川藏鐵路易貢特長隧道設(shè)計方案研究

陳敬軍，李國良，陳紹華，許 宇，朵生君

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043；2.特殊復(fù)雜環(huán)境下長大隧道建造技術(shù)鐵路行業(yè)工程研究中心，西安 710043)

1 概述

易貢隧道位于西藏自治區(qū)林芝市境內(nèi)，長42.362 km，為川藏鐵路第一長隧。隧道整體上沿G318國道北側(cè)傍山引線，線位距離國道最遠處約2.4 km。隧道設(shè)計為2座單線隧道，進口段線間距約21 m，洞身段線間距40 m，出口段線間距為9.8 m，人字坡，設(shè)計速度200 km/h。

隧道走行于青藏高原東南部的高山峽谷區(qū)，地形起伏大、山體陡峭、溝谷深切，高山山頂海拔超過5 000 m，常年積雪覆蓋，隧道軌面高程2 400～2 750 m，最大埋深約1 506 m。隧道鄰近G318國道，兩端洞口和輔助坑道口均可修便道接通國道，交通較便利。

本隧道特殊的地理位置、復(fù)雜的地質(zhì)條件和巨大的工程規(guī)模，決定了線路方案、分合修和總體施工方案等重大設(shè)計方案，以及機械化施工、防災(zāi)救援等關(guān)鍵技術(shù)問題將是方案研究的重難點。本文從工程建設(shè)期和運營期等多方面進行了技術(shù)經(jīng)濟比較，確定了合理的設(shè)計方案。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

2.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

隧址區(qū)總體位于喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)北部，青藏高原的中東部。一級構(gòu)造單元屬岡底斯-念青唐古拉地塊(岡底斯—喜馬拉雅造山系)，二級構(gòu)造單元屬拉達克—岡底斯—察隅弧盆系，三級構(gòu)造單元屬獅泉河—申扎—嘉黎蛇綠混雜巖帶(Ⅲ1-3)。它是印度洋板塊向歐亞板塊俯沖、楔入的最前緣，橫跨岡底斯—拉薩地塊、雅魯藏布縫合帶和喜馬拉雅地塊三大地質(zhì)單元[1-2]。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造見圖1。

圖1 易貢隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造示意

隧址區(qū)是現(xiàn)今地球上構(gòu)造活動最強烈、地貌演化最快的地區(qū)之一，3Ma以來，南迦巴瓦峰地區(qū)的巖石隆升速率達3.4～6.9 mm/a。印度板塊與歐亞板塊的碰撞開始了青藏高原的形成與演化，伴隨著青藏高原的演化，雅魯藏布江下游地區(qū)形成了一系列的大型區(qū)域性活動斷裂帶，主要包括：雅魯藏布江斷裂帶、嘉黎—易貢斷裂帶、扎木一馬尼翁斷裂帶、米林斷裂帶等，該些斷裂帶不僅控制了雅魯藏布、易貢藏布、帕隆藏布等河流的走向，同時也影響了測區(qū)不良地質(zhì)的發(fā)育和分布[3-4]。易貢隧道附近主要斷裂分布見圖2。

圖2 易貢隧道附近斷裂位置分布

2.2 新構(gòu)造運動與地震

隧址區(qū)新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為地殼強烈隆升、地震多發(fā)、河流侵蝕作用強烈。特殊的第四紀地質(zhì)環(huán)境，使之成為崩塌、滑坡、泥石流多發(fā)區(qū)。強震階段性發(fā)生，誘發(fā)大量的地質(zhì)災(zāi)害，甚至形成災(zāi)害鏈。另外，隨著出現(xiàn)全球氣候變暖，冰川后退，冰雪融水増加，西藏雨水逐年增多，這些外動力地質(zhì)作用也加劇了區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[5-7]。

根據(jù)專題研究分析，對本段鐵路工程建設(shè)影響較大的泥石流溝共發(fā)育有292條，其中，冰川和冰水混合型泥石流229條，暴雨型泥石流63條[8-9]。從全區(qū)段范圍看，中度及以上危險等級的泥石流溝占80%，這些泥石流危險度高，對鐵路工程建設(shè)影響較大。隧道沿線泥石流風(fēng)險性評估結(jié)果見圖3。

圖3 易貢隧道沿線泥石流危險性分布示意

根據(jù)中國區(qū)域地震帶劃分方案，隧址區(qū)主要涉及喜馬拉雅山地震帶和藏中地震帶，是中國大陸地震活動強烈地區(qū)之一，歷史地震非常頻繁，具有地震活動強度大、頻度高的特點。隧道區(qū)域破壞性地震統(tǒng)計結(jié)果見圖4。

圖4 區(qū)域歷史破壞性地震震中分布(M≥4.7，至2019年)

3 線路方案選擇

本段線路方案研究重點從工程可靠性、可實施性出發(fā)考慮規(guī)避雅魯藏布縫合帶的構(gòu)造影響，同時兼顧環(huán)保和經(jīng)濟性等因素[10-11]，按照繞避或大角度通過構(gòu)造斷裂，研究了帕隆藏布北岸方案(紅線)、兩跨帕隆藏布繞避縫合帶取直方案(粉線)、兩跨縫合帶大取直方案(藍線)、兩跨縫合帶小取直方案(綠線)4個方案，各方案布置見圖5。

圖5 波密至魯朗段4個走向方案示意

帕隆藏布北岸方案主要走行于縫合帶外側(cè)，位于岡底斯巖漿弧，圍巖以花崗巖等硬質(zhì)巖為主，隧道埋深淺，巖爆、地?zé)岬葐栴}較小，橋梁工程、車站工程等設(shè)置條件較好，線路對環(huán)境敏感點影響小，推薦采用。

本段線路沿線山體和溝谷易發(fā)滑坡和泥石流災(zāi)害，除茶隆隆巴曲(以下簡稱茶曲)具備線路露頭條件，其余溝谷均不能露頭，對應(yīng)段落也不適宜設(shè)置明線。茶曲是一條高頻易發(fā)泥石流溝(百年一遇的泥石流最大影響高度為26.45 m)，距離通麥車站約12 km，為了確定線路的合理穿越形式，研究了上跨茶曲方案(易貢隧道長42.4 km)及下穿茶曲方案(易貢隧道長54.8 km)，兩個線位方案示意見圖6。

圖6 波密至通麥線路方案示意

兩個方案的綜合對比情況見表1。下穿茶曲方案雖然避免了茶曲露頭泥石流風(fēng)險，但隧道埋深增大(最大埋深增加131 m)，巖爆風(fēng)險增加(預(yù)測巖爆增加0.98 km)，輔助坑道增長1.45 km，工期增加2.1月，工程投資增加4.45億元。此外，下穿茶曲方案易貢隧道長度大幅增加，隧道養(yǎng)護、通風(fēng)及防災(zāi)救援難度增大。綜上，考慮到本隧道超長且地處高原、地質(zhì)條件復(fù)雜，為了有效控制隧道建設(shè)、運營期風(fēng)險，推薦上跨茶曲方案。

表1 波密至通麥線路方案綜合評價

4 工程及水文地質(zhì)條件

隧道洞身主要位于片麻巖、片麻巖夾大理巖和花崗巖等硬巖地層，隧道進出口斜坡地表分布有坡積及坡洪積地層，主要地層巖性分布如表2所示，代表性巖層的巖芯照片見圖7。隧道圍巖以Ⅲ級圍巖為主，其中Ⅱ級占1.06%，Ⅲ級占69.63%，Ⅳ級占25.22%，Ⅴ級占4.09%。

表2 易貢隧道洞身主要地層巖性分布

圖7 隧道典型地層鉆孔巖芯

隧道實測最大水平主應(yīng)力值為36.16 MPa(936 m深處)，預(yù)測最大水平主應(yīng)力值為48.91 MPa，隧道軸線方向與最大水平主應(yīng)力方向呈小角度相交至近于平行；預(yù)測中等巖爆段長度約2.8 km，強烈?guī)r爆段長度約0.4 km。

F48嘉黎—帕隆藏布斷裂長距離伴行于易貢隧道，洞身位于該斷裂北側(cè)，并行段最新破裂面與線路最小距離為710 m(出口端附近)，與斷層影響帶最小距離為165 m。該斷裂是一條區(qū)域性長大斷裂，為全新世活動斷裂。在線路附近沿帕隆藏布河谷展布，斷層破碎帶寬度可達400～900 m，最新一次活動在距今2 000～3 000年之前。斷層走向北西，北東傾向為主，表現(xiàn)為右旋走滑，兼有逆沖分量，走滑速率2～3 mm/a。發(fā)生大地震，此斷裂可能發(fā)生錯斷，極端情況下最大位錯量可達到5～6 m。

隧道大角度穿越9條斷裂及支斷裂，總長1 230 m，斷層帶主要為碎裂巖，9條斷層的主要特性和與線路關(guān)系如表3所示。

表3 易貢隧道穿越斷層特性與線路關(guān)系

本隧道深孔實測洞身溫度33.46 ℃，預(yù)測熱害輕微段落(28 ℃

易貢隧道整體屬于雅魯藏布江水系，洞身經(jīng)過各溝水量較大，枯季流量為11 440～211 764 m3/d，均匯入帕隆藏布，均為雅魯藏布江三級水系，地表水系分布見圖8。隧道地下水分為基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水兩種類型，以弱-中等富水為主，局部下穿地表溝谷和斷層帶等區(qū)段強富水(長度約占隧道總長的5%)，預(yù)測全隧道最大涌水量178 276 m3/d。

圖8 易貢隧道地表水系分布示意

據(jù)勘察揭示，本隧道還存在花崗巖、閃長巖、片麻巖的蝕變帶，二氧化碳等有害氣體，以及洞口的危巖落石等不良地質(zhì)問題。

5 隧道設(shè)計方案研究

5.1 隧道分合修方案選擇

根據(jù)國內(nèi)外調(diào)研情況[12-16]，結(jié)合川藏鐵路所經(jīng)區(qū)域自然環(huán)境特征及隧道工程特點，經(jīng)分析影響川藏鐵路隧道分合修的主要因素有：運營安全、養(yǎng)護維修及運營保通性、建設(shè)安全、工期風(fēng)險、接線條件、工程投資、環(huán)境保護等多個方面。本隧道開展了“合修”、“合修+貫通平導(dǎo)”和“分修”方案的比選研究，各方案的平面示意見圖9，主要方案比較見表4。

表4 易貢隧道分合修方案比較

圖9 分合修方案平面示意(單位：m)

綜上所述，在建設(shè)安全、運營安全和建設(shè)工期等方面，分合修方案均能滿足要求；分合修方案的主要差異在于合修方案工期更短、投資較低，分修方案更有利于運營期的疏散救援和提高運營保通性。本隧道輔助坑道條件較好，工期風(fēng)險相對較低，無需設(shè)置貫通平導(dǎo)。

考慮本隧道長度42.4 km，統(tǒng)籌考慮工程建設(shè)和未來運營，貫徹“以人為本、生命至上”的理念，推薦采用分修方案。

5.2 總體施工方案選擇

5.2.1 TBM適應(yīng)性分析

本隧道以硬質(zhì)巖為主，大部分段落完整性較好，Ⅱ級、Ⅲ級圍巖總長約29.9 km，占隧道總長的70.7%。根據(jù)取樣試驗，片麻巖平均單軸飽和抗壓強度88.52 MPa，耐磨性CAI平均值3.46(整體為高)[17-18]，鑿碎比功平均值為116.24 kg·m/cm3；花崗閃長巖平均單軸飽和抗壓強度95.11 MPa，耐磨性CAI平均值4.16(整體為很高)，鑿碎比功平均值為113.98 kg·m/cm3。

根據(jù)隧道地質(zhì)縱斷面和巖石試驗成果分析，本隧道的TBM適應(yīng)性分析如下。

(1)本隧道以Ⅱ、Ⅲ級圍巖為主，圍巖條件較好、巖石參數(shù)較適合TBM掘進，且預(yù)測洞身除斷層帶以外主要為基巖裂隙水弱富水區(qū)，總體上適宜TBM施工。

(2)洞身Ⅴ級圍巖主要為隧道進出口和9條斷層范圍，Ⅳ級圍巖主要為巖性接觸帶、斷層影響帶、節(jié)理密集帶等段落，上述段落巖體較破碎、完整性較差；預(yù)測涌水量大，存在突涌水或集中涌水的風(fēng)險，TBM施工難度大、風(fēng)險高，TBM適應(yīng)性較差。如采用TBM法施工，宜采用鉆爆法提前施工。

(3)本隧道洞身段大部分段落適應(yīng)TBM施工，其中進口段(約20.9 km)主要為片麻巖地層，分布有2條斷層(總長150 m)、4段節(jié)理密集帶，巖性單一、不良地質(zhì)問題較少，TBM適應(yīng)性較好；隧道出口段(約15.5 km)分布有7條斷層(總長1 080 m)，10段節(jié)理密集帶和多處巖性接觸帶，局部有蝕變巖分布，TBM適應(yīng)性較差。

因此，本隧道TBM施工方案重點針對進口段采用TBM法進行研究。

5.2.2 施工方案比選

根據(jù)地形、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、輔助坑道設(shè)置等條件，結(jié)合鐵路總體建設(shè)方案，本隧道開展了“全鉆爆法”和“鉆爆法+進口段TBM法”兩種方案的比選研究，主要比較內(nèi)容見表5。

表5 易貢隧道總體施工方案比較

綜上所述，易貢隧道采用TBM施工，可以提高隧道施工機械化水平和效率、降低高原施工工人的勞動強度、改善施工作業(yè)環(huán)境、適當減少對G318國道的影響，但是在施工通風(fēng)和施工風(fēng)險等方面并無明顯優(yōu)勢，雖可縮短工期但相比99個月的允許工期富余較多，同時存在棄渣量增加、工程投資高等缺點，推薦全鉆爆法方案。

推薦方案的隧道總體施工方案見圖10。

圖10 易貢隧道總體施工方案示意(單位：m)

5.3 機械化、信息化施工

5.3.1 機械化配套設(shè)計

以“分級配置、少人化、保證施工質(zhì)量和安全必配、減輕勞動強度和有利提高功效、有利平行作業(yè)”為配套原則[19-20]，全隧道采用大型機械化配套，正洞和輔助坑道的機械配套見表6。

表6 易貢隧道機械化配套設(shè)備

5.3.2 信息化施工

隧道施工全面推廣信息化，主要應(yīng)用在以下幾方面：(1)施工現(xiàn)場關(guān)鍵工序視頻監(jiān)控系統(tǒng)；(2)施工人員進洞管理系統(tǒng)；(3)隧道圍巖監(jiān)控量測信息系統(tǒng)；(4)超前地質(zhì)預(yù)報信息化系統(tǒng)。

通過圖像、數(shù)據(jù)遠程傳輸，獲得最及時、最直觀的現(xiàn)場信息，將監(jiān)控量測和地質(zhì)預(yù)報成果在現(xiàn)場和后方之間實時共享，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、調(diào)度、指導(dǎo)設(shè)計與施工，提高施工效率，確保施工質(zhì)量和安全，為智能化建造奠定基礎(chǔ)。

5.4 防災(zāi)救援設(shè)計

(1)防災(zāi)救援總體原則

本隧道防災(zāi)救援遵循“以人為本、安全疏散、自救為主、方便救援”的原則[21-23]，對于旅客列車火災(zāi)工況，采用緊急救援站定點疏散模式為主。

(2)隧道緊急救援站間距按不大于20 km控制。

(3)易貢隧道與通麥隧道組成隧道群(兩隧之間明線段182 m)長54.867 km，采用兩座救援站方案，緊急救援站長度按550 m設(shè)計。救援站布置方案如圖11所示。

圖11 易貢隧道救援站布置(單位：m)

(4)為滿足運營期間通風(fēng)和火災(zāi)期間排煙需要，左右線隧道內(nèi)各設(shè)置8組48臺射流風(fēng)機，2號橫洞和5號橫洞作為防災(zāi)排煙風(fēng)井，分別在洞內(nèi)設(shè)置軸流風(fēng)機2臺；每座救援站間隔50 m設(shè)12個疏散橫通道；設(shè)置5處排煙豎井，間隔100 m，排煙豎井通過橫、縱向排煙通道與橫洞相連，利用橫洞作為火災(zāi)期間排煙通道，將隧道內(nèi)煙霧排入大氣中，新鮮風(fēng)則由安全隧道提供。救援站的排煙系統(tǒng)如圖12所示。

圖12 易貢隧道排煙系統(tǒng)平面示意

6 結(jié)語

本文重點研究了線路方案選擇、隧道分合修和總體施工方案選擇等重大設(shè)計方案，并對機械化和信息化施工、防災(zāi)救援等關(guān)鍵技術(shù)問題進行系統(tǒng)論述，采用綜合比選法，提出了高原特長隧道設(shè)計方案。主要結(jié)論如下。

(1)隧道所處區(qū)域內(nèi)外動力地質(zhì)作用強烈，地質(zhì)構(gòu)造和地表災(zāi)害發(fā)育，考慮規(guī)避雅魯藏布縫合帶的構(gòu)造影響，同時兼顧環(huán)保和經(jīng)濟性等因素，選擇工程設(shè)置條件較好、可靠性和實施性較高、對環(huán)境敏感點影響小的帕隆藏布北岸方案。由于沿線山體和溝谷易發(fā)滑坡和泥石流災(zāi)害，除茶曲以外溝谷均不宜露頭；同時考慮到地處高原、地質(zhì)條件復(fù)雜，為了有效控制隧道建設(shè)、運營期風(fēng)險，推薦上跨茶曲42.4 km長隧道方案。

(2)本隧道長度42.4 km，分合修方案均能滿足建設(shè)期和運營期各方面要求，合修方案工期更短、投資較低，分修方案更有利于運營期的疏散救援和提高運營保通性，統(tǒng)籌考慮工程建設(shè)和未來運營，推薦采用分修方案。

(3)本隧道沿G318國道敷設(shè)，輔助坑道條件較好，進口段地質(zhì)條件較適宜TBM施工，雖然采用TBM施工可以提高施工機械化水平、降低勞動強度、改善施工環(huán)境、減少對G318國道的交通影響，但因投資高、隧道工期較富余等因素，推薦采用全鉆爆法的總體施工方案。

(4)以“分級配置、少人化、保證施工質(zhì)量和安全必配、減輕勞動強度和有利提高功效、有利平行作業(yè)”為配套原則，全隧道采用大型機械化配套，并全面推廣信息化施工。

(5)按照“以人為本、安全疏散、自救為主、方便救援”的原則，設(shè)計2座緊急救援站，建立完善的疏散設(shè)施及救援系統(tǒng)。