摘 要:根据乌鞘岭隧道有关设计和施工问题，提出了一些关键问题的处理意见，欢迎同行批评指正。
乌鞘岭隧道是我国正在施工的最长的铁路隧道，本人参加该隧道的部分设计与施工工作，提出一些看法，以求探讨提高之目的。
1、 工程概况
乌鞘岭隧道位于既有兰新线兰武段打柴沟车站和龙沟车站之间,设计为两座单线隧道，隧道长20050m，隧道出口段线路位于半径为1200m的曲线上，右、左缓和曲线伸入隧道分别为68.84m及127.29m，隧道其余地段均位于直线上，线间距40m，两隧道线路纵坡相同，主要为11‰的单面下坡,右线隧道较左线隧道高0.56～0.73m，洞身最大埋深1100m左右。隧道左、右线均采用钻爆法施工，右线隧道先期开通。隧道辅助坑道共计15座，其中斜井13座，竖井1座，横洞1座。
乌鞘岭隧道地层岩性复杂,沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类均有,且以沉积岩为主，其分布主要受区域断裂构造控制。区内出露地层主要有第四系、第三系、白垩系及三叠系沉积岩、志留系、奥陶系变质岩，并伴有加里东晚期闪长岩侵入体。隧道横穿祁连褶皱系的北祁连伏地褶皱带和走廊过渡带两个次级构造单元, 褶皱及断裂构造发育。主要不良地质为有害气体，湿陷性黄土和膨胀岩。隧道预计最大涌水量为9621.81ｍ3/ｄ，施工中可能发生围岩失稳，突然涌水涌泥、岩爆、热害、含煤层有害气体等地质灾害情况。
乌鞘岭共8个施工单位参与施工，分别为中铁一、二、五、隧道局和中铁十二、十六、十七、十八局，各单位对该隧道的施工相当重视，投入了大量的人力、物力，可以说，该隧道的施工现状可以反映中国现在钻爆法施工的真实情况。
2、 设计概况
中铁第一勘测设计院对隧道的设计采用了动态设计的办法，根据最新的设计文件即修改预设计文件（2003年6月），可以认为：
修改预设计文件是在对乌鞘岭隧道区域作了大量的地勘前期工作，结合兰武线工期要求作出的，正洞的地质情况判断较明确，部分辅助导坑设计，因时间关系缺少前期地勘工作，有待施工中超前地质预报来补充。隧道结构设计充分考虑了洞身不同的地质情况和特殊施工环境，设计了各型衬砌结构类型供施工选用，针对性较强。结构安全度根据有关单位的意见，相对一般结构设计留有较多的余地。
根据设计和施工现状，以下分别从正洞、辅助导坑、隧道通风、隧道消防救灾及运营安全、环境保护、施工组织和加快进度、确保安全质量的施工工程措施和施工方法等方面提出看法，详见下文。
2.1 正洞
2.1.1 隧道断面内轮廓在新建时速160km的条件下，根据部建设司建技函【2002】6号和《时速160公里新建铁路线桥隧设计暂行规定》内容（以下暂称“暂规”），采用流线型机车，现隧道的净横断面面积为34.7 m2＞34 m2（未包括设置救援通道需增加的净空面积），可满足旅客乘车舒适度标准和洞内空气阻力增量不超过明线空气阻力30%的要求；如设置救援通道，则隧道内轮廓应增大。但考虑Ⅰ、Ⅱ线隧道可互为救援通道，为节省投资，暂不设救援通道是合适的。对于内轮廓，我个人意见应一次到位，设计按时速200km/h和开行双层集装箱条件下的隧道限界，正洞工程量不会超过20%，这样可以避免今后高速铁路发展之后的该隧道的滞后性，结合以上两点可以认为该隧道的内轮廓应扩大。
2.1.2 修改预设计文件中，隧道下部外轮廓采用圆顺连接，根据多种地质及地下水情况，修改预设计中采用了多种带仰拱结构衬砌断面，施工中选用非常方便。但各级围岩衬砌断面仰拱均采用同一个曲率欠妥，故建议：在不影响结构安全度的情况下，对Ⅱ、Ⅲ级围岩仰拱可采用减小曲率的优化设计，减少断面的开挖和隧底填充，隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩段全长约9100m，估计可减少开挖约8000m3，减少隧道圬工6000m3，也能提高施工进度，如果侧沟、电缆槽尺寸可以调整，轨下断面还可进一步优化。
2.1.3 第三系泥岩是中等膨胀岩，除施工中采取相应的支护措施外，衬砌结构宜采用有针对性的型式和设计参数，衬砌内净空宜预留适当富余量，必要时根据量测结果，采取钢纤维钢筋砼结构补强措施，衬砌后防排水体系也需作相应调整。
2.1.4 F4、F5、F6、F7断层及其它地下水丰富地段，地下水宜采取以堵为主的措施，减少对环境的影响，各段衬砌结构需根据地下水的静水头高度设计抵抗不同水头高度的抗水压衬砌，并可适当调整衬砌轮廓，抗水压衬砌的长度宜根据地下水下降曲线确定。F7断层为活动断裂带，建议研究采用拼装式衬砌的可能性，以便提高衬砌适应变形的能力，也有利于衬砌结构减少破坏的机率和快速修复，对于穿越F7断层的措施，为抢工期而采取小断面迂回导坑是合适的，但超前支护可用迈式管棚法代替或结合钢花管注浆法，减省工期，而迂回导坑的长度可根据开挖情况而确定。
2.1.5 三叠系含煤地层，除施工中加强通风，加强监测，并按有关规定进行揭煤设计和施工外，同时应按照《铁路瓦斯隧道技术规范》，根据瓦斯地段等级，采取相应的防瓦斯工程措施。如需进行全封闭工程处理，则应对引排水系统和瓦斯引排系统进行特殊设计，防水层改为全封闭的瓦斯隔离层。
2.1.6 由于隧道通过段受地质构造作用，曾发生多次区域性断裂，并派生一系列次级小断层，软质岩在高地应力作用下开挖后洞壁可能出现较大变形。建议开挖时预留足够的变形量，喷锚支护预留湿喷钢纤维砼补强措施，根据围岩量测情况，必要时增设可缩性钢架或增设长锚杆。隧道通过硬质岩地段在节理不发育的完整基岩内开挖洞室，在高地应力作用下有可能发生岩爆现象，设计时宜增加安全防护工程措施。
2.1.7 隧道施工至可能发生突然涌水、涌泥的地段，采取帷幕注浆措施，应采用全断面注浆，止浆盘也按全断面设置，不宜分台阶设置。管棚超前支护地段，大管棚外插角建议采用1~3°，以减少因掉块引起的超挖，终压5MPa也应在施工中根据现场情况调整。为争取工期，Ⅴ级围岩断层破碎影响带段，超前支护可采用国内较先进施工较快捷的φ51自钻式锚杆代替φ80钢管管棚预支护。
2.1.8 隧道超前预加固方案中注浆锚杆或管棚注浆，可以根据地质情况注双液浆，也可注纯水泥浆以减少成本。若钻孔成孔条件好，不出现坍孔，则帷幕注浆孔可只设孔口管，不设15m的长钢管，以提高浆液渗入围岩的渗入量。
2.1.9 隧道复合式衬砌支护参数较强，Ⅱ、Ⅲ级围岩无岩爆地段建议取消钢筋网和拱部系统锚杆，根据需要设置局部锚杆。建议动态设计以优化设计参数为重点，Ⅱ级围岩无须设仰拱。
2.1.10隧道洞身防排水体系设计已很充分，为确保隧道不渗、不漏、不裂，建议设计细化，强调洞身与横通道及附属工程接口处的防水施工措施，强调EVA卷材焊接工艺。设计中EVA复合防水板厚1cm，对于特长隧道建议厚度宜加厚至1.5mm（公路隧道一般在1.2mm），幅宽宜适当加宽以减少接缝。
2.1.11 Ⅴ级围岩加强段初期支护中格栅或型钢间距0.6~0.7m一榀，喷砼设计厚度不能覆盖钢架，使后续防水层施工困难和难以达到预期目的，建议喷砼厚度采用25cm，二次衬砌模筑砼厚度可适当减薄。
2.2 辅助导坑
2.1.1 乌鞘岭隧道辅助导坑位置的选择考虑了隧道地形、地质情况，考虑施工工期的要求，考虑通风、排水、防汛及弃碴等多种因素，但部分斜井洞口边仰坡开挖高度较高，不利于洞口稳定，同时也对环境造成较大破坏，比较突出的有3、6、8、10、12号斜井，洞口处于碎石土或覆土之中，边仰坡高达20多米，1：0.75的坡率有待研究。其中3、5号斜井为兼作运营通风洞，洞口结构同样需考虑满足防震、防冻和国防要求，衬砌结构应加强，以保证服务期间的可靠度。
2.2.2 根据现场情况，许多辅助导坑的现有断面尺寸难以满足大型运输车辆长距离施工的需要，建议适当加大断面尺寸，同时对衬砌、支护适当加强，以满足快速施工的需要。长斜井的快速施工要求错车道适当加密，如日本东北新干线八甲田隧道（26.455km）折纸工区斜井长1330m，约100m长就有一个扩大断面，可以供参考比较。
2.2.3 洞内施工期间的水仓开挖时宜增设锚喷支护。另外，7、8、9号斜井位于富水区，临时支护喷砼中可添加微纤维，封闭毛洞壁、增加抗渗性，改善施工作业环境，加快进度。
2.2.4 大台竖井井深515m，考虑施工安全因素，其施工支护必须加强，Ⅴ级围岩段喷射砼厚度宜覆盖钢架厚度，井底马头门、井底车场与平导连接处不仅应力集中，且受力复杂，需有衬砌支护加强措施。
2.2.5 斜井的施工安全问题：
本隧道几个控制工期的施工工区均是采用长斜井施工方案，如3#、5#、6#、7#、8#、9#、10#。施工中如下几个方面需予以充分的重视：①可能涌水、涌泥；②瓦斯溢出；③施工排水；④施工通风；⑤运输能力。对于可能产生涌水、涌泥的地段，可以采用超前探测、超前预注浆堵水措施，尽量用“以堵为主”的治水方案；对有可能发生瓦斯溢出的地段，施工时应加强监测，加强通风；在地质超前探测已确认有煤层瓦斯地段，该工区按瓦斯隧道的相关规定处理；2000m以上的长斜井，在我国铁路建设中是极少见的，无轨运输重车长距离上坡所产生的废烟、废气对坑道的污染会相当严重，施工通风应能满足规范允许的坑道施工环境要求。同时要有足够的备用设备和零配件，以保证通风系统的正常运行。为保证施工的顺利进行，施工用电也至关重要，在斜井口需配置保证不停电的备用电源和足够的功率；为加快施工进度，斜井进入正洞后，可能承担多个工作面的运输任务，无轨运输的单车道斜井断面，其运输能力明显不足。因此，斜井断面可以适当加大。
2.6.6 关于两隧之间横通道间距的设置问题
考虑到永临结合，根据消防救援的功能进行设置是较合理的。鉴于目前国内对于较长铁路隧道的消防救援设计没有规范所遵循，左、右线间的联络通道之间的间距设计为420m，因此当事故发生时，要通过联络通道进入另一座隧道进行避难，司乘人员最多要走210m，如果以0.5m/s的速度行走，则需7min才能进入联络通道，根据西南交通大学2001年的火灾试验结论：火灾时，一般在起火后2~10min内温度即达到最高，且烟雾在20~30s内即充满整个隧道断面，能见度降到1m左右。也就是说车辆和人员也必须充分利用这宝贵的时间逃生和避难。据此420m设一道横通道的距离偏大，建议结合试验成果和借鉴国外经验优化设计。
2.2.7 各级围岩地段，横通道衬砌断面形式均设计成直边墙、圆拱形整体式模筑衬砌，Ⅳ、Ⅴ级围岩衬砌建议改为曲墙式衬砌为宜，横通道与正洞连接处斜交跨度较大（最大769cm），交叉区结构受力复杂，Ⅳ、Ⅴ级围岩衬砌结构宜适当加强。Ⅴ级围岩施工时宜增设超前支护，以策安全。
2.2.8 关于避车洞间距的设置问题
根据“暂规”7.0.3要求，规定人所承受的列车风速值为14m/s，超过这个范围将造成人身伤害。本线最高时速为160km，隧道内最大平均风速为13.8m/s，人员侍避区最大风速为28.5m/s，从“暂规”简化计，本隧未考虑设置人员待避区。故人员待避问题将用设置避人洞解决。修改预设计避车洞间距为140m，难以保证安全避车，建议减小避车洞间距。避车洞内设置扶手，进洞检修人员配置听觉保护设备，进入避车洞避车时配戴以减少噪音对人员危害。
2.2.9 圆形衬砌段设置的避车台，在人员待避区最大风速28.5m/s的环境下的使用功能有待研究。
2.3 通风
2.3.1 施工通风
2.3.1.1 施工通风按施工进程分阶段实施是正确的，也是可行的。
2.3.1.2 施工中应根据隧道施工进度安排施工通风，各工区的划分、承担的施工长度、工作面布置等不同，通风方式、风机大小、布置也不同。
2.3.1.3 从设计图中可见，8号斜井将出现三个工作面同时施工的状况，这对施工通风组织不利。通过合理安排，做到最多两个工作面同时施工是可能的，若这样可简化施工通风组织。
2.3.1.4 修改预设计对施工通风的阶段没有明确的划分标准，可操作性较差。建议以平导的贯通或施工月份为标准，明确划分通风阶段，作出相应阶段的施工通风设计。
2.3.1.5 施工通风的中间、最终阶段，风流复杂多变，且分属不同的施工单位，巷道式通风实施起来比较困难。建议仍按压入式或混合式通风设计，各工区单独组织实施，既简单又可行。
2.3.1.6 5、6、7、8、9号斜井为无轨运输出碴，修改预设计将风机置于井内向工作面压风，如该斜井不担负正洞或平导的出碴，这样布置是合理的。但5、6、7号斜井距正洞口的距离分别超过6Km和8Km，如不通过该斜井而均从正洞或平导出碴，增加的运距分别将超过4Km和5Km；不通过8、9号斜井而均从正洞或平导出碴，增加的运距分别将超过6Km和4Km，这样布置显然欠合理。如果由附近的4号斜井（有轨运输）、大台左线竖井出碴，又存在出碴能力不足、无轨运输与有轨运输的倒运问题。这样势必仍需利用各斜井出碴与进料，将风机置于井内向工作面压风的布置就欠妥。因为这样压入的是已被出碴车辆排放的废气污染了的空气，而非新风，且斜井内的风门对炮烟排出、出碴速度的影响亦较大。如右线正洞断面按每循环进尺3m计，需出碴220.41m3，耗时约200分钟。在该时间段内斜井内的空气将被出碴车辆排放的废气污染，烟雾浓度达到0.012m-1，不能作为新鲜空气压入洞内使用。尽管4号斜井、大台左线竖井设置了排风机，但其排风能力有限。故建议将风机置于斜井外压风为宜。
2.3.1.7 修改预设计采用三通向两个工作面供风，其风量的分配控制是比较困难的。按修改预设计斜井断面尺寸，其一单车道已不能满足出碴的需要；其二出碴车占了约2/3的断面，减少了过风量，阻滞了空气的交换进程,使污浊空气排出洞外的时间大为延长；其三该断面拱部只能布置一根1.3m风管，对两个及以上的工作面只能采用三通供风，增加了通风控制的难度，并难达到设计的通风效果。故建议扩大斜井断面，采用双机双管通风。这样不仅风量、风压好控制，增强了工作面通风效果，而且由于斜井断面的扩大增大了斜井的过风面积，有利于较快的排出斜井内的污浊空气（出碴柴油重车），还大大的提高了出碴能力并加快了施工进度。
2.3.1.8 风机的选型应考虑高海拔地区大气压力降低的影响。如施工进入含煤地层，经检测有瓦斯溢出，风机应选用防爆型。
2.3.2 运营通风
修改预设计未作设计，应结合消防救灾方案统一解决。
2.4 消防救灾及运营安全
2.4.1 隧道的结构防火和救援
修改预设计文件的预留问题中建议对本隧道的运营防火救灾方案尽快研究确定，对于隧道的火灾，国内外有很多惨痛的教训，湘桂线朝阳坝隧道发生的火灾，损失就达504万元，93年西延线兰家川隧道货运列车火灾，破坏隧道结构280m；美国2001年7月18日霍华德市发生的列车火灾，经济损失达几亿美元，还有英法海峡隧道火灾造成巨大损失等许许多多例子说明乌鞘岭特长隧道防火救灾的重要性。另外，根据《铁路工程防火规范》TB10063-99，对混凝土结构物应作防火设计，结构耐火时间4.5小时。建议参照公路隧道对混凝土结构防火措施或工民建对钢结构的防火措施，吸收科研单位对乌鞘岭隧道作专题研究。
乌鞘岭隧道的火灾救援，总原则应该是“预防为主，防消结合”，长大隧道的防灾救援坚持预防、报警、监控、救援和灭火的基本思路，贯彻以人为本，预防为主，防消结合，监控有效，措施有力，疏散有序，助救和自救相结合，早期发现，及时灭火，移动式和固定式灭火相结合。铁路隧道具有火灾燃烧猛烈、温度高、爆炸频繁，烟气毒性大、复燃性大，火灾扑灭难度大，损伤严重等特点。建议乌鞘岭隧道防火设计主要内容从以下几个方面考虑：
⑴ 结构有足够的耐火时间，在此时间内能把乘客疏散出隧道，避免隧道结构破坏坍塌，从而造成重大事故。
⑵ 隧道穿越断层带，如果需要须对围岩作加固处理。
⑶ 横通道设甲级防火门，耐火时间为120min。
⑷ 隧道拱顶喷涂防火涂料，同公路隧道一样，进行结构防火。
⑸ 隧道运营通风方式拟按纵向式和斜井或竖井分段纵向通风方式作多方案比选，隧道通风计算可根据在空气压缩理论上的CFD(Compvtational Fluid Dynamics)进行计算。
⑹ 制定防灾的原则是“时间”原则。
⑺ 洞内设灭火设备，水喷淋系统，洞外设灭火设施（包括专用轨道）和移动式灭火列车。
⑻ 洞内结合施工组织和逃生救援时间确定横通道间距。
2.4.2 活动断层结构安全监测
隧道穿越活动断层段时，开挖后建议施作多点位移计，预埋压力盒和水压测量计，应变片等元器件，组织人员进行结构安全监测。
2.4.3 瓦斯监测
隧道建成后，进行瓦斯检测，如有瓦斯逸出，运营期间建立瓦斯监测、报警和运营通风系统，以满足瓦斯浓度小于0.3%的运营安全标准。
2.5 环境保护
隧道洞身辅助坑道共有15座，加之隧道进出口、各洞口施工便道的引入和弃碴场的堆弃以及废水的排放，会对隧道范围的环境产生不同程度的破坏和影响。
2.5.1 表土流失，由于坑道口的开挖和施工便道的开挖形成表土流失，开挖形成了较多的临空面。自然保护区内原本比较松散的表层土，极易产生坍滑，并一级一级的逐步牵引，造成植被破坏，从而使环境受到影响，建议对以上情况出现的边坡进行必要的加固防护，以减小对自然保护区内的环境破坏。
2.5.2 施工中产生废气、废水是必然的，施工中各工区领导应引起足够重视，对废水应妥善处理，采用过滤、沉淀、稀释等手段，满足国家的排放标准后，方可汇入自然沟槽内。建议增设洞口水净化设施。
2.5.3 区内生活污染，关键是增强工作人员的环保意识，提高员工的自身素质，采取集中堆放、集中处理。注意工区内的环境卫生，保护工作人员的身体健康。
2.5.4 洞身斜井的弃碴场应统一设计，避免发生类似8号斜井弃碴场容量不够等问题。隧道出口出碴有部分在龙沟河阶地，对该处水系宜作环保设计，另设计中碴顶考虑了设水沟排水的工程措施，但因弃碴随时间发生沉降引起水沟断裂，水沟起不到引流地表水的作用。建议弃碴场底清除表土后埋设透水管引流，弃碴场外缘适当位置设截水沟排截地表水。
2.6 施工组织
2.6.1 乌鞘岭隧道修改预设计施工工期左线隧道39.2个月，右线隧道30个月，参考其它山区铁路（内昆、渝怀、水柏）长隧道的实际施工进度指标，进行分析研究，可以认为在正常情况下，该工期是可以实现的。
2.6.2 隧道中部7、8、9号斜井所承担的区段是控制工期的重点。施工中揭示的地质情况同修改预设计图有差异，个别斜井进度滞后，同时长斜井的施工通风和运能不足等，将成为影响施工进度的关键。
2.6.3 为确保工期，防止因塌方或地质变化较大以及遇到不可预见的诸多因素影响工期，施工单位各自增加了施工工作面，在确保安全前提下，粗放式的建设管理是可行的。
2.7 其它
2.7.1 乌鞘岭隧道作为我国最长的铁路隧道，其消防救灾是非常重要的问题，建议对此作专题研究。
2.7.2 施工安全需予以充分重视，对长斜井和竖井，为确保安全，结合本隧的特点建议进行施工防灾技术的课题研究。7、8、9号长斜井和大台深坚井拟配备双回路电源和应急照明设施。
作者： 曹磊
