薛新功

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,上海 200070)

1 概述

在2008年國(guó)務(wù)院批復(fù)的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)》中,鐵路客運(yùn)專線建設(shè)目標(biāo)為1.6萬km以上[1]。目前我國(guó)的高速客運(yùn)專線鐵路掀起了建設(shè)高潮?！耙?guī)劃”同時(shí)指出：擴(kuò)大西部路網(wǎng)規(guī)模,形成西部鐵路網(wǎng)骨架。這就意味著,客運(yùn)專線不僅在平原和沿海地帶建設(shè),也在地質(zhì)條件復(fù)雜的西部山區(qū)展開。隨著西部山區(qū)客運(yùn)專線鐵路的修建,隧道工程所占有的比例也越來越大，復(fù)雜越嶺跨谷隧道群長(zhǎng)度合理布設(shè)就成為勘察設(shè)計(jì)中的難題。

2 我國(guó)已運(yùn)營(yíng)及在建部分客運(yùn)專線隧道分布情況

據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)運(yùn)營(yíng)和在建客運(yùn)專線隧道總長(zhǎng)度已達(dá)892 km,其中有長(zhǎng)度大于10 km的特長(zhǎng)隧道9座,分別是石太客運(yùn)專線的太行山隧道27.8 km和南梁隧道11.5 km、東凌井隧道10.9 km,合武客運(yùn)專線的大別山隧道13.3 km和金寨隧道10.8 km、溫?？瓦\(yùn)專線的霞浦隧道13.1 km,武廣客運(yùn)專線的大瑤山一號(hào)隧道10.1 km,廈深線的大南山隧道12.7 km,廣深港的獅子洋隧道10.9 km[2]。其中獅子洋隧道采用盾構(gòu)法施工,其他均采用鉆爆法施工。而在建項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的最長(zhǎng)隧道尚無超過15 km,并且隧道群多位于緩坡上,長(zhǎng)大持續(xù)上坡地段短。西成線及在建相關(guān)客運(yùn)專線隧道設(shè)置情況統(tǒng)計(jì)詳見表1。

表1 西成客運(yùn)專線及在建相關(guān)客運(yùn)專線隧道設(shè)置情況統(tǒng)計(jì)

注：武廣、鄭西客運(yùn)專線速度目標(biāo)值為350 km/h,其余項(xiàng)目為250 km/h。

3 西成客運(yùn)專線隧道分布特點(diǎn)及研究重點(diǎn)

西成客運(yùn)專線鐵路行經(jīng)秦巴山區(qū),因穿越秦嶺屏障且溝谷狹窄,受越嶺高程及環(huán)保等條件約束,穿越秦嶺地段(戶縣—洋縣間)形成百余公里的長(zhǎng)大密集隧道群；隧道比重高達(dá)94%,平均單座隧道長(zhǎng)度6.64 km,特長(zhǎng)隧道累計(jì)6座85.7 km,其中最長(zhǎng)隧道為16 km左右。漢中—江油(厚壩)間翻越米倉山地段隧道比重亦達(dá)77%,構(gòu)成中長(zhǎng)隧道群,平均單座隧道長(zhǎng)度3.28 km。

全線特點(diǎn)是：隧道長(zhǎng)、占線路比重大,并且成群密集分布。如此越嶺長(zhǎng)大持續(xù)緊坡密集隧道群,在國(guó)內(nèi)外高速鐵路建設(shè)中實(shí)屬罕見。在建設(shè)期,給隧道施工、棄砟帶來極大的困難。在運(yùn)營(yíng)期,增加防災(zāi)救援難度。高速列車在隧道運(yùn)行時(shí),還會(huì)產(chǎn)生微壓力波和瞬變壓力,降低旅客乘車舒適度。同時(shí)產(chǎn)生的輪軌噪聲、機(jī)械噪聲、弓網(wǎng)噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)噪聲,對(duì)自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊的人文環(huán)境影響明顯。因此,如何結(jié)合地質(zhì)條件、線路標(biāo)準(zhǔn)等綜合因素,選擇適宜的越嶺隧道長(zhǎng)度及引線地段合理隧道長(zhǎng)度布設(shè)方案顯得尤為重要。重點(diǎn)研究的問題是：長(zhǎng)大隧道群空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)引起的旅客舒適度的變化、線路越嶺最大坡度的選擇、環(huán)境保護(hù)等限制因素對(duì)隧道長(zhǎng)度的影響；以及施工條件、施工工期、防災(zāi)救援等與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系。

4 主越嶺隧道長(zhǎng)度及引線隧道長(zhǎng)度影響因素

4.1 地形、地質(zhì)條件

秦嶺山區(qū)北陡南緩,溝谷狹窄,線路克服高程障礙巨大?？紤]客運(yùn)專線最大坡度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)條件,線路需以長(zhǎng)大足坡(地段長(zhǎng)達(dá)40余km)隧道群越嶺,主隧道以特長(zhǎng)隧道通過。米倉山區(qū)地形相對(duì)較緩,但溝谷狹窄,水系發(fā)達(dá),需以中長(zhǎng)隧道群引線。

地質(zhì)方面主要受不良地質(zhì)、水文地質(zhì)條件影響隧道長(zhǎng)度。

4.2 環(huán)保條件

秦嶺山脈分布眾多國(guó)家級(jí)、省級(jí)自然保護(hù)區(qū),以及野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)。黑河水系為水源地,地表植被發(fā)育茂盛。根據(jù)環(huán)保專題《秦嶺山地區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)與線路宏觀走向選擇研究》結(jié)論,Ⅰ、Ⅱ級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)在海拔1 500 m以上,越嶺隧道設(shè)計(jì)高程宜控制在1 500 m以下,并應(yīng)盡量加長(zhǎng)隧道下穿保護(hù)區(qū),減少隧道露頭對(duì)環(huán)境的破壞。

4.3 施工條件、工期、投資

從施工條件考慮,特長(zhǎng)隧道宜采用人字坡,但會(huì)引起隧道長(zhǎng)度增加,加長(zhǎng)工期,加大投入。隧道位置盡量靠近溝谷,改善輔助坑道設(shè)置條件。隧道洞口盡量選擇在地形開闊處,便于施工場(chǎng)地布置和棄砟。

4.4 運(yùn)營(yíng)條件

從防災(zāi)救援條件考慮,隧道長(zhǎng)度宜短不宜長(zhǎng),便于在災(zāi)害情況下的旅客疏散和救援。從旅客舒適度考慮,相鄰隧道間應(yīng)盡量加大露頭長(zhǎng)度,避免微氣壓波頻繁變化。

以上因素,對(duì)越嶺隧道長(zhǎng)度和引線地段合理隧道長(zhǎng)度布設(shè)的影響是相互矛盾的,應(yīng)做綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析和研究。

5 主越嶺隧道長(zhǎng)度及引線隧道長(zhǎng)度布設(shè)原則及成果

5.1 布設(shè)原則

(1)根據(jù)客運(yùn)專線平面曲線半徑及坡度要求,結(jié)合秦嶺越嶺地段地形及地質(zhì)條件分析,線路若采用20‰坡度,越嶺隧道長(zhǎng)度在15～25 km；采用25‰坡度,越嶺隧道長(zhǎng)度在10～20 km[3]；

(2)考慮線路在秦嶺Ⅰ、Ⅱ級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)外通過,即海拔高程低于1 500 m,則主越嶺隧道長(zhǎng)度選擇在15～20 km；

(3)考慮施工條件、工期、投資,則主越嶺隧道長(zhǎng)度越短施工條件越好、工期越短主越嶺隧道工程投資越??；

(4)考慮防災(zāi)救援條件隧道長(zhǎng)度宜短不宜長(zhǎng)；

(5)考慮旅客舒適度因素,盡量減短隧道群?jiǎn)误w長(zhǎng)度,并且相鄰隧道間應(yīng)盡量加大露頭長(zhǎng)度,避免微氣壓波頻繁變化。

5.2 布設(shè)成果

綜合地形、地質(zhì)、環(huán)保條件,考慮隧道施工工期、施工條件、運(yùn)營(yíng)條件、工程投資等因素,并針對(duì)客運(yùn)專線線路直、坡度大的特點(diǎn),確定西成客運(yùn)專線翻越秦嶺山脈主隧道長(zhǎng)度應(yīng)在15～20 km為宜,引線地段不宜超過15 km、以10 km以下隧道群分布為優(yōu)。翻越米倉山地段,隧道長(zhǎng)度在10 km左右及以下為宜。

設(shè)計(jì)中,采用25‰最大坡度翻越秦嶺,主隧道采用16 km左右特長(zhǎng)隧道,嶺南采用4座10～15 km隧道群。米倉山越嶺采用10 km左右及以下隧道群方案。

5.3 防災(zāi)救援方式

從防災(zāi)救援的角度看,隧道不宜過長(zhǎng),但可利用輔助坑道作為救援通道,并與輔助坑道的疏密及條件有關(guān)。通常防災(zāi)救援做法如下：

(1)在隧道內(nèi)設(shè)置貫通的雙側(cè)救援通道,寬1.5 m、高2.2 m；

(2)長(zhǎng)度大于6 km的隧道,設(shè)置緊急出口,寬度不小于2.3 m,高度不小于2.5 m,縱向仰角不大于30°。隧道緊急出口外,設(shè)置一個(gè)提供緊急停車和容納逃生人員的安全區(qū),并與外界道路連通,設(shè)置消防池和消防栓。

(3)隧道內(nèi)設(shè)置必要的監(jiān)控、防災(zāi)預(yù)警、滅火、排煙系統(tǒng)；救援通道每隔200 m設(shè)置圖像、文字標(biāo)記,指示兩個(gè)方向分別到下個(gè)緊急出口的整百米數(shù),并配燈光顯示方向。

6 乘客適應(yīng)性及舒適度分析

當(dāng)列車進(jìn)入隧道時(shí),原來占據(jù)著空間的空氣被排開。空氣的黏性以及隧道壁面與列車表面的摩阻作用,使得被排開的空氣不能像隧道外那樣及時(shí)、順暢地沿列車兩側(cè)和上部形成繞流。于是,列車前方的空氣受到壓縮,列車后方則形成一定的負(fù)壓。這就產(chǎn)生了一個(gè)壓力波動(dòng)過程。這種壓力波動(dòng)又以聲速傳播至隧道口,形成反射波,回傳、疊加,產(chǎn)生一系列復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。其發(fā)生的實(shí)態(tài)如圖1所示。

圖1 列車進(jìn)入隧道引起的壓力波動(dòng)曲線(遂渝鐵路實(shí)測(cè))

微氣壓波和影響瞬變壓力的因素包括：列車速度,列車長(zhǎng)度,列車車形,列車橫截面積,列車壁摩擦系數(shù),以及隧道凈空面積、隧道長(zhǎng)度、隧道壁摩擦系數(shù)等。諸因素中列車速度V和阻塞比β是對(duì)隧道內(nèi)及列車上壓力波動(dòng)程度起主導(dǎo)作用的因素,對(duì)于隧道長(zhǎng)度的影響,壓力波動(dòng)程度并非僅隨著隧道長(zhǎng)度的增加而加劇。武廣客運(yùn)專線研究表明,對(duì)于At=101 m2,V=350 km/h,ICE3(Av=10.4 m2),Lv=400 m的情況不考慮列車在隧道內(nèi)交會(huì),隧道臨界長(zhǎng)度為1 490 m；考慮列車在隧道內(nèi)交會(huì),隧道臨界長(zhǎng)度為1 380 m[2]。因此,單體隧道長(zhǎng)度宜在3～5 km以上。

微氣壓波和瞬變壓力會(huì)造成旅客耳朵不適,必須采取加大橫斷面凈空面積、提高車輛密封指數(shù)等措施控制車廂內(nèi)壓力的瞬變程度。衛(wèi)生專家指出,可引起中耳氣壓傷的最低氣壓差為8.0 kPa。因此,需要從旅客乘車舒適度出發(fā),對(duì)壓力波動(dòng)程度進(jìn)行評(píng)估并提出相關(guān)舒適度準(zhǔn)則。西成客運(yùn)專線為山區(qū)客運(yùn)專線,隧道密集,結(jié)合國(guó)內(nèi)外高速鐵路的科研成果,舒適度準(zhǔn)則為雙線隧道1.25 kPa/3 s,單線隧道為0.8 kPa/3 s。采取的措施有降低運(yùn)行速度、提高車輛密封指數(shù)、增加隧道凈空面積等。基于此,兩隧道間露頭長(zhǎng)度宜大于400 m,不足200 m時(shí),以明洞或封閉露頭為好。

對(duì)于洞口微氣壓波問題,通過設(shè)置凈空斷面積大于隧道凈空的緩沖結(jié)構(gòu)加以消減,采用斷面漸變的喇叭形緩沖結(jié)構(gòu),開口率為0.3,緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度取2倍隧道換算直徑,緩沖結(jié)構(gòu)的凈空斷面積/隧道橫斷面凈空面積=1.3。

7 結(jié)語

山區(qū)客運(yùn)專線越嶺隧道群長(zhǎng)度合理布設(shè)在我國(guó)是一個(gè)嶄新的課題,需要專業(yè)技術(shù)人員和鐵路建設(shè)者不斷的實(shí)踐和探究。以西成客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)為實(shí)例,闡述了山區(qū)客運(yùn)專線越嶺隧道群長(zhǎng)度的合理布設(shè)原則和研究成果,希望對(duì)同類工程有所啟示和借鑒。同時(shí)建議,對(duì)武廣、鄭西、石太、溫福等客運(yùn)專線的隧道運(yùn)營(yíng)情況,做進(jìn)一步的測(cè)試和專題研究,以保證山區(qū)鐵路客運(yùn)專線長(zhǎng)大密集隧道群地段旅客乘車的舒適度。

[1] 鐵道部.中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)[Z]. 北京：2008．

[2] 鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心. 高速鐵路隧道[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2006．

[3] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.西安至成都客運(yùn)專線西安至江油段可行性研究[R].西安：2009.