西部山区西安至成都客运专线越岭隧道群合理长度布设研究

薛新功

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

1 概述

在2008年国务院批复的《中长期铁路网规划(2008年调整)》中,铁路客运专线建设目标为1.6万km以上[1]。目前我国的高速客运专线铁路掀起了建设高潮。“规划”同时指出：扩大西部路网规模,形成西部铁路网骨架。这就意味着,客运专线不仅在平原和沿海地带建设,也在地质条件复杂的西部山区展开。随着西部山区客运专线铁路的修建,隧道工程所占有的比例也越来越大，复杂越岭跨谷隧道群长度合理布设就成为勘察设计中的难题。

2 我国已运营及在建部分客运专线隧道分布情况

据统计,目前我国运营和在建客运专线隧道总长度已达892 km,其中有长度大于10 km的特长隧道9座,分别是石太客运专线的太行山隧道27.8 km和南梁隧道11.5 km、东凌井隧道10.9 km,合武客运专线的大别山隧道13.3 km和金寨隧道10.8 km、温福客运专线的霞浦隧道13.1 km,武广客运专线的大瑶山一号隧道10.1 km,厦深线的大南山隧道12.7 km,广深港的狮子洋隧道10.9 km[2]。其中狮子洋隧道采用盾构法施工,其他均采用钻爆法施工。而在建项目设计时速350 km的最长隧道尚无超过15 km,并且隧道群多位于缓坡上,长大持续上坡地段短。西成线及在建相关客运专线隧道设置情况统计详见表1。

表1 西成客运专线及在建相关客运专线隧道设置情况统计

注：武广、郑西客运专线速度目标值为350 km/h,其余项目为250 km/h。

3 西成客运专线隧道分布特点及研究重点

西成客运专线铁路行经秦巴山区,因穿越秦岭屏障且沟谷狭窄,受越岭高程及环保等条件约束,穿越秦岭地段(户县—洋县间)形成百余公里的长大密集隧道群；隧道比重高达94%,平均单座隧道长度6.64 km,特长隧道累计6座85.7 km,其中最长隧道为16 km左右。汉中—江油(厚坝)间翻越米仓山地段隧道比重亦达77%,构成中长隧道群,平均单座隧道长度3.28 km。

全线特点是：隧道长、占线路比重大,并且成群密集分布。如此越岭长大持续紧坡密集隧道群,在国内外高速铁路建设中实属罕见。在建设期,给隧道施工、弃砟带来极大的困难。在运营期,增加防灾救援难度。高速列车在隧道运行时,还会产生微压力波和瞬变压力,降低旅客乘车舒适度。同时产生的轮轨噪声、机械噪声、弓网噪声和空气动力学噪声,对自然环境、生态环境和周边的人文环境影响明显。因此,如何结合地质条件、线路标准等综合因素,选择适宜的越岭隧道长度及引线地段合理隧道长度布设方案显得尤为重要。重点研究的问题是：长大隧道群空气动力学效应引起的旅客舒适度的变化、线路越岭最大坡度的选择、环境保护等限制因素对隧道长度的影响；以及施工条件、施工工期、防灾救援等与隧道长度的关系。

4 主越岭隧道长度及引线隧道长度影响因素

4.1 地形、地质条件

秦岭山区北陡南缓,沟谷狭窄,线路克服高程障碍巨大。考虑客运专线最大坡度技术标准条件,线路需以长大足坡(地段长达40余km)隧道群越岭,主隧道以特长隧道通过。米仓山区地形相对较缓,但沟谷狭窄,水系发达,需以中长隧道群引线。

地质方面主要受不良地质、水文地质条件影响隧道长度。

4.2 环保条件

秦岭山脉分布众多国家级、省级自然保护区,以及野生动物保护区。黑河水系为水源地,地表植被发育茂盛。根据环保专题《秦岭山地区域自然生态环境保护与线路宏观走向选择研究》结论,Ⅰ、Ⅱ级生态功能保护区在海拔1 500 m以上,越岭隧道设计高程宜控制在1 500 m以下,并应尽量加长隧道下穿保护区,减少隧道露头对环境的破坏。

4.3 施工条件、工期、投资

从施工条件考虑,特长隧道宜采用人字坡,但会引起隧道长度增加,加长工期,加大投入。隧道位置尽量靠近沟谷,改善辅助坑道设置条件。隧道洞口尽量选择在地形开阔处,便于施工场地布置和弃砟。

4.4 运营条件

从防灾救援条件考虑,隧道长度宜短不宜长,便于在灾害情况下的旅客疏散和救援。从旅客舒适度考虑,相邻隧道间应尽量加大露头长度,避免微气压波频繁变化。

以上因素,对越岭隧道长度和引线地段合理隧道长度布设的影响是相互矛盾的,应做综合技术、经济分析和研究。

5 主越岭隧道长度及引线隧道长度布设原则及成果

5.1 布设原则

(1)根据客运专线平面曲线半径及坡度要求,结合秦岭越岭地段地形及地质条件分析,线路若采用20‰坡度,越岭隧道长度在15～25 km；采用25‰坡度,越岭隧道长度在10～20 km[3]；

(2)考虑线路在秦岭Ⅰ、Ⅱ级生态保护区外通过,即海拔高程低于1 500 m,则主越岭隧道长度选择在15～20 km；

(3)考虑施工条件、工期、投资,则主越岭隧道长度越短施工条件越好、工期越短主越岭隧道工程投资越省；

(4)考虑防灾救援条件隧道长度宜短不宜长；

(5)考虑旅客舒适度因素,尽量减短隧道群单体长度,并且相邻隧道间应尽量加大露头长度,避免微气压波频繁变化。

5.2 布设成果

综合地形、地质、环保条件,考虑隧道施工工期、施工条件、运营条件、工程投资等因素,并针对客运专线线路直、坡度大的特点,确定西成客运专线翻越秦岭山脉主隧道长度应在15～20 km为宜,引线地段不宜超过15 km、以10 km以下隧道群分布为优。翻越米仓山地段,隧道长度在10 km左右及以下为宜。

设计中,采用25‰最大坡度翻越秦岭,主隧道采用16 km左右特长隧道,岭南采用4座10～15 km隧道群。米仓山越岭采用10 km左右及以下隧道群方案。

5.3 防灾救援方式

从防灾救援的角度看,隧道不宜过长,但可利用辅助坑道作为救援通道,并与辅助坑道的疏密及条件有关。通常防灾救援做法如下：

(1)在隧道内设置贯通的双侧救援通道,宽1.5 m、高2.2 m；

(2)长度大于6 km的隧道,设置紧急出口,宽度不小于2.3 m,高度不小于2.5 m,纵向仰角不大于30°。隧道紧急出口外,设置一个提供紧急停车和容纳逃生人员的安全区,并与外界道路连通,设置消防池和消防栓。

(3)隧道内设置必要的监控、防灾预警、灭火、排烟系统；救援通道每隔200 m设置图像、文字标记,指示两个方向分别到下个紧急出口的整百米数,并配灯光显示方向。

6 乘客适应性及舒适度分析

当列车进入隧道时,原来占据着空间的空气被排开。空气的黏性以及隧道壁面与列车表面的摩阻作用,使得被排开的空气不能像隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。于是,列车前方的空气受到压缩,列车后方则形成一定的负压。这就产生了一个压力波动过程。这种压力波动又以声速传播至隧道口,形成反射波,回传、叠加,产生一系列复杂的空气动力学效应。其发生的实态如图1所示。

图1 列车进入隧道引起的压力波动曲线(遂渝铁路实测)

微气压波和影响瞬变压力的因素包括：列车速度,列车长度,列车车形,列车横截面积,列车壁摩擦系数,以及隧道净空面积、隧道长度、隧道壁摩擦系数等。诸因素中列车速度V和阻塞比β是对隧道内及列车上压力波动程度起主导作用的因素,对于隧道长度的影响,压力波动程度并非仅随着隧道长度的增加而加剧。武广客运专线研究表明,对于At=101 m2,V=350 km/h,ICE3(Av=10.4 m2),Lv=400 m的情况不考虑列车在隧道内交会,隧道临界长度为1 490 m；考虑列车在隧道内交会,隧道临界长度为1 380 m[2]。因此,单体隧道长度宜在3～5 km以上。

微气压波和瞬变压力会造成旅客耳朵不适,必须采取加大横断面净空面积、提高车辆密封指数等措施控制车厢内压力的瞬变程度。卫生专家指出,可引起中耳气压伤的最低气压差为8.0 kPa。因此,需要从旅客乘车舒适度出发,对压力波动程度进行评估并提出相关舒适度准则。西成客运专线为山区客运专线,隧道密集,结合国内外高速铁路的科研成果,舒适度准则为双线隧道1.25 kPa/3 s,单线隧道为0.8 kPa/3 s。采取的措施有降低运行速度、提高车辆密封指数、增加隧道净空面积等。基于此,两隧道间露头长度宜大于400 m,不足200 m时,以明洞或封闭露头为好。

对于洞口微气压波问题,通过设置净空断面积大于隧道净空的缓冲结构加以消减,采用断面渐变的喇叭形缓冲结构,开口率为0.3,缓冲结构长度取2倍隧道换算直径,缓冲结构的净空断面积/隧道横断面净空面积=1.3。

7 结语

山区客运专线越岭隧道群长度合理布设在我国是一个崭新的课题,需要专业技术人员和铁路建设者不断的实践和探究。以西成客运专线铁路设计为实例,阐述了山区客运专线越岭隧道群长度的合理布设原则和研究成果,希望对同类工程有所启示和借鉴。同时建议,对武广、郑西、石太、温福等客运专线的隧道运营情况,做进一步的测试和专题研究,以保证山区铁路客运专线长大密集隧道群地段旅客乘车的舒适度。

[1] 铁道部.中长期铁路网规划(2008年调整)[Z]. 北京：2008．

[2] 铁道部工程设计鉴定中心. 高速铁路隧道[M]. 北京：中国铁道出版社，2006．

[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.西安至成都客运专线西安至江油段可行性研究[R].西安：2009.