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太行山隧道初步设计

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2020年4月19日
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太行山隧道
一、隧道概况
太行山特长隧道位于石太客运专线小寨车站和盂县车站之间，隧道经过太行山山脉的山峰越宵山，隧道最大埋深445m，设计为双洞单线隧道，两线线间距35m。左线隧道全长27839 m；右线隧道全长27848 m；太行山隧道是当前中国设计和施工的最长山岭铁路隧道。
太行山隧道位于直线上，隧道内线路坡度从进口至出口分别为13.4‰、14.3‰和6‰的上坡。
二、隧道工程条件
（一）地形地貌
隧道区位于太行山脉中南段剥蚀中低山区及盂县～寿阳黄土盆地堆积区两大地貌单元内。隧道进口段及中部位于剥蚀中低山区，区内山峰林立，绵延起伏，形成了型态各异的陡崖、峭壁、单面山，峡谷深切，多呈“V”字型，地形起伏较大，最大高差约600.0m,峡谷中无水，均为干谷，山上植被较为茂密，基岩裸露，呈现山地地貌的典型特征；隧道出口段位于盂县～寿阳黄土堆积盆地边缘，呈现典型的黄土高原峁、塬、梁等地貌，“U”字型冲沟发育，地形平坦开阔，起伏相对较小，最大高差约100m。
（二）地层岩性
隧道区地层表覆第四系松散堆积层冲洪积层马兰黄土、离石黄土，下伏石炭系中统本溪组（C2b）、奥陶系、寒武系及太古界（Art）地层。太古界为一套花岗片麻岩及黑云斜长片麻岩相组合。奥陶系、寒武系为灰～深灰色中厚～厚层状白云岩、石灰岩、紫红色薄层状竹叶状灰岩、角砾状泥灰岩（膏溶角砾岩）。石炭系中统本溪组为砂岩、泥岩及铝土质泥岩组成。
（三）地质构造
本隧道经过了沁水块陷的娘子关-坪头坳缘翘起带、盂县坳缘翘起带、沾尚-武乡-阳成北北东向褶皱带等三个3个V级构造单元。其中以古咀至交口以及红贝岭至窄沟水断裂的东延部份是娘子关至坪头坳缘翘带与盂县坳缘翘带的分界，古咀至交口以及北坡至小岩沟断裂所围限的地带则构成了在区内沾尚武乡阳城北北东向褶带的东北边缘地带。
（四）水文地质
隧道区地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类裂隙孔隙水和碳酸盐岩类裂隙溶隙水。
角砾状泥灰岩（膏溶角砾岩）段地下水对混凝土具硫酸盐弱腐蚀性。
（五）特殊岩土—角砾状泥灰岩（膏溶角砾岩）
太行山隧道在DK85+055～DK93+900之间穿越了累计4410m长的膏溶角砾岩地段,这种膏溶角砾岩主要集中分布在奥陶系峰峰组一段和上马家沟组一段。从勘察和试验情况来看，物质组成复杂，块体大小不一。这种特殊的软岩硬土具有极其特殊的工程性状和物理力学性质，单轴饱和抗压强度极低，Rc＝0.14～2.2MPa，属于极软岩，隧道挖开后稳定时间很短，容易发生坍塌和大变形，如果遇水则强度很快降低，极易崩解软化，软化系数0.04～0.09；同时具有弱至中等程度的膨胀性，其自由膨胀率在40%～66%。
（六）综合地质情况
太行山隧道围岩级别表
围岩级别
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
总长
太行山隧道（m）
16724
3855
1769
5491
27839
占的比例（％）
60.1
13.8
6.4
19.7
100

太行山隧道地质纵剖面简图
（七）地震基本烈度及气象
隧道所在地区地震动峰值加速度（地震基本烈度）为：0.10g(Ⅶ)。
隧道区内气候属暖温带亚润湿区，冬季以西风或西北风为主，夏秋季以东北风为主，土壤最大冻结深度为1.01m。
三、隧道断面设计
根据《京沪高速铁路设计暂行规定》（铁建设［ ］157号）中客运专线建筑接近限界和预留空间要求、《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》（铁建设函［ ］285号）中电力牵引铁路KH-200桥隧建筑限界、《200km/h客货共线铁路双层集装箱运输建筑限界暂行）》（铁科技函［ ］157号）中电力牵引的双层集装箱运输隧道建筑限界（SJX-SD）、《关于石太客运专线单线隧道断面尺寸的意见》（鉴线［ ］120号）等要求，在充分分析空气动力学效应的基础上，结合围岩稳定性和衬砌结构受力条件，设计的隧道内轨顶面以上有效净空面积为60.4m2，曲线地段衬砌内轮廓不考虑加宽。

四、主要设计原则
（一）洞门形式及缓冲结构
纵合考虑隧道洞口的地形、地貌、地质条件及周边环境，隧道洞口结合缓冲结构段设计为斜截式隧道门。
（二）衬砌支护类型
隧道采用复合式衬砌，Ⅲ级及以上围岩采用曲墙带仰拱的衬砌，Ⅱ级围岩采用曲墙式不带仰拱衬砌。
隧道洞口、浅埋地段按照地震设防要求及国防设防要求进行设防。
（三）防水及排水
隧道防排水采取“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则。在裂隙水较发育及有水文环境严格要求的地段，防排水采用“以堵为主，限量排放”的原则，达到防水可靠、经济合理的目的。
1. 隧道防水等级为一级。
2.隧道二次衬砌采用防水混凝土，抗渗等级不低于P8；膏溶角砾岩地段的防水混凝土按抗腐蚀性混凝土设计，抗渗性系数不小于0.8。
3.隧道内设双侧水沟排水。
4.隧道拱墙初期支护与二次衬砌之间铺设柔性防水层。
5.隧道初期支护与二次衬砌环纵向设盲沟。
6.二次衬砌施工缝采用中埋式橡胶止水带；变形缝采用背贴式橡胶止水带加中埋式钢边橡胶止水带。
（四）运营环境通风
本线采用电力牵引，近期客货共线、远期客运专线，隧道设置运营环境通风，并主要考虑发生火灾时的防灾通风，具体通风方案正在研究。
（五）防灾救援、安全疏散
每条隧道内行车方向右侧设置贯通的救援通道，两座单线隧道间每420m设置与线路中线垂直的横通道。
太行山隧道的防灾救援和安全疏散具体方案正在研究。
（六）隧道轨下基础类型、照明、通信、信号、电力、电气化等有关设计
1.轨道
隧道铺设无碴轨道；轨道采用重型钢轨60kg/m；轨道高度为71.4cm。
2.照明
隧道、紧急出入口通道设固定的电力照明和应急照明。
3.贯通电缆
隧道内设置贯通的通信、信号、电力电缆槽。
4．综合洞室
在隧道内设置存放维修、防灾工具等用途的专用洞室，洞室的间距采用单侧500m。
5.其它
牵引变电AT所、信号中继站、GSM-R基站通信机械室、电力室、综合接地、接触网电分相及非绝缘下锚段均结合相关专业设置。
五、辅助坑道设计
太行山隧道为了能够满足总工期4年的要求，结合隧道长度、施工工期40个月、地形、工程地质、水文地质等条件，同时考虑运营环境通风、防灾通风及防灾救援、安全疏散的需要，以永临结合的观点综合选择了9座施工斜井，斜井总长11120m。
7号施工斜井采用有轨运输的方式，其余8座施工斜井均采用无轨运输的方式；7号有轨运输施工斜井设计为主、副井，主井按小矿车双车道断面设计，副井按小矿车单车道断面设计；8号无轨运输施工斜井按双车道断面设计，底部设双联单车道；其余7座无轨运输施工斜井按单车道设计，每隔≯250m的距离设置长25m的错车道。
太行山隧道施工斜井平面示意图见图6，斜井参数见表5。

六、施工方法
正洞Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面法施工；Ⅳ级围岩采用台阶法施工；Ⅴ级围岩、Ⅳ、Ⅴ级膏溶角砾岩地段采用短台阶法施工，必要时增加临时仰拱。
施工斜井Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩采用全断面法施工；Ⅴ级围岩采用台阶法施工；Ⅴ级膏溶角砾岩地段采用短台阶法施工。
七、施工组织设计
（一）施工工期
隧道的土建工期为40个月。
（二）施工便道
自附近国道及省道就近引入，1、2号斜井和进口采用新建和扩建便道。
（三）施工用水
采用打深井的措施，满足隧道施工用水。
（四）施工用电
利用永临结合的贯通电力线。
（五）施工场地
在隧道口和斜井口附近依地势修建。
（六）施工通风
隧道施工通风主要按长管路独头压入式，利用风管对单独掘进工作面供风，通风系统简单、稳定，适合多单位、多掘进面同时施工。
（七）施工排水
反坡段施工段，分别由各工区利用移动或固定泵站将水引至洞口集水坑，经处理后排出洞外。
八、关键技术
太行山隧道长27.839km，作为中国当前在建最长的铁路山岭隧道，确保其运营安全及运营通风、防灾救援疏散方案的经济合理，确定适合中国环境、工程状况的实施方案，正在进行以下科学研究：
（1）复杂地质条件隧道综合技术研究
对膏溶角砾岩地层、岩溶地层、高地应力地层、断层破碎带地层、膨胀性地层及对衬砌混凝土有侵蚀性的地层等不良地质条件下的隧道受力机理、衬砌设计、快速施工方法技术与设备、合理工期作出系统全面的研究。
（2）运营环境通风和防灾通风技术研究
经过研究，提出客运专线长大隧道是否需要运营通风及其理论依据，并提出具体的技术标准；提出太行山隧道等长大隧道运营和防灾通风的方式和设计标准。
（3）隧道防灾救援和安全疏散技术研究
经过研究，提出太行山隧道等长大隧道防灾救援的方式和设计标准。