何春保

(華南農業(yè)大學水利與土木工程學院，廣東廣州 510642)

青藏鐵路西寧至格爾木段增建第二線工程關角隧道，位于既有青藏鐵路天棚至察汗諾車站區(qū)間，增建二線線路跨布哈河、魯茫曲于青海南山山前新設天峻站后，以32.605 km的隧道穿越青海南山(隧道進口軌面高程為3 380.97 m，出口軌面高程為3 323.58 m)。新建關角隧道為兩座平行的單線隧道，隧道進口端里程為DK280+570，出口端里程為DK313+175。隧道進口段為8‰的上坡，在嶺脊設坡度代數(shù)差后，以9.5‰的坡度連續(xù)下坡。該項目地質條件復雜，施工難度大［1］，通風要求高。本文對不同施工方案和通風方案進行對比分析。

1 關角隧道設計原則

關角隧道主要的設計原則包括:

1)設計列車行車速度目標值為160 km/h。

2)按文獻［2］的要求，對于旅客列車最高行車速度160 km/h的新建隧道，隧道軌面以上凈空橫斷面面積，單線隧道不小于42 m2。

3)采用彈性支撐塊整體道床，道床寬度2 600 mm，內軌頂面至道床底面高度為614 mm。

4)洞內軌道類型按重型設計。

5)兩隧道線間距為40 m。

隧道襯砌斷面內輪廓如圖1所示。

2 隧道施工中的主要地質問題

1)高地應力

圖1 隧道內輪廓示意(單位:cm)

隧道區(qū)位于新構造活動強烈的青藏高原東北緣，跨越柴達木陸塊北緣、宗務隆山裂陷槽、南祁連陸塊三個大地構造單元，區(qū)內斷裂及褶皺均發(fā)育，因此推斷隧道區(qū)可能存在較高的地應力。根據(jù)水壓致裂法實測結果分析，隧道嶺脊埋深較大段存在較高的地應力。高地應力易引起軟弱圍巖(主要指斷層破碎帶)的流變失穩(wěn)及堅硬巖石(主要指花崗巖、閃長巖、混合巖)的巖爆。

根據(jù)DSZ-1，DSZ-7，DSZ-8等3個孔地應力的實測結果，最大水平主應力的最大值為22.04 MPa，DSZ-8孔最大水平主應力測值明顯高于DSZ-1孔、DSZ-7孔，而DSZ-8孔位于f17斷層附近(F3斷裂帶內)，表明隨著鉆孔所處構造部位的不同，所反映的構造應力強度差異也較大，在斷裂帶附近存在應力集中現(xiàn)象。在3個孔共19個測段中，Rc/σmax＜4的極高地應力占全部測段的15.8%，4＜Rc/σmax＜7高地應力占全部測段的10.5%。經綜合分析，嶺脊埋深較大的石炭系變質砂巖及片巖段可能存在高地應力問題。隧道在施工中軟弱圍巖(主要指斷層破碎帶)，存在發(fā)生較大變形的可能。

2)突、涌水

根據(jù)區(qū)內水文地質調查及對既有關角隧道涌水情況的調查，區(qū)內地下水發(fā)育，特別是三疊系、二疊系砂巖、灰?guī)r及石炭系變質砂巖，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，而且灰?guī)r中有古巖溶發(fā)育，賦水性好;因此，隧道施工可能會產生突、涌水。

3)圍巖失穩(wěn)

關角隧道位于地質構造活動強烈的青藏高原東北緣，區(qū)內斷裂及褶皺均較發(fā)育，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育～較發(fā)育，巖體較破碎，尤其是DK283+479—DK284+889，DK301+000—DK306+000 段，斷層發(fā)育，巖體破碎，局部含水;施工中可能會出現(xiàn)坍塌、變形等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 工程重點、難點

1)地處高原嚴寒地區(qū)，施工難度大。關角隧道是全線控制工程，洞身處于海拔3 300～3 400 m，其中斜井口最高海拔3 768.2 m。常年平均氣溫為 －0.5℃，極端最低氣溫 －35.8℃，常冬無夏，春秋相連，最大凍結深度達299 cm。在此條件下內燃機械設備功率降低，施工難度大。

2)工程規(guī)模大，施工組織跨度大，施工管理是重點。

3)地質構造復雜，不良地質施工長度長是施工的難點。

4)斜井長，進入正洞反坡施工，施工排水是重點。

5)斜井進入正洞后多工作面施工，長距離多工作面施工通風是難點。

6)生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境保護和水資源保護是重點。

4 鉆爆法施工方案比選

按西格二線的建設總工期為5年的要求，根據(jù)工期條件，進行了全斜井方案、Ⅱ線貫通平導方案(部分斜井方案)及Ⅱ線局部平導方案(部分斜井方案)3個施工方案的比較。

1)斜井方案

在Ⅱ線隧道共設置12座斜井，斜井施工到位后先開辟橫通道施工Ⅰ線隧道，完成Ⅰ線隧道掘進后立即進行Ⅱ線隧道開挖。待Ⅰ線隧道全部貫通后，通過Ⅰ線隧道進、出口及部分斜井對Ⅰ線隧道開始鋪設整體道床，鋪設整體道床的斜井同時還兼顧Ⅱ線隧道的開挖。該方案共設置斜井17 467 m/12座。

2)Ⅱ線局部平導方案

將Ⅱ線隧道進口7 945 m，出口10 565 m共18 510 m先期設置為平導，平導超前后，通過開辟橫通道輔助Ⅰ線施工，同時設置7座斜井，2座用于及早與兩端洞口平導貫通，5座主攻隧道嶺脊地段14 095 m，嶺脊地段隧道一次成洞，Ⅰ線施工任務完成后通過橫通道再進行平導擴挖。Ⅰ，Ⅱ線整體道床的鋪設通過進、出口及斜井工區(qū)同時進行。該方案設置平導18 510 m，斜井11 713 m/7座。

3)Ⅱ線貫通平導方案

Ⅱ線先期為平導，為了及早貫通平導，共設置了7座斜井，先期輔助施工平導，并通過平導及斜井開辟橫通道輔助施工Ⅰ線隧道，Ⅰ線隧道一次建成正洞，Ⅰ線貫通后，再利用Ⅰ線及斜井通過橫通道擴挖Ⅱ線。Ⅰ、Ⅱ線整體道床的鋪設通過進、出口及斜井工區(qū)同時進行。該方案設置平導32 605 m，斜井10 063.8 m/7座。

以上各方案的示意圖如圖2，方案比較見表1。

圖2 關角隧道鉆爆法施工方案示意

綜合分析，三個方案均能滿足工期目標，由于斜井方案施工組織相對容易，投資少，施工通風難度相對較低，故設計考慮采用斜井方案。

5 通風方案對比

本工程采用爆破法開挖，將產生大量炮煙;出渣采用無軌出渣，汽車、裝載機等機械設備將產生大量有害氣體［3-4］，考慮采用以下兩種通風方案。

1)全縱向射流誘導式通風

封閉所有的輔助坑道，采用全縱向射流誘導式通風，利用射流風機的射流增壓效應，Ⅰ(Ⅱ)線隧道新鮮空氣由隧道的進(出)口端進入隧道，將污濁空氣從隧道的出(進)口端排除，機械風沿隧道縱向流動，從而實現(xiàn)隧道內空氣的換氣目的，如圖3所示。每座隧道需要42臺SLFJ-112-3T型射流風機，洞內射流風機采用集中并聯(lián)布置，每個斷面布置6臺風機，采用壁龕式懸掛。Ⅰ線隧道設于西寧端，Ⅱ線隧道設于格爾木端，通風總功率為1 260×2=2 520 kW。

表1 關角隧道鉆爆法施工方案比較

圖3 全縱向射流誘導式通風方案(單位:m)

2)軸流風機及射流風機壓出式通風

Ⅰ線隧道利用10號斜井采用軸流風機及射流風機壓出式通風如圖4(a)。在10號斜井內設軸流風機2臺向外壓風，在隧道西寧端設置SLFJ-112射流風機10臺，以降低西寧端段的阻力，在格爾木端設置SLFJ-112射流風機8臺，以增加格爾木端段的阻力，形成射流風幕，從而減小格爾木端的風速，平衡風道口兩端洞口的風壓，使兩端洞口的排煙時間相等。洞內射流風機采用集中并聯(lián)布置，每個斷面布置4臺或6臺風機，采用壁龕式懸掛。通風風機總功率為1 130 kW。

Ⅱ線隧道利用2號斜井采用軸流風機及射流風機壓出式通風，如圖4(b)。在2號斜井內設軸流風機2臺向外壓風，在隧道格爾木端設置SLFJ-112射流風機14臺，以降低格爾木端段的阻力，在西寧端設置SLFJ-112射流風機8臺，以增加西寧端段的阻力，形成射流風幕，從而減小西寧端的風速，平衡風道口兩端洞口的風壓，使兩端洞口的排煙時間相等。洞內射流風機采用集中并聯(lián)布置，每個斷面布置4臺或6臺風機，采用壁龕式懸掛。通風風機總功率為1 100 kW。

圖4 利用斜井壓出式通風方案(單位:m)

3)通風方案比選

關角隧道通風方案設備對比如表2。

表2 通風設備對比

全縱向射流誘導式通風方案，僅在懸掛風機的地段隧道斷面需要擴大，土建工程費用增加較小;另外風機全部為同型號射流風機，均位于洞口段，運營管理方便，在事故狀態(tài)下風向、風速控制都比較容易。但本方案新鮮空氣必需從隧道的進口端穿過隧道流向出口端，由于通風時間的限制，風速、需風量均較大，需要的風機功率較大。

利用斜井采用軸流風機及射流風機進行壓出式通風方案，由于采用射流風機平衡風壓，隧道進口端風速較小，總的需風量較小，需要的風機功率也較小。但該方案利用的斜井要修建為專用風道(永久工程)，斜井內需要修建專用的軸流風機房，洞內懸掛射流風機的地段隧道斷面也需要擴大，土建工程費用增加較大;另外風機為軸流及射流兩種類型風機，均位于洞身段，運營管理不方便，在事故狀態(tài)下風向、風速都不易控制。

經技術經濟比較，Ⅰ、Ⅱ線隧道均采用縱向射流誘導式通風。施工通風方案剖面布置如圖5所示。

圖5 施工通風方案剖面布置

6 隧道棄渣及環(huán)保措施

為了減小施工對環(huán)境的影響，采取以下環(huán)保和棄渣措施。

1)隧道進口位于布哈河南緣階地，布哈河為青海黃魚的產卵區(qū)，因此隧道施工的污水必須處理達標后才能排放，確保布哈河不受污染。

2)施工中產生的生產、生活垃圾應設點集中處理，不得隨意丟棄。

3)棄渣按滿足環(huán)保和水土保持的要求進行設計，不對生態(tài)環(huán)境造成破壞，不污染環(huán)境，不造成水土流失。

4)棄渣應結合路基、站場專業(yè)作好調配予以充分利用，其余部分遵循就近分散，盡量利用荒坡、荒溝堆棄。渣腳設擋墻進行防護。

5)施作渣場前應將渣場部位約1 m厚的地表土鏟除，待渣頂整平后將其覆蓋在上面，供綠化使用。

7 結語

西格二線關角隧道是國內建設的最長鐵路隧道，獨頭掘進＞20 000 m，地質條件復雜，面臨著圍巖變形失穩(wěn)、高地應力、突泥涌水、施工通風等諸多工程技術難題。本文通過詳細的對比分析，對該隧道的不同施工方案和通風措施進行了對比分析，結合以往長大隧道施工中積累的經驗，科學、合理地提出了此項長大隧道的施工方案和通風方案。為保證關角隧道的順利施工奠定了基礎。為今后特長隧道的勘察、設計及施工提供參考。

［1］ 趙天熙．超前地質預報技術在西格二線關角隧道的應用［J］．鐵道建筑，2010(1):30-33．

［2］ 中華人民共和國鐵道部．TB 10003—2005 鐵路隧道設計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2000．

［3］ 張成剛．長大隧道鉆爆法施工中通風防塵方案［J］．鐵道建筑，2009(5):67-69．

［4］ 關寶樹．隧道工程設計要點集［M］．北京:人民交通出版社，2003．