工经验[21]，针对隧道开挖、出渣作业、支护作业及仰拱铺底作业环节加强机械化配套设备，提出了Ⅰ、Ⅱ级机械化配套方案。Ⅰ级配套为高度机械化配套方案，开挖和超前作业采用三臂凿岩台车；Ⅱ级配套方案与传统人工钻爆法的区别在于喷射混凝土时采用湿喷机械手，仰拱作业采用自行式仰拱栈桥一体化仰拱模板台车，针对Ⅰ级机械化配套方案开展了针对性设计。主要机械设备配置见表3。

表3 机械设备配置

5.3 Ⅰ级机械化配套方案针对性措施设计

为充分发挥Ⅰ级机械化配套方案中各施工机械工效，加快各施工工序间的衔接，主要针对超前支护、工法配置开展了针对性设计。

(1)超前支护措施

加强超前支护措施，采用小管棚替换φ42 mm小导管；掌子面加固改善围岩条件，减少作业工序及作业台阶，如图18所示。

图18 超前支护设计

①洞身小管棚：φ50 mm(壁厚3.5 mm)、φ60 mm(壁厚4 mm)热轧无缝钢管，长15 m/18 m，外插角6°～8°，环向间距50 cm/40 cm，纵向搭接长度≮3 m，压注水泥浆液。

图19 甘青隧道工法示意(单位：m)

②掌子面加固：C25喷混凝土封闭；φ25 mm玻璃纤维锚杆加固。

(2)工法配置

为全面发挥凿岩台车和湿喷机械手的优势，发挥设备的性能优势，优化后工法见表4，工法示意如图19所示。

表4 施工工法

5.4 Ⅱ级机械化配套方案

Ⅱ级机械化配套施工方案采用普通全断面或三台阶法进行施工。

5.5 配套工区

根据机械化配套原则，选定围岩条件好、施工压力大的控制工期1号斜井工区、2号斜井大里程工区，3号斜井小里程工区采用Ⅰ级机械化配套，其余区段采用Ⅱ级机械化配套，如图20所示。

图20 甘青隧道机械化配套示意

6 结论及建议

(1)富水、复杂地质条件下，平导即可实现超前探明地质及顺坡排水，降低施工风险及成本。高地应力区平导超前施工又可起到超前释放地应力，降低高地应力隧道施工风险的作用，富水、复杂地质隧道建设宜优先推广使用。

(2)高地应力区隧道施工中应加强监测，根据监测数据实时调整设计参数。岩爆隧道应加强初期支护，宜增设消能措施；软岩大变形隧道采取调整仰拱曲率、增强锚固体系、加强初期支护及二衬等措施。

(3)膨胀岩隧道基底易出现病害，提出调整仰拱曲率、初期支护封闭成环、二衬仰拱采用钢筋混凝土，取消仰拱填充内中心水沟，并在仰拱填充面增设护面钢筋网等设计优化措施。

(4)甘青隧道辅助坑道条件差、隧道区既有交通条件差，借助路外交通救援难度高，提出采用洞内救援模式，实现了铁路系统内部救援。

(5)严寒隧道防寒宜采用中心深埋水沟或仰拱底浅埋中心水沟+泄水洞方案，排水通道均埋设于冻结线以下。