铁路特长隧道分、合修影响因素及原则探讨

毕 强，李 伟，林世金

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

引言

近年来，随着我国西部地区铁路的加速建设，出现了大量特长隧道，仅某高原铁路某段特长隧道就多达36座。特长隧道分修、合修方案选择，主要涉及建设和运营两大层面，是项目建设时需要重点研究决策的问题，目前国内也有大量的研究，但设计理念和关注的重点也不完全相同。有学者结合具体工程实例从防灾救援、运营维修、空气动力学、施工组织、地形、地质及工程投资等方面对分、合修方案进行比较，提出了推荐方案[1-4]。也有学者分析论证了分、合修优缺点，给出了量化评价的方法。马志富[5]结合某隧道分合修方案比选，给出了量化指标的思路；王明年[6]提出在明确铁路隧道分、合修洞型选型影响因素的基础上，可利用AHP_熵权法计算指标权重，并结合模糊综合评价方法制定指标评价标准。关于防灾疏散救援对分合修影响问题，刘赪[7]重点从防灾疏散救援方面进行分析对比，认为列车在隧道内着火时，绝对安全是不可能实现的，但可以通过合理的措施把风险降低到一个可以接受的低水平，提出合理设置通风排烟及疏散工程(紧急救援站等)后，特长隧道可以采用合修方案。关于高海拔特长隧道防灾救援、疏散技术问题，有学者[8-9]提出分修隧道，在隧道两端洞口设置射流风机，火灾时自洞口向洞内加压，由安全隧道向事故隧道供风的方案，简单可靠、经济合理。也有学者对某复杂艰险山区高原铁路设计理念及方案进行了研究[10-13]，提出由于合修方案在节省投资方面有一定优势，如设置兼顾救援、疏散、维护和排水等多重功能的服务隧道，则可弥补在运营和防灾救援方面的劣势。

总体来看，业界对分、合修已做了大量研究工作，也有初步的定量分析案例，但未就影响特长隧道分、合修方案选择的因素和设计原则进行系统性归纳和总结，并不便于工程技术人员掌握和运用。

1 分、合修现状

1.1 国外特长隧道分、合修情况

1.1.1 有关规范、规定

UIC规程并未明确规定，但指出与单洞隧道相比双洞隧道可以避免因列车脱轨而阻断邻近的轨道，并能够在发生事故(特别是火灾事故)时能更好地进行疏散救援，考虑到工程占地多、工程投资高，需通过综合比选确定方案。

欧盟铁路系统(TSI)规定隧道的紧急出口间距不超过1 km，当合修隧道难以按此规定设置紧急出口时，可考虑采用分修方案。

日本相关规范中对于铁路隧道分、合修也无明确规定，分、合修方案主要考虑其安全性、经济性及实用性，同时，综合运输需求、地形地貌、水文地质、施工场地条件、环境保护要求以及规划等因素，经比选后确定。

1.1.2 分、合修统计情况

从国外特长隧道分、合修统计情况看(表1)，长度20 km以下隧道以合修为主，占比约90%；长度大于20 km的15座隧道中，分修隧道9座占60%，合修隧道6座占40%，分修略多于合修。

表1 国外铁路特长隧道分合修情况统计[14]

从不同国别及地区来看，日本、韩国隧道不论长短基本采用合修方案；欧洲国家20 km以上隧道基本采用分修方案，且分修隧道中大多采用TBM法施工。国外20 km以上铁路隧道分合修情况统计见表2。

表2 国外20 km以上铁路隧道分合修情况统计[14]

综合分析，国外对特长隧道分、合修无统一的规定，但更注重运营安全，方案的选取主要考虑防灾疏散救援以及养护维修的需求[15-16]。

1.2 国内特长隧道分、合修情况

1.2.1 有关规范、规定

国内有关规范指出“在松软地层、不良地质地段修建隧道时，跨度大小对隧道工程的影响较其他地区更为显著，往往修建2座单线隧道较修建1座双线隧道较易于保证工程质量和施工安全。一般情况下，长距离穿越高地应力软岩、含水砂层、风积沙、强膨胀岩(土)地层的新建特长双线铁路隧道，多采用双洞单线隧道方案；长度20 km及以上的特长双线隧道，从防灾救援方面考虑，采用双洞单线隧道方案”[17-18]。

1.2.2 分、合修统计情况

统计显示，国内在建和运营的228座10 km以上铁路特长隧道中(不含某高原铁路)，长度10～20 km的以合修为主，长度20 km以上的以分修为主。见表3。

表3 国内10 km以上铁路特长隧道分合修统计[19]

2 影响因素及量化评价

综合国内外特长隧道分、合修现状及有关规范标准要求，同时参考高原铁路特长隧道分、合方案选择，经系统梳理特长隧道分、合修方案选择应综合考虑建设阶段及运营阶段的需求来确定，主要影响因素如图1所示。

图1 特长隧道分、合修方案主要影响因素

2.1 建设阶段

2.1.1 建设安全

建设安全风险主要来源于不良地质问题，一般情况下为突泥涌水、岩爆、高(水)地温、有害气体、大变形等。

对于岩溶及富水地层，分、合修方案一般均需设置平导疏排地下水。因此，在均设置了平导的情况下，突泥涌水问题不控制分、合修方案的选择，但分修方案工程规模较大，工程投资较高。

对于岩爆问题，有关研究表明，岩爆存在洞室形状效应，同一尺寸下椭圆形断面对减少岩爆最有利，同时岩爆存在洞室尺寸效应即同一洞室形状下的岩爆都随洞室开挖尺寸的增大而增强[20]。合修的优势在于大型机械化作业有利，可减少作业人员和作业时间。

对于高(水)地温问题，分、合修方案同等条件下处理措施基本一致，但合修隧道空间大，施工作业较为便利。

对于有毒有害气体问题，主要取决于通风方式及效果，因此，该问题并不是分、合修的控制因素。

对于软岩大变形问题，有关工程实践及研究表明大变形地段隧道断面具有尺寸效应。轻微、中等变形地段，单线与双线隧道的变形程度基本相当，尺寸效应不明显；严重变形地段，隧道断面尺寸效应明显，合修隧道变形远大于分修隧道。

2.1.2 建设条件

建设条件主要涉及超前地质预报、施工通风、施工作业空间及施工排水等。

从超前地质预报的角度，主要取决于是否设置平导，与分、合修无必然联系。从施工通风角度分析，分修隧道可实现巷道通风，且通风距离长，合修方案在设置了平导时可实现巷道通风，与分修方案相当。从作业空间分析，合修隧道断面大，作业灵活。施工排水不控制分、合修方案选择。

2.1.3 工期风险

有关工程实践证明，同等条件下合修方案隧道断面大，施工作业灵活，施工进度一般较分修快。除严重软岩大变形地段外，其他不良地质地段，合修方案施工进度一般也快于分修方案。

2.1.4 引线条件

复杂艰险山区铁路桥隧相连，与合修方案相比，分修方案对相邻工程影响较大，特别是在隧道洞口附近分布有车站或特殊桥梁时，分修对车站使用功能、相邻工程技术条件及工程规模影响较大。

当选择采用分修方案时，应重点结合引线工程，着重考虑进出口段的分、合修及线间距对引线工程的影响，必要时进出口可采用小净距方案。

2.2 运营阶段

2.2.1 运营安全

根据有关方面提供的数据，2007年至2020年5月，全路共发生事故29 265起，其中，隧道内417起，仅占1.4%。隧道内火灾、脱轨及冲突等较为严重的事故12起，其中，单线铁路隧道内7起，双线合修隧道内3起，双线分修隧道内2起。从以上情况分析，事故发生的概率与隧道分、合修并没有直接关系。

从事故的危害程度分析，由于隧道内为半封闭空间，隧道内发生火灾事故的危害程度要高于非火灾事故。分、合修方案选择应重点关注火灾事故及其救援。

从火灾发生后的救援方式来看，国内外对列车在隧道内火灾处置基本原则一致，均为着火列车应尽量驶出洞外，无法驶出洞外时停靠紧急救援站进行定点救援的模式。防灾救援过程可分为疏散、待避和救援3个阶段，合修方案疏散总距离略长；待避阶段分、合修差异不大；救援阶段分修方案人员疏散不受烟气干扰，安全有保障。

2.2.2 养护维修及运营保通

分、合修养护维修工作量及工作效率与维修天窗形式息息相关，采用矩形天窗时，合修方案养护维修工作量较低；采用“V”形天窗时，分、合修两种方案基本相当。养护维修工作量测算见表4。

表4 一般养护维修工作量测算

据国铁集团统计，自1994年至2019年底，隧道内产生影响运输的病害共413处，涉及隧道314座，占全路隧道总座数的2%，其中衬砌裂损、隧道水害和轨道上拱是导致行车中断或限速的三大主要病害。衬砌裂损主要与施工质量有关，与分、合修无直接关系；水害、隧底隆起等问题与工程地质条件密切相关，分修隧道两线距离较近，一线发生病害时另一线发生病害的概率极高。分修方案隧道发生重大病害时，一般采用一线封闭，单线运行的方式，对运营影响小。因此，对于重大病害分修方案有利于养护维修及运营保通，同时分修方案一线作业不受另一线的影响，养护维修便利性及管理难度均小于合修方案。

2.2.3 运营排水

运营期排水不是分、合修方案选择的决定性因素。

2.2.4 旅客舒适度

影响旅客舒适度的指标为瞬变压力，分、合修均满足现行《铁路隧道设计规范》要求。合修方案隧道断面相对较大，有关资料显示，列车不交会时，合修方案舒适度较分修方案提高40%左右[21-23]；合修方案列车仅在隧道局部位置交会时瞬变压力较分修略大，但均小于分修。

2.3 量化评价

结合以上分析，可以运用式(1)进行量化评价。

(1)

式中，W为评价对象总得分；Wi为评价对象的优劣程度，见表5；Ai为各指标项的权重，见表6。

表5 优劣程度指标

表6 权重指标

以上量化指标可能并不全面，建议继续深化研究，建立系统的量化评价方法。

从影响因素分析情况看，影响分、合修方案选择的主要因素，建设期为建设安全(软岩大变形、岩爆、高地温等)、相邻工程以及投资等，运营期为养护维修、运营保通和防灾救援等，以上几个因素权重较高。

3 典型案例

某高原铁路某段隧道占比达83%，特长隧道共有36座，其分、合修方案选择极具参考价值。统计显示，该铁路长度10 km以下隧道全部采用合修方案，长度15～20 km隧道分、合修占比基本相当，长度20 km以上隧道基本采用分修方案。特长隧道分、合修情况统计见表7。

表7 某高原铁路特长隧道分、合修情况统计

其中，GN隧道及GJ隧道的分合修方案选择具有一定的代表性。

3.1 GN隧道

GN隧道全长18.2 km，进口端为A连续梁大桥和C隧道(5.7 km)，出口端为B特大桥(500 m跨度拱桥)，GN隧道地下水发育，涌突水风险较高，分、合修两个方案均需设置贯通平导。

由于本段桥隧相连，分修方案重点对进出口段分、合修方案及线间距进行了研究，分修对相邻工程影响较大，工程投资增加较多，即使采用小净距方案仍不能有效降低工程投资和实施难度。因此，分修方案其进出口段予以合修，见图2。

图2 GN隧道分修方案示意(单位：m)

根据影响因素，从建设期分析由于分、合修两个方案均设置了贯通平导，且分修方案进出口段也采用合修。因此，建设期分修方案与合修方案并无较大差异。

从运营期分析，分修方案养护维修及保通条件相对较好，但由于隧道紧临G215，交通条件好。因此，运营期分修方案与合修方案也无较大差异。

从工程投资分析，分修方案由于设置了贯通平导，工程投资较合修方案增加近9亿元，增幅达23%。

综合分析，该隧道采用合修方案。根据式(1)从量化对比情况看，该隧道采用合修方案是合适的。隧道合、分修方案量化对比见表8。

表8 GN隧道合、分修方案量化对比

3.2 GJ隧道

GJ隧道全长26.2 km，进口端为A特大桥(简支梁桥)，出口端紧邻B车站，该隧道平均海拔超过3 800 m，且交通条件较差，养护维修及运营保通难度大，合修方案需设置贯通平导。

分修方案重点对进出口段分、合修方案及线间距进行了研究。由于进口位于狭窄山脊上，右侧为滑坡体，正常分修线间距为35 m，靠近滑坡体，工程风险较高，12 m小净距可改善进洞条件，线路远离滑坡体，工程风险低，且对相邻的A大桥影响较小，工程投资节省近1 700万元。因此，进口端采用了12 m小净距方案，见图3。

图3 GJ隧道进口段方案示意(单位：m)

出口端主要受控于B车站，该车站为该铁路沿线主要的中间站之一，规模较大，即使采用小净距方案，仍然会影响B车站的使用灵活性和作业效率，C特大桥结构也会更加复杂，且工程投资将增加近2 000万元。因此，出口端采用了合修方案，见图4。

图4 GJ隧道出口段方案示意(单位：m)

根据影响因素，从建设期分析该隧道工程地质条件整体较好，分、合修两个方案无本质区别。从运营期分析，该隧道整体海拔高，养护维修及运营保通难度大，分修方案优势明显。从工程投资分析，分修方案较合修方案工程投资仅节省2%，差异不大。因此，综合比选后GJ隧道采用分修方案。

量化对比结果也支持该结论，隧道合、分修方案量化对比见表9。

表9 GJ隧道合、分修方案量化对比

4 结论

(1)建设期影响分、合修的最重要因素为相邻工程及投资，运营期为养护维修、运营保通和防灾救援。

(2)软岩大变形严重、运营维护和保通或工法有要求的隧道，不论长短均应采用分修方案。

(3)防灾救援及养护难度较高的铁路，当隧道长度超过15 km时应考虑采用分修方案，当采用合修方案时应进行技术经济比选。

(4)采用分修方案的隧道，应结合相邻工程、洞口地形及地质条件，综合研究洞口的分、合修方案，当洞口分修时应研究采用小净距的可行性。

研究成果可为复杂艰险山区铁路勘察设计提供参考。