薛新功

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,上海 200070)

1 概述

在2008年國務(wù)院批復(fù)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)》中,鐵路客運專線建設(shè)目標為1.6萬km以上[1]。目前我國的高速客運專線鐵路掀起了建設(shè)高潮?！耙?guī)劃”同時指出：擴大西部路網(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度合理布設(shè)就成為勘察設(shè)計中的難題。

2 我國已運營及在建部分客運專線隧道分布情況

據(jù)統(tǒng)計,目前我國運營和在建客運專線隧道總長度已達892 km,其中有長度大于10 km的特長隧道9座,分別是石太客運專線的太行山隧道27.8 km和南梁隧道11.5 km、東凌井隧道10.9 km,合武客運專線的大別山隧道13.3 km和金寨隧道10.8 km、溫?？瓦\專線的霞浦隧道13.1 km,武廣客運專線的大瑤山一號隧道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。而在建項目設(shè)計時速350 km的最長隧道尚無超過15 km,并且隧道群多位于緩坡上,長大持續(xù)上坡地段短。西成線及在建相關(guān)客運專線隧道設(shè)置情況統(tǒng)計詳見表1。

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

注：武廣、鄭西客運專線速度目標值為350 km/h,其余項目為250 km/h。

3 西成客運專線隧道分布特點及研究重點

西成客運專線鐵路行經(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)形成百余公里的長大密集隧道群；隧道比重高達94%,平均單座隧道長度6.64 km,特長隧道累計6座85.7 km,其中最長隧道為16 km左右。漢中—江油(厚壩)間翻越米倉山地段隧道比重亦達77%,構(gòu)成中長隧道群,平均單座隧道長度3.28 km。

全線特點是：隧道長、占線路比重大,并且成群密集分布。如此越嶺長大持續(xù)緊坡密集隧道群,在國內(nèi)外高速鐵路建設(shè)中實屬罕見。在建設(shè)期,給隧道施工、棄砟帶來極大的困難。在運營期,增加防災(zāi)救援難度。高速列車在隧道運行時,還會產(chǎn)生微壓力波和瞬變壓力,降低旅客乘車舒適度。同時產(chǎn)生的輪軌噪聲、機械噪聲、弓網(wǎng)噪聲和空氣動力學(xué)噪聲,對自然環(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、線路標準等綜合因素,選擇適宜的越嶺隧道長度及引線地段合理隧道長度布設(shè)方案顯得尤為重要。重點研究的問題是：長大隧道群空氣動力學(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)境保護等限制因素對隧道長度的影響；以及施工條件、施工工期、防災(zāi)救援等與隧道長度的關(guān)系。

4 主越嶺隧道長度及引線隧道長度影響因素

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]客運專線最大坡度技術(shù)標準條件,線路需以長大足坡(地段長達40余km)隧道群越嶺,主隧道以特長隧道通過。米倉山區(qū)地形相對較緩,但溝谷狹窄,水系發(fā)達,需以中長隧道群引線。

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

4.2 環(huán)保條件

秦嶺山脈分布眾多國家級、省級自然保護區(qū),以及野生動物保護區(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)境保護與線路宏觀走向選擇研究》結(jié)論,Ⅰ、Ⅱ級生態(tài)功能保護區(qū)在海拔1 500 m以上,越嶺隧道設(shè)計高程宜控制在1 500 m以下,并應(yīng)盡量加長隧道下穿保護區(qū),減少隧道露頭對環(huán)境的破壞。

4.3 施工條件、工期、投資

從施工條件考慮,特長隧道宜采用人字坡,但會引起隧道長度增加,加長工期,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,便于施工場地布置和棄砟。

4.4 運營條件

從防災(zāi)救援條件考慮,隧道長度宜短不宜長,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)盡量加大露頭長度,避免微氣壓波頻繁變化。

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

5 主越嶺隧道長度及引線隧道長度布設(shè)原則及成果

5.1 布設(shè)原則

(1)根據(jù)客運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,越嶺隧道長度在15～25 km；采用25‰坡度,越嶺隧道長度在10～20 km[3]；

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

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

(4)考慮防災(zāi)救援條件隧道長度宜短不宜長；

(5)考慮旅客舒適度因素,盡量減短隧道群單體長度,并且相鄰隧道間應(yīng)盡量加大露頭長度,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、運營條件、工程投資等因素,并針對客運專線線路直、坡度大的特點,確定西成客運專線翻越秦嶺山脈主隧道長度應(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,隧道長度在10 km左右及以下為宜。

設(shè)計中,采用25‰最大坡度翻越秦嶺,主隧道采用16 km左右特長隧道,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,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、文字標記,指示兩個方向分別到下個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

當列車進入隧道時,原來占據(jù)著空間的空氣被排開?？諝獾酿ば砸约八淼辣诿媾c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、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壓。這就產(chǎn)生了一個壓力波動過程。這種壓力波動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)雜的空氣動力學(xué)效應(yīng)。其發(fā)生的實態(tài)如圖1所示。

圖1 列車進入隧道引起的壓力波動曲線(遂渝鐵路實測)

微氣壓波和影響瞬變壓力的因素包括：列車速度,列車長度,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是對隧道內(nèi)及列車上壓力波動程度起主導(dǎo)作用的因素,對于隧道長度的影響,壓力波動程度并非僅隨著隧道長度的增加而加劇。武廣客運專線研究表明,對于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,隧道臨界長度為1 490 m；考慮列車在隧道內(nèi)交會,隧道臨界長度為1 380 m[2]。因此,單體隧道長度宜在3～5 km以上。

微氣壓波和瞬變壓力會造成旅客耳朵不適,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),對壓力波動程度進行評估并提出相關(guān)舒適度準則。西成客運專線為山區(qū)客運專線,隧道密集,結(jié)合國內(nèi)外高速鐵路的科研成果,舒適度準則為雙線隧道1.25 kPa/3 s,單線隧道為0.8 kPa/3 s。采取的措施有降低運行速度、提高車輛密封指數(shù)、增加隧道凈空面積等?；诖?兩隧道間露頭長度宜大于400 m,不足200 m時,以明洞或封閉露頭為好。

對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)客運專線越嶺隧道群長度合理布設(shè)在我國是一個嶄新的課題,需要專業(yè)技術(shù)人員和鐵路建設(shè)者不斷的實踐和探究。以西成客運專線鐵路設(shè)計為實例,闡述了山區(qū)客運專線越嶺隧道群長度的合理布設(shè)原則和研究成果,希望對同類工程有所啟示和借鑒。同時建議,對武廣、鄭西、石太、溫福等客運專線的隧道運營情況,做進一步的測試和專題研究,以保證山區(qū)鐵路客運專線長大密集隧道群地段旅客乘車的舒適度。

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

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

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