畢 強(qiáng)，李 偉，林世金

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

引言

近年來，隨著我國西部地區(qū)鐵路的加速建設(shè)，出現(xiàn)了大量特長隧道，僅某高原鐵路某段特長隧道就多達(dá)36座。特長隧道分修、合修方案選擇，主要涉及建設(shè)和運(yùn)營兩大層面，是項(xiàng)目建設(shè)時(shí)需要重點(diǎn)研究決策的問題，目前國內(nèi)也有大量的研究，但設(shè)計(jì)理念和關(guān)注的重點(diǎn)也不完全相同。有學(xué)者結(jié)合具體工程實(shí)例從防災(zāi)救援、運(yùn)營維修、空氣動力學(xué)、施工組織、地形、地質(zhì)及工程投資等方面對分、合修方案進(jìn)行比較，提出了推薦方案[1-4]。也有學(xué)者分析論證了分、合修優(yōu)缺點(diǎn)，給出了量化評價(jià)的方法。馬志富[5]結(jié)合某隧道分合修方案比選，給出了量化指標(biāo)的思路；王明年[6]提出在明確鐵路隧道分、合修洞型選型影響因素的基礎(chǔ)上，可利用AHP_熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并結(jié)合模糊綜合評價(jià)方法制定指標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于防災(zāi)疏散救援對分合修影響問題，劉赪[7]重點(diǎn)從防災(zāi)疏散救援方面進(jìn)行分析對比，認(rèn)為列車在隧道內(nèi)著火時(shí)，絕對安全是不可能實(shí)現(xiàn)的，但可以通過合理的措施把風(fēng)險(xiǎn)降低到一個(gè)可以接受的低水平，提出合理設(shè)置通風(fēng)排煙及疏散工程(緊急救援站等)后，特長隧道可以采用合修方案。關(guān)于高海拔特長隧道防災(zāi)救援、疏散技術(shù)問題，有學(xué)者[8-9]提出分修隧道，在隧道兩端洞口設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，火災(zāi)時(shí)自洞口向洞內(nèi)加壓，由安全隧道向事故隧道供風(fēng)的方案，簡單可靠、經(jīng)濟(jì)合理。也有學(xué)者對某復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)高原鐵路設(shè)計(jì)理念及方案進(jìn)行了研究[10-13]，提出由于合修方案在節(jié)省投資方面有一定優(yōu)勢，如設(shè)置兼顧救援、疏散、維護(hù)和排水等多重功能的服務(wù)隧道，則可彌補(bǔ)在運(yùn)營和防災(zāi)救援方面的劣勢。

總體來看，業(yè)界對分、合修已做了大量研究工作，也有初步的定量分析案例，但未就影響特長隧道分、合修方案選擇的因素和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行系統(tǒng)性歸納和總結(jié)，并不便于工程技術(shù)人員掌握和運(yùn)用。

1 分、合修現(xiàn)狀

1.1 國外特長隧道分、合修情況

1.1.1 有關(guān)規(guī)范、規(guī)定

UIC規(guī)程并未明確規(guī)定，但指出與單洞隧道相比雙洞隧道可以避免因列車脫軌而阻斷鄰近的軌道，并能夠在發(fā)生事故(特別是火災(zāi)事故)時(shí)能更好地進(jìn)行疏散救援，考慮到工程占地多、工程投資高，需通過綜合比選確定方案。

歐盟鐵路系統(tǒng)(TSI)規(guī)定隧道的緊急出口間距不超過1 km，當(dāng)合修隧道難以按此規(guī)定設(shè)置緊急出口時(shí)，可考慮采用分修方案。

日本相關(guān)規(guī)范中對于鐵路隧道分、合修也無明確規(guī)定，分、合修方案主要考慮其安全性、經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性，同時(shí)，綜合運(yùn)輸需求、地形地貌、水文地質(zhì)、施工場地條件、環(huán)境保護(hù)要求以及規(guī)劃等因素，經(jīng)比選后確定。

1.1.2 分、合修統(tǒng)計(jì)情況

從國外特長隧道分、合修統(tǒng)計(jì)情況看(表1)，長度20 km以下隧道以合修為主，占比約90%；長度大于20 km的15座隧道中，分修隧道9座占60%，合修隧道6座占40%，分修略多于合修。

表1 國外鐵路特長隧道分合修情況統(tǒng)計(jì)[14]

從不同國別及地區(qū)來看，日本、韓國隧道不論長短基本采用合修方案；歐洲國家20 km以上隧道基本采用分修方案，且分修隧道中大多采用TBM法施工。國外20 km以上鐵路隧道分合修情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 國外20 km以上鐵路隧道分合修情況統(tǒng)計(jì)[14]

綜合分析，國外對特長隧道分、合修無統(tǒng)一的規(guī)定，但更注重運(yùn)營安全，方案的選取主要考慮防災(zāi)疏散救援以及養(yǎng)護(hù)維修的需求[15-16]。

1.2 國內(nèi)特長隧道分、合修情況

1.2.1 有關(guān)規(guī)范、規(guī)定

國內(nèi)有關(guān)規(guī)范指出“在松軟地層、不良地質(zhì)地段修建隧道時(shí)，跨度大小對隧道工程的影響較其他地區(qū)更為顯著，往往修建2座單線隧道較修建1座雙線隧道較易于保證工程質(zhì)量和施工安全。一般情況下，長距離穿越高地應(yīng)力軟巖、含水砂層、風(fēng)積沙、強(qiáng)膨脹巖(土)地層的新建特長雙線鐵路隧道，多采用雙洞單線隧道方案；長度20 km及以上的特長雙線隧道，從防災(zāi)救援方面考慮，采用雙洞單線隧道方案”[17-18]。

1.2.2 分、合修統(tǒng)計(jì)情況

統(tǒng)計(jì)顯示，國內(nèi)在建和運(yùn)營的228座10 km以上鐵路特長隧道中(不含某高原鐵路)，長度10～20 km的以合修為主，長度20 km以上的以分修為主。見表3。

表3 國內(nèi)10 km以上鐵路特長隧道分合修統(tǒng)計(jì)[19]

2 影響因素及量化評價(jià)

綜合國內(nèi)外特長隧道分、合修現(xiàn)狀及有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)參考高原鐵路特長隧道分、合方案選擇，經(jīng)系統(tǒng)梳理特長隧道分、合修方案選擇應(yīng)綜合考慮建設(shè)階段及運(yùn)營階段的需求來確定，主要影響因素如圖1所示。

圖1 特長隧道分、合修方案主要影響因素

2.1 建設(shè)階段

2.1.1 建設(shè)安全

建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)主要來源于不良地質(zhì)問題，一般情況下為突泥涌水、巖爆、高(水)地溫、有害氣體、大變形等。

對于巖溶及富水地層，分、合修方案一般均需設(shè)置平導(dǎo)疏排地下水。因此，在均設(shè)置了平導(dǎo)的情況下，突泥涌水問題不控制分、合修方案的選擇，但分修方案工程規(guī)模較大，工程投資較高。

對于巖爆問題，有關(guān)研究表明，巖爆存在洞室形狀效應(yīng)，同一尺寸下橢圓形斷面對減少巖爆最有利，同時(shí)巖爆存在洞室尺寸效應(yīng)即同一洞室形狀下的巖爆都隨洞室開挖尺寸的增大而增強(qiáng)[20]。合修的優(yōu)勢在于大型機(jī)械化作業(yè)有利，可減少作業(yè)人員和作業(yè)時(shí)間。

對于高(水)地溫問題，分、合修方案同等條件下處理措施基本一致，但合修隧道空間大，施工作業(yè)較為便利。

對于有毒有害氣體問題，主要取決于通風(fēng)方式及效果，因此，該問題并不是分、合修的控制因素。

對于軟巖大變形問題，有關(guān)工程實(shí)踐及研究表明大變形地段隧道斷面具有尺寸效應(yīng)。輕微、中等變形地段，單線與雙線隧道的變形程度基本相當(dāng)，尺寸效應(yīng)不明顯；嚴(yán)重變形地段，隧道斷面尺寸效應(yīng)明顯，合修隧道變形遠(yuǎn)大于分修隧道。

2.1.2 建設(shè)條件

建設(shè)條件主要涉及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、施工通風(fēng)、施工作業(yè)空間及施工排水等。

從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的角度，主要取決于是否設(shè)置平導(dǎo)，與分、合修無必然聯(lián)系。從施工通風(fēng)角度分析，分修隧道可實(shí)現(xiàn)巷道通風(fēng)，且通風(fēng)距離長，合修方案在設(shè)置了平導(dǎo)時(shí)可實(shí)現(xiàn)巷道通風(fēng)，與分修方案相當(dāng)。從作業(yè)空間分析，合修隧道斷面大，作業(yè)靈活。施工排水不控制分、合修方案選擇。

2.1.3 工期風(fēng)險(xiǎn)

有關(guān)工程實(shí)踐證明，同等條件下合修方案隧道斷面大，施工作業(yè)靈活，施工進(jìn)度一般較分修快。除嚴(yán)重軟巖大變形地段外，其他不良地質(zhì)地段，合修方案施工進(jìn)度一般也快于分修方案。

2.1.4 引線條件

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋隧相連，與合修方案相比，分修方案對相鄰工程影響較大，特別是在隧道洞口附近分布有車站或特殊橋梁時(shí)，分修對車站使用功能、相鄰工程技術(shù)條件及工程規(guī)模影響較大。

當(dāng)選擇采用分修方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合引線工程，著重考慮進(jìn)出口段的分、合修及線間距對引線工程的影響，必要時(shí)進(jìn)出口可采用小凈距方案。

2.2 運(yùn)營階段

2.2.1 運(yùn)營安全

根據(jù)有關(guān)方面提供的數(shù)據(jù)，2007年至2020年5月，全路共發(fā)生事故29 265起，其中，隧道內(nèi)417起，僅占1.4%。隧道內(nèi)火災(zāi)、脫軌及沖突等較為嚴(yán)重的事故12起，其中，單線鐵路隧道內(nèi)7起，雙線合修隧道內(nèi)3起，雙線分修隧道內(nèi)2起。從以上情況分析，事故發(fā)生的概率與隧道分、合修并沒有直接關(guān)系。

從事故的危害程度分析，由于隧道內(nèi)為半封閉空間，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故的危害程度要高于非火災(zāi)事故。分、合修方案選擇應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注火災(zāi)事故及其救援。

從火災(zāi)發(fā)生后的救援方式來看，國內(nèi)外對列車在隧道內(nèi)火災(zāi)處置基本原則一致，均為著火列車應(yīng)盡量駛出洞外，無法駛出洞外時(shí)?？烤o急救援站進(jìn)行定點(diǎn)救援的模式。防災(zāi)救援過程可分為疏散、待避和救援3個(gè)階段，合修方案疏散總距離略長；待避階段分、合修差異不大；救援階段分修方案人員疏散不受煙氣干擾，安全有保障。

2.2.2 養(yǎng)護(hù)維修及運(yùn)營保通

分、合修養(yǎng)護(hù)維修工作量及工作效率與維修天窗形式息息相關(guān)，采用矩形天窗時(shí)，合修方案養(yǎng)護(hù)維修工作量較低；采用“V”形天窗時(shí)，分、合修兩種方案基本相當(dāng)。養(yǎng)護(hù)維修工作量測算見表4。

表4 一般養(yǎng)護(hù)維修工作量測算

據(jù)國鐵集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，自1994年至2019年底，隧道內(nèi)產(chǎn)生影響運(yùn)輸?shù)牟『?13處，涉及隧道314座，占全路隧道總座數(shù)的2%，其中襯砌裂損、隧道水害和軌道上拱是導(dǎo)致行車中斷或限速的三大主要病害。襯砌裂損主要與施工質(zhì)量有關(guān)，與分、合修無直接關(guān)系；水害、隧底隆起等問題與工程地質(zhì)條件密切相關(guān)，分修隧道兩線距離較近，一線發(fā)生病害時(shí)另一線發(fā)生病害的概率極高。分修方案隧道發(fā)生重大病害時(shí)，一般采用一線封閉，單線運(yùn)行的方式，對運(yùn)營影響小。因此，對于重大病害分修方案有利于養(yǎng)護(hù)維修及運(yùn)營保通，同時(shí)分修方案一線作業(yè)不受另一線的影響，養(yǎng)護(hù)維修便利性及管理難度均小于合修方案。

2.2.3 運(yùn)營排水

運(yùn)營期排水不是分、合修方案選擇的決定性因素。

2.2.4 旅客舒適度

影響旅客舒適度的指標(biāo)為瞬變壓力，分、合修均滿足現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。合修方案隧道斷面相對較大，有關(guān)資料顯示，列車不交會時(shí)，合修方案舒適度較分修方案提高40%左右[21-23]；合修方案列車僅在隧道局部位置交會時(shí)瞬變壓力較分修略大，但均小于分修。

2.3 量化評價(jià)

結(jié)合以上分析，可以運(yùn)用式(1)進(jìn)行量化評價(jià)。

(1)

式中，W為評價(jià)對象總得分；Wi為評價(jià)對象的優(yōu)劣程度，見表5；Ai為各指標(biāo)項(xiàng)的權(quán)重，見表6。

表5 優(yōu)劣程度指標(biāo)

表6 權(quán)重指標(biāo)

以上量化指標(biāo)可能并不全面，建議繼續(xù)深化研究，建立系統(tǒng)的量化評價(jià)方法。

從影響因素分析情況看，影響分、合修方案選擇的主要因素，建設(shè)期為建設(shè)安全(軟巖大變形、巖爆、高地溫等)、相鄰工程以及投資等，運(yùn)營期為養(yǎng)護(hù)維修、運(yùn)營保通和防災(zāi)救援等，以上幾個(gè)因素權(quán)重較高。

3 典型案例

某高原鐵路某段隧道占比達(dá)83%，特長隧道共有36座，其分、合修方案選擇極具參考價(jià)值。統(tǒng)計(jì)顯示，該鐵路長度10 km以下隧道全部采用合修方案，長度15～20 km隧道分、合修占比基本相當(dāng)，長度20 km以上隧道基本采用分修方案。特長隧道分、合修情況統(tǒng)計(jì)見表7。

表7 某高原鐵路特長隧道分、合修情況統(tǒng)計(jì)

其中，GN隧道及GJ隧道的分合修方案選擇具有一定的代表性。

3.1 GN隧道

GN隧道全長18.2 km，進(jìn)口端為A連續(xù)梁大橋和C隧道(5.7 km)，出口端為B特大橋(500 m跨度拱橋)，GN隧道地下水發(fā)育，涌突水風(fēng)險(xiǎn)較高，分、合修兩個(gè)方案均需設(shè)置貫通平導(dǎo)。

由于本段橋隧相連，分修方案重點(diǎn)對進(jìn)出口段分、合修方案及線間距進(jìn)行了研究，分修對相鄰工程影響較大，工程投資增加較多，即使采用小凈距方案仍不能有效降低工程投資和實(shí)施難度。因此，分修方案其進(jìn)出口段予以合修，見圖2。

圖2 GN隧道分修方案示意(單位：m)

根據(jù)影響因素，從建設(shè)期分析由于分、合修兩個(gè)方案均設(shè)置了貫通平導(dǎo)，且分修方案進(jìn)出口段也采用合修。因此，建設(shè)期分修方案與合修方案并無較大差異。

從運(yùn)營期分析，分修方案養(yǎng)護(hù)維修及保通條件相對較好，但由于隧道緊臨G215，交通條件好。因此，運(yùn)營期分修方案與合修方案也無較大差異。

從工程投資分析，分修方案由于設(shè)置了貫通平導(dǎo)，工程投資較合修方案增加近9億元，增幅達(dá)23%。

綜合分析，該隧道采用合修方案。根據(jù)式(1)從量化對比情況看，該隧道采用合修方案是合適的。隧道合、分修方案量化對比見表8。

表8 GN隧道合、分修方案量化對比

3.2 GJ隧道

GJ隧道全長26.2 km，進(jìn)口端為A特大橋(簡支梁橋)，出口端緊鄰B車站，該隧道平均海拔超過3 800 m，且交通條件較差，養(yǎng)護(hù)維修及運(yùn)營保通難度大，合修方案需設(shè)置貫通平導(dǎo)。

分修方案重點(diǎn)對進(jìn)出口段分、合修方案及線間距進(jìn)行了研究。由于進(jìn)口位于狹窄山脊上，右側(cè)為滑坡體，正常分修線間距為35 m，靠近滑坡體，工程風(fēng)險(xiǎn)較高，12 m小凈距可改善進(jìn)洞條件，線路遠(yuǎn)離滑坡體，工程風(fēng)險(xiǎn)低，且對相鄰的A大橋影響較小，工程投資節(jié)省近1 700萬元。因此，進(jìn)口端采用了12 m小凈距方案，見圖3。

圖3 GJ隧道進(jìn)口段方案示意(單位：m)

出口端主要受控于B車站，該車站為該鐵路沿線主要的中間站之一，規(guī)模較大，即使采用小凈距方案，仍然會影響B(tài)車站的使用靈活性和作業(yè)效率，C特大橋結(jié)構(gòu)也會更加復(fù)雜，且工程投資將增加近2 000萬元。因此，出口端采用了合修方案，見圖4。

圖4 GJ隧道出口段方案示意(單位：m)

根據(jù)影響因素，從建設(shè)期分析該隧道工程地質(zhì)條件整體較好，分、合修兩個(gè)方案無本質(zhì)區(qū)別。從運(yùn)營期分析，該隧道整體海拔高，養(yǎng)護(hù)維修及運(yùn)營保通難度大，分修方案優(yōu)勢明顯。從工程投資分析，分修方案較合修方案工程投資僅節(jié)省2%，差異不大。因此，綜合比選后GJ隧道采用分修方案。

量化對比結(jié)果也支持該結(jié)論，隧道合、分修方案量化對比見表9。

表9 GJ隧道合、分修方案量化對比

4 結(jié)論

(1)建設(shè)期影響分、合修的最重要因素為相鄰工程及投資，運(yùn)營期為養(yǎng)護(hù)維修、運(yùn)營保通和防災(zāi)救援。

(2)軟巖大變形嚴(yán)重、運(yùn)營維護(hù)和保通或工法有要求的隧道，不論長短均應(yīng)采用分修方案。

(3)防災(zāi)救援及養(yǎng)護(hù)難度較高的鐵路，當(dāng)隧道長度超過15 km時(shí)應(yīng)考慮采用分修方案，當(dāng)采用合修方案時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

(4)采用分修方案的隧道，應(yīng)結(jié)合相鄰工程、洞口地形及地質(zhì)條件，綜合研究洞口的分、合修方案，當(dāng)洞口分修時(shí)應(yīng)研究采用小凈距的可行性。

研究成果可為復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路勘察設(shè)計(jì)提供參考。