王若晨，朱 勇，邸 成，黃 華

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國鐵路建設的飛速發(fā)展，新建鐵路長大隧道(隧道群)數(shù)量和長度都在不斷刷新記錄。截至2018年底，我國投入運營的鐵路隧道15 117座，總長16 331 km，其中,特長隧道142座，總長1 930 km[1]。隧道防災救援設計也逐漸上升到了新的高度。國內外特長隧道已有較多設置緊急救援站的案例，最具代表性的當屬瑞士圣哥達隧道(57 km)[2]、日本青函海底隧道(53.85 km)[3]、英法海峽隧道(49.4 km)[4]。國內設置救援站且已運營的隧道工程主要有石太線太行山隧道(27.839 km)[5]、蘭武線烏鞘嶺隧道(20.1 km)[6]、青藏線關角隧道(32.645 km)[7]等。除青函隧道采用單洞合修模式外，其余設置救援站的隧道均為雙洞分修模式。成蘭鐵路云屯堡隧道為國內首座采用單洞合修模式并在洞內設置救援站的特長山嶺隧道，其救援站設置模式與既有工程不同。

已有學者對長大隧道救援站設置模式及設計參數(shù)等進行了研究，以便為鐵路特長隧道設計提供理論依據(jù)。例如：李國良等[8]采用流體力學軟件STAR_CD/CCM+、安全疏散軟件STEPS、隧道軟件IDA及現(xiàn)場火災試驗對關角隧道疏散救援、通風排煙、救援指揮系統(tǒng)等進行研究；陳紹華[9]分析了關角隧道救援站方案比選、人員疏散及通風排煙方案，為特長分修隧道防災通風模式及設計參數(shù)的選擇提供了一定的理論支持；王明年等[6]采用building-EXODUS人員疏散仿真計算軟件對長大鐵路隧道救援站的疏散橫通道設計參數(shù)、救援站臺設計參數(shù)等進行了模擬計算；劉赪[10]通過調研對比，總結了我國防災救援工程設計經驗，分析了特長隧道單洞模式的可行性。

總體來看，目前關于鐵路特長隧道救援站的研究還主要集中在分修模式上，涉及合修模式隧道的理論模型或調研資料仍然偏少。因此，本文嘗試根據(jù)新建成蘭鐵路云屯堡隧道救援站段建設過程中遇到的實際問題，從土建規(guī)模、工程投資、施工風險、人員疏散與通風排煙、運營維護5個方面進行綜合比選，對該處單洞合修模式救援站提出優(yōu)化建議，以期解決云屯堡隧道工程建設需求，也為今后國內外特長鐵路隧道防災救援設計提供參考。

1 工程概況

云屯堡隧道全長22.9 km，為單洞雙線合修隧道，設計速度200 km/h，進口緊鄰岷江雙線特大橋，出口接松潘車站，線路單面上坡。隧道輔助坑道采用“7橫洞”配置方案[11]。

2 原救援站設計方案

云屯堡隧道長度超過20 km，根據(jù)TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規(guī)范》[12]及云屯堡隧道補充設計批復意見，結合施工輔助坑道位置、洞口疏散條件，在4#橫洞與正洞交叉處設置1座緊急救援站，救援站長550 m，距隧道進口端8.81 km，距隧道出口端13.563 km[13]。

為便于人員逃生疏散，于救援站地段兩線線路中線外側30 m處分別設置450 m長的左側平導和447 m長的右側平導，并于左、右側平導與救援站正洞間按間距約50 m設置1處疏散聯(lián)絡通道，兩側各設11處，共22處，見圖1。左側平導直接利用4#橫洞作為緊急出口，右側平導在中部設置1處聯(lián)絡通道下穿正洞及左側平導，與4#橫洞相接形成通向洞外的逃生通道。為改善救援站地段的人員疏散環(huán)境，實現(xiàn)“人煙分離”，于隧道救援站地段拱頂正上方設置430 m長的排煙道；排煙道底部與正洞拱頂間設置6處豎井式聯(lián)絡煙道，并于排煙道與地表間設置1座652 m長的排煙斜井，見圖2。

圖1云屯堡隧道救援站疏散設施平面布置Fig.1 Plan layout of evacuation facilities of Yuntunbao Tunnel rescue station

圖2 云屯堡隧道救援站通風排煙系統(tǒng)平面布置Fig.2 Plan layout of ventilation and smoke extraction system of Yuntunbao Tunnel rescue station

3 建造期間的問題

截至方案研究時，隧道救援站段已完成左側平導開挖支護450 m、正洞開挖支護與仰拱550 m、二次襯砌237 m。

3.1 工程地質情況

救援站段開挖揭示的巖性主要為千枚巖、炭質千枚巖、炭質板巖，薄層狀，層間結合差，巖性軟弱多變、均一性差。受岷江活動斷裂和新塘關3號倒轉背斜等復雜構造影響[14]，巖體擠壓揉皺明顯，圍巖破碎—極破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育。隧道右側350 m外平行發(fā)育1條岷江支流，救援站位于其滲流范圍內，地下水發(fā)育，呈股狀流出。軟質巖遇水軟化加劇，松動圈擴大，導致隧道初期支護混凝土發(fā)生開裂、掉塊，鋼架扭曲變形[15]，4#橫洞發(fā)生底鼓和二次襯砌壓潰變形等現(xiàn)象。550 m救援站段落中僅22 m為原設計Ⅳ級圍巖，其余528 m均按變更設計調整為Ⅴ級圍巖。結合本隧道“復雜的構造運動歷史及結構形式，復雜多變的復理巖建造，復雜的地應力環(huán)境、地下水條件”的典型特征，推測隧道救援站段處于層間擠壓破碎帶。

3.2 現(xiàn)場施工工序

云屯堡隧道救援站段采用了上、中、下3層結構形式。

施工圖設計時，施工工序總體思路為“先下后上”：先施工4#橫洞洞身與隧底疏散聯(lián)絡通道，再施工正洞上跨隧底疏散通道影響段，最后利用左側疏散救援平導作為運輸通道，繼續(xù)施工正洞與右側疏散救援平導。

但是，現(xiàn)場實際施工時受多因素影響，工序有所調整，隧底疏散聯(lián)絡通道下穿段未能先行施作，導致目前施工難度與風險增加。

綜合實際地質情況及現(xiàn)場施工問題，需對救援站段工程方案進行調整優(yōu)化。

4 優(yōu)化方案比較

由于現(xiàn)場已出現(xiàn)初期支護變形、群洞效應顯著，且救援站段通道交錯，施工風險高、難度大，需減少通道數(shù)量或加大相鄰洞室結構間距，同時不能影響救援站人員安全疏散功能。因此，根據(jù)施工進度，提出了加大線間距、下穿改上跨、減少通道3個調整方案，為系統(tǒng)分析各調整方案優(yōu)劣，擬從土建規(guī)模、工程投資、施工風險、人員疏散與通風排煙、運營維護5個方面進行技術經濟比較，尋求優(yōu)化方案。

4.1 土建規(guī)模

4.1.1 加大線間距方案

根據(jù)推測擠壓破碎帶范圍，對隧道防災救援疏散工程進行優(yōu)化調整，將相關工程結構盡量移至擠壓破碎帶范圍以外。1)右側平導由距左線線路中線35 m調整為55 m，以降低群洞效應影響，長度447 m不變；2)正洞拱頂上方原平行排煙道位置向外水平調整至距左線線路中線35 m，豎向高度由10 m調整至13 m，結構長度與施工圖設計保持一致；3)豎井式聯(lián)絡煙道由豎向直筒結構調整為近90°直彎頭結構；4)結合段內層間擠壓破碎帶范圍，將隧底疏散聯(lián)絡通道與右側平導交點向小里程端調整50 m，以避開不良地質，通道長度為302 m，較原方案增加109 m。方案1三維示意圖見圖3。

圖3 方案1三維示意圖Fig.3 3D schematic diagram of scheme 1

同時，結合輔助坑道地形條件，在不影響通風排煙的前提下，為利于軸流風機房布置與設備維護，將聯(lián)絡排煙道(原排煙斜井)與平行排煙道交點向大里程端調整至PD3K222+509處，以避開不良地質，出口與4#橫洞洞身相接，通過4#橫洞洞口排煙。排煙道長度為445 m，較原方案減少207 m。

該方案與原方案類似，救援站段落仍呈橫斷面上中下、平面左中右立體分布。

4.1.2 下穿改上跨方案

在方案1加大工程線間距基礎上取消下穿疏散聯(lián)絡通道，將救援站段結構優(yōu)化為上下2層分布，同時不影響排煙效果。右側平導通過兩端上跨結構跨過正洞與左側平導相接。上跨結構斷面尺寸與平導保持一致，采用無軌單車道斷面，5 m×6 m(寬×高)。方案2三維示意圖見圖4。

圖4 方案2三維示意圖Fig.4 3D schematic diagram of scheme 2

4.1.3 合并結構減少通道方案

在方案1基礎上，考慮下穿結構施作難度及風險較大，因此研究取消下穿疏散聯(lián)絡通道方案，優(yōu)化救援站段結構為上下2層分布。1)將平行排煙道與右側平導合并，下穿疏散通道與上跨排煙井合并，豎井式聯(lián)絡煙道延長與右側加高平導上部相接；2)原設計中右側平導及平行排煙道均采用無軌單車道斷面，5 m×6 m(寬×高)，方案3將其合并。為滿足通行及排煙相關要求，其斷面內凈空尺寸為6 m×8.49 m(寬×高)，中部采用45 cm厚隔板分隔為上部排煙道及下步人員疏散通道2部分。原下穿疏散聯(lián)絡通道采用無軌雙車道斷面，7.5 m×6.2 m(寬×高)，聯(lián)絡排煙道采用無軌單車道斷面5 m×6 m(寬×高)，現(xiàn)將其合并，從右側疏散排煙通道中部引出，上跨正洞，與4#橫洞相接。為滿足通行及排煙相關要求，其斷面內凈空尺寸為7.5 m×8.56 m(寬×高)，中部采用45 cm厚隔板分隔為上部排煙道及下部人員疏散通道2部分。方案3三維示意圖見圖5。

圖5 方案3三維示意圖Fig.5 3D schematic diagram of scheme 3

通過對比，方案1與方案2工程規(guī)模接近，方案3由于合并了兩管結構，工程規(guī)模最小，具體見表1。

4.2 工程投資

根據(jù)各方案土建工程規(guī)模，對各方案土建工程投資進行了估算，見表1。

表1 各方案土建規(guī)模及投資對比Table 1 Comparison of project scale and investment among 3 schemes

根據(jù)投資分析，方案3雖然減少了通道數(shù)量，但需要加大斷面，增設隔板，投資增加反而最高。方案1與方案2工程量相近，方案1較方案2增加投資約37%。

4.3 施工風險

根據(jù)現(xiàn)場揭示的地質情況，隧道救援站段巖性軟弱多變，圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育且地下水發(fā)育，同時根據(jù)現(xiàn)場地應力測試結果[15]，隧址位于較高地應力地區(qū)，施工風險高。

4.3.1 加大線間距方案

加大各結構間距，弱化群洞效應。首先，處理變形、對既有結構進行加固，施工工序仍按由下及上編制，先施工下層結構即下穿疏散通道，同時施作聯(lián)絡排煙道非上跨交叉段落；然后，施作中層結構即右側平導等；最后，施工上層結構，先通過聯(lián)絡煙道施工平行排煙道，再跳段開挖豎井式聯(lián)絡煙道。通過合理安排施工工序，合理使用控制爆破和機械開挖，加強支護措施，降低施工風險。

4.3.2 下穿改上跨方案

本方案較方案1取消了下穿疏散通道，改為平導兩端頭上跨，但由于整個救援站均位于同一地層中，較差的工程地質環(huán)境并未改善，1次下穿改為2次上跨，反而加大了交叉段施工風險。

4.3.3 合并結構減少通道方案

本方案合并結構減少了2條通道，但由于是在大變形地層中進行的調整，斷面形式偏于瘦高，不利于變形控制。同時平行排煙道與右側平導合并，排煙通道高程下降明顯，導致原“直彎鉤”形豎井式聯(lián)絡煙道變?yōu)椤皫住弊中危┕るy度加大。

考慮本工區(qū)利用4#橫洞排水，而疏散聯(lián)絡通道及平導等通道都能實現(xiàn)順坡排水，因此各方案均不存在排水問題。綜上分析，方案3施工風險最高，方案1施工風險最低。

4.4 人員疏散與通風排煙

4.4.1 加大線間距方案

本方案能夠提供相對獨立的人員疏散空間與煙氣排放空間，人員由疏散聯(lián)絡通道經4#橫洞安全疏散，火災煙氣由正洞頂部豎井式聯(lián)絡煙道經平行排煙道及聯(lián)絡煙道排出洞外，見圖6。

圖6 方案1左線失火列車通風排煙方案Fig.6 Diagram of ventilation and smoke extraction scheme for fire train on left line (scheme 1)

4.4.2 下穿改上跨方案

本方案與方案1通風排煙大體一致，但由于下穿通道改為在平導兩端上跨相連，疏散通道長度及送風長度增加約76%，風壓增加近11%，見圖7。

圖7 方案2左線失火列車通風排煙方案Fig.7 Diagram of ventilation and smoke extraction scheme for fire train on left line (scheme 2)

4.4.3 合并結構減少通道方案

本方案火災煙氣自正洞抽離后，就一直與人員疏散路徑一致，僅靠結構中部隔板分離，同時為利于上跨，疏散聯(lián)絡通道采用12%上坡，原低位平導變?yōu)楦呶黄綄?，導致火災煙氣易侵入疏散?lián)絡通道。此外，因本方案豎井式聯(lián)絡煙道呈“幾”字形，使其原有煙囪效應弱化，排煙效果不如原方案。該方案風機功率較方案1增加約15%，設備選型及運營階段成本等都會相應受到影響。

綜上，方案1的疏散排煙方案最優(yōu)。

4.5 運營維護

方案1與方案2各通道相對獨立，運營期間檢修養(yǎng)護方便。方案3采用加高結構設置隔板以實現(xiàn)人煙分離，理論可行，但火災煙氣為高溫氣體，且考慮結構的可靠性、材料的耐久性、施工縫的密封處理、目前隧道施工工藝水平等因素，很難達到既有方案的可靠性。同時，豎井式聯(lián)絡煙道因形狀原因，維護難度大。因此方案1、方案2在運營期間優(yōu)勢更明顯。

5 方案綜合比選

將各方案5個方面的對比結果進行匯總，如表2所示。

表2 云屯堡隧道救援站調整方案比選結果匯總Table 2 Comparison among 3 schemes

6 結論與討論

結合云屯堡隧道救援站的工程特點及現(xiàn)狀，通過方案研究比選分析，可以得出：1)特長隧道緊急救援站段結構復雜，但其工程投資與通道數(shù)量不一定成正比，設置各司其職的多處小斷面通道，可能比僅設置1處大斷面綜合通道節(jié)約投資；2)救援站地段應適當加大各平行或交叉結構間距，以避免或弱化群洞效應；3)救援站整體土建規(guī)模較小時也可能存在較高的施工風險，應結合工程地質環(huán)境綜合考慮；4)救援站內土建工程方案調整對機電設備配套會造成一定影響，從而影響后期運營成本；5)豎井式聯(lián)絡煙道宜按90°直彎頭設計，便于施工及運營維護、檢修。綜上所述，結合現(xiàn)場隧道施工現(xiàn)狀，云屯堡隧道內救援站采用方案1作為優(yōu)化方案。

現(xiàn)階段我國特長隧道仍以分修為主，防災救援作為影響隧道合、分修的重要因素之一，尚需進一步的工程經驗積累及專業(yè)技術人員的系統(tǒng)研究。隨著在建項目及擬建項目中特長隧道數(shù)量和長度的增加，建議盡快完善特長隧道單、雙洞防災救援方案量化評價方法。同時，建議優(yōu)化、完善隧道防災救援設計規(guī)范，做到防災救援疏散工程的因地制宜、經濟合理。