陳紹華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安　710043)

?

青藏鐵路西格二線關角隧道關鍵技術

陳紹華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安710043)

摘要：青藏鐵路西格二線關角隧道是我國首座長度突破30 km的鐵路隧道，文章介紹關角隧道的主要修建新技術： 采用斜井分隔風道新技術和斜井皮帶機出碴配合鉆爆法掘進的新技術，加大供風量，減少污染，提高效率，克服高寒缺氧難題；采用巖溶裂隙水綜合注漿技術及合理的排水配置，解決持續(xù)高壓涌水難題；采用調(diào)整結(jié)構(gòu)形式、加強初期支護和允許適度變形的技術方案，解決寬大斷層束大變形問題；通過嚴格的計算，首創(chuàng)采用活塞風解決30 km長隧道運營通風技術方案，研究隧道內(nèi)火災煙氣分布規(guī)律后，采用安全隧道射流風機加壓和事故隧道均衡分散式豎井排煙新技術，形成防災救援新技術。文章介紹關角隧道建設所取得的技術成就，以期對后續(xù)的高原特長隧道起到指導，達到推動中國鐵路隧道技術進步的目的。

關鍵詞：青藏鐵路； 關角隧道； 高海拔； 巖溶裂隙水； 斜井； 風道； 中隔板； 皮帶輸送； 出碴； 運營通風； 疏散救援

0引言

改建鐵路青藏線西寧至格爾木段增建第二線關角隧道，長32.690 km，于2007年11月6日開工建設，2014年12月28日開通運營。該隧道的建成，將既有線路縮短了36.82 km，列車的運行時間由2 h縮短為20 min。關角隧道是我國首座長度突破30 km的鐵路隧道，為目前國內(nèi)已投入運營的最長鐵路隧道，也是世界高海拔第一長隧道。

關角隧道屬于高海拔條件下的特長隧道，需要克服許多全新的施工難題，是國內(nèi)外隧道設計和施工中未曾遇到的，如在高寒缺氧條件下(海拔高度3 700～3 800 m)，多工作面同時施工，隧道獨頭掘進長度達5 000 m；穿越長達10 km的巖溶裂隙發(fā)育灰?guī)r，持續(xù)高壓涌水，涌水形式和環(huán)境不同于南方巖溶，是隧道建設史上罕見的；隧道位于青藏高原東北緣，圍繞區(qū)域斷裂，形成了以區(qū)域斷層為主，多條次級斷裂組成的斷層束，穿越斷層束時發(fā)生了大變形；在高海拔情況下，對于隧道的防災救援存在2個重要難題： 1)空氣浮力小，隧道內(nèi)火災溫度場分布和擴散規(guī)律、煙霧場分布和擴散規(guī)律不同于一般隧道， 2)高海拔隧道空氣稀薄，含氧量低、氣壓低、氣溫低，在這一地區(qū)，人的活動量(逃生速度)受到極大限制。因此，高海拔鐵路隧道防災救援設計不同于一般鐵路隧道。

為了克服上述的技術困難，參建單位進行了多項技術攻關，最終在特長隧道的修建技術上取得了重大突破。

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，以及低碳、環(huán)保社會的需要，中國必將修建更多更長的隧道，關角隧道的修建技術是我國隧道技術的重大進步，必將對我國長大隧道的修建技術產(chǎn)生巨大的推動作用，也將對世界高海拔、嚴寒地區(qū)特長隧道的修建技術產(chǎn)生極大的促進作用。通過介紹關角隧道的技術成果，以期能夠?qū)ζ渌愃频乃淼拦こ唐鸬街笇ё饔谩?/p>

1工程概況

1.1線路概況

新建關角隧道屬于改建鐵路青藏線西寧至格爾木段增建第二線的控制工程，位于既有鐵路天棚至察汗諾車站之間，全長32.690 km(隧道進口高程為3 380.26 m，出口高程為3 324.05 m)，設計為2座平行的單線隧道，線間距40 m，均位于直線段上(見圖1)。

隧道進口段為8‰的上坡，在嶺脊設過渡坡段后，以9.5‰的坡度連續(xù)下坡。設計旅客列車行車速度目標值為160 km/h，隧道軌面以上凈空橫斷面面積不小于42 m2，隧道凈空高度720 cm，采用雙塊式無碴軌道。

圖1　線路平面示意圖

1.2施工方案

采用鉆爆法施工，結(jié)合關角隧道的洞身地形條件，利用洞身附近河溝設置11座總長15 266 m的斜井，輔助正洞施工，完成斜井建井后，利用斜井采用4個工作面同時掘進，輔助施工正洞(見圖2)。各斜井的設計參數(shù)見表1。

圖2　關角隧道輔助坑道方案示意圖(單位： m)

斜井長度/m綜合坡度/%傾角 水平交角 井口高程/mZ1#1258.44°48'05″45°3395.091#6379.85°35'50″45°3464.292#10389.745°33'47″35°45'19″3516.623#166710.66°03'03″47°37'00″3620.734#157110.265°51'29″38°29'20″3626.105#193510.085°45'22″45°3680.806#280810.35°52'51″58°38'58″3774.307#232010.05°42'38″44°04'27″3678.128#16059.855°37'32″39°58'39″3581.459#11209.835°36'51″37°46'08″3515.4510#44010.295°52'30″74°41'50″3414.58

2工程特點和難點

1)隧道位于青藏高原，為高海拔嚴寒地區(qū)，自然環(huán)境十分嚴酷，作業(yè)人員適應性差，人員和設備效率低下。

隧道通過區(qū)域?qū)儆谇嗖馗咴瓉喓畮О敫珊禋夂騾^(qū)，自然環(huán)境極其惡劣，氣溫低，年平均氣溫-0.5 ℃,極端最高氣溫28.0 ℃，極端最低氣溫-35.8 ℃，進出口高程均為3 300 m以上，斜井井口高程為3 400～3 800 m，隧道口及斜井口大氣壓力為60 kPa左右，氣壓低、空氣稀薄，氧氣含量為13.5%左右，相當于平原地區(qū)的60%；隧道內(nèi)的含氧量在12.5%左右，爆破及出碴的含氧量僅為11%左右，遠低于規(guī)范20%的標準。

2)隧道穿越新構(gòu)造運動形成的復雜構(gòu)造區(qū)域，地質(zhì)條件異常復雜，施工面臨的難題多，風險高。

①隧道通過高地應力條件下的寬大斷層束。關角越嶺隧道區(qū)在大地構(gòu)造位置上位于新構(gòu)造活動強烈的青藏高原東北緣，屬于祁連加里東褶皺系南祁連褶皺帶。在新構(gòu)造分區(qū)上，屬于青藏斷塊北部宗務隆山-祁連山強烈隆起區(qū),跨越了柴達木陸塊北緣、宗務隆山裂陷槽和南祁連陸塊3個大地構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)斷裂及褶皺均發(fā)育。正洞通過區(qū)域性斷裂3條，次級斷裂14條，其中以二郎洞—巴彥哈爾一帶最為發(fā)育，二郎洞斷層束長達3 000 m。根據(jù)地應力實測結(jié)果分析，最大水平主應力為22.04 MPa。在施工中，二郎洞斷層束及其他工區(qū)軟弱圍巖地段發(fā)生了高地應力軟弱圍巖大變形。

②嶺脊灰?guī)r段突、涌水。關角隧道穿越10 km長的二疊、三疊系灰?guī)r，3#、4#、5#和6#斜井工區(qū)洞身穿越該灰?guī)r地層，該地層巖溶裂隙發(fā)育，隧道受青海湖小氣候的影響，降雨量充沛，隧道施工中長段落范圍內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)高壓涌水，水量大、水壓高(一般大于1.5 MPa)、長時間不衰減，涌水量>1萬m3/d的集中涌水多次發(fā)生，4#斜井發(fā)生過達13萬m3/d的集中涌水，給隧道(斜井)建設造成了極大困難。

3)作為世界上首座高海拔嚴寒地區(qū)長度超過30 km的隧道，需要研究新的隧道修建技術，以克服高海拔和隧道長度帶來的技術困難。

①高海拔隧道長距離施工通風技術及隧道內(nèi)污染防治技術。最長的斜井長2 800 m，工區(qū)獨頭掘進長度最大達5 000 m，高海拔地區(qū)空氣含氧量低，為保證作業(yè)人員的安全和施工的正常進行，需研究施工通風新技術；并針對高原特點，研究減少汽車尾氣排放和提高運輸效率的新方法。

②特長隧道運營安全保障技術。關角隧道作為中國第一長隧，又是青藏鐵路的咽喉，社會影響力極大，隧道的運營通風、防災救援疏散及運營安全技術也是關系隧道建設成敗的關鍵，由于沒有成熟的經(jīng)驗可借鑒，需要研究成套的防災救援、疏散與通風技術。

3主要工程技術方案

3.1斷裂帶大變形控制技術

3.1.1地應力及變形概況

通過水壓致裂法原地應力測試和分析，斷裂帶(F3)附近構(gòu)造應力以高、極高地應力為主，施工中會產(chǎn)生局部應力集中現(xiàn)象。施工開挖后，在9#斜井工區(qū)F3斷裂帶即發(fā)生大變形，變形達505 mm[1]。

3.1.2隧道斷面、支護形式與參數(shù)的優(yōu)化研究

為了更有效地控制圍巖變形，考慮水平構(gòu)造應力較發(fā)育的特點，有必要進行斷面形式優(yōu)化，把原設計的高馬蹄形斷面形式(見圖3)，調(diào)整為大曲率邊墻、似圓形的寬馬蹄形斷面形式(見圖4)[2]。

圖3　高馬蹄形斷面圖(單位： cm)

數(shù)值計算結(jié)果表明，高馬蹄形斷面支護結(jié)構(gòu)的仰拱與邊墻結(jié)合部位存在較明顯的應力集中現(xiàn)象，而寬馬蹄形斷面支護結(jié)構(gòu)受力較均勻。相對于高馬蹄形斷面，采用寬馬蹄形斷面形式可以有效減小圍巖的收斂變形。

圖4　寬馬蹄形斷面圖(單位： cm)

3.1.3隧道支護參數(shù)現(xiàn)場試驗研究

為了良好地控制變形，掌握關角隧道變形控制技術，針對前述的不同斷面形狀，采用不同的支護結(jié)構(gòu)參數(shù)進行組合，在現(xiàn)場進行了大量的測試分析，試驗斷面測試項目見表2，測點埋設位置見圖5, 隧道變形及支護受力狀況見表3。

表2　9#斜井板巖段測試斷面及量測項目

圖5　試驗斷面測點布置圖

3.1.4寬大斷層束隧道施工技術

3.1.4.1合理的隧道斷面形狀

考慮水平構(gòu)造應力較發(fā)育的特點，為了更有效地控制圍巖變形，把原設計的高馬蹄形斷面形式調(diào)整為寬馬蹄形斷面形式，施工實踐表明在高水平地應力區(qū)段單線隧道采用寬馬蹄形斷面，可以改善支護結(jié)構(gòu)受力狀況，有效控制圍巖變形。

3.1.4.2支護形式與剛度

增加支護厚度可以減小隧道洞周變形，但支護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)并未得到明顯改善，因此，對于深埋軟弱圍巖而言，單純地增加噴層厚度不是最佳方案。對于雙層支護結(jié)構(gòu)，二次支護應在第1層支護落底后施作。還需要關注的變形控制技術有拱腳變形控制技術、掌子面擠出變形控制技術和超前支護技術。

表3　各種開挖斷面形狀下洞室變形及支護受力情況[3]

3.2巖溶裂隙水綜合處理技術

3.2.1巖溶裂隙水的危害

關角隧道通過三疊系、二疊系灰?guī)r的長度約10 km，在修建斜井時，遇到了涌水問題，水壓高、水量大，如在4#斜井發(fā)生的一次特大涌水中，造成4#斜井被淹半年多。突、涌水給隧道的施工造成了極大的困難，灰?guī)r地層的巖溶裂隙水始終是阻礙隧道正常、高效和安全施工的問題，也是關角隧道建設中遇到的最大的地質(zhì)難題。

3.2.2關角隧道灰?guī)r段突、涌水特點

關角隧道灰?guī)r地段的地下水類型為巖溶裂隙水，其主要巖溶特征如下：

1)地下水沿巖溶裂隙、層理和節(jié)理涌出，主要以股狀水及散狀水為主。

2)隧道位于巖溶水水平徑流循環(huán)帶及深部循環(huán)帶，巖溶裂隙及節(jié)理發(fā)育，連通性較好，補給范圍廣； 因此，涌水量大，持續(xù)時間長，衰減緩慢。

3)隧道埋深大，隨著埋深的增大，水壓也在隨之升高，灰?guī)r段最大埋深達800 m，突涌水的水壓大，最大達4 MPa。

3.2.3巖溶裂隙水處理原則及堵、排標準的研究

通過現(xiàn)場抽水試驗，在計算抽水間斷時隧道的反淹長度和抽水時間，并進行了涌水對開挖、支護和襯砌作業(yè)的影響及涌水造成的施工風險分析后，提出了堵、排水措施的選擇標準如下： 當掌子面總涌水量超過200 m3/h或單孔涌水量超過40 m3/h[4]時，進行超前注漿堵水較開挖后排水或徑向注漿更加經(jīng)濟合理。

3.2.4巖溶裂隙水注漿堵水技術

針對關角隧道的涌水特點，采用水泥-水玻璃雙液漿在高壓、大流量條件下基本無法實現(xiàn)后注漿堵水，為了實現(xiàn)巖溶裂隙水發(fā)育地層中隧道順利建設，在關角隧道注漿堵水研究和應用中引進了2種高分子化學材料，即馬麗散和HCH注漿材料。

3.2.4.1高分子注漿材料

1)馬麗散堵水材料是一種低黏度，雙組分合成高分子——聚亞胺膠脂材料，2種組分為樹脂和催化劑，屬于高分子化學產(chǎn)品。馬麗散漿液的特點是密度與水非常接近，而且黏度較小，在其發(fā)生化學反應之前，流動性較好，是一種非常易于注漿和擴散的材料。材料在進入有水的裂隙或空間后，遇水即發(fā)生膨脹，可快速充填孔隙，封堵水流，達到堵水效果，膨脹系數(shù)為3～25倍(無水時膨脹系數(shù)大于3，有水時膨脹系數(shù)大于10)[5]；材料反應時間可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件和要求調(diào)節(jié)，最短時間為十幾秒。

2)HCH高分子水膠固結(jié)材料是一種單液樹脂類材料，該材料以水為固化劑，遇水后立即發(fā)生化學反應產(chǎn)生氣體，體積膨脹并生成一種不溶于水并具有一定強度的彈性膠狀固結(jié)體，從而達到止水堵漏的效果。由于固化后的高分子固結(jié)體有很高的強度,不僅可以防水堵漏，更適合于加固補強。

3.2.4.2高分子化學注漿材料在關角隧道注漿堵水試驗研究

1)注漿設計參數(shù)。①本措施一次加固范圍為4～5 m，施工時可以根據(jù)實際涌水特征調(diào)整注漿孔的布置。注漿孔安裝專用φ25 mm注漿管(壁厚3.5 mm)，長4～5 m。②注漿參數(shù)如下： 馬麗散化學漿，化學樹脂與催化劑的比例為1∶1(體積比); HCH型化學漿為HCH單液漿； 注漿設備為專用注漿泵和混合槍； 注漿終壓建議3 MPa并通過試驗最后確定； 擴散半徑2.5 m；鉆孔深度5 m； 鉆孔直徑φ30 mm，根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整； 孔底間距不大于3.7 m； 孔口間距(1.68～3.7 m)×3.7 m(環(huán)向×縱向),梅花形布置，施工中根據(jù)實際出水點位置等進行調(diào)整。③注漿工藝為全孔一次性注漿，采用馬麗散化學漿,自涌水量最大的裂隙開始，向周邊加大注漿范圍；HCH型化學漿，與噴錨搶險材料、無機堵漏材料配合，自周邊向中心封堵，最好集中頂水注漿。

2)注漿效果如圖6—9所示。

圖6　馬麗散注漿前涌水圖

圖7　馬麗散注漿效果

圖8　HCH注漿前涌水圖

圖9 HCH注漿效果

3.2.4.3 巖溶裂隙水注漿技術

1)若在徑向注漿或頂水注漿中用純水泥漿進行堵水，基本無法實現(xiàn)，主要原因是凝固時間太長，因此，純水泥漿不適于以巖溶裂隙水為對象的徑向注漿堵水。

2)若在徑向注漿或頂水注漿中用水泥-水玻璃雙液漿，在水壓大、流量大時很難達到預期的堵水效果，凝固時間較難掌握，注漿工序時間長，大量漿液被動水沖走，漿液損失率高，也很難實現(xiàn)對壓力水的封堵。盡管在壓力小、流量大的情況下，也可以實現(xiàn)注漿堵水，如4#斜井長大裂隙的徑向注漿，但注漿難度很大。因此，水泥-水玻璃雙液漿也不適于以巖溶裂隙水為對象的徑向注漿堵水。

3)關角隧道施工實踐證明，采用C-S雙液漿進行帷幕注漿時，由于施作了止?jié){墻和孔口閥，能夠減少漿液的流失，實現(xiàn)預期的堵水目標； 因此，當?shù)叵滤愋蜑閹r溶裂隙水時，施工中在可能出現(xiàn)威脅施工安全或?qū)е卵途母邏河克畷r，應進行帷幕注漿超前堵水，漿液采用C-S雙液漿。由于C-S雙液漿存在前述的缺陷，因此，在超前帷幕注漿注漿初期，應采用C-S雙液漿，當不存在漏漿、工期壓力不是特別緊張時，應主要采用水泥單液漿，以提高注漿效果的耐久性。

4)馬麗散和HCH化學漿，流動性好，擴散范圍大，遇水膨脹固化，凝固時間快，固化后結(jié)石體不收縮，能實現(xiàn)對微小空隙的入滲，堵水效果好，尤其適于對散狀涌水的徑向注漿和頂水注漿封堵； 因此，在巖溶裂隙水環(huán)境施工中，徑向注漿和頂水注漿采用馬麗散和HCH漿液可達到事半功倍的效果，耐久性好，能達到長期堵水的效果。

3.2.5長大斜井輔助施工抽排水技術

3.2.5.1抽水設備配備原則

1)抽水能力應滿足施工階段的正常抽水需要；

2)泵站的抽水能力配置應考慮發(fā)生風險后的應急處理能力。

3.2.5.2泵站抽水能力的計算

由于巖溶裂隙水涌水量大，持續(xù)時間長，因此，勘察期間需要進行詳細的涌水預測，提出分段涌水量預測。根據(jù)關角隧道的實際涌水情況，結(jié)合施工中的堵水效果，制定了關角隧道灰?guī)r地層3#—6#斜井工區(qū)的抽排水能力計算原則如下：

1)斜井施工中采取帷幕注漿或通過后對一些集中涌水點進行注漿堵水，可以使涌水量大大減少，根據(jù)4#斜井注漿的效果，集中涌水堵水效果可達80%； 另外，散狀水及部分股狀水在1年以后會出現(xiàn)水量衰減，因此，在抽水能力計算中，斜井段水量按預測斜井穩(wěn)定涌水量的30%(考慮注漿及衰減效果70%)考慮，即Q1×0.3。

2)考慮到目前的超前地質(zhì)預報技術達不到將風險完全預報準確的水平，風險事件往往不能避免； 因此，正洞工區(qū)仍然需要考慮發(fā)生一次最大涌水后的抽水能力，即Q2(正洞工區(qū)內(nèi)預測的多個突水段中涌水量最大段落的最大涌水量)。

3)對工區(qū)中預測正洞的集中出水段(除Q2段)，也可以實施注漿堵水，堵水效果按70%考慮，即Q3(正洞工區(qū)內(nèi)預測的多個突水段中除涌水量最大的段落Q2段外的穩(wěn)定涌水量之和)×0.3。

4)其余段落的涌水量預測值(修正后的)，即Q4。

5)泵站抽水能力Q=Q1×0.3+Q2+Q3×0.3+Q4。

3.2.5.3斜井泵站配置

通過對各斜井施工區(qū)域內(nèi)巖溶裂隙水發(fā)育情況和涌水處治情況進行分析計算，確定3#斜井的抽水能力按5.5萬 m3/d配置，4#斜井的抽水能力按9.5萬 m3/d配置，5#斜井的抽水能力按5萬 m3/d配置，6#斜井的抽水能力按3萬 m3/d配置。以4#斜井(施工中突涌水最大)為例，抽水泵站的詳細配置參數(shù)見表4[6]，管路配置見表5。

表4　4#斜井各級泵站水泵配置表

表5　4#斜井各管路配置表

3.2.5.4反坡排水技術

1)高壓巖溶裂隙水處理是一項綜合技術，排水能力設計時應綜合考慮注漿堵水效果，力爭做到經(jīng)濟上相對合理。

2)泵站的抽水能力要根據(jù)預測的涌水量進行設計，應滿足施工階段的正常抽水需要，同時考慮涌水預測的難度，泵站的抽水能力還應考慮一定的風險處理應急能力。

3)在長大隧道穿越灰?guī)r地層時，應加強隧道涌水的預測預報，并提出分段涌水量預測報告，隧道(斜井)的分段涌水量預測對排水能力的設計至關重要，排水設計應按

Q=Q1×0.3+Q2+Q3×0.3+Q4。

(1)

式中： Q為總抽水能力，m3/h； Q1為預測的斜井穩(wěn)定涌水量，m3/h； Q2為預測的正洞工區(qū)內(nèi)多個突水段中最大的涌水量，m3/h； Q3為正洞工區(qū)內(nèi)預測的多個突水段中除Q2外的穩(wěn)定涌水量之和，m3/h； Q4為除Q2和Q3外，其余正洞段落的涌水量預測值，m3/h。

4)泵站配置需要考慮水泵的實際抽水能力。在實際抽水中，實際抽水量往往達不到設備的額定抽水量，根據(jù)關角隧道現(xiàn)場測試，實際抽水量一般為水泵額定流量的80%，泵站臺數(shù)計算應考慮此因素。

5)結(jié)合關角隧道及以往其他隧道泵站的設計，長大斜井的泵站間距一般以300m左右為宜。

6)泵站配置應考慮臨時固定泵站，結(jié)合移動泵水頭損失及方便施工原則，臨時固定泵站的間距按100m考慮為宜。

7)水艙的儲水容積以能良好地布置泵站為宜，以往要求水艙容積不小于15min泵站排水能力的設計方法不合理。

8)在水泵配置時，應選擇適合高海拔、性能穩(wěn)定和維修率低的潛污泵，更適合隧道施工的現(xiàn)場環(huán)境。

3.3斜井中隔板分割風道施工通風技術

3.3.1通風方案的提出

關角隧道海拔高，嶺脊地段斜井口高程為3 700～3 800m，7#斜井的獨頭通風距離近4 700m[7]，這顯然對隧道的施工技術提出了巨大挑戰(zhàn)。斜井作為輔助通道，進入正洞后需要組織正反向多個工作面同時施工，在高海拔低氣壓地區(qū)，空氣稀薄，內(nèi)燃設備在隧道內(nèi)燃燒不充分，污染嚴重，不能簡單照搬正常氣壓條件的通風技術。如何采取合理的施工通風方案，是提高工效、加快施工進度的關鍵。

根據(jù)施工需要，在建設中研究了斜井分割風道的施工通風技術，將斜井橫斷面分隔為上、下2部分，上部為半徑3.3m的半圓形，作為進風通道，然后在斜井底部與正洞交匯處安裝4臺風機與軟管形成壓入式通風系統(tǒng)分別向4個工作面供風，所有回風流經(jīng)斜井下部6.6m×3.3m(寬×高)的矩形通道排往洞外(見圖10和圖11)。

圖10　斜井中隔板風道示意(單位： cm)

圖11　中隔板效果示意圖

3.3.2中隔板施工通風數(shù)值模擬

關角隧道嶺脊地段通風難度最大的工區(qū)為6#—7#斜井工區(qū)，本文選取7#斜井(斜井參數(shù)見表1)工區(qū)，建立計算模型進行CFD計算。7#斜井承擔關角隧道各工區(qū)的施工掘進任務見表6。

表67#斜井各工區(qū)通風長度匯總表

Table 6Ventilation length of each working face of inclined shaft No. 7

m

經(jīng)多個方案比選，井底風艙和軸流風機的布置方案見圖12和圖13。

圖12　7#斜井井底風艙和風機布置圖(單位： m)

Fig. 12Layout of air chamber and ventilation fans of inclined shaft No. 7 (m)

圖13　7#斜井供風道內(nèi)射流風機布置圖(單位： m)

Fig. 13Layout of jet ventilation fan of inclined shaft No. 7 (m)

隔板通風的關鍵技術如下：

1)2臺風機之間的距離(風艙的長度)不宜太小，否則由于風機縱向間距小，風機間的負壓有很大一部分被相互抵消，會導致通風效率低下。

2)在布置風機時，應充分利用自然風的排煙作用，在格爾木工區(qū)為動力，有利于排煙； 西寧工區(qū)為阻力，阻礙排煙。

3)在采用射流風機增壓時，考慮進口40～50 m長度的氣流影響后，風機布設應距洞口50 m以上，并且間距應大于150 m，此時風機能產(chǎn)生較好的導向和升壓效果。經(jīng)計算，隔板上方射流風機采用均勻布置，每間隔400 m一臺，能取得較大的風壓和風速(見圖14和圖15)。

4)1#和2#風機的功率采用110 kW，3#和4#風機的功率采用185 kW。將漏風率控制在2%以內(nèi)時，前述2臺風機的供風長度分別可以達到3.54 km 和2.94 km，能滿足施工掘進的需要，保證關角隧道的順利建設。

圖14　供風道內(nèi)風壓分布圖

圖15　供風道內(nèi)風速分布圖

5)增強供風風道和風管的密閉性，控制漏風率，是通風效果的必要保障，也是一項關鍵工藝。

3.3.3 關角隧道施工通風效果測試

測試數(shù)據(jù)表明，測試結(jié)果和工作面工作狀況有較密切關系，除去工作面扒碴和出碴時CO含量較高、超標外，一般情況均滿足新提出的高原、高寒隧道施工衛(wèi)生安全環(huán)境控制標準。

3.4鉆爆法斜井皮帶機出碴技術

3.4.1斜井出碴導致的建設難度

關角隧道地處高原、高寒地區(qū)，在高原缺氧條件下，施工人員身體機能下降，機械設備功率降低，導致工作效率低，人員、設備投入加大，給施工組織帶來了較大困難。尤其是長大斜井采用無軌內(nèi)燃汽車出碴時，需要長距離爬坡，從3 400多m海拔的正洞爬升到近3 700 m海拔的斜井井口，最大高差達300 m，對機械設備的耐用性和安全性是一大考驗。同時，由于內(nèi)燃機械在高原缺氧環(huán)境燃燒不充分，不但效率降低，而且排放尾氣的污染程度增大，進一步加大了施工環(huán)境控制難度，嚴重威脅安全施工生產(chǎn)。因此，高原缺氧環(huán)境下長大斜井出碴技術是關角隧道面臨的一個施工難題。

3.4.27#斜井皮帶機出碴運輸技術

3.4.2.1斜井皮帶機出碴需要解決的關鍵技術

皮帶運輸機作為一種碴料運輸設備，主要用于TBM施工的隧道出碴、煤炭及采礦等領域的運料，在國內(nèi)有成熟的制造和安裝技術[8]，但在國內(nèi)把該系統(tǒng)用于鉆爆法施工的隧道進行出碴，還需要研究解決相關的技術問題，斜井設置皮帶機系統(tǒng)還需要解決皮帶機如何與隧道掘進最經(jīng)濟合理的配套問題，以實現(xiàn)隧道的快速掘進。

關角隧道斜井設置皮帶機系統(tǒng)，主要解決以下幾個關鍵問題： 皮帶機系統(tǒng)的輸送能力和選型； 在斜井內(nèi)的安裝布置形式； 井底破碎站的選址和設置以及洞外轉(zhuǎn)運等。

3.4.2.2總體設計

1)皮帶的輸送能力確定。出碴能力需求決定著皮帶的輸送能力(寬度和電機功率)，根據(jù)計算，關角隧道皮帶機和破碎站的出碴能力要求為223 t/h。選擇帶寬800 mm、低速1 m/s、高速3～4 m/s的皮帶機，出碴能力最大278 t/h，能滿足關角隧道7#斜井的掘進出碴需要。

2)7#斜井皮帶機總體布置。7#斜井皮帶機出碴運輸系統(tǒng)的井底破碎站設置在Ⅰ線正洞，井身皮帶機安裝在斜井左側(cè)地板上，井口設碴石轉(zhuǎn)運裝置，其平面及縱向布置見圖16和圖17。

圖16　7#斜井皮帶機系統(tǒng)井底平面布置示意(單位： cm)

圖17　7#斜井皮帶機縱向布置示意

3.4.2.3井底破碎站

在建設過程中，對井底破碎站的設置進行了多個方案的比選，以求效率相對最高、經(jīng)濟相對最合理，主要從平面位置、喂料方式和綜合影響等多方面進行了比選。根據(jù)關角隧道為2座單線隧道的特點，主要按以下幾個方案進行比選(見圖18)。

1)Ⅱ線正洞破碎站方案。將破碎站設置在Ⅱ線正洞與斜井主聯(lián)正交叉位置，皮帶機在斜井與Ⅱ線正洞的交點處直接插入破碎站底部進行接料。

其優(yōu)點是布置比較直觀簡捷，投入使用快。缺點是由于位置處于斜井與正洞交叉口的交通要道，首先對洞內(nèi)交通運輸干擾很大，各種運輸車輛在此交匯，安全隱患較大；其次破碎機產(chǎn)生較大的噪音和灰塵，不利于通風排煙，對洞內(nèi)通風效果和文明施工造成較大的影響；最后是位于斜井與正洞交叉口位置，斷面跨度大，不利于圍巖穩(wěn)定，不適宜建設大型破碎站。

2)橫通道破碎站方案。在Ⅰ線與Ⅱ線正洞之間單獨開設橫通道，橫通道位于斜井直接延伸和Ⅱ線、Ⅰ線相交位置，破碎站設置在橫通道內(nèi)，皮帶機通過溝槽穿越Ⅱ線正洞直接插入破碎站底部進行接料。

其優(yōu)點是對交通運輸影響較小，在橫通道空間內(nèi)便于采取降塵、降噪措施，對通風效果也不會造成大的影響，小空間內(nèi)文明施工容易保證，設置的橫通道和皮帶機溝槽對圍巖擾動也不大，土建工程量小，便于圍巖穩(wěn)定控制。缺點是破碎站內(nèi)空間狹小，卸碴和喂料速度較慢，操作維修也不方便，不適宜建設大型破碎站。

圖18　井底破碎站平面位置備選圖(單位： cm)

3)Ⅰ線正洞破碎站方案。將破碎站設置在斜井延伸與Ⅰ線正洞正交叉位置，皮帶機需要先通過溝槽穿越Ⅱ線正洞，再通過皮帶機導坑后到達Ⅰ線正洞指定位置接料。

其優(yōu)點是對交通運輸影響很小，可以保證西寧和格爾木2個方向開挖面的出碴互不干擾，破碎站空間較大，既便于維修和操作，又便于卸碴和喂料，可靠性較強。缺點是土建工作量最大，對圍巖擾動很大，不利于在軟弱圍巖地段施作，降塵、降噪不便，對洞內(nèi)環(huán)境有一定影響。

4)7#斜井破碎站方案。由于7#斜井承擔任務量大，出碴量大，破碎站規(guī)模大，井底圍巖也較好，經(jīng)綜合比選，將其設置在I線正洞底部，如圖19和圖20所示。

圖19　破碎站平面布置示意圖(單位： cm)

圖20　破碎站剖面布置示意圖(單位： cm)

為防止超大塊碴石落入進料口，采用工字鋼加工成篦網(wǎng)進行過濾，過濾出的大塊碴石經(jīng)過改塊處理后再投入破碎站，或者利用其他運輸設備直接運出洞外。

3.4.2.4斜井皮帶機設置

斜井皮帶機設置從安裝部位和施工環(huán)節(jié)共分為斜井井身、井底與正洞交叉口、穿越Ⅱ線和2條線之間皮帶機通道4部分[9]。

1)斜井井身皮帶機架設在左側(cè)底部，占用斷面寬度1.7 m(包括安全距離50 cm)，高度120 cm左右。

2)由于破碎站設置在Ⅰ線，為了使皮帶機無折點到達破碎機下料口，同時不影響斜井底部和Ⅱ線正洞的交通運輸，對斜井井身與正洞交叉口前20 m范圍內(nèi)進行開槽處理。

3)皮帶機下穿Ⅱ線時設置棧橋，將該段范圍的仰拱加深，邊墻拱腳也相應接長。

4)在2條線之間開挖皮帶機洞室,采用適宜裝載機出碴的斷面400 cm×450 cm。

3.4.2.5 洞外轉(zhuǎn)運設備

在7#斜井洞外安裝卸料裝置，將皮帶機輸出碴石直接卸載到汽車上運至碴場。

3.4.3皮帶技術成果

鉆爆法施工隧道長大斜井皮帶機出碴技術的成功應用，不但推動了隧道施工出碴運輸技術的發(fā)展，在安全、環(huán)保和節(jié)能減排等方面也取得了良好的效益。

采用長大斜井皮帶機出碴技術后，自卸式汽車數(shù)量大大減少，交通運輸事故率明顯降低；減少了內(nèi)燃汽車的使用數(shù)量，減少了尾氣排放，改善了洞內(nèi)施工環(huán)境，降低了通風能耗；采用斜井皮帶機出碴運輸相對柴油汽車比較節(jié)能；進度優(yōu)勢明顯，經(jīng)測算，7#斜井每延米出碴可節(jié)約0.6 h，累計可節(jié)約5.6個月。

3.5特長隧道運營通風技術

關角隧道有2個顯著特點： 1)隧道長，關角隧道全長32.69 km，是目前國內(nèi)最長的鐵路隧道，也是世界第三長的山嶺鐵路隧道； 2)海拔高，關角隧道位于海拔3 300 m以上。世界上只有關角隧道同時存在這2個特點。

3.5.1高海拔地區(qū)有害氣體毒性計算方法

關角隧道建于高海拔地區(qū)，低壓、缺氧氣候條件對人的影響很大。無論是從體積分數(shù)的衡量方式還是從人體吸收的有害劑量來看，在高海拔地區(qū)有害氣體所產(chǎn)生的影響約是平原地區(qū)的1.3～1.5倍。青藏鐵路沿線地區(qū)的空氣含氧量見表7。

3.5.2有害氣體及粉塵容許體積質(zhì)量確定

綜合比較國內(nèi)外各種有害氣體控制標準，主要控制有害氣體為CO、NO2(NOx換算)和粉塵，考慮高海拔情況下，有害氣體毒性較平原地區(qū)增加1.3～1.5倍，則不同海拔高度有害氣體容許體積質(zhì)量和粉塵衛(wèi)生標準建議值見表8和表9。

表7　青藏鐵路沿線地區(qū)的空氣含氧量(20 ℃時)[10]

表8　有害氣體容許體積質(zhì)量建議值

表9　鐵路運營隧道粉塵衛(wèi)生標準建議值

3.5.3關角隧道逐月自然風預測計算結(jié)果

本研究采用有限體積法的FLUENT商業(yè)軟件。FLUENT中可采用的紊流模式有20余種，在比較各種紊流模式的效果后，采用高雷諾數(shù)的κ-ε即KE-EP模式。

3.5.3.1計算模型

根據(jù)關角隧道Ⅱ線隧道實際幾何尺寸建立1∶1隧道模型，并在進出口各加上50 m×50 m×50 m的外部空氣流場。由于隧道的物理外形以及所期望的流動解具有鏡像對稱特征，為減少計算所需的時間，只取模型X>0的部分考慮(見圖21)。

3.5.3.2計算結(jié)果

統(tǒng)計2009年5月至2011年3月的氣象資料，進一步根據(jù)研究得到的自然風理論計算公式計算得到關角隧道逐月自然風值，結(jié)果顯示： 關角隧道2009年5月至2011年3月間，除個別月份外，大部分月平均自然風速在1.5～4 m/s；2010年4—11月間自然風向為西寧端吹向格爾木端，其余時間均為格爾木端吹向西寧端。不考慮溫度斷面速度云圖見圖22，考慮溫度斷面速度云圖見圖23。

(a)

(b)

圖22　不考慮溫度斷面速度云圖(單位： m/s)

圖23　考慮溫度斷面速度云圖(單位： m/s)

3.5.4關角隧道逐天活塞風分布情況研究

計算內(nèi)容主要包括單列列車運行時Ⅰ、Ⅱ線隧道的不同活塞風速。在列車活塞風計算時，10 km及以上的隧道宜采用恒定流理論計算。按恒定流理論，當單列列車通過隧道時，活塞風速可按式(2)計算

(2)

式中：vm為活塞風速度，m/s；vn為自然風速，當隧道中自然風與列車運行方向相同時，取正號，反之取負號；vT為列車速度，m/s；ξm隧道段的阻力系數(shù)(除環(huán)狀空間外)，ξm=1+λ(LT-lT)/d+ξ；ξn為隧道的總阻力系數(shù)，ξn=1+λ(l/d)+ξ；ξ為隧道入口阻力系數(shù)。

列車活塞作用系數(shù)Km可按式(3)計算

(3)

N=(0.807α2-1.322α+1.008+λhlT/dh)/lT；

(4)

dh=4(F-fT)/(S+ST)。

(5)

式中：lΤ為列車長度，m；α為阻塞比，即列車平均斷面積fT與隧道橫斷面積F的比值；N為列車阻力系數(shù)；λh為環(huán)狀空間氣流的沿程阻力系數(shù)；dh為環(huán)狀空間的水力直徑，m；S為隧道斷面周長，m；ST為列車斷面周長，m。

本報告取ST=14.3 m，lΤ=300 m，fT=12.5 m2，λh=0.02，vT=160 km/h=44.44 m/s。

Ⅰ線隧道為左線隧道，列車由西寧往格爾木方向運行；Ⅱ線隧道為右線隧道，列車由格爾木往西寧方向運行。單列列車運行時，Ⅰ、Ⅱ線隧道的活塞風速計算結(jié)果如圖24所示。

圖24　10月Ⅰ、Ⅱ線隧道的活塞風速分布圖

Fig. 24Piston air velocity of tunnel on Line No. 1 and that of tunnel on Line No. 2 in October

經(jīng)分析得出，關角隧道5—10月除個別天數(shù)外，大部分時段Ⅰ線隧道的活塞風速大于Ⅱ線隧道，月平均活塞風速Ⅰ線隧道在8～9 m/s，Ⅱ線隧道在7.5～8.5 m/s。

3.5.5提出了關角隧道正常運營通風模式采用自然通風的方案

由前面分析可知，Ⅰ、Ⅱ線隧道的活塞風速在8 m/s上下波動，其中Ⅰ線隧道平均活塞風速為8.38 m/s，Ⅱ線隧道平均活塞風速為8.1 m/s。

當一列列車從隧道內(nèi)通過時，可從洞外引入長度lq=vml/vT的新鮮空氣。假設n列列車連續(xù)通過隧道后剛好將隧道內(nèi)外的空氣置換一遍，即引入隧道長度l的新鮮空氣，此時有n=l/lq=vT/vm。

通過計算可知，Ⅰ線隧道需要5.3次列車通過，Ⅱ線隧道需要5.5次列車通過，可將隧道內(nèi)空氣置換一遍。根據(jù)預測的旅客列車開行方案，Ⅰ、Ⅱ線隧道每天換氣次數(shù)見表10。

表10　隧道內(nèi)每天的換氣次數(shù)及對應的客車列數(shù)

通過調(diào)研、分析及基于“擠壓”理論的計算可以得出，在關角隧道運營期間，被污染的空氣在經(jīng)過6趟列車的活塞風作用后即被排出隧道，即對于洞內(nèi)的空氣最多在經(jīng)歷了5次列車通過后就被相對新鮮的空氣所置換； 因此，關角隧道的正常運營通風模式采用自然通風的方案，維護期間的通風方案則結(jié)合防災救援通風方案實行。

3.6特長隧道防災救援、疏散與通風技術

3.6.1隧道火災煙氣分布特性

3.6.1.1火災煙氣分布特性數(shù)值分析

火災的燃燒特性和煙氣分布特性是設計和實施各種火災防災、減災技術的基礎，如何保證人員安全疏散和盡快滅火，都需要對特長隧道內(nèi)的火災煙氣特性進行研究。圖25和圖26為按非定常流動考慮時的隧道斷面溫度分布及煙氣縱向規(guī)律。

圖25　橫斷面溫度分布圖

圖26　煙氣體積質(zhì)量分布曲線(1.8 m高度處)

數(shù)值分析結(jié)論如下：

1)火災發(fā)生后在隧道內(nèi)形成夾帶火焰的頂棚射流。

2)無自然風且火災規(guī)模為15 MW時[11]，隨著時間的增加，從360 s 到420 s，在列車頂部上方的空間內(nèi)，火災的最高溫度可達700 ℃以上；溫度超過60 ℃的范圍也逐漸擴大。在隧道高度1.5～1.8 m處，縱向溫度高于60 ℃的范圍達570～960 m，此段區(qū)域不利于人員疏散，而在該段區(qū)域之外，溫度較快地降低到40 ℃以下。

3)在自然風(2.72 m/s)作用下，設定火災規(guī)模為15 MW，煙氣向火源下游擴散，致使下游的溫度和煙氣體積質(zhì)量比無自然風時要高； 但有自然風時的最高溫度不超過80 ℃，最高煙氣體積質(zhì)量不超過400 mg/m3，比無自然風時的最高溫度(200 ℃)和最高煙氣體積質(zhì)量(1 000 mg/m3)要低得多。

火源上游沒有擴散的煙氣，溫度始終保持在室外的平均溫度；而下游整個隧道中都充滿了煙氣，在隧道高度1.5～1.8 m處，縱向780～1 660 m的范圍內(nèi)溫度達到了60 ℃以上，不利于人員疏散。

3.6.1.2火災煙氣分布特性現(xiàn)場試驗

為了更好地研究關角隧道火災溫度分布及隧道火災煙氣流動規(guī)律，為防災救援設計提供參考依據(jù)，在關角隧道Z1#斜井和隧道洞口附近的泄水洞進行了實體火災試驗(見圖27和圖28)。

圖27　電偶樹的布置示意圖(單位： m)

現(xiàn)場試驗主要研究結(jié)論如下：

1)在高原地區(qū)發(fā)生火災，熱釋放速率明顯低于平原地區(qū)，但燃燒時間卻比平原地區(qū)明顯加長。

2)在高海拔長大隧道內(nèi)，火災時需要實施強迫通風排煙來穩(wěn)定地控制煙氣流動狀態(tài)，而隧道內(nèi)火災煙氣由于燃燒熱作用，主要聚集在隧道頂部； 因此，為迅速排煙，減少煙氣的危害，建議采用頂部抽吸的方式來控制煙氣的下沉和沿隧道縱向的擴散。

(a) 300 s

(b) 360 s

3)火災初期的煙氣擴散速度低于火災穩(wěn)定燃燒階段的煙氣擴散速度，煙氣充滿隧道所需的時間與火

源到隧道洞口的距離有關，火災初期是人員疏散救援的關鍵時期； 因此，在特長鐵路隧道發(fā)生火災的情況下，應該迅速組織旅客成員進行疏散，并實施救援。

3.6.2疏散救援系統(tǒng)

目前世界上已建的長度超過20 km的山嶺隧道在防災(火)救援方面大多采用了設置緊急救援站進行疏散和救援的方案，其目的是通過緊急救援站將人員快速疏散到安全區(qū)域并能自救或通過救援到達洞外。關角隧道利用6#斜井在隧道中部設置緊急救援站一座[12]。

本著安全可靠、技術經(jīng)濟合理的原則，對緊急救援站的形式進行了加密疏散橫通道、疏散橫通道+避難所、獨立的疏散橫通道和避難所以及多功能救援站等多個救援站方案的比選，確定采用加密疏散橫通道方案，即在2管隧道間設12條聯(lián)絡橫通道，間隔50 m，橫通道中間段作為待避區(qū)，當一管隧道發(fā)生火災時，列車?？吭诰o急救援站，旅客下車后即可緊急疏散到橫通道內(nèi)等待救援，也可進入另一管隧道的站臺等待救援。方案見圖29。

3.6.3緊急救援站發(fā)生火災的通風排煙技術

3.6.3.1技術方案

采用射流風機為未起火的安全隧道加壓，然后通過橫通道向事故隧道供風，以保證人員能迎著新鮮風進行疏散(見圖30)。

在隧道緊急救援站范圍內(nèi)，隧道拱頂每100 m設1座排煙豎井，通過橫向排煙道連通排煙豎井與縱向排煙道，并通過縱向排煙道與6#斜井順接，最終通過6#斜井將隧道內(nèi)的煙氣排出隧道。

圖29　緊急救援站平面布置示意

圖30　緊急救援站疏散的通風方案

為了實現(xiàn)2座隧道共用1條排煙通道，在橫向排煙道設置防煙電動風門，當Ⅰ線隧道發(fā)生火災時，關閉Ⅱ線隧道橫向排煙道的防煙風門，通過6#斜井抽排Ⅰ線隧道的火災煙霧； 當Ⅱ線隧道發(fā)生火災時，同理。救援站排煙方案見圖31。

3.6.3.2排煙量

一旦起火，緊急救援站內(nèi)的新風量有2個來源： 1)從開放的橫通道防護門流入的空氣； 2)從隧道兩端流入救援站的空氣。

圖31　緊急救援站排煙方案剖面示意圖(單位： cm)

在橫通道防護門處，由橫通道內(nèi)部向事故隧道站臺方向的風速應不小于2 m/s。防護門的寬度取1.7 m，自由開度為3.4 m2，通過每扇防護門的空氣量將不小于6.8 m3/s。當12個橫通道的防護門均開啟后，流入事故隧道的空氣量將為12×6.8 m3/s = 81.6 m3/s。

緊急救援站的排煙須確保煙氣不會擴散至兩端的隧道內(nèi)，通常采用“臨界速度”的概念計算出該風速?？瓦\列車的設計火災規(guī)模一般為20 MW。列車與隧道邊墻之間的環(huán)狀區(qū)域的臨界風速為1.6 m/s，隧道內(nèi)的風速為1.2 m/s。隧道的橫截面尺寸為42.9 m2，所以隧道內(nèi)排煙量為2×42.9 m2×1.2 m/s = 103.0 m3/s。排煙量總計為184.6 m3/s，加上約8%的預留量，排煙量設為200 m3/s。

3.6.3.3通風計算

采用IDA軟件分析關角隧道的緊急救援站供風方案，其計算結(jié)果如圖32所示。

從能見度和橫通道風壓、風速等多個角度進行分析，采用射流風機加壓的方案完全能夠滿足火災時的通風需求。

圖32　橫通道內(nèi)事故隧道一側(cè)逃生門處的風速

4取得的主要成果或技術創(chuàng)新

4.1形成了高海拔地區(qū)特長隧道巖溶裂隙水綜合處理技術

掌握了關角隧道巖溶裂隙水的特征，提出了隧道工程建設中堵排水措施的水量選擇標準，形成了巖溶裂隙水環(huán)境下注漿堵水新技術，創(chuàng)新了高海拔、嚴寒地區(qū)特長隧道運營排水技術。

1)掌握了關角隧道巖溶裂隙水的特點、特征，提出了關角隧道采用“堵排結(jié)合，控制排放”的高壓富水巖溶裂隙水處理原則。

2)提出并制定了隧道工程建設中堵排水措施的水量選擇標準,確定了各種條件下的涌水處理措施及注漿結(jié)束標準。

3)集成了水泥-水玻璃雙液漿、水泥漿及高分子化學漿液相結(jié)合的注漿系統(tǒng)技術。集成了水泥基與高分子化學漿液相結(jié)合的注漿系統(tǒng)技術，成功通過了嶺脊長達10 km的富水巖溶裂隙水地段。聚亞胺膠脂材料(馬麗散)和單液樹脂類材料(HCH-Ⅰ型)高分子水膠固結(jié)材料，流動性好、擴散范圍大，遇水膨脹固化，凝固時間短，固化后結(jié)石體不收縮，能實現(xiàn)對微小空隙的入滲，堵水效果好，效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)對壓力水的封堵，適于隧道開挖后的后注漿堵水。

4)提出了富水巖溶裂隙水隧道長大斜井泵站抽水量新的計算方法Q=Q1×0.3+Q2+Q3×0.3+Q4。

5)形成了高海拔、嚴寒地區(qū)巖溶裂隙水地層特長隧道綜合運營排水技術。采用技術、經(jīng)濟綜合分析的方法，形成了以泄水洞和隧道側(cè)溝為主體，以排水板排水技術、可調(diào)式斜井水均衡分流技術、單管隧道內(nèi)側(cè)溝水自動平衡技術、水量調(diào)節(jié)防凍技術和洞外防凍技術為保障的高海拔嚴寒地區(qū)巖溶裂隙水地層特長隧道綜合運營排水技術，解決了關角隧道運營排水難題。

4.2研發(fā)了長大斜井中隔板式通風技術，通風技術取得了重大進步

在關角隧道研發(fā)了長大斜井中隔板式通風系統(tǒng)技術，解決了高海拔隧道長距離、多工作面施工的通風難題，創(chuàng)新了施工組織模式。采用該項新技術，能明顯簡化施工組織模式，加快隧道施工，尤其在長大隧道中效果明顯。關角隧道采用該項技術后，調(diào)整了施工組織，節(jié)約先期小導洞10 km，經(jīng)濟效益十分明顯。

4.3研發(fā)了長大斜井皮帶機出碴系統(tǒng)技術，為隧道施工增加了新的施組模式

研發(fā)了高原隧道長大斜井采用鉆爆法施工的皮帶機運輸出碴系統(tǒng)技術，解決了內(nèi)燃車輛出碴低效高污的技術難題，既降低了隧道內(nèi)的排污量，改善了隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，又提高了出碴效率。

通過研究皮帶系統(tǒng)的技術組成、皮帶運輸機出碴能力、皮帶機的安裝及井底固定破碎站等系列關鍵技術，形成了長大斜井皮帶機出碴系統(tǒng)技術，在長大隧道建設尤其在高海拔地區(qū)采用長斜井輔助施工隧道時，推廣應用價值極高。

4.4研發(fā)了以自然通風為主、機械通風為輔的高海拔特長隧道運營通風節(jié)能減排新技術

在采用2座單線隧道方案的長大隧道中，首次采用了活塞通風的運營通風方式，為我國特長隧道的運營通風提供了良好的工程案例和技術支撐。通過對火災工況下應急通風方案的綜合考慮，完善了關角隧道各種工況下通風設備的綜合利用。

綜合比較國內(nèi)外各種有害氣體控制標準，提出了考慮高海拔條件下運營隧道內(nèi)有害氣體和粉塵的控制標準，為完善控制運營隧道有害氣體控制標準提供了依據(jù)。

4.5形成了高海拔特長隧道防災救援設計模式和完整的防災救援設計技術體系

4.5.1隧道內(nèi)火災煙氣分布特性

4.5.1.1無自然風時的火災煙氣分布特性

當火災規(guī)模為15 MW時，隨著時間的增加，從360 s 到420 s，在列車頂部上方的空間內(nèi)，火災的最高溫度可達700 ℃以上；溫度超過60 ℃的范圍也逐漸擴大。只是在人員高度1.5～1.8 m處，隧道縱向溫度高于60 ℃的范圍增大到570～960 m，最高溫度可達200 ℃，此段區(qū)域不利于人員疏散，而在該段區(qū)域之外，溫度較快地降低到40 ℃以下； 因此，旅客列車中部著火后，在沒有縱向通風的情況下，按照最不利條件，應該使570～960 m這個區(qū)域的人員盡快撤離，以避免人員傷亡。

4.5.1.2旅客列車火災在自然風作用下的煙氣分布特性

1)由于縱向自然風的存在，煙氣向火源下游擴散，致使下游的溫度和煙氣體積質(zhì)量比無自然風時要高。

2)有自然風時的最高溫度不超過80 ℃，最高煙氣體積質(zhì)量不超過400 mg/m3，比無自然風時的最高溫度(200 ℃)和最高煙氣體積質(zhì)量(1 000 mg/m3)要低得多,說明冷自然風對隧道內(nèi)的散熱和排煙是有利的。

3)火源上游沒有擴散的煙氣，溫度始終保持在室外的平均溫度；而下游整個隧道中都充滿了煙氣，離開列車尾部之后，溫度都分布在60 ℃以上，不利于人員的疏散； 因此，當有自然風時，旅客列車中部著火后，應盡快撤離自然風的下游區(qū)域，以避免人員傷亡。

4)有自然風的情況下，當按照非定常考慮時，從隧道縱向640 m開始直至隧道尾端，下游均充滿了煙氣，且沒有回流出現(xiàn)。在人員高度1.5～1.8 m處，隧道縱向780～1 660 m的范圍內(nèi)溫度達到了60 ℃以上，不利于人員疏散。

4.5.2集成多項技術，形成了高海拔特長隧道的救援站設計模式

首次明確了30 km以上特長隧道緊急救援站的設計模式，救援站的關鍵技術如下： 1)救援站包括加密的疏散橫通道； 2)12個單向推啟的1.7 m寬的安全防護門(雙向推啟為24個)； 3)為加快疏散而進行了加強的應急照明； 4)在疏散橫通道頂部設置了電動風門，解決了逃生防護門在風壓作用下較難開啟的問題，也有效地解決了風流引導問題； 5)配套了供風排煙系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通信、停車引導和接觸網(wǎng)電分段等技術設施。

4.5.3首創(chuàng)了自安全隧道供風、豎井均衡排煙的救援站通風排煙模式

具體如前文所述。

4.5.4形成了高海拔特長隧道火災條件下疏散救援綜合指揮技術

首次研究應用了在運營調(diào)度中心設立防災救援指揮中心的疏散救援指揮模式，以此來統(tǒng)一指揮發(fā)生火災后的各部門、各專業(yè)的分工、協(xié)調(diào)及合作，共同完成安全疏散和快速救援。

首次在關角隧道設置了遠程設備監(jiān)控系統(tǒng)，接到報警后由指揮中心遠程適時下達各項調(diào)度命令，適時啟動隧道內(nèi)的各種設備(如射流風機、軸流風機、電動風門和應急照明等)，為安全疏散提供遠程協(xié)助和救助，并形成了特長隧道火災條件下人員、車輛和服務設備行為準則，為疏散救援制定了行為模式。

搜索關角隧道內(nèi)或附近運行的列車或運營單位的救援列車，指定救援列車，自安全隧道內(nèi)救助滯留隧道內(nèi)的旅客。

集成以上技術，形成了高海拔特長隧道火災條件下疏散救援綜合指揮技術。

4.5.5形成了完整的防災救援設計技術體系

通過研究高海拔特長隧道運營安全保障體系，研究了從預防到減災、從發(fā)生火災到完成人員救援全過程的技術，并重點研究疏散和通風排煙這2項最重要的技術，從運營和管理的角度出發(fā)，對土建、機械、通信和消防等多項技術進行了系統(tǒng)配套研究，形成了以預防、減輕、疏散和救援為基本技術路線，以安全疏散和及時救援為安全目標的防災救援設計技術體系(見圖33)。

圖33　防災救援技術體系圖

5總結(jié)與展望

5.1特長隧道修建關鍵技術

關角隧道的巖溶裂隙水處理、施工通風、皮帶機出碴、運營通風和成套的防災救援等關鍵技術，極大地推動了我國隧道技術的進步，為我國修建30 km以上特長隧道尤其是高海拔特長隧道提供了良好的技術支持和保障。關角隧道的投入運營，也為高海拔地區(qū)特長隧道的運營維護和管理提供了參考模式。

2015年8月，建設者們對關角隧道進行了現(xiàn)場回訪，在正常運營條件下，隧道內(nèi)空氣清新，幾乎沒有污染，驗證了設計方案的合理性和可靠性。運營單位組織在緊急救援站進行了應急演練，防災救援疏散工程設施滿足疏散要求，設備啟動正常。

5.2展望

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，世界經(jīng)濟文化交流將更加頻繁，世界上需要修建更多的鐵路，以與中國加強經(jīng)貿(mào)文化交流，如目前有可能修建的中(國)尼(伯爾)鐵路，需要修建穿越喜馬拉雅山脈的隧道，修建該隧道需要注意以下幾個方面的問題：

1)穿越喜馬拉雅山脈，首要關注的問題是如何保護水資源，應修建“人”字坡的隧道，以達到基本不改變地下水排泄的方向。

2)在西藏修建的多條鐵路隧道，均發(fā)生地熱現(xiàn)象，因此應對地熱加強勘察。

3)鑒于其海拔較關角隧道更高，因此，采用TBM施工是克服海拔困難的最好方案。

4)地下水資源的保護是在立項初期就應該關注的重點內(nèi)容。

6單位介紹

設計單位： 中鐵第一勘察設計院集團有限公司。

施工單位： 中鐵十六局集團有限公司，中鐵隧道集團有限公司。

科研單位： 石家莊鐵道大學，北京交通大學，西南交通大學，蘭州交通大學，中鐵西南研究院有限公司。

參考文獻(References):

[1]沈軍明.關角隧道板巖大變形機制分析及防治措施[J].鐵道建筑,2013(5): 102-105.(SHEN Junming. Large deformation mechanism analysis and prevention of Guanjiao Tunnel in slate stratum [J].Railway Enginiering, 2013(5): 102-105. (in Chinese))

[2]張旭珍.關角隧道大變形處理技術[J].石家莊鐵道大學學報(自然科學版),2011,24(1): 17-20.(ZHANG Xuzhen.Large deformation treatment technology of Guanjiao Tunnel[J]. Journal of Shijiazhuang Tiedao University(Natural Science),2011, 24(1): 17-20.(in Chinese))

[3]李志平,韓現(xiàn)民. 關角隧道碳質(zhì)板巖段洞室支護體系綜合評價指標研究[J].隧道建設, 2015,35(3): 220-226.(LI Zhiping,HAN Xianmin.Study on comprehensive evaluation index of support system of Guanjiao Tunnel in carbonaceous slate stratum[J].Tunnel Construction,2015, 35(3): 220-226.(in Chinese))

[4]陳紹華.關角隧道斜井巖溶裂隙水處理技術探討[J].現(xiàn)代隧道技術，2010,47(1): 81-86.(CHEN Shaohua. Discussion on treatment technologies for karstic fissure water in the inclined shaft of Guanjiao Tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2010,47(1): 81-86.(in Chinese))

[5]錢富林.關角隧道突涌水機理分析及處治技術[J].鐵道建筑,2014 (10): 52-58.(QIAN Fulin. Mechanism analysis and treatment technology of gushing water in Guanjiao Tunnel [J].Railway Engineering, 2014(10): 52-58.(in Chinese))

[6]劉海榮.關角隧道長大斜井反坡抽排水技術[J].隧道建設,2015,35(6): 579-583.(LIU Hairong. Counter-slope drainage technologies for long inclined shafts of Guanjiao Tunnel[J].Tunnel Construction, 2015, 35(6): 579-583. (in Chinese))

[7]羅占夫,職常應,樂晟.關角隧道施工通風斜井分隔技術研究[J].隧道建設,2009,29(4): 411-414.(LUO Zhanfu,ZHI Changying,YUE Sheng. Study on partition technology of ventilation inclined shaft in Guanjiao Railway Tunnel[J].Tunnel Construction, 2009, 29(4): 411-414.(in Chinese))

[8]職常應,李永生,羅占夫.關角隧道斜井皮帶機運輸技術研究[J].隧道建設,2009,29(6): 653-657.(ZHI Changying,LI Yongsheng,LUO Zhanfu. Case study on belt conveying technology applied in inclined shaft of Guanjiao Tunnel[J].Tunnel Construction, 2009, 29(6): 653-657.(in Chinese))

[9]吉艷雷.關角隧道皮帶機出砟系統(tǒng)設計[J].鐵道標準設計,2013(10): 112-115.(JI Yanlei. Design of belt conveyer mucking-out system used in Guanjiao Tunnel[J]. Railway Standard Design, 2013(10): 112-115. (in Chinese))

[10]曹正卯.關角隧道運營通風防災技術研究[D].成都: 西南交通大學,2011.(CAO Zhengmao.Study on the technology of operation ventilation and disaster prevention of Guanjiao Railway Tunnel[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2011.(in Chinese))

[11]張念，譚忠盛，毛軍，等.高海拔鐵路隧道火災燃燒特性試驗研究[J].中國安全科學學報,2011,21(12): 52-57.(ZHANG Nian,TAN Zhongsheng,MAO Jun,et al.Experimental study on combustion characteristics of fire in high-altitude railway tunnels[J]. China Safety Science Journal,2011, 21(12): 52-57.(in Chinese))

[12]鐵路隧道防災救援疏散工程設計規(guī)范： TB 10020—2012 [S]. 北京: 中國鐵道出版社,2012.(Code for design on evacuation engineering for disaster prevention and rescue of railway tunnel: TB 10020—2012 [S].Beijing: China Railway Publishing House,2012.(in Chinese))

Key Construction Technologies for Guanjiao Tunnel on Xining-Golmud 2nd Line of Qinghai-Tibet Railway

CHEN Shaohua

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

Abstract:Guanjiao Tunnel on Xining-Golmud 2nd Line of Qinghai-Tibet Railway is the first railway tunnel in China whose length is larger than 30 km. In this paper, studies and results are as follows: 1) The technologies, such as ventilation gallery separated by inclined shaft, mucking by belt conveyor and increasing the air supply, are used, so as to reduce the environmental pollution, improve the construction efficiency and solve oxygen supply problem. 2) The comprehensive grouting for karstic fissure-water and rational drainage arrangement are used so as to solve the continuous high-pressure water inrush problem. 3) Technologies, such as structure type adjustment, primary support strengthening and deformation allowance setting, are used, so as to control the large deformation of fault. 4) The “piston air” is used, the smoke distribution laws in tunnel when fire disaster happens is studied; and the jet ventilation fan and disperse ventilation by vertical shaft are used. The results can provide guidance for construction of extremely-long tunnel of similar projects in the future.

Keywords:Qinghai-Tibet Railway; Guanjiao Tunnel; high altitudes; karstic fissure water; inclined shaft; ventilation gallery; intermediate separating plate; belt conveyor; mucking; operation ventilation; evacuation and rescue

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)03-0355-18

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.018

作者簡介：陳紹華(1973—)，男，甘肅白銀人，1995 年畢業(yè)于西南交通大學，地下工程與隧道工程專業(yè)，本科，教授級高級工程師，一直從事隧道及地下工程的設計與研究工作。E-mail: 380605607@qq.com。

收稿日期：2015-04-30； 修回日期： 2015-11-24