陳紹華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安　710043)

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青藏鐵路西格二線關(guān)角隧道關(guān)鍵技術(shù)

陳紹華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安710043)

摘要：青藏鐵路西格二線關(guān)角隧道是我國(guó)首座長(zhǎng)度突破30 km的鐵路隧道，文章介紹關(guān)角隧道的主要修建新技術(shù)： 采用斜井分隔風(fēng)道新技術(shù)和斜井皮帶機(jī)出碴配合鉆爆法掘進(jìn)的新技術(shù)，加大供風(fēng)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(shù)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(qiáng)初期支護(hù)和允許適度變形的技術(shù)方案，解決寬大斷層束大變形問題；通過嚴(yán)格的計(jì)算，首創(chuàng)采用活塞風(fēng)解決30 km長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)技術(shù)方案，研究隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣分布規(guī)律后，采用安全隧道射流風(fēng)機(jī)加壓和事故隧道均衡分散式豎井排煙新技術(shù)，形成防災(zāi)救援新技術(shù)。文章介紹關(guān)角隧道建設(shè)所取得的技術(shù)成就，以期對(duì)后續(xù)的高原特長(zhǎng)隧道起到指導(dǎo)，達(dá)到推動(dòng)中國(guó)鐵路隧道技術(shù)進(jìn)步的目的。

關(guān)鍵詞：青藏鐵路； 關(guān)角隧道； 高海拔； 巖溶裂隙水； 斜井； 風(fēng)道； 中隔板； 皮帶輸送； 出碴； 運(yùn)營(yíng)通風(fēng)； 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(guān)角隧道，長(zhǎng)32.690 km，于2007年11月6日開工建設(shè)，2014年12月28日開通運(yùn)營(yíng)。該隧道的建成，將既有線路縮短了36.82 km，列車的運(yùn)行時(shí)間由2 h縮短為20 min。關(guān)角隧道是我國(guó)首座長(zhǎng)度突破30 km的鐵路隧道，為目前國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)營(yíng)的最長(zhǎng)鐵路隧道，也是世界高海拔第一長(zhǎng)隧道。

關(guān)角隧道屬于高海拔條件下的特長(zhǎng)隧道，需要克服許多全新的施工難題，是國(guó)內(nèi)外隧道設(shè)計(jì)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(shí)施工，隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)5 000 m；穿越長(zhǎng)達(dá)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(shè)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(jí)斷裂組成的斷層束，穿越斷層束時(shí)發(fā)生了大變形；在高海拔情況下，對(duì)于隧道的防災(zāi)救援存在2個(gè)重要難題： 1)空氣浮力小，隧道內(nèi)火災(zāi)溫度場(chǎng)分布和擴(kuò)散規(guī)律、煙霧場(chǎng)分布和擴(kuò)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(dòng)量(逃生速度)受到極大限制。因此，高海拔鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)計(jì)不同于一般鐵路隧道。

為了克服上述的技術(shù)困難，參建單位進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，最終在特長(zhǎng)隧道的修建技術(shù)上取得了重大突破。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及低碳、環(huán)保社會(huì)的需要，中國(guó)必將修建更多更長(zhǎng)的隧道，關(guān)角隧道的修建技術(shù)是我國(guó)隧道技術(shù)的重大進(jìn)步，必將對(duì)我國(guó)長(zhǎng)大隧道的修建技術(shù)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，也將對(duì)世界高海拔、嚴(yán)寒地區(qū)特長(zhǎng)隧道的修建技術(shù)產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用。通過介紹關(guān)角隧道的技術(shù)成果，以期能夠?qū)ζ渌愃频乃淼拦こ唐鸬街笇?dǎo)作用。

1工程概況

1.1線路概況

新建關(guān)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(zhǎng)32.690 km(隧道進(jìn)口高程為3 380.26 m，出口高程為3 324.05 m)，設(shè)計(jì)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(jìn)口段為8‰的上坡，在嶺脊設(shè)過渡坡段后，以9.5‰的坡度連續(xù)下坡。設(shè)計(jì)旅客列車行車速度目標(biāo)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(guān)角隧道的洞身地形條件，利用洞身附近河溝設(shè)置11座總長(zhǎng)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(gè)工作面同時(shí)掘進(jìn)，輔助施工正洞(見圖2)。各斜井的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖2　關(guān)角隧道輔助坑道方案示意圖(單位： m)

斜井長(zhǎng)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(diǎn)和難點(diǎn)

1)隧道位于青藏高原，為高海拔嚴(yán)寒地區(qū)，自然環(huán)境十分嚴(yán)酷，作業(yè)人員適應(yīng)性差，人員和設(shè)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(jìn)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(dāng)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?jī)H為11%左右，遠(yuǎn)低于規(guī)范20%的標(biāo)準(zhǔn)。

2)隧道穿越新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，施工面臨的難題多，風(fēng)險(xiǎn)高。

①隧道通過高地應(yīng)力條件下的寬大斷層束。關(guān)角越嶺隧道區(qū)在大地構(gòu)造位置上位于新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)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?cái)鄩K北部宗務(wù)隆山-祁連山強(qiáng)烈隆起區(qū),跨越了柴達(dá)木陸塊北緣、宗務(wù)隆山裂陷槽和南祁連陸塊3個(gè)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(jí)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(zhǎng)達(dá)3 000 m。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果分析，最大水平主應(yīng)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(yīng)力軟弱圍巖大變形。

②嶺脊灰?guī)r段突、涌水。關(guān)角隧道穿越10 km長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)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(dá)13萬m3/d的集中涌水，給隧道(斜井)建設(shè)造成了極大困難。

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

①高海拔隧道長(zhǎng)距離施工通風(fēng)技術(shù)及隧道內(nèi)污染防治技術(shù)。最長(zhǎng)的斜井長(zhǎng)2 800 m，工區(qū)獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度最大達(dá)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(jìn)行，需研究施工通風(fēng)新技術(shù)；并針對(duì)高原特點(diǎn)，研究減少汽車尾氣排放和提高運(yùn)輸效率的新方法。

②特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)安全保障技術(shù)。關(guān)角隧道作為中國(guó)第一長(zhǎng)隧，又是青藏鐵路的咽喉，社會(huì)影響力極大，隧道的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)、防災(zāi)救援疏散及運(yùn)營(yíng)安全技術(shù)也是關(guān)系隧道建設(shè)成敗的關(guān)鍵，由于沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，需要研究成套的防災(zāi)救援、疏散與通風(fēng)技術(shù)。

3主要工程技術(shù)方案

3.1斷裂帶大變形控制技術(shù)

3.1.1地應(yīng)力及變形概況

通過水壓致裂法原地應(yīng)力測(cè)試和分析，斷裂帶(F3)附近構(gòu)造應(yīng)力以高、極高地應(yīng)力為主，施工中會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)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(dá)505 mm[1]。

3.1.2隧道斷面、支護(hù)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(yīng)力較發(fā)育的特點(diǎn)，有必要進(jìn)行斷面形式優(yōu)化，把原設(shè)計(jì)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?cǎi)R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(jì)算結(jié)果表明，高馬蹄形斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的仰拱與邊墻結(jié)合部位存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而寬?cǎi)R蹄形斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較均勻。相對(duì)于高馬蹄形斷面，采用寬?cǎi)R蹄形斷面形式可以有效減小圍巖的收斂變形。

圖4　寬?cǎi)R蹄形斷面圖(單位： cm)

3.1.3隧道支護(hù)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

為了良好地控制變形，掌握關(guān)角隧道變形控制技術(shù)，針對(duì)前述的不同斷面形狀，采用不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行組合，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的測(cè)試分析，試驗(yàn)斷面測(cè)試項(xiàng)目見表2，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)位置見圖5, 隧道變形及支護(hù)受力狀況見表3。

表2　9#斜井板巖段測(cè)試斷面及量測(cè)項(xiàng)目

圖5　試驗(yàn)斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

3.1.4寬大斷層束隧道施工技術(shù)

3.1.4.1合理的隧道斷面形狀

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

3.1.4.2支護(hù)形式與剛度

增加支護(hù)厚度可以減小隧道洞周變形，但支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)并未得到明顯改善，因此，對(duì)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(duì)于雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)，二次支護(hù)應(yīng)在第1層支護(hù)落底后施作。還需要關(guān)注的變形控制技術(shù)有拱腳變形控制技術(shù)、掌子面擠出變形控制技術(shù)和超前支護(hù)技術(shù)。

表3　各種開挖斷面形狀下洞室變形及支護(hù)受力情況[3]

3.2巖溶裂隙水綜合處理技術(shù)

3.2.1巖溶裂隙水的危害

關(guān)角隧道通過三疊系、二疊系灰?guī)r的長(zhǎng)度約10 km，在修建斜井時(shí)，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(guān)角隧道建設(shè)中遇到的最大的地質(zhì)難題。

3.2.2關(guān)角隧道灰?guī)r段突、涌水特點(diǎn)

關(guān)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(bǔ)給范圍廣； 因此，涌水量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，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(dá)800 m，突涌水的水壓大，最大達(dá)4 MPa。

3.2.3巖溶裂隙水處理原則及堵、排標(biāo)準(zhǔn)的研究

通過現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，在計(jì)算抽水間斷時(shí)隧道的反淹長(zhǎng)度和抽水時(shí)間，并進(jìn)行了涌水對(duì)開挖、支護(hù)和襯砌作業(yè)的影響及涌水造成的施工風(fēng)險(xiǎn)分析后，提出了堵、排水措施的選擇標(biāo)準(zhǔn)如下： 當(dāng)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(shí)，進(jìn)行超前注漿堵水較開挖后排水或徑向注漿更加經(jīng)濟(jì)合理。

3.2.4巖溶裂隙水注漿堵水技術(shù)

針對(duì)關(guān)角隧道的涌水特點(diǎn)，采用水泥-水玻璃雙液漿在高壓、大流量條件下基本無法實(shí)現(xiàn)后注漿堵水，為了實(shí)現(xiàn)巖溶裂隙水發(fā)育地層中隧道順利建設(shè)，在關(guān)角隧道注漿堵水研究和應(yīng)用中引進(jìn)了2種高分子化學(xué)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(xué)產(chǎn)品。馬麗散漿液的特點(diǎn)是密度與水非常接近，而且黏度較小，在其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之前，流動(dòng)性較好，是一種非常易于注漿和擴(kuò)散的材料。材料在進(jìn)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(dá)到堵水效果，膨脹系數(shù)為3～25倍(無水時(shí)膨脹系數(shù)大于3，有水時(shí)膨脹系數(shù)大于10)[5]；材料反應(yīng)時(shí)間可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件和要求調(diào)節(jié)，最短時(shí)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，體積膨脹并生成一種不溶于水并具有一定強(qiáng)度的彈性膠狀固結(jié)體，從而達(dá)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(qiáng)度,不僅可以防水堵漏，更適合于加固補(bǔ)強(qiáng)。

3.2.4.2高分子化學(xué)注漿材料在關(guān)角隧道注漿堵水試驗(yàn)研究

1)注漿設(shè)計(jì)參數(shù)。①本措施一次加固范圍為4～5 m，施工時(shí)可以根據(jù)實(shí)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(zhǎng)4～5 m。②注漿參數(shù)如下： 馬麗散化學(xué)漿，化學(xué)樹脂與催化劑的比例為1∶1(體積比); HCH型化學(xué)漿為HCH單液漿； 注漿設(shè)備為專用注漿泵和混合槍； 注漿終壓建議3 MPa并通過試驗(yàn)最后確定； 擴(kuò)散半徑2.5 m；鉆孔深度5 m； 鉆孔直徑φ30 mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)際出水點(diǎn)位置等進(jìn)行調(diào)整。③注漿工藝為全孔一次性注漿，采用馬麗散化學(xué)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(xué)漿，與噴錨搶險(xiǎn)材料、無機(jī)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(shù)

1)若在徑向注漿或頂水注漿中用純水泥漿進(jìn)行堵水，基本無法實(shí)現(xiàn)，主要原因是凝固時(shí)間太長(zhǎng)，因此，純水泥漿不適于以巖溶裂隙水為對(duì)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(shí)很難達(dá)到預(yù)期的堵水效果，凝固時(shí)間較難掌握，注漿工序時(shí)間長(zhǎng)，大量漿液被動(dòng)水沖走，漿液損失率高，也很難實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力水的封堵。盡管在壓力小、流量大的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)注漿堵水，如4#斜井長(zhǎng)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(duì)象的徑向注漿堵水。

3)關(guān)角隧道施工實(shí)踐證明，采用C-S雙液漿進(jìn)行帷幕注漿時(shí)，由于施作了止?jié){墻和孔口閥，能夠減少漿液的流失，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的堵水目標(biāo)； 因此，當(dāng)?shù)叵滤愋蜑閹r溶裂隙水時(shí)，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(shí)，應(yīng)進(jìn)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(yīng)采用C-S雙液漿，當(dāng)不存在漏漿、工期壓力不是特別緊張時(shí)，應(yīng)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(xué)漿，流動(dòng)性好，擴(kuò)散范圍大，遇水膨脹固化，凝固時(shí)間快，固化后結(jié)石體不收縮，能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小空隙的入滲，堵水效果好，尤其適于對(duì)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(dá)到事半功倍的效果，耐久性好，能達(dá)到長(zhǎng)期堵水的效果。

3.2.5長(zhǎng)大斜井輔助施工抽排水技術(shù)

3.2.5.1抽水設(shè)備配備原則

1)抽水能力應(yīng)滿足施工階段的正常抽水需要；

2)泵站的抽水能力配置應(yīng)考慮發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)后的應(yīng)急處理能力。

3.2.5.2泵站抽水能力的計(jì)算

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

1)斜井施工中采取帷幕注漿或通過后對(duì)一些集中涌水點(diǎn)進(jìn)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(dá)80%； 另外，散狀水及部分股狀水在1年以后會(huì)出現(xiàn)水量衰減，因此，在抽水能力計(jì)算中，斜井段水量按預(yù)測(cè)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(yù)報(bào)技術(shù)達(dá)不到將風(fēng)險(xiǎn)完全預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的水平，風(fēng)險(xiǎn)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(yù)測(cè)的多個(gè)突水段中涌水量最大段落的最大涌水量)。

3)對(duì)工區(qū)中預(yù)測(cè)正洞的集中出水段(除Q2段)，也可以實(shí)施注漿堵水，堵水效果按70%考慮，即Q3(正洞工區(qū)內(nèi)預(yù)測(cè)的多個(gè)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(yù)測(cè)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(duì)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(jìn)行分析計(jì)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(xì)配置參數(shù)見表4[6]，管路配置見表5。

表4　4#斜井各級(jí)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(shù)

1)高壓巖溶裂隙水處理是一項(xiàng)綜合技術(shù)，排水能力設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮注漿堵水效果，力爭(zhēng)做到經(jīng)濟(jì)上相對(duì)合理。

2)泵站的抽水能力要根據(jù)預(yù)測(cè)的涌水量進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足施工階段的正常抽水需要，同時(shí)考慮涌水預(yù)測(cè)的難度，泵站的抽水能力還應(yīng)考慮一定的風(fēng)險(xiǎn)處理應(yīng)急能力。

3)在長(zhǎng)大隧道穿越灰?guī)r地層時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)隧道涌水的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并提出分段涌水量預(yù)測(cè)報(bào)告，隧道(斜井)的分段涌水量預(yù)測(cè)對(duì)排水能力的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，排水設(shè)計(jì)應(yīng)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(yù)測(cè)的斜井穩(wěn)定涌水量，m3/h； Q2為預(yù)測(cè)的正洞工區(qū)內(nèi)多個(gè)突水段中最大的涌水量，m3/h； Q3為正洞工區(qū)內(nèi)預(yù)測(cè)的多個(gè)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(yù)測(cè)值，m3/h。

4)泵站配置需要考慮水泵的實(shí)際抽水能力。在實(shí)際抽水中，實(shí)際抽水量往往達(dá)不到設(shè)備的額定抽水量，根據(jù)關(guān)角隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)際抽水量一般為水泵額定流量的80%，泵站臺(tái)數(shù)計(jì)算應(yīng)考慮此因素。

5)結(jié)合關(guān)角隧道及以往其他隧道泵站的設(shè)計(jì)，長(zhǎng)大斜井的泵站間距一般以300m左右為宜。

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

7)水艙的儲(chǔ)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(shè)計(jì)方法不合理。

8)在水泵配置時(shí)，應(yīng)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(chǎng)環(huán)境。

3.3斜井中隔板分割風(fēng)道施工通風(fēng)技術(shù)

3.3.1通風(fēng)方案的提出

關(guān)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(dú)頭通風(fēng)距離近4 700m[7]，這顯然對(duì)隧道的施工技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。斜井作為輔助通道，進(jìn)入正洞后需要組織正反向多個(gè)工作面同時(shí)施工，在高海拔低氣壓地區(qū)，空氣稀薄，內(nèi)燃設(shè)備在隧道內(nèi)燃燒不充分，污染嚴(yán)重，不能簡(jiǎn)單照搬正常氣壓條件的通風(fēng)技術(shù)。如何采取合理的施工通風(fēng)方案，是提高工效、加快施工進(jìn)度的關(guān)鍵。

根據(jù)施工需要，在建設(shè)中研究了斜井分割風(fēng)道的施工通風(fēng)技術(shù)，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(jìn)風(fēng)通道，然后在斜井底部與正洞交匯處安裝4臺(tái)風(fēng)機(jī)與軟管形成壓入式通風(fēng)系統(tǒng)分別向4個(gè)工作面供風(fēng)，所有回風(fēng)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(fēng)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(fēng)數(shù)值模擬

關(guān)角隧道嶺脊地段通風(fēng)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(jì)算模型進(jìn)行CFD計(jì)算。7#斜井承擔(dān)關(guān)角隧道各工區(qū)的施工掘進(jìn)任務(wù)見表6。

表67#斜井各工區(qū)通風(fēng)長(zhǎng)度匯總表

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

m

經(jīng)多個(gè)方案比選，井底風(fēng)艙和軸流風(fēng)機(jī)的布置方案見圖12和圖13。

圖12　7#斜井井底風(fēng)艙和風(fēng)機(jī)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(fēng)道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)布置圖(單位： m)

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

隔板通風(fēng)的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1)2臺(tái)風(fēng)機(jī)之間的距離(風(fēng)艙的長(zhǎng)度)不宜太小，否則由于風(fēng)機(jī)縱向間距小，風(fēng)機(jī)間的負(fù)壓有很大一部分被相互抵消，會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)效率低下。

2)在布置風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)充分利用自然風(fēng)的排煙作用，在格爾木工區(qū)為動(dòng)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(fēng)機(jī)增壓時(shí)，考慮進(jìn)口40～50 m長(zhǎng)度的氣流影響后，風(fēng)機(jī)布設(shè)應(yīng)距洞口50 m以上，并且間距應(yīng)大于150 m，此時(shí)風(fēng)機(jī)能產(chǎn)生較好的導(dǎo)向和升壓效果。經(jīng)計(jì)算，隔板上方射流風(fēng)機(jī)采用均勻布置，每間隔400 m一臺(tái)，能取得較大的風(fēng)壓和風(fēng)速(見圖14和圖15)。

4)1#和2#風(fēng)機(jī)的功率采用110 kW，3#和4#風(fēng)機(jī)的功率采用185 kW。將漏風(fēng)率控制在2%以內(nèi)時(shí)，前述2臺(tái)風(fēng)機(jī)的供風(fēng)長(zhǎng)度分別可以達(dá)到3.54 km 和2.94 km，能滿足施工掘進(jìn)的需要，保證關(guān)角隧道的順利建設(shè)。

圖14　供風(fēng)道內(nèi)風(fēng)壓分布圖

圖15　供風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速分布圖

5)增強(qiáng)供風(fēng)風(fēng)道和風(fēng)管的密閉性，控制漏風(fēng)率，是通風(fēng)效果的必要保障，也是一項(xiàng)關(guān)鍵工藝。

3.3.3 關(guān)角隧道施工通風(fēng)效果測(cè)試

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，測(cè)試結(jié)果和工作面工作狀況有較密切關(guān)系，除去工作面扒碴和出碴時(shí)CO含量較高、超標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)。

3.4鉆爆法斜井皮帶機(jī)出碴技術(shù)

3.4.1斜井出碴導(dǎo)致的建設(shè)難度

關(guān)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(jī)能下降，機(jī)械設(shè)備功率降低，導(dǎo)致工作效率低，人員、設(shè)備投入加大，給施工組織帶來了較大困難。尤其是長(zhǎng)大斜井采用無軌內(nèi)燃汽車出碴時(shí)，需要長(zhǎng)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(dá)300 m，對(duì)機(jī)械設(shè)備的耐用性和安全性是一大考驗(yàn)。同時(shí)，由于內(nèi)燃機(jī)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(jìn)一步加大了施工環(huán)境控制難度，嚴(yán)重威脅安全施工生產(chǎn)。因此，高原缺氧環(huán)境下長(zhǎng)大斜井出碴技術(shù)是關(guān)角隧道面臨的一個(gè)施工難題。

3.4.27#斜井皮帶機(jī)出碴運(yùn)輸技術(shù)

3.4.2.1斜井皮帶機(jī)出碴需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

皮帶運(yùn)輸機(jī)作為一種碴料運(yùn)輸設(shè)備，主要用于TBM施工的隧道出碴、煤炭及采礦等領(lǐng)域的運(yùn)料，在國(guó)內(nèi)有成熟的制造和安裝技術(shù)[8]，但在國(guó)內(nèi)把該系統(tǒng)用于鉆爆法施工的隧道進(jìn)行出碴，還需要研究解決相關(guān)的技術(shù)問題，斜井設(shè)置皮帶機(jī)系統(tǒng)還需要解決皮帶機(jī)如何與隧道掘進(jìn)最經(jīng)濟(jì)合理的配套問題，以實(shí)現(xiàn)隧道的快速掘進(jìn)。

關(guān)角隧道斜井設(shè)置皮帶機(jī)系統(tǒng)，主要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問題： 皮帶機(jī)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(shè)置以及洞外轉(zhuǎn)運(yùn)等。

3.4.2.2總體設(shè)計(jì)

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(jī)功率)，根據(jù)計(jì)算，關(guān)角隧道皮帶機(jī)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(jī)，出碴能力最大278 t/h，能滿足關(guān)角隧道7#斜井的掘進(jìn)出碴需要。

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

圖16　7#斜井皮帶機(jī)系統(tǒng)井底平面布置示意(單位： cm)

圖17　7#斜井皮帶機(jī)縱向布置示意

3.4.2.3井底破碎站

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

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

其優(yōu)點(diǎn)是布置比較直觀簡(jiǎn)捷，投入使用快。缺點(diǎn)是由于位置處于斜井與正洞交叉口的交通要道，首先對(duì)洞內(nèi)交通運(yùn)輸干擾很大，各種運(yùn)輸車輛在此交匯，安全隱患較大；其次破碎機(jī)產(chǎn)生較大的噪音和灰塵，不利于通風(fēng)排煙，對(duì)洞內(nèi)通風(fēng)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(shè)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(dú)開設(shè)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(shè)置在橫通道內(nèi)，皮帶機(jī)通過溝槽穿越Ⅱ線正洞直接插入破碎站底部進(jìn)行接料。

其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)交通運(yùn)輸影響較小，在橫通道空間內(nèi)便于采取降塵、降噪措施，對(duì)通風(fēng)效果也不會(huì)造成大的影響，小空間內(nèi)文明施工容易保證，設(shè)置的橫通道和皮帶機(jī)溝槽對(duì)圍巖擾動(dòng)也不大，土建工程量小，便于圍巖穩(wěn)定控制。缺點(diǎn)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(shè)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(shè)置在斜井延伸與Ⅰ線正洞正交叉位置，皮帶機(jī)需要先通過溝槽穿越Ⅱ線正洞，再通過皮帶機(jī)導(dǎo)坑后到達(dá)Ⅰ線正洞指定位置接料。

其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)交通運(yùn)輸影響很小，可以保證西寧和格爾木2個(gè)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(qiáng)。缺點(diǎn)是土建工作量最大，對(duì)圍巖擾動(dòng)很大，不利于在軟弱圍巖地段施作，降塵、降噪不便，對(duì)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(dān)任務(wù)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(shè)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(jìn)料口，采用工字鋼加工成篦網(wǎng)進(jìn)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(yùn)輸設(shè)備直接運(yùn)出洞外。

3.4.2.4斜井皮帶機(jī)設(shè)置

斜井皮帶機(jī)設(shè)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(jī)通道4部分[9]。

1)斜井井身皮帶機(jī)架設(shè)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(shè)置在Ⅰ線，為了使皮帶機(jī)無折點(diǎn)到達(dá)破碎機(jī)下料口，同時(shí)不影響斜井底部和Ⅱ線正洞的交通運(yùn)輸，對(duì)斜井井身與正洞交叉口前20 m范圍內(nèi)進(jìn)行開槽處理。

3)皮帶機(jī)下穿Ⅱ線時(shí)設(shè)置棧橋，將該段范圍的仰拱加深，邊墻拱腳也相應(yīng)接長(zhǎng)。

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

3.4.2.5 洞外轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備

在7#斜井洞外安裝卸料裝置，將皮帶機(jī)輸出碴石直接卸載到汽車上運(yùn)至碴場(chǎng)。

3.4.3皮帶技術(shù)成果

鉆爆法施工隧道長(zhǎng)大斜井皮帶機(jī)出碴技術(shù)的成功應(yīng)用，不但推動(dòng)了隧道施工出碴運(yùn)輸技術(shù)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(zhǎng)大斜井皮帶機(jī)出碴技術(shù)后，自卸式汽車數(shù)量大大減少，交通運(yùn)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(fēng)能耗；采用斜井皮帶機(jī)出碴運(yùn)輸相對(duì)柴油汽車比較節(jié)能；進(jìn)度優(yōu)勢(shì)明顯，經(jīng)測(cè)算，7#斜井每延米出碴可節(jié)約0.6 h，累計(jì)可節(jié)約5.6個(gè)月。

3.5特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)技術(shù)

關(guān)角隧道有2個(gè)顯著特點(diǎn)： 1)隧道長(zhǎng)，關(guān)角隧道全長(zhǎng)32.69 km，是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的鐵路隧道，也是世界第三長(zhǎng)的山嶺鐵路隧道； 2)海拔高，關(guān)角隧道位于海拔3 300 m以上。世界上只有關(guān)角隧道同時(shí)存在這2個(gè)特點(diǎn)。

3.5.1高海拔地區(qū)有害氣體毒性計(jì)算方法

關(guān)角隧道建于高海拔地區(qū)，低壓、缺氧氣候條件對(duì)人的影響很大。無論是從體積分?jǐn)?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(guó)內(nèi)外各種有害氣體控制標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(shí))[10]

表8　有害氣體容許體積質(zhì)量建議值

表9　鐵路運(yùn)營(yíng)隧道粉塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)建議值

3.5.3關(guān)角隧道逐月自然風(fēng)預(yù)測(cè)計(jì)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(jì)算模型

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

3.5.3.2計(jì)算結(jié)果

統(tǒng)計(jì)2009年5月至2011年3月的氣象資料，進(jìn)一步根據(jù)研究得到的自然風(fēng)理論計(jì)算公式計(jì)算得到關(guān)角隧道逐月自然風(fēng)值，結(jié)果顯示： 關(guān)角隧道2009年5月至2011年3月間，除個(gè)別月份外，大部分月平均自然風(fēng)速在1.5～4 m/s；2010年4—11月間自然風(fēng)向?yàn)槲鲗幎舜迪蚋駹柲径耍溆鄷r(shí)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(guān)角隧道逐天活塞風(fēng)分布情況研究

計(jì)算內(nèi)容主要包括單列列車運(yùn)行時(shí)Ⅰ、Ⅱ線隧道的不同活塞風(fēng)速。在列車活塞風(fēng)計(jì)算時(shí)，10 km及以上的隧道宜采用恒定流理論計(jì)算。按恒定流理論，當(dāng)單列列車通過隧道時(shí)，活塞風(fēng)速可按式(2)計(jì)算

(2)

式中：vm為活塞風(fēng)速度，m/s；vn為自然風(fēng)速，當(dāng)隧道中自然風(fēng)與列車運(yùn)行方向相同時(shí)，取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)；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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)，m；ST為列車斷面周長(zhǎng)，m。

本報(bào)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(yùn)行；Ⅱ線隧道為右線隧道，列車由格爾木往西寧方向運(yùn)行。單列列車運(yùn)行時(shí)，Ⅰ、Ⅱ線隧道的活塞風(fēng)速計(jì)算結(jié)果如圖24所示。

圖24　10月Ⅰ、Ⅱ線隧道的活塞風(fēng)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(guān)角隧道5—10月除個(gè)別天數(shù)外，大部分時(shí)段Ⅰ線隧道的活塞風(fēng)速大于Ⅱ線隧道，月平均活塞風(fēng)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(guān)角隧道正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)模式采用自然通風(fēng)的方案

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

當(dāng)一列列車從隧道內(nèi)通過時(shí)，可從洞外引入長(zhǎng)度lq=vml/vT的新鮮空氣。假設(shè)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(zhǎng)度l的新鮮空氣，此時(shí)有n=l/lq=vT/vm。

通過計(jì)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(yù)測(cè)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(duì)應(yīng)的客車列數(shù)

通過調(diào)研、分析及基于“擠壓”理論的計(jì)算可以得出，在關(guān)角隧道運(yùn)營(yíng)期間，被污染的空氣在經(jīng)過6趟列車的活塞風(fēng)作用后即被排出隧道，即對(duì)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(duì)新鮮的空氣所置換； 因此，關(guān)角隧道的正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)模式采用自然通風(fēng)的方案，維護(hù)期間的通風(fēng)方案則結(jié)合防災(zāi)救援通風(fēng)方案實(shí)行。

3.6特長(zhǎng)隧道防災(zāi)救援、疏散與通風(fēng)技術(shù)

3.6.1隧道火災(zāi)煙氣分布特性

3.6.1.1火災(zāi)煙氣分布特性數(shù)值分析

火災(zāi)的燃燒特性和煙氣分布特性是設(shè)計(jì)和實(shí)施各種火災(zāi)防災(zāi)、減災(zāi)技術(shù)的基礎(chǔ)，如何保證人員安全疏散和盡快滅火，都需要對(duì)特長(zhǎng)隧道內(nèi)的火災(zāi)煙氣特性進(jìn)行研究。圖25和圖26為按非定常流動(dòng)考慮時(shí)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(zāi)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(fēng)且火災(zāi)規(guī)模為15 MW時(shí)[11]，隨著時(shí)間的增加，從360 s 到420 s，在列車頂部上方的空間內(nèi)，火災(zāi)的最高溫度可達(dá)700 ℃以上；溫度超過60 ℃的范圍也逐漸擴(kuò)大。在隧道高度1.5～1.8 m處，縱向溫度高于60 ℃的范圍達(dá)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(fēng)(2.72 m/s)作用下，設(shè)定火災(zāi)規(guī)模為15 MW，煙氣向火源下游擴(kuò)散，致使下游的溫度和煙氣體積質(zhì)量比無自然風(fēng)時(shí)要高； 但有自然風(fēng)時(shí)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(fēng)時(shí)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(kuò)散的煙氣，溫度始終保持在室外的平均溫度；而下游整個(gè)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(dá)到了60 ℃以上，不利于人員疏散。

3.6.1.2火災(zāi)煙氣分布特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了更好地研究關(guān)角隧道火災(zāi)溫度分布及隧道火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律，為防災(zāi)救援設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，在關(guān)角隧道Z1#斜井和隧道洞口附近的泄水洞進(jìn)行了實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)(見圖27和圖28)。

圖27　電偶樹的布置示意圖(單位： m)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要研究結(jié)論如下：

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

2)在高海拔長(zhǎng)大隧道內(nèi)，火災(zāi)時(shí)需要實(shí)施強(qiáng)迫通風(fēng)排煙來穩(wěn)定地控制煙氣流動(dòng)狀態(tài)，而隧道內(nèi)火災(zāi)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(kuò)散。

(a) 300 s

(b) 360 s

3)火災(zāi)初期的煙氣擴(kuò)散速度低于火災(zāi)穩(wěn)定燃燒階段的煙氣擴(kuò)散速度，煙氣充滿隧道所需的時(shí)間與火

源到隧道洞口的距離有關(guān)，火災(zāi)初期是人員疏散救援的關(guān)鍵時(shí)期； 因此，在特長(zhǎng)鐵路隧道發(fā)生火災(zāi)的情況下，應(yīng)該迅速組織旅客成員進(jìn)行疏散，并實(shí)施救援。

3.6.2疏散救援系統(tǒng)

目前世界上已建的長(zhǎng)度超過20 km的山嶺隧道在防災(zāi)(火)救援方面大多采用了設(shè)置緊急救援站進(jìn)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(dá)洞外。關(guān)角隧道利用6#斜井在隧道中部設(shè)置緊急救援站一座[12]。

本著安全可靠、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的原則，對(duì)緊急救援站的形式進(jìn)行了加密疏散橫通道、疏散橫通道+避難所、獨(dú)立的疏散橫通道和避難所以及多功能救援站等多個(gè)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(shè)12條聯(lián)絡(luò)橫通道，間隔50 m，橫通道中間段作為待避區(qū)，當(dāng)一管隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，列車停靠在緊急救援站，旅客下車后即可緊急疏散到橫通道內(nèi)等待救援，也可進(jìn)入另一管隧道的站臺(tái)等待救援。方案見圖29。

3.6.3緊急救援站發(fā)生火災(zāi)的通風(fēng)排煙技術(shù)

3.6.3.1技術(shù)方案

采用射流風(fēng)機(jī)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(fēng)，以保證人員能迎著新鮮風(fēng)進(jìn)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(shè)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(fēng)方案

為了實(shí)現(xiàn)2座隧道共用1條排煙通道，在橫向排煙道設(shè)置防煙電動(dòng)風(fēng)門，當(dāng)Ⅰ線隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，關(guān)閉Ⅱ線隧道橫向排煙道的防煙風(fēng)門，通過6#斜井抽排Ⅰ線隧道的火災(zāi)煙霧； 當(dāng)Ⅱ線隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，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(fēng)量有2個(gè)來源： 1)從開放的橫通道防護(hù)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(hù)門處，由橫通道內(nèi)部向事故隧道站臺(tái)方向的風(fēng)速應(yīng)不小于2 m/s。防護(hù)門的寬度取1.7 m，自由開度為3.4 m2，通過每扇防護(hù)門的空氣量將不小于6.8 m3/s。當(dāng)12個(gè)橫通道的防護(hù)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(huì)擴(kuò)散至兩端的隧道內(nèi)，通常采用“臨界速度”的概念計(jì)算出該風(fēng)速?？瓦\(yùn)列車的設(shè)計(jì)火災(zāi)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(fēng)速為1.6 m/s，隧道內(nèi)的風(fēng)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(jì)為184.6 m3/s，加上約8%的預(yù)留量，排煙量設(shè)為200 m3/s。

3.6.3.3通風(fēng)計(jì)算

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

從能見度和橫通道風(fēng)壓、風(fēng)速等多個(gè)角度進(jìn)行分析，采用射流風(fēng)機(jī)加壓的方案完全能夠滿足火災(zāi)時(shí)的通風(fēng)需求。

圖32　橫通道內(nèi)事故隧道一側(cè)逃生門處的風(fēng)速

4取得的主要成果或技術(shù)創(chuàng)新

4.1形成了高海拔地區(qū)特長(zhǎng)隧道巖溶裂隙水綜合處理技術(shù)

掌握了關(guān)角隧道巖溶裂隙水的特征，提出了隧道工程建設(shè)中堵排水措施的水量選擇標(biāo)準(zhǔn)，形成了巖溶裂隙水環(huán)境下注漿堵水新技術(shù)，創(chuàng)新了高海拔、嚴(yán)寒地區(qū)特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)排水技術(shù)。

1)掌握了關(guān)角隧道巖溶裂隙水的特點(diǎn)、特征，提出了關(guān)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(shè)中堵排水措施的水量選擇標(biāo)準(zhǔn),確定了各種條件下的涌水處理措施及注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3)集成了水泥-水玻璃雙液漿、水泥漿及高分子化學(xué)漿液相結(jié)合的注漿系統(tǒng)技術(shù)。集成了水泥基與高分子化學(xué)漿液相結(jié)合的注漿系統(tǒng)技術(shù)，成功通過了嶺脊長(zhǎng)達(dá)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(dòng)性好、擴(kuò)散范圍大，遇水膨脹固化，凝固時(shí)間短，固化后結(jié)石體不收縮，能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小空隙的入滲，堵水效果好，效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(zhǎng)大斜井泵站抽水量新的計(jì)算方法Q=Q1×0.3+Q2+Q3×0.3+Q4。

5)形成了高海拔、嚴(yán)寒地區(qū)巖溶裂隙水地層特長(zhǎng)隧道綜合運(yùn)營(yíng)排水技術(shù)。采用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)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(shù)、可調(diào)式斜井水均衡分流技術(shù)、單管隧道內(nèi)側(cè)溝水自動(dòng)平衡技術(shù)、水量調(diào)節(jié)防凍技術(shù)和洞外防凍技術(shù)為保障的高海拔嚴(yán)寒地區(qū)巖溶裂隙水地層特長(zhǎng)隧道綜合運(yùn)營(yíng)排水技術(shù)，解決了關(guān)角隧道運(yùn)營(yíng)排水難題。

4.2研發(fā)了長(zhǎng)大斜井中隔板式通風(fēng)技術(shù)，通風(fēng)技術(shù)取得了重大進(jìn)步

在關(guān)角隧道研發(fā)了長(zhǎng)大斜井中隔板式通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)，解決了高海拔隧道長(zhǎng)距離、多工作面施工的通風(fēng)難題，創(chuàng)新了施工組織模式。采用該項(xiàng)新技術(shù)，能明顯簡(jiǎn)化施工組織模式，加快隧道施工，尤其在長(zhǎng)大隧道中效果明顯。關(guān)角隧道采用該項(xiàng)技術(shù)后，調(diào)整了施工組織，節(jié)約先期小導(dǎo)洞10 km，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

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

研發(fā)了高原隧道長(zhǎng)大斜井采用鉆爆法施工的皮帶機(jī)運(yùn)輸出碴系統(tǒng)技術(shù)，解決了內(nèi)燃車輛出碴低效高污的技術(shù)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(shù)組成、皮帶運(yùn)輸機(jī)出碴能力、皮帶機(jī)的安裝及井底固定破碎站等系列關(guān)鍵技術(shù)，形成了長(zhǎng)大斜井皮帶機(jī)出碴系統(tǒng)技術(shù)，在長(zhǎng)大隧道建設(shè)尤其在高海拔地區(qū)采用長(zhǎng)斜井輔助施工隧道時(shí)，推廣應(yīng)用價(jià)值極高。

4.4研發(fā)了以自然通風(fēng)為主、機(jī)械通風(fēng)為輔的高海拔特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)節(jié)能減排新技術(shù)

在采用2座單線隧道方案的長(zhǎng)大隧道中，首次采用了活塞通風(fēng)的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方式，為我國(guó)特長(zhǎng)隧道的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)提供了良好的工程案例和技術(shù)支撐。通過對(duì)火災(zāi)工況下應(yīng)急通風(fēng)方案的綜合考慮，完善了關(guān)角隧道各種工況下通風(fēng)設(shè)備的綜合利用。

綜合比較國(guó)內(nèi)外各種有害氣體控制標(biāo)準(zhǔn)，提出了考慮高海拔條件下運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)有害氣體和粉塵的控制標(biāo)準(zhǔn)，為完善控制運(yùn)營(yíng)隧道有害氣體控制標(biāo)準(zhǔn)提供了依據(jù)。

4.5形成了高海拔特長(zhǎng)隧道防災(zāi)救援設(shè)計(jì)模式和完整的防災(zāi)救援設(shè)計(jì)技術(shù)體系

4.5.1隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣分布特性

4.5.1.1無自然風(fēng)時(shí)的火災(zāi)煙氣分布特性

當(dāng)火災(zāi)規(guī)模為15 MW時(shí)，隨著時(shí)間的增加，從360 s 到420 s，在列車頂部上方的空間內(nèi)，火災(zāi)的最高溫度可達(dá)700 ℃以上；溫度超過60 ℃的范圍也逐漸擴(kuò)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(dá)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(fēng)的情況下，按照最不利條件，應(yīng)該使570～960 m這個(gè)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(zāi)在自然風(fēng)作用下的煙氣分布特性

1)由于縱向自然風(fēng)的存在，煙氣向火源下游擴(kuò)散，致使下游的溫度和煙氣體積質(zhì)量比無自然風(fēng)時(shí)要高。

2)有自然風(fēng)時(shí)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(fēng)時(shí)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(fēng)對(duì)隧道內(nèi)的散熱和排煙是有利的。

3)火源上游沒有擴(kuò)散的煙氣，溫度始終保持在室外的平均溫度；而下游整個(gè)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(dāng)有自然風(fēng)時(shí)，旅客列車中部著火后，應(yīng)盡快撤離自然風(fēng)的下游區(qū)域，以避免人員傷亡。

4)有自然風(fēng)的情況下，當(dāng)按照非定?？紤]時(shí)，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(dá)到了60 ℃以上，不利于人員疏散。

4.5.2集成多項(xiàng)技術(shù)，形成了高海拔特長(zhǎng)隧道的救援站設(shè)計(jì)模式

首次明確了30 km以上特長(zhǎng)隧道緊急救援站的設(shè)計(jì)模式，救援站的關(guān)鍵技術(shù)如下： 1)救援站包括加密的疏散橫通道； 2)12個(gè)單向推啟的1.7 m寬的安全防護(hù)門(雙向推啟為24個(gè))； 3)為加快疏散而進(jìn)行了加強(qiáng)的應(yīng)急照明； 4)在疏散橫通道頂部設(shè)置了電動(dòng)風(fēng)門，解決了逃生防護(hù)門在風(fēng)壓作用下較難開啟的問題，也有效地解決了風(fēng)流引導(dǎo)問題； 5)配套了供風(fēng)排煙系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通信、停車引導(dǎo)和接觸網(wǎng)電分段等技術(shù)設(shè)施。

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

具體如前文所述。

4.5.4形成了高海拔特長(zhǎng)隧道火災(zāi)條件下疏散救援綜合指揮技術(shù)

首次研究應(yīng)用了在運(yùn)營(yíng)調(diào)度中心設(shè)立防災(zāi)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(zāi)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(guān)角隧道設(shè)置了遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，接到報(bào)警后由指揮中心遠(yuǎn)程適時(shí)下達(dá)各項(xiàng)調(diào)度命令，適時(shí)啟動(dòng)隧道內(nèi)的各種設(shè)備(如射流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、電動(dòng)風(fēng)門和應(yīng)急照明等)，為安全疏散提供遠(yuǎn)程協(xié)助和救助，并形成了特長(zhǎng)隧道火災(zāi)條件下人員、車輛和服務(wù)設(shè)備行為準(zhǔn)則，為疏散救援制定了行為模式。

搜索關(guān)角隧道內(nèi)或附近運(yùn)行的列車或運(yùn)營(yíng)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(shù)，形成了高海拔特長(zhǎng)隧道火災(zāi)條件下疏散救援綜合指揮技術(shù)。

4.5.5形成了完整的防災(zāi)救援設(shè)計(jì)技術(shù)體系

通過研究高海拔特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)安全保障體系，研究了從預(yù)防到減災(zāi)、從發(fā)生火災(zāi)到完成人員救援全過程的技術(shù)，并重點(diǎn)研究疏散和通風(fēng)排煙這2項(xiàng)最重要的技術(shù)，從運(yùn)營(yíng)和管理的角度出發(fā)，對(duì)土建、機(jī)械、通信和消防等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)配套研究，形成了以預(yù)防、減輕、疏散和救援為基本技術(shù)路線，以安全疏散和及時(shí)救援為安全目標(biāo)的防災(zāi)救援設(shè)計(jì)技術(shù)體系(見圖33)。

圖33　防災(zāi)救援技術(shù)體系圖

5總結(jié)與展望

5.1特長(zhǎng)隧道修建關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)角隧道的巖溶裂隙水處理、施工通風(fēng)、皮帶機(jī)出碴、運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和成套的防災(zāi)救援等關(guān)鍵技術(shù)，極大地推動(dòng)了我國(guó)隧道技術(shù)的進(jìn)步，為我國(guó)修建30 km以上特長(zhǎng)隧道尤其是高海拔特長(zhǎng)隧道提供了良好的技術(shù)支持和保障。關(guān)角隧道的投入運(yùn)營(yíng)，也為高海拔地區(qū)特長(zhǎng)隧道的運(yùn)營(yíng)維護(hù)和管理提供了參考模式。

2015年8月，建設(shè)者們對(duì)關(guān)角隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)回訪，在正常運(yùn)營(yíng)條件下，隧道內(nèi)空氣清新，幾乎沒有污染，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性和可靠性。運(yùn)營(yíng)單位組織在緊急救援站進(jìn)行了應(yīng)急演練，防災(zāi)救援疏散工程設(shè)施滿足疏散要求，設(shè)備啟動(dòng)正常。

5.2展望

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界經(jīng)濟(jì)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(guó)加強(qiáng)經(jīng)貿(mào)文化交流，如目前有可能修建的中(國(guó))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(gè)方面的問題：

1)穿越喜馬拉雅山脈，首要關(guān)注的問題是如何保護(hù)水資源，應(yīng)修建“人”字坡的隧道，以達(dá)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?zé)岈F(xiàn)象，因此應(yīng)對(duì)地?zé)峒訌?qiáng)勘察。

3)鑒于其海拔較關(guān)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(hù)是在立項(xiàng)初期就應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。

6單位介紹

設(shè)計(jì)單位： 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司。

施工單位： 中鐵十六局集團(tuán)有限公司，中鐵隧道集團(tuán)有限公司。

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

參考文獻(xiàn)(References):

[1]沈軍明.關(guān)角隧道板巖大變形機(jī)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(guān)角隧道大變形處理技術(shù)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(guān)角隧道碳質(zhì)板巖段洞室支護(hù)體系綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].隧道建設(shè), 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(guān)角隧道斜井巖溶裂隙水處理技術(shù)探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，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(guān)角隧道突涌水機(jī)理分析及處治技術(shù)[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(guān)角隧道長(zhǎng)大斜井反坡抽排水技術(shù)[J].隧道建設(shè),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(yīng),樂晟.關(guān)角隧道施工通風(fēng)斜井分隔技術(shù)研究[J].隧道建設(shè),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(yīng),李永生,羅占夫.關(guān)角隧道斜井皮帶機(jī)運(yùn)輸技術(shù)研究[J].隧道建設(shè),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(guān)角隧道皮帶機(jī)出砟系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),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(guān)角隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)防災(zāi)技術(shù)研究[D].成都: 西南交通大學(xué),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(zāi)燃燒特性試驗(yàn)研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),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(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范： TB 10020—2012 [S]. 北京: 中國(guó)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(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)03-0355-18

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

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

收稿日期：2015-04-30； 修回日期： 2015-11-24