当金山特长隧道设计方案研究

路仕洋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

当金山特长隧道设计方案研究

路仕洋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

在高原、高寒地区修建单线单洞特长隧道，面临隧道勘察选线、施工方法选择、长距离通风、深竖井施工、生态脆弱区环境保护以及低氧环境下施工等一系列世界性技术难题。结合敦煌至格尔木铁路当金山特长隧道的设计全过程，对特长隧道的勘察设计进行全方位介绍。针对当金山特长隧道“三高(高海拔、高地应力、高地震烈度)”、“两低(气温低、气压低)”的地域特点，以及“三长(单面坡长、独头通风距离长、反坡排水距离长)”、“两多(断层破碎带多、不良地质多)”、 “两大(埋深大、水量大)”等工程特点，对“钻爆法、TBM法、钻爆法+TBM法”3种施工方案进行系统的经济技术比选，最终确定大型机械配套的钻爆法施工方案。最后对单线铁路特长隧道的设计与施工提出了一些建议:1)特长隧道选线时重视物探技术；2)处理好勘察与设计的关系；3)高海拔特长隧道应加大机械化施工；4)特长隧道应充分发挥平行导坑的作用；5)重视环境设计。

当金山特长隧道；单线隧道；高原地区；高寒地区；TBM法；钻爆法；机械化配套作业；深竖井

0 引言

近年来，随着铁路建设的发展及隧道修建技术的提高，越来越多的铁路项目选择特长隧道来降低穿越山岭的工程形式，长度超过20 km的特长隧道数量迅速增加。截至目前建成和在建的铁路隧道中超过20 km的主要有：乌鞘岭隧道[1]、关角隧道[2]、西秦岭隧道[3]、平安隧道、太行山隧道、云屯堡隧道、中天山隧道、青云山隧道、南吕梁山隧道、吕梁山隧道及跃龙门隧道等。这些隧道基本是以新建双线为标准一次建成的2条单线隧道。与一般山岭隧道相比，长度超过20 km的特长隧道基本具有埋深大、地质条件复杂、围岩岩性复杂、施工工期长、环境敏感及建设风险高等难题。而长度超过20 km当金山特长隧道具备以上难题，但由于所处地区条件特殊，且以新建单线铁路为标准，使得该特长隧道具有一系列工程特点。因此，本文通过对当金山特长隧道勘察设计全过程研究进行全方位介绍。

1 隧道概况

当金山隧道位于甘肃省阿克塞县境内，北侧为阿克塞盆地，南侧为柴达木盆地。线路在长草沟以20.14 km的隧道穿越祁连山与阿尔金山结合部位的当金山中高山区(隧道高程2 860～3 110 m)。除进口段470 m为双线车站隧道外，其余洞身为单线隧道(轨面以上面积34.54 m2)。全隧道除出口段224.18 m外其余均位于直线上，隧道为12.3‰的单面上坡。线路技术标准为预留二线条件，设计时速120 km/h。

1.1 自然环境

当金山隧道位于中国西部甘肃省境内，阳关以西的无人区。隧道穿越山体厚度为25～35 km的祁连山—阿尔金山山脉，隧道通过区山体海拔高程在2 600～4 000 m。隧道区属高寒半干旱气候区，季节性温差较大,雨季和旱季较为明显。多年平均气温3.1 ℃，年平均降水量127 mm，年平均蒸发量为3 297.9 mm，最大季节性冻土深度约233 mm。

隧道区地震动峰值加速度为0.20g(相当于地震基本烈度八度)，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

1.2 工程地质

1.2.1 勘察技术

隧道的勘察工作从2008年开始，历时4年多，进行了不同线路方案的比选，工作中采用大面积地质调绘与钻探(深孔、浅孔)、综合物探(高密度电法、地震折射层析法、音频大地电磁测探法)及试验与测试相结合的综合勘察手段，详细查明了隧道的工程地质、水文地质条件。主要完成的勘探量如表1所示。

表1 主要勘探工作量统计表Table 1 Statistics of main survey and exploration works

1.2.2 地质概况

当金山隧道洞身主要通过第四系、长城系、志留系及加里东期侵入岩。岩性主要为细角砾土、长城系云母石英片岩、志留系绿泥石英片岩、大理岩、云母石英片岩、加里东期花岗岩，构造岩主要为断层角砾、断层糜棱岩等。预测隧道正常涌水量26 549 m3/d，最大涌水量79 647 m3/d。隧道埋深较大，存在高地应力条件下硬岩岩爆、软岩大变形等地质灾害，其中极可能发生岩爆的段落累计2 250 m，极可能发生大变形的段落累计1 875 m。

全隧道共通过10条断层破碎带，合计2 005 m，其中区域性断层2条(F5为活动性断层，宽825 m)。隧道通过3条背斜4条向斜。主要地质问题为：高地应力(水平主应力21～22 MPa)、突涌水(隧道中间大断层带以及向斜核部)及地下水侵蚀。

2 越岭隧道方案研究

2.1 控制因素

越岭隧道方案的主要控制因素有线路技术标准、山前的引线、辅助坑道的设置条件、线路通过区的地质构造(12条断层破碎带)以及其他不良地质。

2.2 选线原则

本隧道为降低线路穿越祁连山—阿尔金山的分水岭——当金山而设，越岭地段以隧道位置为中心，通过最佳线位的选择来降低隧道的施工难度，确保隧道穿越最少的断层破碎带、通过最少的洪积扇角砾土、辅助坑道条件最优以及隧道的施工场地相对较好。

2.3 位置选择

通过对隧道的选线控制因素以及所要遵循的原则，经过多方案的比选，最终决定采用隧道进口高程相对较高的隧道线位方案。本方案与断层破碎带的夹角相对较大，穿越洪积扇角砾土较短，辅助坑道的设置条件相对较好。

2.4 隧道设计的难题

通过对隧道的基础资料分析，本隧道修建面对的主要难题有以下几点：

1)高寒、高海拔地区特长隧道快速修建；

2)单线单洞、单面坡特长隧道的施工通风、排水；

3)小断面隧道快速施工；

4)高寒地区隧道防冻害；

5)单洞单线特长隧道防灾救援；

6)高地应力引起的特大活动断层带、软岩变形、岩爆。

当金山隧道的成功修建必须抓住其特点进行逐一突破。当金山隧道具有“三高”、“两低”的地域特点，以及“三长”、 “两多”、“两缺”、 “两大”的工程特点。

1)“三高”。即海拔高(轨面3 100 m)、地应力高(水平主应力21～22 MPa)、地震烈度高(动峰值加速度为0.20g，八度地震区 )。

2)“两低”。即气温低(年平均气温 3.1 ℃ )、气压低(年平均728.0 hPa )。

3)“三长”即单面坡长(20.14 km)、独头通风距离长(7.8 km)、反坡排水距离长(8 km)。

4)“两大”即埋深大(长达12 km埋深超过300 m，最大埋深784 m)、水量大(最大涌水量8万m3)。

5)“两多”。即断层破碎带多(2 005 m，其中F5断层达825 m)和不良地质多(围岩大变形失稳、突、涌水和高地应力区岩爆等)。

6)“两缺”。即缺合格的生活及施工用水(地表水氯离子和硫酸盐超标，侵蚀性大)和高原隧道施工缺氧、通风困难。

3 施工方案研究

3.1 方案研究原则

3.1.1 机械化施工

随着国家“以机械化代替笨重体力劳动、手工操作，省力化”技术政策的进一步落实，社会将不再允许劳动者在恶劣施工环境下从事笨重体力劳动，劳动者也将拒绝从事本可用机械代替手工操作的笨重作业[4]。施工方案要贯彻“以人为本”的设计理念，尽可能多地解放人力，减少人为因素对隧道修建的影响。采用机械化施工，可以提高施工效率，减轻劳动强度，减少人员投入，提高隧道施工的安全性[5-7]。

3.1.2 提高辅助坑道的利用率

当金山隧道洞身平均埋深较大，其中有12.3 km埋深超过300 m，最大埋深达到784 m，地形南高北低，单面上坡。结合本线远期预留二线的总体规划，辅助坑道的设置均需考虑预留二线的条件。本隧道为特长隧道，辅助坑道的设置结合防灾救援系统统筹考虑。

3.2 钻爆法方案

当金山隧道考虑采用大型机械配套施工，并考虑高海拔降效折减，按照海拔每增加1 000 m折减10%考虑。采用“3斜井+进口平导”施工方案，因本方案1号斜井与2号斜井之间长达10.5 km，考虑高原地区由于海拔高度的增大，空气性质及部分有害气体毒性较平原地区发生了较大变化，施工通风难度比常压下增大很多，通过计算在隧道中部设置2座通风竖井。本方案辅助坑道设置及施工组织如表2及图1所示。

1)地质评价。反坡排水较灵活，对施工进度影响较小；通过断层破碎带若出现坍塌，突涌水等，能得到快速处理；但高海拔地区施工人员成本较高，工作效率较低。

2)方案优点。局部贯通平导防灾救援性能好，预留二线利用率高，可为二线节省投资。施工期间进口段平导超前正洞施工，可超前探明地质，提前进行排水释放地层能量，采用巷道式通风节省风管，富水断层段顺坡施工，排水条件好；运营期间平导可做为防灾救援通道，可分担正洞排水。本方案满足6年工期要求。

3)方案缺点。高原地区长斜井施工风险大，出口段2号斜井工区施工任务重、排水难度大。

表2 当金山隧道钻爆法辅助坑道设置表Table 2 Service galleries of Dangjinshan tunnel excavated by drill and blast method

3.3 TBM法方案

3.3.1 适应性评价

隧道洞身通过震旦系二云石英片岩、加里东期花岗岩、志留系绿泥石英片岩、志留系云母石英片岩段绝大多数适合敞开式TBM施工。隧道通过区域断层2个(F4和F5)次级断层8个。本次TBM方案按TBM掘进机通过改造可适应除了F4和F5以外的其余次级断层进行设计，因部分段落不适合采用TBM施工，故应采用以TBM为主钻爆法为辅的方案，即“TBM+钻爆法”。

图1 当金山隧道钻爆法辅助坑道(单位：m)

3.3.2 TBM+钻爆法方案

设计阶段主要研究了3个TBM+钻爆法方案。

3.3.2.1 方案1：平导TBM+正洞钻爆法方案

本方案采用一台敞开式小直径TBM在进口端预留二线位置先期施工平导，部分小断层带采用斜井钻爆法施工，区域大断裂F5断层带采用竖井钻爆法辅助施工，其余全部采用小TBM直接通过。正洞通过平导超前开辟的横通道采用钻爆法施工。

本方案斜井总长1 698 m，本方案设竖井2座，其中1号竖井辅助施工兼顾通风，2号竖井为通风竖井。竖井总长770 m，平导总长17 205 m。小TBM施工平导12 991 m，占平导总长的75.5%。本方案工期为52.0个月，建设工期为5年。方案1的辅助坑道布设如图2所示。

图2 方案1的辅助坑道布设图(单位:m)

1)地质评价。TBM法施工在通过断层破碎带、深埋软弱围岩、节理密集带、接触蚀变带时容易产生块体掉块、软弱变形问题、继而引发卡机、护盾变形、塌方等施工地质问题。通过高地应力地段有产生岩爆的可能。

2)方案优点。平导在施工期间,可超前探明地质情况，为正洞施工提供超前预报，可分担正洞施工排水任务，富水断层段顺坡施工，排水条件好。运营期间，平导作为防灾救援通道，辅助坑道预留二线利用率较高，可为二线节省投资，运营期间平导可分担正洞排水。

3)方案缺点。平导TBM施工超前正洞较多，后期巷道式通风难度大，施工通风困难。平导担负正洞2个掌子面施工，平导内长段落需要开辟横通道施工正洞，施工组织复杂、干扰极大，设计的钻爆法施工正洞掘进速度难以保障，工期风险大。

3.3.2.2 方案2：正洞TBM+钻爆法

本方案进口(低端洞口)正洞采用1台大直径TBM施工，采用钻爆法施工平导处理2条区域断层F4和F5。为加快平导施工进度设1座斜井辅助平导施工，出口(高端洞口)段采用钻爆法施工，设置1座无轨运输斜井辅助正洞施工。

本方案设斜井2座总长2 633.32 m，平导总长15 805 m，设2座通风竖井，竖井总长889 m。TBM施工正洞10 772 m，占隧道总长的53.5%。TBM施工段通过5条断层计540 m。本方案工期为66.0个月，建设工期为6年。方案2的辅助坑道布设如图3所示。

1)地质评价。TBM通过断层破碎带、深埋软弱围岩、节理密集带、接触蚀变带时容易产生块体掉块、软弱变形问题、继而引发卡机、护盾变形、塌方等施工地质问题；隧道通过断层破碎带、软弱接触带容易突水、突泥；通过志留系中统绿泥石英片岩时，容易产生软弱围岩变形。

2)方案优点。平导在施工期间,可超前探明地质情况，为正洞施工提供超前预报，可分担正洞施工排水任务，富水断层段顺坡施工，排水条件好，辅助正洞TBM过大断层带的施工，为正洞制定支护措施提供依据；运营期间，平导作为防灾救援通道，辅助坑道预留二线利用率较高，可为二线节省投资，运营期间平导可分担正洞排水。

3)方案缺点。处理F4、F5断层带时间较长，建设工期长，投资较大。平导中间约2.0 km滞后于正洞，该段平导不能起到超前探明地质的作用。

图3 方案2的辅助坑道布设图(单位：m)Fig.3 Layout of service galleries of option II(m)

3.3.2.3 方案3：平导TBM、正洞TBM+钻爆法

本方案采用一台敞开式小直径TBM先期施工平导，F4断层带采用迂回导坑钻爆法施工，F5断层带采用竖井钻爆法辅助施工，其余全部采用小TBM直接通过。正洞采用一台大直径TBM施工，F4和F5 2条区域断层带通过平导采用钻爆法施工，降低TBM施工的风险。

本方案斜井1座长900 m，平导总长17 205 m。设2座竖井，竖井总长770 m，1号竖井施工F5断层带兼顾通风，2号竖井通风。小TBM施工平导14 661 m，占平导总长的85.2%；大TBM施工正洞9 885 m，占隧道总长的49.1%。本方案工期为66.0个月，建设工期为6年。方案3的辅助坑道布设如图4所示。

图4 方案3的辅助坑道布设图(单位：m)Fig.4 Layout of service galleries of option III(m)

1)地质评价。TBM在通过断层破碎带、深埋软弱围岩、节理密集带、接触蚀变带时容易产生块体掉块、软弱变形问题、继而引发卡机、护盾变形、塌方等施工地质问题；隧道进口端长城系云母石英片岩节理裂隙较发育，岩体软硬不均，局部存在软弱夹层，在软硬不均地层中产生护盾支撑反力不适，TBM施工容易坍塌，继而引起卡机，边墙及拱顶塌方。

2)方案优点。平导在施工期间,可超前探明地质情况，为正洞施工提供超前预报，可分担正洞施工排水任务，富水断层段顺坡施工，排水条件好，辅助正洞TBM过大断层带的施工，为正洞制定支护措施提供依据，平导与正洞采用巷道式通风节省风管；运营期间，平导作为防灾救援通道，平导可分担正洞排水，辅助坑道预留二线利用率较高，可为二线节省投资。

3)方案缺点。处理F4和F5断层带时间较长，建设工期长，投资较大。

TBM+钻爆法3种方案的经济技术总体比较如表3所示。

表3 TBM+钻爆法3种方案的经济技术总体比较表Table 3 Comparison and contrast among three options in terms of economy and technology

通过表3可以看出方案1(平导TBM+正洞钻爆法方案)相对其他方案较优(工期较短、投资低)，选择 “平导TBM+正洞钻爆法”为推荐方案。

3.4 方案比选结论

因TBM法方案中断层破碎带处理时间较长，进口段受构造影响围岩软硬变化频繁，TBM通过风险大，不经济，故采用钻爆法方案，加强机械化配套。

4 推荐方案主要工程情况

4.1 隧道主要建筑物

当金山隧道主要建筑物为：正洞、平行导坑、2座竖井、3座斜井、横通道、泄水洞、避难所、救援站及其风道。具体情况如图5所示。

图5 当金山隧道建筑物效果图

4.1.1 正洞

当金山隧道正洞主要包括车站段、一般段、风机段、救援站段，隧道按照新奥法原理设计，采用复合式衬砌。其中单线隧道一般段衬砌断面如图6所示。

4.1.2 平行导坑

当金山隧道洞身12.3 km，埋深超过300 m，加之远期预留二线的规划，在距离正洞左侧40 m的预留二线位置设置了12 520 m的平行导坑，平行导坑底面较正洞轨面低0.8 m。平行导坑采用内轮廓5 m×6 m(宽×高)的马蹄形断面，设单侧水沟，考虑运营期间担负正洞的排水，对水沟进行加大加深。进口段考虑断面小，为提高效率采用有轨运输，斜井施工段平导采用无轨运输，为提高施工效率无轨运输段每隔200 m设一处错车道，错车道断面采用内轮廓为7.5 m×6.2 m(宽×高)的马蹄形断面。

图6 当金山隧道单线衬砌断面(单位:cm)Fig.6 Cross-section of Dangjinshan single-track railway tunnel(cm)

4.1.3 斜井

当金山施工期间设置了3座无轨运输斜井，斜井的均考虑远期预留二线施工条件。运营期间保留靠近出口无平导段的2号、3号斜井作为永久的防灾救援通道。双车道斜井采用内轮廓为7.5 m×6.2 m(宽×高)的马蹄形断面，单车道斜井采用5 m×6 m(宽×高)的马蹄形断面。

4.1.4 竖井

为缩短高海拔独头施工通风距离，隧道中部设置了2座通风竖井，竖井采用圆形断面外径为3.0 m，支护以喷混凝土为主，采用反井法施工，运营期间1号竖井封闭，2号竖井作为永久的防灾救援风道使用。

4.1.5 横通道

隧道内设有8个施工横通道、31个运营横通道以及16个防灾横通道。

4.1.6 泄水洞

隧道处于高寒地区，最冷月平均气温低于-13 ℃。为防止隧道运营期间的冻害，隧道进口端在平行导坑与正洞中间下方设置一段长835 m的泄水洞。泄水洞顶面较正洞底面低5～8 m，泄水洞每隔200 m设1道横通道与平行导坑及正洞的水沟联通，泄水洞洞口设保温出水口。

4.1.7 避难所及救援站

隧道进口端利用加密横通道设1处避难所，隧道中部2号斜井底部附近设1座长560 m的救援站，并设风道满足事故时的防灾救援通风。

4.2 施工机械化配套

通过对施工组织方案、运输组织方案、施工进度指标等进行综合分析，建议采用的主要具体机械设备配置如表4所示。

表4当金山隧道建议机械设备配置表
Table 4 Mechanical equipment and machinery proposed for cons-truction of Dangjinshan tunnel

设备名称 规格型号备注数量工程钻机8注浆机8两臂凿岩台车8湿喷机械手30m3/hSika-PM500PC8混凝土输送车8m3与二次衬砌共用28锚喷及二次衬砌混凝土搅拌站90m3/hHZ150与二次衬砌共用5简易栈桥12m12挖装机≥300m3/h与装运共用8钢拱架拼装机8防水板铺设台车12装载机3m3WA380-38自卸汽车16m3沃尔沃110梭式矿车12m320二次衬砌模板台车12m12混凝土输送泵60m3/hHBT6012养护作业台架12

4.3 不良地质应对措施

隧道勘查期间发现隧道洞身穿越10条断层破碎带，以及向斜和背斜等地质构造；隧道局部地段有软岩大变形、岩爆、突水、涌水等难题，设计采用 “动态设计、信息化施工”的理念[8-9]。通过大量地质勘查和土工试验，经计算具体分析，预测隧道开挖后岩体变形收敛情况及稳定状况，针对不同的情况，设计研究了有针对性的工程措施预案，并根据现场超前预报及监控量测信息及时进行实施设计。

4.4 施工与运营安全措施

隧道施工期间采用综合地质超前预报，洞内配备智能化管理监测系统以及人员定位系统等，通过以上措施确保施工作业人员的安全。

运营期间通过隧道内每隔420 m设置的横通道联通主隧道及平行导坑，方便养护维修及防灾救援；洞内设2处避难所及1座救援站，并配备消防系统，洞口设指挥应急中心。

4.5 环保措施

隧道穿越的地区环境脆弱，选线时采用长隧道减少铁路线路长度，减少对环境的破坏；隧道设计中尽量减少辅助坑道以减少占地、施工垃圾集中处置、对隧道内涌水量大的地段采取以堵为主、隧道施工期间的废水进行集中处理、隧道弃砟集中设挡护堆弃，施工完成后对弃砟场及洞口边坡进行绿化。

5 设计体会

通过对当金山特长隧道的勘察设计，总结以下几点体会：

1)特长隧道选线时重视物探技术。特长隧道线位的选择过程往往要进行多条线路方案的比选，若每个方案都进行详细的地面调绘和钻探，则势必严重影响方案的勘察周期，而物探技术可为选线节约成本及时间。

2)处理好勘察与设计的关系。重视特长隧道的勘察工作，隧道的线位、高程、穿越的地层、水文地质情况以及施工场地等对隧道施工组织方案的选择影响很大，可以说隧道勘察阶段已经决定了隧道的设计施工方案。

3)高海拔特长隧道应加大机械化施工。高海拔特长隧道条件具备时应尽量选择TBM法进行施工，TBM 是实现快速施工的新的机械化程度很高的施工方法[10]，若地层不适应则应采用大型机械化配套的钻爆法施工。

4)特长隧道应充分发挥平行导坑的作用。按照目前国内的勘察设计流程，在特长隧道线路位置确定的情况下，隧道设计方案的选择往往要经过1～2年甚至更长的时间。有必要先开展平行导坑的设计与施工，发挥平导先行探明地质超前预报，为正洞后续施工创立工作面，节省隧道的施工周期，使投资回报最大化。

5)重视环境设计。铁路穿越较大的山脉或者山体采用特长隧道减少对环境影响，同时结合预留工程位置情况，优先采用平行导坑。

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CaseStudyonDesignofDangjinshanSuper-longTunnelonDunhuang-GolmudRailway

LU Shiyang

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

For super-long single-tube single-track railway tunnels in extremely-cold high-plateau area,world-level technological challenges in surveying and alignment selection,construction method selection,long-distance dead-end ventilation,deep vertical shaft sinking,ecologically-fragile environment protection and tunneling in low-oxygen environment are faced.In the paper,the design of super-long Dangjinshan tunnel on Dunhuang-Golmud railway is presented.Dang-jinshan tunnel has the following characteristics:1) high altitude,high ground stress and high seismic intensity; 2) low temperature and low atmospheric pressure; 3) long single-direction slope,long-distance dead-end ventilation and long-distance anti-slope water releasing; 4) lots of fractured zones and lots of adverse geological units; 5) deep cover and serious water inflow.Comparison and contrast is made among three construction methods considered for the tunnel,i.e.,drill and blast method,TBM method and “drill and blast + TBM” method,in terms of economy and technology,and drill and blast method assisted by heavy-duty construction equipment and machinery is proposed for the tunnel.Finally,the following advice is made on the design and construction of super-long single-track railway tunnels:1) More attention should be paid to the geophysical prospecting technology in the selection of the alignment of super-long tunnels; 2) The relationship between the survey and the design should be well dealt with; 3) Mechanized construction should be adopted for super-long tunnels in high-plateau area; 4) The function of the parallel service gallery should be fully used; 5) More attention should be paid to the design of the environment protection measures.

Dangjinshan super-long tunnel; single-track railway tunnel; high-plateau area; extremely-cold area; TBM method; drill and blast method; mechanized construction; deep shaft

2014-01-20;

2014-03-05

路仕洋(1981—)，男，甘肃靖远人，2004年毕业于石家庄铁道学院，土木工程专业，本科，工程师，从事隧道与地下工程方面设计研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.009

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1672-741X(2014)05-0452-08