青藏铁路新关角隧道

2017-08-01陈绍华,李志平,马栋

隧道建设(中英文) 2017年7期

青藏铁路新关角隧道

1 工程意义

青藏铁路西宁—格尔木段修建于1950—1970年，是青海、西藏两省区与内地进行人员、物资交流的主要运输通道和经济联系的纽带，受修建技术水平及综合国力等限制，既有铁路技术标准低、运营条件差，且既有关角隧道(4 010 m)病害频繁产生，养护维修工作量巨大，投入费用较高。

随着21世纪中国加快推进西部大开发战略，西宁—格尔木段的运输能力已不能适应区域社会、经济发展的需要，故增建二线势在必行。新关角隧道是该项目的控制性工程，是中国最长的铁路隧道，也是海拔3 000 m以上世界第一长隧，建设难度极大。

新关角隧道的建成，使天棚车站到察汗诺车站区间缩短线路长度36.82 km，运行时间由原来的2 h缩短为20 min，使列车的运行能力由22对提升为180对，为在青藏高原再次修建长隧道提供了成功的参考案例，也为穿越喜马拉雅山脉，实现国家“一带一路”战略，与南亚国家共同发展提供了技术与运能储备。

2 工程概况

2.1 线路概况

新建关角隧道是青藏铁路西宁—格尔木段增建第二线的控制工程，位于青海省天峻县和乌兰县，全长32.690 km，进口高程为3 380.26 m，出口高程为3 324.05 m。

隧道设计为2座平行的单线隧道，线间距40 m，均位于直线段(见图1)。隧道进口段为8‰的上坡，在岭脊设过渡坡段后以9.5‰的坡度连续下坡。设计旅客列车行车速度目标值为160 km/h，采用双块式无砟轨道。

图1 线路平面示意图

2.2 气候及地质概况

隧道平均海拔3 400 m，区域内年平均气温-0.5 ℃,极端最低气温-35.8 ℃。隧道区岩浆岩、沉积岩、变质岩同时出现，岩性变化频繁。位于新构造活动强烈的青藏高原东北缘，区内断裂及褶皱发育，由f3、f17、f20、f22、f23、f25断层组成的二郎洞断层束长达3 000 m，存在应力集中现象，灰岩地层岩溶裂隙水发育，隧道洞口段还穿越550 m细砂地层(见图2)。

3 工程难点及施工方案

3.1 工程难点

新关角隧道建设面临一系列的技术难题。

1)自然环境极其恶劣。隧道位于青藏高原，高寒缺氧，最大埋深900 m，施工通风距离达5 000 m，洞内氧气含量低，仅为平原地区的60%，严重影响作业人员身体健康和机械设备效率，施工环境保障面临极大挑战。

2)地质条件极其复杂。隧道通过3条区域性宽大断裂带，受到极高地应力作用，变形控制难度大，穿越长10 km的高压富水灰岩地层，风险极高。

3)高海拔特长隧道的运营通风、防灾救援及旅客疏散等运营安全技术均无成熟的经验可借鉴。

图2 隧道地质纵断面图

3.2 施工方案

新关角隧道洞口及斜井口海拔3 300～3 800 m，在构造带附近会发生大变形，在河沟附近存在高压涌水风险。采用TBM方案存在技术和工期风险，综合考虑TBM施工不能利用隧道弃碴作为混凝土骨料、TBM设备制造时间等问题，最终选择钻爆法施工方案。

4 工程关键技术

4.1 复杂地质问题处理技术

新关角隧道位于新构造活动强烈的青藏高原东北缘,建设过程中多个区段发生了大变形(见图3)。采取的技术措施如下： 1)调整隧道开挖轮廓边墙曲率，使结构趋于圆形，改善受力状况； 2)加强初期支护的钢架、喷混凝土厚度及锚杆长度； 3)加大预留变形量，允许适度变形； 4)针对水平应力大、水平收敛变形大的特征，采用不等厚结构控制隧道变形，仅加厚隧道边墙，针对性地加强抵抗水平荷载的能力。

(a) 现场变形照片 (b) 变形段隧道断面

图3 隧道变形(单位： cm)

4.2 涌水处理技术

新关角隧道在穿越河沟时，发生了高压涌水(见图4)。施工中除采用多级泵站进行排水外，还实施了超前预注浆堵水。在线状涌水发育的段落，开挖后采用高分子化学材料实施了径向注浆堵水(见图5)。

图4 高压涌水图5 帷幕注浆

4.3 施工通风与健康保障技术

为克服高海拔缺氧环境造成的施工效率下降和职业健康保障问题，主要采取了如下技术措施：

1)采用多工作面同时施工，克服单个工作面进度缓慢的问题。

2)采用斜井隔板通风技术(见图6)，为多个工作面同时供风。采用可重复利用的材料，拼装成隔板对斜井进行分隔，利用斜井顶部空间作为供风道并安装射流风机，在斜井井底设置风仓，通过轴流风机接力向4个工作面供风。这种方法不但能保障隧道施工必要的新鲜空气供应，解决长距离送风的问题，而且供风量大，解决了多个工作面同时施工的通风需求，使高海拔条件下独头通风长度达到5 000 m，为钻爆法施工特长隧道提供新的通风和施工模式。

3)在工作面附近为作业人员提供氧气袋进行补氧，在隧道口和斜井口建立高压氧仓(见图7)，保证职业健康。

图6 施工供风方案图7 高压氧仓

4.4 钻爆法斜井皮带出碴技术

在长大斜井内设置皮带运输机出碴系统(见图8)，在中国首次将皮带运输系统成功应用于钻爆法施工的隧道，极大地减少了重载出碴车辆爬坡排放的重污染尾气，保障了工作人员的职业健康，提高了出碴速度和综合掘进效率。

(a) 井口皮带机 (b) 井底皮带机

图8 皮带运输机出碴系统

4.5 防冻害技术

在高海拔严寒地区，隧道洞口段一旦出现渗漏水，隧道衬砌上将会结冰，在最冷的月份，水沟内也会发生结冰现象，这些冻害将严重影响行车安全。为防止隧道洞口段发生病害，主要采取了如下技术措施：

1)严格控制防水板的铺设质量，提高混凝土的抗渗等级，防止隧道发生渗漏水。

2)在隧道洞口段设置防寒泄水洞(见图9)，大量的隧道水通过泄水洞排泄至洞口附近的河沟。

3)洞口段4 km范围内隧道侧沟设置保温材料(见图10)，减少热交换。

图9 防寒泄水洞图10 保温水沟

4)洞口段2 km范围内隧道侧沟采用电加热技术，在最冷月份对侧沟直接进行加热，防止隧道水沟结冰。

4.6 运营通风技术

首次在高海拔隧道内利用列车活塞风进行通风换气，很好地解决了运营通风问题。

在电气化铁路隧道中，列车运行产生的污染相对较少。按照“挤压”理论，列车在经过5.3～5.5次后，列车活塞风即可将新关角隧道内的空气置换1次。实际上，仅运营的客车即可使隧道内的空气每天置换2.4次。实际运营情况表明，隧道内空气控制质量良好。这种自然换气的方法节约了大量的风机和供电设备的运营和维护费用，实现了低碳运营。

4.7 防灾疏散救援技术

首次在高海拔隧道内设置紧急救援站(见图11)，为在高海拔隧道设置防灾疏散救援系统提供了中国模式。

图11 紧急救援站

结合中国经济发展水平和铁路运营管理特点，按照保证人员疏散安全、自救为主的思路以及2管隧道的运营系统和通风排烟系统相互独立的原则设置紧急救援站。在紧急救援站，2管隧道通过加密的疏散横通道(间距50 m)连接，以满足灾害条件下的疏散要求；2管隧道采用相互独立的供风排烟系统，即隧道口附近设置射流风机，向隧道内加压，通过疏散横通道向火灾的隧道供风，满足疏散中人员迎着新鲜风逃逸的需求，通过均匀设置的竖井，及时从隧道顶部排烟；2管隧道为完全独立的运营系统，在区间内不设置联络2隧道的渡线。

4.8 环境保护措施

工程建设中高度重视环境保护，未对所在区域环境造成影响。主要采取如下措施：

1)选择从底部穿越青海南山的隧道方案，缩短线路长度明显，从选线开始就最大限度地减少对环境的破坏。

2)在隧道口设置污水处理系统，保证排放的施工污水达标，最终排入布哈河，施工排水未对国家二级保护动物青海湟鱼产生影响，湟鱼的数量也在稳步回升。

3)为了解隧道修建对环境的影响，在隧道区域设置气象站，进行水文环境和气候长期监测。实践证明，新关角隧道的修建未对当地的气候环境造成影响，未发现植被出现异常的现象，也未改变区域内青海湖汇水逐年增长、湖面逐年升高的趋势。

4)在弃碴场设置必要的挡护及排水工程，对碴顶和坡面进行绿化，竣工后对施工场地、营地、施工便道进行环境恢复工作，使竣工后基本恢复了原地貌。施工过程中对所有的占地均进行高原草皮的临时堆放保存，施工完成后直接用于弃碴场绿化和临时用地的环境恢复，从而避免因绿化需要而新增大量取土场的情况。