川藏铁路易贡特长隧道设计方案研究

陈敬军，李国良，陈绍华，许 宇，朵生君

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043；2.特殊复杂环境下长大隧道建造技术铁路行业工程研究中心，西安 710043)

1 概述

易贡隧道位于西藏自治区林芝市境内，长42.362 km，为川藏铁路第一长隧。隧道整体上沿G318国道北侧傍山引线，线位距离国道最远处约2.4 km。隧道设计为2座单线隧道，进口段线间距约21 m，洞身段线间距40 m，出口段线间距为9.8 m，人字坡，设计速度200 km/h。

隧道走行于青藏高原东南部的高山峡谷区，地形起伏大、山体陡峭、沟谷深切，高山山顶海拔超过5 000 m，常年积雪覆盖，隧道轨面高程2 400～2 750 m，最大埋深约1 506 m。隧道邻近G318国道，两端洞口和辅助坑道口均可修便道接通国道，交通较便利。

本隧道特殊的地理位置、复杂的地质条件和巨大的工程规模，决定了线路方案、分合修和总体施工方案等重大设计方案，以及机械化施工、防灾救援等关键技术问题将是方案研究的重难点。本文从工程建设期和运营期等多方面进行了技术经济比较，确定了合理的设计方案。

2 区域地质背景

2.1 区域地质构造背景

隧址区总体位于喜马拉雅东构造结地区北部，青藏高原的中东部。一级构造单元属冈底斯-念青唐古拉地块(冈底斯—喜马拉雅造山系)，二级构造单元属拉达克—冈底斯—察隅弧盆系，三级构造单元属狮泉河—申扎—嘉黎蛇绿混杂岩带(Ⅲ1-3)。它是印度洋板块向欧亚板块俯冲、楔入的最前缘，横跨冈底斯—拉萨地块、雅鲁藏布缝合带和喜马拉雅地块三大地质单元[1-2]。区域地质构造见图1。

图1 易贡隧道区域地质构造示意

隧址区是现今地球上构造活动最强烈、地貌演化最快的地区之一，3Ma以来，南迦巴瓦峰地区的岩石隆升速率达3.4～6.9 mm/a。印度板块与欧亚板块的碰撞开始了青藏高原的形成与演化，伴随着青藏高原的演化，雅鲁藏布江下游地区形成了一系列的大型区域性活动断裂带，主要包括：雅鲁藏布江断裂带、嘉黎—易贡断裂带、扎木一马尼翁断裂带、米林断裂带等，该些断裂带不仅控制了雅鲁藏布、易贡藏布、帕隆藏布等河流的走向，同时也影响了测区不良地质的发育和分布[3-4]。易贡隧道附近主要断裂分布见图2。

图2 易贡隧道附近断裂位置分布

2.2 新构造运动与地震

隧址区新构造运动主要表现为地壳强烈隆升、地震多发、河流侵蚀作用强烈。特殊的第四纪地质环境，使之成为崩塌、滑坡、泥石流多发区。强震阶段性发生，诱发大量的地质灾害，甚至形成灾害链。另外，随着出现全球气候变暖，冰川后退，冰雪融水増加，西藏雨水逐年增多，这些外动力地质作用也加剧了区内地质灾害的发生[5-7]。

根据专题研究分析，对本段铁路工程建设影响较大的泥石流沟共发育有292条，其中，冰川和冰水混合型泥石流229条，暴雨型泥石流63条[8-9]。从全区段范围看，中度及以上危险等级的泥石流沟占80%，这些泥石流危险度高，对铁路工程建设影响较大。隧道沿线泥石流风险性评估结果见图3。

图3 易贡隧道沿线泥石流危险性分布示意

根据中国区域地震带划分方案，隧址区主要涉及喜马拉雅山地震带和藏中地震带，是中国大陆地震活动强烈地区之一，历史地震非常频繁，具有地震活动强度大、频度高的特点。隧道区域破坏性地震统计结果见图4。

图4 区域历史破坏性地震震中分布(M≥4.7，至2019年)

3 线路方案选择

本段线路方案研究重点从工程可靠性、可实施性出发考虑规避雅鲁藏布缝合带的构造影响，同时兼顾环保和经济性等因素[10-11]，按照绕避或大角度通过构造断裂，研究了帕隆藏布北岸方案(红线)、两跨帕隆藏布绕避缝合带取直方案(粉线)、两跨缝合带大取直方案(蓝线)、两跨缝合带小取直方案(绿线)4个方案，各方案布置见图5。

图5 波密至鲁朗段4个走向方案示意

帕隆藏布北岸方案主要走行于缝合带外侧，位于冈底斯岩浆弧，围岩以花岗岩等硬质岩为主，隧道埋深浅，岩爆、地热等问题较小，桥梁工程、车站工程等设置条件较好，线路对环境敏感点影响小，推荐采用。

本段线路沿线山体和沟谷易发滑坡和泥石流灾害，除茶隆隆巴曲(以下简称茶曲)具备线路露头条件，其余沟谷均不能露头，对应段落也不适宜设置明线。茶曲是一条高频易发泥石流沟(百年一遇的泥石流最大影响高度为26.45 m)，距离通麦车站约12 km，为了确定线路的合理穿越形式，研究了上跨茶曲方案(易贡隧道长42.4 km)及下穿茶曲方案(易贡隧道长54.8 km)，两个线位方案示意见图6。

图6 波密至通麦线路方案示意

两个方案的综合对比情况见表1。下穿茶曲方案虽然避免了茶曲露头泥石流风险，但隧道埋深增大(最大埋深增加131 m)，岩爆风险增加(预测岩爆增加0.98 km)，辅助坑道增长1.45 km，工期增加2.1月，工程投资增加4.45亿元。此外，下穿茶曲方案易贡隧道长度大幅增加，隧道养护、通风及防灾救援难度增大。综上，考虑到本隧道超长且地处高原、地质条件复杂，为了有效控制隧道建设、运营期风险，推荐上跨茶曲方案。

表1 波密至通麦线路方案综合评价

4 工程及水文地质条件

隧道洞身主要位于片麻岩、片麻岩夹大理岩和花岗岩等硬岩地层，隧道进出口斜坡地表分布有坡积及坡洪积地层，主要地层岩性分布如表2所示，代表性岩层的岩芯照片见图7。隧道围岩以Ⅲ级围岩为主，其中Ⅱ级占1.06%，Ⅲ级占69.63%，Ⅳ级占25.22%，Ⅴ级占4.09%。

表2 易贡隧道洞身主要地层岩性分布

图7 隧道典型地层钻孔岩芯

隧道实测最大水平主应力值为36.16 MPa(936 m深处)，预测最大水平主应力值为48.91 MPa，隧道轴线方向与最大水平主应力方向呈小角度相交至近于平行；预测中等岩爆段长度约2.8 km，强烈岩爆段长度约0.4 km。

F48嘉黎—帕隆藏布断裂长距离伴行于易贡隧道，洞身位于该断裂北侧，并行段最新破裂面与线路最小距离为710 m(出口端附近)，与断层影响带最小距离为165 m。该断裂是一条区域性长大断裂，为全新世活动断裂。在线路附近沿帕隆藏布河谷展布，断层破碎带宽度可达400～900 m，最新一次活动在距今2 000～3 000年之前。断层走向北西，北东倾向为主，表现为右旋走滑，兼有逆冲分量，走滑速率2～3 mm/a。发生大地震，此断裂可能发生错断，极端情况下最大位错量可达到5～6 m。

隧道大角度穿越9条断裂及支断裂，总长1 230 m，断层带主要为碎裂岩，9条断层的主要特性和与线路关系如表3所示。

表3 易贡隧道穿越断层特性与线路关系

本隧道深孔实测洞身温度33.46 ℃，预测热害轻微段落(28 ℃

易贡隧道整体属于雅鲁藏布江水系，洞身经过各沟水量较大，枯季流量为11 440～211 764 m3/d，均汇入帕隆藏布，均为雅鲁藏布江三级水系，地表水系分布见图8。隧道地下水分为基岩裂隙水、构造裂隙水两种类型，以弱-中等富水为主，局部下穿地表沟谷和断层带等区段强富水(长度约占隧道总长的5%)，预测全隧道最大涌水量178 276 m3/d。

图8 易贡隧道地表水系分布示意

据勘察揭示，本隧道还存在花岗岩、闪长岩、片麻岩的蚀变带，二氧化碳等有害气体，以及洞口的危岩落石等不良地质问题。

5 隧道设计方案研究

5.1 隧道分合修方案选择

根据国内外调研情况[12-16]，结合川藏铁路所经区域自然环境特征及隧道工程特点，经分析影响川藏铁路隧道分合修的主要因素有：运营安全、养护维修及运营保通性、建设安全、工期风险、接线条件、工程投资、环境保护等多个方面。本隧道开展了“合修”、“合修+贯通平导”和“分修”方案的比选研究，各方案的平面示意见图9，主要方案比较见表4。

表4 易贡隧道分合修方案比较

图9 分合修方案平面示意(单位：m)

综上所述，在建设安全、运营安全和建设工期等方面，分合修方案均能满足要求；分合修方案的主要差异在于合修方案工期更短、投资较低，分修方案更有利于运营期的疏散救援和提高运营保通性。本隧道辅助坑道条件较好，工期风险相对较低，无需设置贯通平导。

考虑本隧道长度42.4 km，统筹考虑工程建设和未来运营，贯彻“以人为本、生命至上”的理念，推荐采用分修方案。

5.2 总体施工方案选择

5.2.1 TBM适应性分析

本隧道以硬质岩为主，大部分段落完整性较好，Ⅱ级、Ⅲ级围岩总长约29.9 km，占隧道总长的70.7%。根据取样试验，片麻岩平均单轴饱和抗压强度88.52 MPa，耐磨性CAI平均值3.46(整体为高)[17-18]，凿碎比功平均值为116.24 kg·m/cm3；花岗闪长岩平均单轴饱和抗压强度95.11 MPa，耐磨性CAI平均值4.16(整体为很高)，凿碎比功平均值为113.98 kg·m/cm3。

根据隧道地质纵断面和岩石试验成果分析，本隧道的TBM适应性分析如下。

(1)本隧道以Ⅱ、Ⅲ级围岩为主，围岩条件较好、岩石参数较适合TBM掘进，且预测洞身除断层带以外主要为基岩裂隙水弱富水区，总体上适宜TBM施工。

(2)洞身Ⅴ级围岩主要为隧道进出口和9条断层范围，Ⅳ级围岩主要为岩性接触带、断层影响带、节理密集带等段落，上述段落岩体较破碎、完整性较差；预测涌水量大，存在突涌水或集中涌水的风险，TBM施工难度大、风险高，TBM适应性较差。如采用TBM法施工，宜采用钻爆法提前施工。

(3)本隧道洞身段大部分段落适应TBM施工，其中进口段(约20.9 km)主要为片麻岩地层，分布有2条断层(总长150 m)、4段节理密集带，岩性单一、不良地质问题较少，TBM适应性较好；隧道出口段(约15.5 km)分布有7条断层(总长1 080 m)，10段节理密集带和多处岩性接触带，局部有蚀变岩分布，TBM适应性较差。

因此，本隧道TBM施工方案重点针对进口段采用TBM法进行研究。

5.2.2 施工方案比选

根据地形、工程地质、水文地质、辅助坑道设置等条件，结合铁路总体建设方案，本隧道开展了“全钻爆法”和“钻爆法+进口段TBM法”两种方案的比选研究，主要比较内容见表5。

表5 易贡隧道总体施工方案比较

综上所述，易贡隧道采用TBM施工，可以提高隧道施工机械化水平和效率、降低高原施工工人的劳动强度、改善施工作业环境、适当减少对G318国道的影响，但是在施工通风和施工风险等方面并无明显优势，虽可缩短工期但相比99个月的允许工期富余较多，同时存在弃渣量增加、工程投资高等缺点，推荐全钻爆法方案。

推荐方案的隧道总体施工方案见图10。

图10 易贡隧道总体施工方案示意(单位：m)

5.3 机械化、信息化施工

5.3.1 机械化配套设计

以“分级配置、少人化、保证施工质量和安全必配、减轻劳动强度和有利提高功效、有利平行作业”为配套原则[19-20]，全隧道采用大型机械化配套，正洞和辅助坑道的机械配套见表6。

表6 易贡隧道机械化配套设备

5.3.2 信息化施工

隧道施工全面推广信息化，主要应用在以下几方面：(1)施工现场关键工序视频监控系统；(2)施工人员进洞管理系统；(3)隧道围岩监控量测信息系统；(4)超前地质预报信息化系统。

通过图像、数据远程传输，获得最及时、最直观的现场信息，将监控量测和地质预报成果在现场和后方之间实时共享，实现远程监控、调度、指导设计与施工，提高施工效率，确保施工质量和安全，为智能化建造奠定基础。

5.4 防灾救援设计

(1)防灾救援总体原则

本隧道防灾救援遵循“以人为本、安全疏散、自救为主、方便救援”的原则[21-23]，对于旅客列车火灾工况，采用紧急救援站定点疏散模式为主。

(2)隧道紧急救援站间距按不大于20 km控制。

(3)易贡隧道与通麦隧道组成隧道群(两隧之间明线段182 m)长54.867 km，采用两座救援站方案，紧急救援站长度按550 m设计。救援站布置方案如图11所示。

图11 易贡隧道救援站布置(单位：m)

(4)为满足运营期间通风和火灾期间排烟需要，左右线隧道内各设置8组48台射流风机，2号横洞和5号横洞作为防灾排烟风井，分别在洞内设置轴流风机2台；每座救援站间隔50 m设12个疏散横通道；设置5处排烟竖井，间隔100 m，排烟竖井通过横、纵向排烟通道与横洞相连，利用横洞作为火灾期间排烟通道，将隧道内烟雾排入大气中，新鲜风则由安全隧道提供。救援站的排烟系统如图12所示。

图12 易贡隧道排烟系统平面示意

6 结语

本文重点研究了线路方案选择、隧道分合修和总体施工方案选择等重大设计方案，并对机械化和信息化施工、防灾救援等关键技术问题进行系统论述，采用综合比选法，提出了高原特长隧道设计方案。主要结论如下。

(1)隧道所处区域内外动力地质作用强烈，地质构造和地表灾害发育，考虑规避雅鲁藏布缝合带的构造影响，同时兼顾环保和经济性等因素，选择工程设置条件较好、可靠性和实施性较高、对环境敏感点影响小的帕隆藏布北岸方案。由于沿线山体和沟谷易发滑坡和泥石流灾害，除茶曲以外沟谷均不宜露头；同时考虑到地处高原、地质条件复杂，为了有效控制隧道建设、运营期风险，推荐上跨茶曲42.4 km长隧道方案。

(2)本隧道长度42.4 km，分合修方案均能满足建设期和运营期各方面要求，合修方案工期更短、投资较低，分修方案更有利于运营期的疏散救援和提高运营保通性，统筹考虑工程建设和未来运营，推荐采用分修方案。

(3)本隧道沿G318国道敷设，辅助坑道条件较好，进口段地质条件较适宜TBM施工，虽然采用TBM施工可以提高施工机械化水平、降低劳动强度、改善施工环境、减少对G318国道的交通影响，但因投资高、隧道工期较富余等因素，推荐采用全钻爆法的总体施工方案。

(4)以“分级配置、少人化、保证施工质量和安全必配、减轻劳动强度和有利提高功效、有利平行作业”为配套原则，全隧道采用大型机械化配套，并全面推广信息化施工。

(5)按照“以人为本、安全疏散、自救为主、方便救援”的原则，设计2座紧急救援站，建立完善的疏散设施及救援系统。