国内外特长山岭铁路隧道单、双洞长度分布特征研究

2021-08-03谢雪怡

隧道建设(中英文) 2021年7期

李琦，王雪，杨畅，李敏，朱乔，谢雪怡

(四川农业大学建筑与城乡规划学院，四川成都 611830)

0 引言

随着我国经济的持续发展，铁路隧道得到了前所未有的迅速发展。目前，我国已成为世界上隧道数量最多、发展速度最快、地质及结构形式最复杂的国家[1]。截至2020年底，我国投入运营的铁路隧道共16 798座，在建的铁路隧道共2 746座[2]。

国内外相关规范以及学者对特长铁路隧道的单、双洞选择进行了研究。如：国际铁路联盟UIC-Codex 779-9/R《Safety in railway tunnels》指出，相比较于单洞隧道，双洞隧道更有利于事故后疏散救援，但其造价高，占地多，最终洞线型式要综合比选后确定。德国DSC800—01《General design principles of railway engineering design》指出，当隧道地质条件较好、无强制性原因时，双线铁路应设计为单洞型式。国内铁路隧道相关设计规范[3-4]指出，特长铁路隧道多选用单洞型式，并根据地质条件、施工方式和疏散救援等综合研究确定。马志富[5]指出长度在20 km以下的铁路隧道多依据施工方法来确定单、双洞型式；长度在20 km以上的铁路隧道需根据地质条件、线路条件、施工方法等因素综合考虑单、双洞型式。赵勇[6]提出应结合线路设计标准、设备运营要求、投资等因素综合确定特长铁路隧道的单、双洞型式。王梦恕等[7]从施工通风方式、设备投入及快速施工等方面出发，提出双线铁路隧道优先选用单洞型式的设计理念。刘赪[8]通过对国内外特长铁路隧道火灾应对策略及火灾工况下疏散模拟等进行对比分析，得出特长铁路隧道可以采用单洞双线方案。刘鹏[9]从岩溶段涌突水风险、接触带塌方风险等方面进行比较，得出双洞方案对施工系统性风险控制更为有利。朱勇等[10]以云屯堡隧道为例，从结构抗震、运营通风、工程投资、施工组织、弃渣与环保、结构、施工风险和防灾救援等方面出发，得出单洞方案较优的结论。李辉[11]以西成高铁老安山隧道为例，从地形、地质条件、技术、经济、舒适度和防灾救援等方面出发，认为应采用双洞型式。张剑等[12]指出从工期、施工难度、防灾救援和隧道通风方面考虑，双洞单线型式更优；从工程造价、运营维护方面考虑，单洞双线型式更优。

综上所述，国内外针对特长铁路隧道单、双洞选型的研究主要集中于地质地形、施工方式及防灾救援等方面，而关于隧道长度与单、双洞分布特征的研究较少。本文选取国内已建特长山岭铁路隧道184座，在建特长山岭铁路隧道85座；国外已建特长山岭铁路隧道41座，对特长山岭铁路隧道单、双洞分布特征进行研究。

1 国内特长山岭铁路隧道单、双洞长度分布研究

1.1 已建特长山岭铁路隧道

选取已建特长双线山岭铁路隧道184座，其中，单洞双线隧道155座，双洞单线隧道29座。国内部分已建特长山岭铁路隧道统计如表1所示。

表1 国内部分已建特长山岭铁路隧道统计

由表1可知：我国目前已建的最长山岭铁路隧道是新关角隧道(长32.645 km)，为双洞单线型式；已建的最长单洞双线山岭铁路隧道是石林隧道(长18.208 km)。国内已建特长山岭铁路隧道长度分布如图1所示。

图1 国内已建特长山岭铁路隧道长度分布

由图1可知：隧道长度10 km20 km时，洞线型式基本选用双洞单线型式。

1.2 在建特长山岭铁路隧道

选取在建特长双线山岭铁路隧道85座，其中，单洞双线隧道82座，双洞单线隧道3座。国内部分在建特长山岭铁路隧道统计如表2所示。

由表2可知：我国目前在建的最长单洞双线山岭铁路隧道为宝灵山隧道(长26.469 km)，其次为云屯堡隧道(长22.923 km)；在建的最长双洞单线山岭铁路隧道为色季拉山隧道(长37.956 km)。国内在建特长山岭铁路隧道长度分布如图2所示。

表2 国内部分在建特长山岭铁路隧道统计

图2 国内在建特长山岭铁路隧道长度分布

由图2可知：在建特长山岭铁路隧道多选用单洞双线型式，较少部分选用双洞单线型式，其中采用单洞双线型式的隧道占96%，隧道长度多集中在10～20 km。但也存在特殊案例，如宝灵山隧道(长26.469 km)、云屯堡隧道(长22.923 km)、甘青隧道(长22.380 km)、小相岭隧道(长21.775 km)和康定二号隧道(长20.793 km)。

1.3 已建和在建特长山岭铁路隧道单、双洞长度分布对比

已建和在建特长山岭铁路隧道的单、双洞型式在隧道不同长度下的分布存在差异。国内特长山岭铁路隧道长度分布对比如表3所示。

由表3可知：隧道长度10 km20 km时，已建的单洞双线隧道占0%，在建的单洞双线隧道占71%。

表3 国内特长山岭铁路隧道长度分布对比

截至2020年底，已建和在建特长山岭铁路隧道总数中，单洞隧道数量增长约30%，双洞隧道数量增长约1%。因此，随着铁路隧道的建设和发展，在建单洞双线隧道数量逐渐增加，且隧道的修建长度越来越长，20 km以上的特长隧道数量由0座增至5座。

2 国外特长山岭铁路隧道单、双洞长度分布研究

选取国外特长山岭铁路隧道41座，其中，亚洲(除中国外)特长山岭铁路隧道19座，欧洲特长山岭铁路隧道22座。国外部分特长山岭铁路隧道统计如表4所示。

表4 国外部分特长山岭铁路隧道统计

由表4可知：亚洲(除中国外)最长的单洞双线山岭铁路隧道为日本的八甲田隧道(长26.455 km)；欧洲最长的单洞双线山岭铁路隧道为意大利的亚平宁隧道(长18.519 km)，最长的双洞单线山岭铁路隧道为瑞士的圣哥达基线隧道(长57.600 km)。国外特长山岭铁路隧道长度分布如图3所示。

由于国情、设计理念等因素的不同，各个国家在隧道洞线型式的选择上存在较大差异。以日本、韩国为代表的亚洲国家，特长山岭铁路隧道基本选用单洞双线型式，长度超过20 km的特长单洞双线山岭铁路隧道有5座，占比约为26%。欧洲特长山岭铁路隧道多选用双洞单线型式，尤其针对长度超过20 km的特长山岭铁路隧道，其洞线型式基本为双洞单线型式，而长度在20 km以下的山岭铁路隧道，其单、双洞型式数量比约为3∶2。

图3 国外特长山岭铁路隧道长度分布

3 国内外特长山岭铁路隧道单、双洞典型案例分析

3.1 国内已建特长山岭铁路隧道

3.1.1 石林隧道(单洞双线)

石林隧道总长18.208 km，位于云桂铁路弥勒至石林板桥区间，是全国最长的单洞双线隧道，也是世界上最长的采用钻爆法施工的岩溶隧道。隧道工程地质条件复杂，岩溶风险较高，不具备辅助坑道条件，运用综合超前地质预报，为安全施工提供信息支持[13]。根据不同的岩溶形态，采用科学合理的穿越方式，保证施工质量，节约工期[14]。相比较于单洞型式，采用双洞型式建设成本增加较多。单洞双线隧道平面示意如图4所示。

图4 单洞双线隧道平面示意图

3.1.2 中条山隧道(双洞单线)

中条山隧道总长18.410 km，隧道线路穿越中条山山脉，是浩吉铁路全线地质条件最复杂的隧道。地质条件差，地应力高，褶皱、断裂及其他构造行迹均很发育，地层含水量较大，在隧道施工中容易出现突水涌砂、塌方和大变形等问题，在运营期间可能会出现基底翻浆冒泥，从而严重影响隧道施工和运营安全[15-16]。考虑到地质条件、施工运营安全、防灾救援及隧道通风等因素，最终选用双洞单线型式。双洞单线隧道平面示意如图5所示。

图5 双洞单线隧道平面示意图

3.2 国内在建特长山岭铁路隧道

3.2.1 昭通隧道(单洞双线)

昭通隧道总长16.255 km，位于四川盆地南缘与云贵高原之间的斜坡过渡带，是渝昆高速铁路的控制性工程，也是全线高压富水岩溶隧道的代表性工程。工程地质及水文地质条件复杂，岩溶、煤矿采空区、泥石流、有害气体等集中[17]，为应对岩溶和满足高速运行条件，按照“抬标高、靠河边、快通过”的原则，采用顺坡施工。在施工技术的支持下，采用单洞双线型式可满足要求。

3.2.2 榴桐寨隧道(双洞单线)

榴桐寨隧道总长16.262 km，位于岷江断裂带南段，是成兰铁路重难点工程，具有“四极三高”的显著特点：地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震影响极为显著；地应力高、地震烈度高、地质灾害风险高[18-20]。软岩大变形很发育，采用单洞型式难以满足施工要求，考虑到施工安全、防灾救援及隧道通风等因素，最终选择采用双洞单线型式。

综上，特长山岭铁路隧道首选单洞双线型式，当地质条件差、隧道长度过长时，隧道洞线型式应从施工运营安全、防灾救援及隧道通风等方面综合考虑。

3.3 国外特长山岭铁路隧道

3.3.1 亚平宁隧道(单洞双线)

亚平宁隧道总长18.519 km，位于意大利亚平宁山脉，是当时世界上最长的双线山岭铁路隧道。隧道穿越砂质片麻岩、页岩和砂岩等地层，多为坚硬和牢固的岩石，围岩整体性较好。虽然隧道长度近20 km，但隧道地质条件较好，故采用单洞双线型式即可满足稳固性要求。

3.3.2 圣哥达基线隧道(双洞单线)

圣哥达基线隧道总长57.600 km，位于欧洲中南部，全线贯穿阿尔卑斯山脉，是世界上最长、覆土最深的铁路隧道[21]。隧道地质构造主要由高强度的火成岩和变质岩组成，在挤压、构造应力增大和温度升高的作用下，岩石力学特性恶化，地质灾害风险高[22]。虽然隧道岩性条件较好，但由于隧道长度过长、地质风险高,从地质条件、疏散救援和隧道通风等方面综合考虑，选用双洞单线型式。