高速铁路太行山超长隧道群关键技术

马志富，赵建峰，朱永全，李建华，张俊兴，王洪昌

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251;2.石家庄铁道大学，河北石家庄 050043;3.中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009;4.中铁十六局集团有限公司，北京 100018)

0 引言

太行山是我国地理地势第二级阶梯和第三级阶梯分界线的主要组成部分，也是华北平原与黄土高原的分界标志。作为国家铁路"四纵四横"快速客运网骨架组成部分的石太高速铁路客运专线，为绕避大面积煤矿采空区，减少占压煤炭资源，在河北省石家庄市井陉县与山西省阳泉市盂县之间以47.5 km的超长隧道群贯穿了太行山腹地。

石太高速铁路客运专线修建前，我国在高速铁路隧道断面有效净空面积方面研究较少，主要体现在国家"八五"科技攻关项目成果《高速铁路线桥隧设计参数选择的研究报告》，该成果主要针对1990年京沪高速铁路方案研究，对时速250 km高速铁路隧道的断面净空有效面积的设计标准并没有研究;其次，太行山隧道穿越长段落膏溶角砾岩［1－4］等重大不良地质，南梁隧道内需要解决2条单线隧道变为双线隧道的过渡问题，工程建设风险高;再次，对于长大隧道防灾救援［5］疏散工程，我国铁路在米花岭隧道、秦岭隧道、乌鞘岭隧道等长大隧道修建过程中，对预防货物列车火灾灾害、隧道内消防和疏散等有了一些研究与实践，但均未形成长大隧道防灾救援疏散工程的设计标准，该标准在我国尚属空白。因此，研究并建立列车在隧道内发生火灾事故后，人员安全疏散的有关技术标准十分迫切。

本文依托太行山超长隧道(群)建设过程中的相关科研，将对该工程的上述主要难题进行的研究和形成的成果进行总结。

1 工程概况

1.1 隧道概况

太行山超长隧道群是石太高速铁路客运专线的控制性工程，位于井陉北车站与阳泉北车站之间，隧道群主要由毗连的3座隧道组成，其中最关键的隧道命名为太行山隧道，其长度为27.839 km，它由2条平行的单线隧道构成，该隧道也是国内已经运营的最长高速铁路隧道;其次是与之毗连的南梁隧道，长度为11.526 km，设计为2座单线隧道过渡为1条双线隧道，简称喇叭口隧道;与南梁隧道毗连的石板山隧道长7.505 km，为双线隧道。整个隧道群长度为47.5 km，占隧道群两端车站之间线路长度的92%。太行山超长隧道群平面示意见图1。

1.2 隧道设计相关的主要技术标准

铁路等级:客运专线(近期兼顾货物运输，双层集装箱通行)。

正线数目:双线。

设计速度目标值:250 km/h。

限制坡度:上行限制坡度13.5‰，下行最大坡度18‰。

最小曲线半径:5 000 m。

轨道类型:I型板式无砟轨道(轨道高度745 mm，底座宽2 800 mm，高300 mm;CA砂浆调节层高50 mm;轨道板高190 mm;60 kg/m钢轨和SFC型弹性扣件高205 mm)。

接触网:后植化学锚栓，下锚采用无油润滑大滑轮形式，隧道设下锚洞及隔离开关洞。

其他:四电系统综合接地。

1.3 隧道区地貌特点

隧道区位于太行山脉中南段剥蚀中低山区及盂县－寿阳黄土盆地堆积区两大地貌单元内。

隧道前段约35 km(井陉北－七里峪`)通过了地段的地貌属于剥蚀中低山区，区内山峰林立，绵延起伏，形成了型态各异的陡崖、峭壁、单面山。峡谷深切，多呈"V"字型，地形起伏较大，最大高差约600 m。峡谷中无水，均为干谷。山上植被较为茂密，基岩裸露，呈现山地地貌的典型特征。人烟稀少，交通不便。太行山隧道群中部地貌照片见图2。

隧道后段约15 km(七里峪－盂县)通过地段地貌属于盂县－寿阳黄土堆积盆地边缘，呈现典型的黄土高原地貌:黄土峁、塬、梁地貌，"U"字型冲沟发育，地形平坦开阔，起伏相对较小，最大高差约100 m。表覆第四系松散堆积层，大部辟为耕地。该段隧道穿过了长度约2.5 km的阴山河河谷阶地，阴山河河谷宽100～200 m，河谷宽阔平坦，河床干涸无水。村庄较为稠密，人口较密集，交通较为便利。太行山隧道出口黄土高原地貌照片见图3。

图2 太行山隧道群中部地貌照片Fig.2 Photo of landscape of middle part of Taihangshan tunnel group

图3 太行山隧道出口黄土高原地貌照片Fig.3 Photo of loess plateau landscape at exit portal of Taihangshan tunnel

1.4 隧道区地质简况

地层表覆第四系松散堆积层冲洪积层马兰黄土、离石黄土，下伏石炭系、奥陶系、寒武系及太古界地层。太古界地层为页岩、花岗片麻岩、黑云斜长片麻岩及石英状砂岩。奥陶系和寒武系地层为灰至深灰色中厚至厚层状白云岩、石灰岩、灰岩(局部为紫红色薄层状竹叶状灰岩)、凝灰岩及角砾状泥灰岩(膏溶角砾岩)。石炭系为砂岩、泥岩及铝土质泥岩组成。

隧道群范围的主要断裂为仙人村枢纽断裂(位于太行山隧道中部)，隧道区内发育了数个比较宽缓的褶皱，向斜、背斜两翼产状较平缓。

隧道区地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类裂隙孔隙水和碳酸盐岩类裂隙溶隙水。

2 工程特点与难点

2.1 空气动力学问题

高速列车进入隧道时，原来占据着空间的空气被排开。空气的黏性以及隧道的壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像在隧道外那样及时、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，这就形成一个压力的波动过程。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。

空气动力学效应涉及到的主要问题有:1)瞬间压力变化影响人员的舒适度;2)压力波动加大了隧道和车辆结构的气动荷载;3)空气阻力导致牵引阻力加大;4)列车风导致隧道内设备易于损坏;5)隧道洞口微气压波变化引起环境噪音。

石太客运专线是我国第1条开工建设的山区高速铁路，在太行山隧道群中，有单线隧道、双线隧道2种结构形式，需要分别研究隧道断面净空面积，缓解空气动力学效应，满足高速列车内人员舒适度要求、保证隧道内结构安全、减小行车阻力及降低洞口微气压波等。

2.2 膏溶角砾岩

太行山隧道穿越了6 800 m长的膏溶角砾岩地段，这种膏溶角砾岩主要集中分布在奥陶系峰峰组一段和上马家沟组一段，这种特殊的软岩硬土具有极其特殊的工程性状和物理力学性质，主要表现为物质成分上的不均一性、结构上的松散性、构造上的不均一性、低强度性、极强的水理性、膨胀性、腐蚀性以及可溶性等。

由于膏溶角砾岩特殊的工程性质，除了研究地层本身的塑性变性特征、流变特征、应力应变特征、强度衰减变化等物理力学特征外，还需研究在该地层内修建隧道需要解决的隧道断面形式、支护衬砌、防排水、结构耐久性、变形基准及基底处理等系列问题。

2.3 双洞变单洞

南梁隧道全长11 526 m，位于井陉北车站和阳泉北车站之间，隧道出口与太行山隧道毗连，受太行山隧道2条单线隧道(线间距35.0 m)影响，线路在南梁隧道内需要从35.0 m过渡到线间距4.6 m，即由2条单线隧道(线间距35 m)逐渐过渡为1条双线隧道(线间距4.6 m)，结构型式复杂。

南梁隧道是国内首座位于高速铁路上的喇叭口隧道，为了实现隧道"结构安全、施工简便、防水可靠、经济合理"的目标，进行了单双线隧道过渡段研究。

2.4 防灾救援疏散工程

《国际铁路联盟规范》认为:1)3种主要类型的事故可能在隧道内发生，分别是出轨、碰撞和火灾;2)与出轨和碰撞相比，隧道发生火灾事故具有重大的危险性，在半封闭的隧道环境中，隧道内的火灾灾害可能导致灾难性的后果。

太行山隧道(群)是当年在建的最长铁路隧道(群)，当时我国铁路隧道防灾救援的研究还处在探索阶段，已经建成并运营的米花岭、秦岭、乌鞘岭等隧道防灾救援技术思路不尽一致，国内也没有与铁路隧道防灾救援有关的设计规范与标准。

因此，立足太行山超长隧道群工程，做好隧道防灾救援、安全疏散及通风技术的专题研究，满足该隧道群的防灾救援疏散工程设计要求，经济、合理地设置隧道防灾救援和通风系统，具有重要意义。

3 主要技术措施

3.1 空气动力学相关措施

3.1.1 隧道断面内轮廓

太行山隧道空气动力学研究结合欧洲铁路联盟(ERRI)提出的底线标准，通过不同隧道断面内净空面积，列车内的乘客感觉到的气压变化不能超过下面列出的值。

1)非气密型车辆。单线隧道4 s以内不超过3.0 kPa;双线隧道，2列车交汇的极端情况4 s以内不超过4.5 kPa。

2)气密型车辆。1 s以内不超过1.0 kPa;4 s以内不超过 1.6 kPa;10 s以内不超过 2.0 kPa。

通过模拟分析，单线隧道内净空面积达到58 m2，双线隧道内轨顶面以上内净空面积采用90 m2时，能够满足以上标准。

隧道断面内轮廓充分考虑高速铁路隧道空气动力学效应的影响、隧道建筑限界、隧道内相关空间布置要求、衬砌结构受力条件［6］等因素，经综合研究分析后单线隧道内轨顶面以上内净空面积采用60.4 m2，双线隧道内轨顶面以上内净空面积采用92 m2。单、双线隧道断面内轮廓见图4和图5。

图4 单线隧道断面内轮廓(单位:cm)Fig.4 Inner contour of single-track tunnel(cm)

3.1.2 洞口缓冲结构

根据分析，单线隧道洞口应设置缓冲结构，故南梁隧道出口和太行山隧道进出口均采用缓冲结构洞门［6］。单线隧道缓冲结构洞门设计图及竣工照片分别见图6－9。

3.2 膏溶角砾岩段工程措施

3.2.1 膏溶角砾岩隧道衬砌断面形式

由于膏溶角砾岩具有特殊的工程性质，不仅围岩的松动压力大，而且可能存在较大的围岩膨胀压力，隧道衬砌断面形式按照圆形、接近圆形的马蹄形隧道断面形式进行了研究。研究中分别采用2种计算模型，即荷载结构模型和连续介质模型，荷载结构模型采用通用大型结构分析软件ANSYS进行计算，连续介质模型采用通用大型结构分析软件ADINA进行计算，从加载方式和施工方法等方面进行研究比较，最终确定接近圆形的马蹄形断面为膏溶角砾岩段的衬砌断面形式，与其他地段一致［6］。膏溶角砾岩复合式衬砌代表断面如图10所示。

图5 双线隧道断面内轮廓(单位:cm)Fig.5 Inner contour of double-track tunnel(cm)

图6 单线隧道倒斜切缓冲结构洞门纵剖面(单位:cm)Fig.6 Profile of down bamboo-truncated buffer structure portal of single-track tunnel(cm)

图7 单线隧道正斜切缓冲结构洞门纵剖面(单位:cm)Fig.7 Profile of up bamboo-truncated buffer structure portal of single-track tunnel(cm)

图8 太行山隧道进口倒斜切缓冲结构洞门实景Fig.8 Photo of down bamboo-truncated buffer structure of entrance portal of Taihangshan tunnel

图9 太行山隧道出口正斜切缓冲结构洞门实景Fig.9 Photo of up bamboo-truncated buffer structure of exit portal of Taihangshan tunnel

图10 膏溶角砾岩复合式衬砌代表断面Fig.10 Cross-section of typical composite lining of tunnel section in gypsum breccia

3.2.2 膏溶角砾岩复合式衬砌参数

隧道开工后，根据膏溶角砾岩的特殊工程特性［1］，采用了2段试验段研究确定不同含水量情况下的支护衬砌参数，试验段长度为50 m。分别选择在太行山隧道7号斜井工区无水膏溶角砾岩地层和6号斜井工区有水膏溶角砾岩地层。

在试验段内，按照不同支护方式(型钢钢架与格栅钢架、一次支护与多次支护、素喷混凝土与纤维喷混凝土等)试验，根据模拟计算分析并结合实际量测效果，确定了膏溶角砾岩地层隧道复合式衬砌参数。复合式衬砌主要参数见表1。

表1 复合式衬砌主要参数Table 1 Main parameters of composite lining

3.2.3 膏溶角砾岩地段施工工艺措施

1)做好隧道洞内外防排水设施，达到"保湿防渗"目的，减轻岩体湿胀干缩对隧道产生的不利影响。

2)采用微台阶或全断面施工，快速闭合成环，控制变形松动;采用机械开挖或弱爆破，减少对围岩的扰动。

3)开挖前小导管注浆预加固岩体，以喷锚支护和钢拱架(型钢)作为主要的支护形式。

4)对围岩弱膨胀地段不需要采取特殊措施。

3.3 特大断面隧道

南梁隧道特大断面面积达300 m2，位于石灰岩地层中，岩层相对完整，设计按地层－支护体系作为承载结构，二次衬砌作为安全储备。

选用PLAXIS有限元软件，计算假定为平面应变问题，模型采用围岩－结构模式的弹塑性有限元计算模型［7］，分析隧道开挖和初期支护的过程。支护体系计算模型如图11所示。

图11 支护体系计算模型Fig.11 Calculation model of support system

模拟分析认为:拱顶在第1步施工时出现拉应力，为1.0 MPa;喷混凝土的最大压应力发生在直边墙的下部，为－7.0 MPa。另外，当边墙的喷混凝土也施工后，拱脚出面最大拉应力，为6.8 MPa。

根据应力情况，在拱顶设计长锚杆，拱脚加斜向锁脚锚杆。开挖分上下部台阶，下部台阶采用先中间后两侧的分部施工方法［7］。支护方式与施工步骤如图12所示。

图12 支护方式与施工步骤Fig.12 Supporting method and construction procedure

3.4 防灾救援疏散工程

3.4.1 紧急救援站

隧道群隧道设置2个"紧急救援站"，"紧急救援站"长度为550 m，站台宽度为2.3 m，2条单线隧道间横通道密度按间隔60 m设置［8－9］。其中1号救援站位于太行山隧道中部，横通道内设置等待空间，横通道两端设置防护门，紧急救援站设置通风井及排烟竖井［10］，横通道内设置应急电话，站台范围有方便疏散的扶手及消防设施等。"紧急救援站"相关图示见图13－15。

图13 隧道群"紧急救援站"与车站关系Fig.13 Location relationship between emergency rescue stations of tunnel group and railway stations

3.4.2 横通道及紧急出口

太行山隧道、南梁隧道出口双洞段内每420 m设置联络横通道1处;南梁隧道进口双线隧道段和石板山隧道利用施工辅助坑道各设紧急出口1处。

3.4.3 设备系统工程

包括防灾通风、应急照明、应急通信、设备监控、供电、消防等设施设备。

图14 "紧急救援站"平面示意图Fig.14 Plane schematic diagram of emergency rescue station

图15 "紧急救援站"通风原理图(单位:m)Fig.15 Diagram of ventilation principle of emergency rescue station(m)

4 取得的主要技术成果

太行山超长隧道群建设阶段，专门进行了《高速铁路客运专线隧道空气动力学效应研究》、《膏溶角砾岩工程特性及隧道结构与施工安全对策研究》、《客运专线单双线隧道渐变段结构型式研究》和《特长隧道防灾救援、安全疏散及通风技术研究》等多项技术研究，主要形成了以下技术成果。

4.1 关键技术成果1

全面研究并形成了时速250 km高速铁路单线隧道、双线隧道和单洞隧道变双洞隧道关键技术，解决了高速铁路大断面隧道、喇叭口段特大断面隧道的设计施工难题。

1)研究并形成了时速250 km高速铁路单线、双线隧道有效净空面积、复合式衬砌参数、施工方法、监测验收等标准。

①单线、双线隧道内净空面积采用60.4 m2和92 m2。

②单线隧道洞口设缓冲结构，双线隧道洞口可不设缓冲结构。

③衬砌断面形式采用接近圆形的马蹄形断面，施工方法采取全断面或台阶法。

④空气动力学测试。动车组在隧道内无交会通过时，测得的车内气压变化小于0.80 kPa/3 s，符合旅客舒适度准则要求;动车组和动车组在双线隧道交会时，测得的车内气压变化小于1.25 kPa/3 s，符合旅客舒适度准则要求;石板山隧道为双线隧道，出口设端墙式洞门，进口空间角较小，动车组车速250 km/h时，距洞口20 m微气压波测试峰值为36.2 Pa，满足标准(小于50 Pa)的要求;太行山隧道为单线隧道，两端洞口设置缓冲结构，动车组车速250 km/h时，太行山隧道洞口20 m微气压波计算值为2.5 Pa，满足标准(小于50 Pa)的要求;隧道内列车风速超过了线路作业人员允许承受的列车安全风速标准(14 m/s)要求。列车运行期间，应禁止隧道内有人员滞留或作业。

2)研究提出了高速铁路特大断面隧道围岩压力计算方法、隧道断面过渡形式、支护体系、施工方法和工艺，解决了300 m2特大断面隧道过渡到小净距隧道设计和施工难题，成功实现了线路从1条线间距4.6 m双线隧道过渡到2条线间距35 m的单线隧道。

①我国现行《铁路隧道设计规范》中推荐的计算围岩垂直均布松动压力

公式的有关符号说明见铁路隧道设计规范。

《铁路隧道设计规范》规定的深埋围岩压力计算公式是通过对单线铁路隧道塌方资料进行统计分析，以5 m为基本跨度整理而成的，而大断面隧道在限界、跨度和高跨比等方面有其自身的特点。南梁隧道大断面跨度23.34 m，约为铁路单线隧道跨度的5倍，所以超大断面隧道的围岩压力计算不能直接采用铁路隧道设计规范中公式计算。

通过计算分析，并经现场实测验证，将特大断面围岩压力计算公式修正为

式中k为压力增加系数。

式中各符号说明见铁路隧道设计规范。

②隧道过渡形式采用特大断面隧道直接过渡为2条单线隧道。

③拱部长锚杆组成的喷锚支护体系为承载结构。

④施工方法采用台阶法。

过渡处横断面示意图见图16。过渡段平面示意见图17。

图16 过渡处横断面示意图Fig.16 Cross-section of transition tunnel section

图17 过渡段平面示意图Fig.17 Plan of transition section

4.2 关键技术成果2

膏溶角砾岩具有强度低、土质不均、局部压缩性高的特点，属于复杂的特殊软岩，其一般具有弱中等膨胀性。针对这一特点研究并形成了膏溶角砾岩地层高速铁路隧道设计及施工关键技术，解决了膨胀性膏溶角砾岩地层中修建隧道的设计和施工难题。

1)通过室内外试验，系统研究了膏溶角砾岩的特殊性质，提出了膏溶角砾岩分类及膨胀性判定标准，为膏溶角砾岩评价奠定了基础。

2)针对不同类型膏溶角砾岩的工程特性，提出了膏溶角砾岩的围岩分级标准。膏溶角砾岩的围岩分级标准见表2。

表2 膏溶角砾岩的围岩分级标准Table 2 Classification standard of surrounding rock of gypsum breccia

3)系统研究了膏溶角砾岩地层隧道结构受力和变形特征，形成了膏溶角砾岩地层隧道变形控制标准，确定了合理的隧道断面形式、支护体系、施工方法和工艺，形成了膏溶角砾岩地层隧道建造的系列技术。膏溶角砾岩段隧道极限位移见表3。

4.3 关键技术成果3

1)建立了铁路隧道设置"紧急救援站"、"避难所"、"紧急出口"等救援疏散设施的系列标准。

①长20 km及以上的特长隧道或隧道群应设置"紧急救援站"，"紧急救援站"之间的距离不应大于20 km。

表3 膏溶角砾岩段隧道极限位移Table 3 Ultimate displacement of tunnel in gypsum breccia mm

②"紧急出口"或"避难所"。长度10 km以上的单洞隧道，应在洞身段设置不少于1处紧急出口或避难所。当施工辅助坑道具备增设紧急出口条件时，可增设1处紧急出口。当施工辅助坑道条件不满足增设紧急出口条件时，可增设1处避难所。长度5～10 km的单洞隧道，应在隧道洞身段设置1处紧急出口或避难所。长度3～5 km的单洞隧道，可结合施工辅助坑道，在隧道洞身段设置1处紧急出口。当施工辅助坑道条件不满足紧急出口标准要求时，可不设置紧急出口。长度3 km以下的单洞隧道，可不设置紧急出口。

③双洞单线隧道间隔500 m设置横通道作为疏散出口。

2)确定了人员疏散过程通风、照明、通信、信息及消防等标准。

"实用"与"可靠"，是设置防灾通风、通信、信号、消防和控制等防灾救援系统设备的设置原则。

①人员疏散时新风风速不应小于2 m/s，人员待避区域内新的送风量应满足10 m3/(人·h)最小要求。

②隧道中部设置的紧急救援站宜采用轴流风机送风，救援站两端可采用射流风机辅助送风，有条件时采用竖井自然排烟。

③紧急救援站、联络横通道、紧急出口、避难所均设置自动电话，满足人员紧急呼救。

④隧道洞口及紧急救援站设置防灾信号系统，在紧急条件下，通过调度集中系统开启防护信号。

⑤设置隧道防灾设备控制系统，实现灾害工况下对隧道防灾设备紧急启动和远程监控功能。

⑥高压细水雾可作为紧急救援站的消防设施。

⑦紧急救援站隧道侧壁宜设置安全扶手。

⑧诱导标志引导疏散人员向距离最近的安全出口疏散。

5 结论与建议

太行山超长隧道群工程的勘察、设计及施工过程，也是我国高速铁路技术标准的成熟过程，本项目系统研究了时速250 km高速铁路隧道空气动力学、特长隧道防灾救援疏散、膏溶角砾岩安全对策和客运专线单双洞渐变等技术难题，形成了系列技术标准，其相关成果分别纳入了《高速铁路设计规范》［11］和《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》［12］等标准，推动了行业技术进步。

作为隧道群控制性关键工程的太行山隧道，为国内目前建成并运营的最长的高速铁路隧道，通过了可溶岩地层、复杂构造带和长段落的膏溶角砾岩地层，从开工到隧道贯通30个月完成，辅助坑道长度仅11.2 km，体现了勘察设计、施工、科研和建设管理的高度协调，该工程于2009年4月1日开通运营，具有良好的经济效益和社会效益。

太行山超长隧道群由于其技术创新的卓越性、建设及运营期间的环保理念和带来的巨大社会效益，国际咨询工程师联合会授予"FIFIC2014年工程项目优秀奖"，其技术思路可供相关工程借鉴。

但是，在超长隧道群建成运营后，在太行山隧道膏溶角砾岩试验段和南梁隧道特大断面地段设置的监测断面不能持续工作，建议建设单位与运营部门建立专门的协调机制，对隧道工程特殊地段的长期监测问题纳入运营管理中，便于数据的连续积累，从而有利于技术进步。同时，对超长隧道防灾救援设备系统的运营维护问题，也应引起运营管理部门的高度重视，实行定期维护，保持其使用的有效性。

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