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青藏鐵路新關(guān)角隧道

1 工程意義

青藏鐵路西寧—格爾木段修建于1950—1970年，是青海、西藏兩省區(qū)與內(nèi)地進行人員、物資交流的主要運輸通道和經(jīng)濟聯(lián)系的紐帶，受修建技術(shù)水平及綜合國力等限制，既有鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、運營條件差，且既有關(guān)角隧道(4 010 m)病害頻繁產(chǎn)生，養(yǎng)護維修工作量巨大，投入費用較高。

隨著21世紀(jì)中國加快推進西部大開發(fā)戰(zhàn)略，西寧—格爾木段的運輸能力已不能適應(yīng)區(qū)域社會、經(jīng)濟發(fā)展的需要，故增建二線勢在必行。新關(guān)角隧道是該項目的控制性工程，是中國最長的鐵路隧道，也是海拔3 000 m以上世界第一長隧，建設(shè)難度極大。

新關(guān)角隧道的建成，使天棚車站到察汗諾車站區(qū)間縮短線路長度36.82 km，運行時間由原來的2 h縮短為20 min，使列車的運行能力由22對提升為180對，為在青藏高原再次修建長隧道提供了成功的參考案例，也為穿越喜馬拉雅山脈，實現(xiàn)國家“一帶一路”戰(zhàn)略，與南亞國家共同發(fā)展提供了技術(shù)與運能儲備。

2 工程概況

2.1 線路概況

新建關(guān)角隧道是青藏鐵路西寧—格爾木段增建第二線的控制工程，位于青海省天峻縣和烏蘭縣，全長32.690 km，進口高程為3 380.26 m，出口高程為3 324.05 m。

隧道設(shè)計為2座平行的單線隧道，線間距40 m，均位于直線段(見圖1)。隧道進口段為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)計旅客列車行車速度目標(biāo)值為160 km/h，采用雙塊式無砟軌道。

圖1 線路平面示意圖

2.2 氣候及地質(zhì)概況

隧道平均海拔3 400 m，區(qū)域內(nèi)年平均氣溫-0.5 ℃,極端最低氣溫-35.8 ℃。隧道區(qū)巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖同時出現(xiàn)，巖性變化頻繁。位于新構(gòu)造活動強烈的青藏高原東北緣，區(qū)內(nèi)斷裂及褶皺發(fā)育，由f3、f17、f20、f22、f23、f25斷層組成的二郎洞斷層束長達3 000 m，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，灰?guī)r地層巖溶裂隙水發(fā)育，隧道洞口段還穿越550 m細砂地層(見圖2)。

3 工程難點及施工方案

3.1 工程難點

新關(guān)角隧道建設(shè)面臨一系列的技術(shù)難題。

1)自然環(huán)境極其惡劣。隧道位于青藏高原，高寒缺氧，最大埋深900 m，施工通風(fēng)距離達5 000 m，洞內(nèi)氧氣含量低，僅為平原地區(qū)的60%，嚴(yán)重影響作業(yè)人員身體健康和機械設(shè)備效率，施工環(huán)境保障面臨極大挑戰(zhàn)。

2)地質(zhì)條件極其復(fù)雜。隧道通過3條區(qū)域性寬大斷裂帶，受到極高地應(yīng)力作用，變形控制難度大，穿越長10 km的高壓富水灰?guī)r地層，風(fēng)險極高。

3)高海拔特長隧道的運營通風(fēng)、防災(zāi)救援及旅客疏散等運營安全技術(shù)均無成熟的經(jīng)驗可借鑒。

圖2 隧道地質(zhì)縱斷面圖

3.2 施工方案

新關(guān)角隧道洞口及斜井口海拔3 300～3 800 m，在構(gòu)造帶附近會發(fā)生大變形，在河溝附近存在高壓涌水風(fēng)險。采用TBM方案存在技術(shù)和工期風(fēng)險，綜合考慮TBM施工不能利用隧道棄碴作為混凝土骨料、TBM設(shè)備制造時間等問題，最終選擇鉆爆法施工方案。

4 工程關(guān)鍵技術(shù)

4.1 復(fù)雜地質(zhì)問題處理技術(shù)

新關(guān)角隧道位于新構(gòu)造活動強烈的青藏高原東北緣,建設(shè)過程中多個區(qū)段發(fā)生了大變形(見圖3)。采取的技術(shù)措施如下： 1)調(diào)整隧道開挖輪廓邊墻曲率，使結(jié)構(gòu)趨于圓形，改善受力狀況； 2)加強初期支護的鋼架、噴混凝土厚度及錨桿長度； 3)加大預(yù)留變形量，允許適度變形； 4)針對水平應(yīng)力大、水平收斂變形大的特征，采用不等厚結(jié)構(gòu)控制隧道變形，僅加厚隧道邊墻，針對性地加強抵抗水平荷載的能力。

(a) 現(xiàn)場變形照片 (b) 變形段隧道斷面

圖3 隧道變形(單位： cm)

4.2 涌水處理技術(shù)

新關(guān)角隧道在穿越河溝時，發(fā)生了高壓涌水(見圖4)。施工中除采用多級泵站進行排水外，還實施了超前預(yù)注漿堵水。在線狀涌水發(fā)育的段落，開挖后采用高分子化學(xué)材料實施了徑向注漿堵水(見圖5)。

圖4 高壓涌水 圖5 帷幕注漿

4.3 施工通風(fēng)與健康保障技術(shù)

為克服高海拔缺氧環(huán)境造成的施工效率下降和職業(yè)健康保障問題，主要采取了如下技術(shù)措施：

1)采用多工作面同時施工，克服單個工作面進度緩慢的問題。

2)采用斜井隔板通風(fēng)技術(shù)(見圖6)，為多個工作面同時供風(fēng)。采用可重復(fù)利用的材料，拼裝成隔板對斜井進行分隔，利用斜井頂部空間作為供風(fēng)道并安裝射流風(fēng)機，在斜井井底設(shè)置風(fēng)倉，通過軸流風(fēng)機接力向4個工作面供風(fēng)。這種方法不但能保障隧道施工必要的新鮮空氣供應(yīng)，解決長距離送風(fēng)的問題，而且供風(fēng)量大，解決了多個工作面同時施工的通風(fēng)需求，使高海拔條件下獨頭通風(fēng)長度達到5 000 m，為鉆爆法施工特長隧道提供新的通風(fēng)和施工模式。

3)在工作面附近為作業(yè)人員提供氧氣袋進行補氧，在隧道口和斜井口建立高壓氧倉(見圖7)，保證職業(yè)健康。

圖6 施工供風(fēng)方案圖7 高壓氧倉

4.4 鉆爆法斜井皮帶出碴技術(shù)

在長大斜井內(nèi)設(shè)置皮帶運輸機出碴系統(tǒng)(見圖8)，在中國首次將皮帶運輸系統(tǒng)成功應(yīng)用于鉆爆法施工的隧道，極大地減少了重載出碴車輛爬坡排放的重污染尾氣，保障了工作人員的職業(yè)健康，提高了出碴速度和綜合掘進效率。

(a) 井口皮帶機 (b) 井底皮帶機

圖8 皮帶運輸機出碴系統(tǒng)

4.5 防凍害技術(shù)

在高海拔嚴(yán)寒地區(qū)，隧道洞口段一旦出現(xiàn)滲漏水，隧道襯砌上將會結(jié)冰，在最冷的月份，水溝內(nèi)也會發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，這些凍害將嚴(yán)重影響行車安全。為防止隧道洞口段發(fā)生病害，主要采取了如下技術(shù)措施：

1)嚴(yán)格控制防水板的鋪設(shè)質(zhì)量，提高混凝土的抗?jié)B等級，防止隧道發(fā)生滲漏水。

2)在隧道洞口段設(shè)置防寒泄水洞(見圖9)，大量的隧道水通過泄水洞排泄至洞口附近的河溝。

3)洞口段4 km范圍內(nèi)隧道側(cè)溝設(shè)置保溫材料(見圖10)，減少熱交換。

圖9 防寒泄水洞 圖10 保溫水溝

4)洞口段2 km范圍內(nèi)隧道側(cè)溝采用電加熱技術(shù)，在最冷月份對側(cè)溝直接進行加熱，防止隧道水溝結(jié)冰。

4.6 運營通風(fēng)技術(shù)

首次在高海拔隧道內(nèi)利用列車活塞風(fēng)進行通風(fēng)換氣，很好地解決了運營通風(fēng)問題。

在電氣化鐵路隧道中，列車運行產(chǎn)生的污染相對較少。按照“擠壓”理論，列車在經(jīng)過5.3～5.5次后，列車活塞風(fēng)即可將新關(guān)角隧道內(nèi)的空氣置換1次。實際上，僅運營的客車即可使隧道內(nèi)的空氣每天置換2.4次。實際運營情況表明，隧道內(nèi)空氣控制質(zhì)量良好。這種自然換氣的方法節(jié)約了大量的風(fēng)機和供電設(shè)備的運營和維護費用，實現(xiàn)了低碳運營。

4.7 防災(zāi)疏散救援技術(shù)

首次在高海拔隧道內(nèi)設(shè)置緊急救援站(見圖11)，為在高海拔隧道設(shè)置防災(zāi)疏散救援系統(tǒng)提供了中國模式。

圖11 緊急救援站

結(jié)合中國經(jīng)濟發(fā)展水平和鐵路運營管理特點，按照保證人員疏散安全、自救為主的思路以及2管隧道的運營系統(tǒng)和通風(fēng)排煙系統(tǒng)相互獨立的原則設(shè)置緊急救援站。在緊急救援站，2管隧道通過加密的疏散橫通道(間距50 m)連接，以滿足災(zāi)害條件下的疏散要求；2管隧道采用相互獨立的供風(fēng)排煙系統(tǒng)，即隧道口附近設(shè)置射流風(fēng)機，向隧道內(nèi)加壓，通過疏散橫通道向火災(zāi)的隧道供風(fēng)，滿足疏散中人員迎著新鮮風(fēng)逃逸的需求，通過均勻設(shè)置的豎井，及時從隧道頂部排煙；2管隧道為完全獨立的運營系統(tǒng)，在區(qū)間內(nèi)不設(shè)置聯(lián)絡(luò)2隧道的渡線。

4.8 環(huán)境保護措施

工程建設(shè)中高度重視環(huán)境保護，未對所在區(qū)域環(huán)境造成影響。主要采取如下措施：

1)選擇從底部穿越青海南山的隧道方案，縮短線路長度明顯，從選線開始就最大限度地減少對環(huán)境的破壞。

2)在隧道口設(shè)置污水處理系統(tǒng)，保證排放的施工污水達標(biāo)，最終排入布哈河，施工排水未對國家二級保護動物青海湟魚產(chǎn)生影響，湟魚的數(shù)量也在穩(wěn)步回升。

3)為了解隧道修建對環(huán)境的影響，在隧道區(qū)域設(shè)置氣象站，進行水文環(huán)境和氣候長期監(jiān)測。實踐證明，新關(guān)角隧道的修建未對當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境造成影響，未發(fā)現(xiàn)植被出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，也未改變區(qū)域內(nèi)青海湖匯水逐年增長、湖面逐年升高的趨勢。

4)在棄碴場設(shè)置必要的擋護及排水工程，對碴頂和坡面進行綠化，竣工后對施工場地、營地、施工便道進行環(huán)境恢復(fù)工作，使竣工后基本恢復(fù)了原地貌。施工過程中對所有的占地均進行高原草皮的臨時堆放保存，施工完成后直接用于棄碴場綠化和臨時用地的環(huán)境恢復(fù)，從而避免因綠化需要而新增大量取土場的情況。

5 主要技術(shù)創(chuàng)新

關(guān)角隧道建設(shè)中創(chuàng)新了隧道施工通風(fēng)技術(shù)、出碴運輸模式、防凍害技術(shù)、運營通風(fēng)和防災(zāi)疏散救援技術(shù)，推動了特長隧道技術(shù)的進步。

6 工期及獲得榮譽

6.1 工期

工程于2007年11月開工，2014年12月通車運營。

6.2 獲得榮譽

獲國際隧道及地下工程協(xié)會(ITA)2016年度重大工程獎。

7 工程參建單位

設(shè)計單位： 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司。

施工單位： 中鐵隧道集團有限公司承擔(dān)關(guān)角隧道出口標(biāo)段的施工任務(wù)，中鐵十六局集團有限公司承擔(dān)關(guān)角隧道進口標(biāo)段的施工任務(wù)。

8 供稿人

中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司： 陳紹華；

中鐵隧道集團有限公司： 李志平；

中鐵十六局集團有限公司： 馬棟。