1．隧道概況
關(guān)角隧道位于青藏線西寧至格爾木段增建第二線天棚車站與察汗諾車站之間，隧道起訖里程為DK280+505～DK313+195，全長32.690km，設(shè)計為兩座平行的單線隧道，線間距為40m，隧道位于直線上，Ⅰ、Ⅱ線隧道的縱向設(shè)計坡度基本一致，從進(jìn)口至出口，設(shè)計坡度及坡長依次為10‰/145m、8‰/13850m、3‰/600m、-7‰/600m、-9.5‰/17495m。
隧道采用鉆爆法施工，施工輔助坑道（斜井）11座，其中位于隧道中部的6號斜井里程為DK295+110，長度L=2824.13m。隧道共設(shè)計77座聯(lián)絡(luò)橫通道，平均間隔420m，進(jìn)口與出口處的兩條橫通道距離洞口分別為405m和365m。
關(guān)角隧道進(jìn)口軌面高程為3380.26m，出口軌面高程為3324.05m；6號斜井井底高程3486.36m，井口高程為3774.30m。
2．主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
隧道類型：雙洞單線；
線間距：兩隧道線間距為40m；
行車速度：設(shè)計行車速度目標(biāo)值160km/h；
軌面以上凈空斷面面積：不小于42m2；
道床形式：無碴軌道；
電纜槽：兩側(cè)設(shè)置電纜槽；
豎曲線設(shè)置：豎曲線半徑為R-15000m。
3．工程地質(zhì)
3．1地層巖性
隧道區(qū)地層巖性復(fù)雜，沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖類均有出露。出露的地層主要有第四系、三疊系、二疊系、石炭系、志留系，并伴有華力西期侵入巖。地層巖性特征分述如下：
(1)三疊系(T)
三疊系有兩個截然不同的沉積類型，以關(guān)角日吉山一帶出露的石炭系為界，分為南北兩帶。北帶為三疊系中統(tǒng)及中下統(tǒng)，是淺海相陸臺蓋層碳酸鹽、碎屑巖沉積，和下伏二疊系地層呈平行不整合接觸，巖性主要以灰?guī)r、砂巖為主。南帶為三疊系下統(tǒng)，屬于南祁連褶皺帶地槽型沉積的范圍，有規(guī)模不大的地質(zhì)體零星分布，以礫巖、砂巖為主，覆蓋在石炭系地層上。
(2)二疊系(P)
以碳酸鹽為主的陸臺型淺海相沉積，巖性以灰?guī)r為主，局部夾少量砂巖，和下伏石炭系地層呈角度不整合接觸，接觸帶附近巖體破碎。
(3)石炭系(C)
由變質(zhì)、變形強烈的巖類組成，呈北西向帶狀展布于本區(qū)中部。這是一套變質(zhì)的淺海相碎屑巖構(gòu)造，以變質(zhì)砂巖、片巖為主，夾少量大理巖、板巖，和下元古界地層呈斷層接觸。
(4)志留系(S)
為變質(zhì)的海相類復(fù)理石碎屑沉積，以變質(zhì)砂巖為主，局部夾板巖、片巖。大部分巖石中均或多或少含有一些凝灰質(zhì)成分。巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，受強烈的韌性變形和動態(tài)重結(jié)晶作用，原巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，因而具有糜棱結(jié)構(gòu)和流動構(gòu)造，主要分布在隧道進(jìn)口段。
(5)侵入巖
根據(jù)其巖性特征，分為華力西早期片狀閃長巖、華力西晚期閃長巖和花崗巖。華力西早期片狀閃長巖呈北北西向長條帶狀展布于二郎洞—巴彥哈爾一帶。華力西晚期閃長巖，分布于本區(qū)南部，呈不同規(guī)模的巖株狀產(chǎn)出，分布于石炭系、下元古界地層中。三疊系下統(tǒng)角度不整合其上，侵入體多呈不規(guī)則橢圓狀，長軸方向以北西向為主?；◢弾r：呈灰白色，成分以石英、長石、黑云石為主，似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整，以塊狀為主，巖質(zhì)堅硬。
3．2地質(zhì)構(gòu)造
(1)褶皺構(gòu)造
區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，總體上呈北北西向展布，主要發(fā)育華力西期和印支期褶皺帶。褶皺構(gòu)造在區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為三種類型：一是以下古元界、石炭系中的褶皺為代表，以近于線狀的緊密褶皺為主，屬基底褶皺性質(zhì)；二是以二疊系、三疊系中的褶皺為代表，以開闊的正常褶皺為主，屬蓋層褶皺性質(zhì)；三是上第三系中的褶皺，以波狀起伏的緩傾斜正常褶曲為主，是新構(gòu)造運動造成的。
(2)斷裂構(gòu)造
區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，根據(jù)斷層規(guī)模及其構(gòu)造可以分為兩級：一級為區(qū)域性深大斷裂(F )，二級為區(qū)域斷裂或次級斷裂(f)。根據(jù)斷層走向大體上可以分為三組：北西向斷裂組、北東向斷裂組、北北西向斷裂組。其中以北西向斷裂最為發(fā)育，一般規(guī)模較大，同時構(gòu)成了區(qū)內(nèi)的主構(gòu)造線。從各斷裂之間的交切關(guān)系，確定不同方向之間斷裂生成次序是：北西向斷裂最早，并具有多期活動的特點；次為北北西向斷裂、北東向斷裂。各期斷裂相互交切，分枝現(xiàn)象多，使區(qū)內(nèi)斷裂系統(tǒng)顯得十分雜亂?？臻g上斷裂構(gòu)造發(fā)育不均勻，以二郎洞—巴彥哈爾一帶最發(fā)育，構(gòu)成一條密集發(fā)育的斷裂帶 。
4．隧道線路方案比選
4．1主要線路方案介紹
本線為增建第二線，結(jié)合既有線的改造，在多個越嶺方案中比選確定了關(guān)角隧道越嶺方案，在關(guān)角越嶺方案中重點研究了中、長、短3個方案。
4.1.1? 13 km越嶺方案地質(zhì)概況
隧道進(jìn)口為上第三系砂、泥巖，成巖作用較差，出口為石炭系板巖、片巖，巖體相對破碎。隧道內(nèi)地下水較發(fā)育，洞身工程地質(zhì)條件相對較差。
4.1.2? 21 km (C21K)越嶺方案地質(zhì)概況
洞身通過地層巖性有：三疊系砂巖、灰?guī)r，二疊系灰?guī)r、砂巖，石炭系變質(zhì)砂巖、片巖、大理巖、板巖，下元古界混合片麻巖、混合巖及華力西期花崗巖、閃長巖。預(yù)測隧道可能正常涌水量28 168.2 m3／d，可能最大涌水量54 809.1m3／d 。
4.1.3? 32 km (C32K)越嶺方案地質(zhì)概況
洞身通過地層巖性有：志留系板巖、變質(zhì)砂巖，三疊系砂巖、灰?guī)r，二疊系灰?guī)r、砂巖，石炭系變質(zhì)砂巖、片巖、大理巖、板巖，下元古界混合片麻巖、混合巖及華力西期花崗巖、閃長巖。預(yù)測隧道可能正常涌水量為46 845.4 m3／d ，可能最大涌水量91 663.7m3／d 。
4．2線路方案比較
線路方案的比選主要從以下8個方面進(jìn)行了論述比較。
4.2.1? 13 km 越嶺隧道方案的缺點
①出口端采用 1．05 km 和 5．15 km 的曲線隧道展線，不利于提速；
②運營線路較長，維修量大；
③新線與既有線交叉次數(shù)多；
④關(guān)角隧道采用單面坡，隧道施工和運營排水較困難 ；
⑤地質(zhì)條件差。
此方案不利于鐵路今后的長遠(yuǎn)發(fā)展，不利于提速，因此不采用此方案。
4.2.2? 21 km (C21K)與32 km(C32K)越嶺方案比較
(1)線路條件
C21K 方案較既有線縮短線路26.41km，C32K 較既有線縮短線路36.82 km；C32K方案的優(yōu)點是線路順直，平面條件好，較C21K方案多縮短線路l0.28km，列車運行高程基本相當(dāng)，縮短運營距離明顯，列車運行時間短，減少了旅客的旅行時間，體現(xiàn)了“以人為本”的理念。
(2)引線工程地質(zhì)條件
C21K方案路基工程存在季節(jié)凍土，C32K方案優(yōu)于C21K方案 。
(3)輔助坑道與工期
C21K方案共設(shè)斜井15.7km／7座，斜井平均長度為2 243 m，斜井與正洞長度的比例為75％。C32K方案共設(shè)斜井17 171m／12座，斜井平均長度為1 431 m，斜井與正洞長度的比例為53％。綜合斜井的長度、投資及現(xiàn)場調(diào)查分析，C32K方案設(shè)輔助坑道的條件明顯優(yōu)于C21K方案。
(4)施工排水和運營排水
C21K方案采用1.1％的下坡，C32K方案采用“人”字坡，對鉆爆法施工方案而言，兩方案均需設(shè)抽水泵站，難度相當(dāng)，C32K方案在進(jìn)口端略優(yōu)于C21K 方案；對TBM 施工方案而言，C32K 方案明顯優(yōu)于C21K方案。C32K方案采用“人”字坡，運營排水優(yōu)于C21K 方案。
(5)與既有線交又及干擾
① C21K方案新建線路與既有線交叉l0次，尤其是關(guān)角隧道進(jìn)、出口，下穿既有線埋深淺，為人工填筑路基土，在確保既有線運營安全及施工安全的條件下施工難度大。出口端隧道出洞后與既有線平交，施工干擾大。而 C32K 方案對既有線的運營不產(chǎn)生影響，僅與茶卡支線交叉2次，施工難度低。
②C21K方案新建關(guān)角隧道基本被既有線包圍，除隧道進(jìn)出口與既有線立交外，所有的施工道路與施工運輸均需跨既有線，施工中需要多處設(shè)平交道口，對既有線的運營產(chǎn)生很大干擾；C32K方案新建關(guān)角隧道遠(yuǎn)離既有線，施工中沒有干擾。
(6)施工場地
C32K方案進(jìn)出口施工場地開闊，緊鄰國道，交通方便，除6號斜井施工場地較為狹窄外，其余輔助坑道的進(jìn)口施工場地開闊，便道條件好。開闊的場地條件有利于TBM 的安裝與施工。C21K方案進(jìn)口施工場地開闊，出口被既有線包圍，場地狹窄。該方案隧道的輔助坑道大多溝比較深，場地狹窄，更不利于TBM的安裝與施工。
(7)水環(huán)境
①C21K方案采用1.1％。的單面下坡，隧道運營當(dāng)中地下涌水全部排向烏蘭縣方向，對地下水的排泄方向有較大改變，而C32K方案采用“人”字坡，對地下水的排泄方向基本沒有改變，因此C32K方案對當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境影響小。
②C21K方案隧道進(jìn)口位于天峻縣居民的生活用水水源地附近，相距約1 km ，隧道的修建勢必對水源地的水質(zhì)、水量產(chǎn)生一定的影響，而 C32K方案遠(yuǎn)離天峻縣生活用水水源點，對其基本無影響。
(8)投資
可研階段C32K方案比較范圍內(nèi)投資為31．67億元。C21K方案比較范圍內(nèi)靜態(tài)投資為28．22億元，C32K 方案較C21K方案貴3.45億元。
綜上所述，雖然C32K方案投資較貴，但運營條件好，體現(xiàn)了建設(shè)為運營服務(wù)的理念，符合發(fā)展趨勢，線路一次取直，故推薦C32K方案，隧道長32．605 km 。
5．施工方案
??? (1)關(guān)角隧道采用打斜井多點開挖，保隧道提前貫通。關(guān)角隧道共設(shè)置11座斜井，使新關(guān)角隧道最多可以有48個工作面同時施工。雖然這導(dǎo)致工程總量的增加，但是，磨刀不誤砍柴工，仍然是大大縮短了工期。
??? (2)新關(guān)角隧道里，每隔420米的距離，就會有一個橫洞，而橫洞只有40米，在緊急疏散的時候，旅客只要找到橫洞，徒步經(jīng)過40米，就可以到達(dá)另外一個隧道。這兩條線路互為救援通道，保障旅客的安全。
?? （3）關(guān)角隧道采用新型的斜井中隔板通風(fēng)系統(tǒng)和皮帶機出渣系統(tǒng)，優(yōu)化施工組織方案，增開工作面，提升進(jìn)度，確保安全。以關(guān)角隧道7號斜井為例，皮帶機出渣系統(tǒng)平均在7分鐘可以輸出16m3的渣。受施工進(jìn)度和其他因素的影響，實際使用過程中出渣量為50m3/h，皮帶機可以滿足施工進(jìn)度的要求，對于洞內(nèi)空氣質(zhì)量和運輸情況的改善效果較為明顯。
6．疏散救援系統(tǒng)
考慮到隧道發(fā)生火災(zāi)事故是一種小概率事件，從經(jīng)濟合理的角度考慮，關(guān)角隧道采用了設(shè)置相對簡單、工程規(guī)模較小的疏散救援系統(tǒng)，即兩管隧道間設(shè)12條救援橫通道，間隔50m，每個救援橫通道兩端各設(shè)1樘橫向滑移的防護(hù)門，門的通行尺寸為1.7m×2m（寬×高）。該系統(tǒng)與國內(nèi)目前已經(jīng)投入運營的烏鞘嶺隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)類似。
當(dāng)一管隧道發(fā)生火災(zāi)時，列車?？吭诰o急救援站處，旅客下車后即可緊急疏散到救援橫通道內(nèi)等待救援，也可進(jìn)入到另一管隧道的站臺等待救援（站臺寬1.28m）。
7．關(guān)角隧道特點
(1)在關(guān)角隧道10個斜井施工中第一個開挖到井底實施正洞施工，在關(guān)角隧道施工中第一個開始隧道混凝土襯砌工序，在高原隧道中第一個使用中隔板通風(fēng)技術(shù)解決洞內(nèi)施工環(huán)境。????????
(2)青藏高原是世界上海拔最高、面積最大、年代最新、地質(zhì)構(gòu)造最為活躍的高原。新關(guān)角隧道位于青藏高原地質(zhì)板塊擠壓的結(jié)合部，具有高地應(yīng)力、變形控制難度大等特點，共通過17個大、小斷裂帶，其中長達(dá)2355米的二郎洞斷層束素有“隧道地質(zhì)博物館”之稱。在隧道通過的灰?guī)r富水地段，單口斜井日涌水量達(dá)到了13萬方，這在世界鐵路隧道工程項目中是少有的。
(3)新關(guān)角隧道通過的地質(zhì)斷層和嶺脊地段超過10公里，面臨著圍巖變形失穩(wěn)、突泥涌水、施工通風(fēng)等諸多工程技術(shù)難題。特別是嶺脊地段涌水處理及板巖地段大變形控制為該隧道的最大難點，建設(shè)規(guī)模和難度為世界所罕見。
(4)新關(guān)角隧道的貫通，使我國高海拔特長隧道設(shè)計建設(shè)達(dá)到世界先進(jìn)水平，同時也刷新了我國最長鐵路隧道的記錄。
(5) 在高原高寒地區(qū)鉆爆法特長鐵路隧道長大斜井施工條件下，如何解決出砟運輸及長大斜井交通運輸安全是施工中的又一難題。在通過專家論證的前提下，項目部首次研發(fā)應(yīng)用了長大斜井皮帶機出砟運輸及設(shè)備配套技術(shù)，并在7號和9號斜井安裝使用，該技術(shù)的成功研發(fā)和運用，減少了出砟大車的尾氣排放和對洞內(nèi)空氣污染，改善了洞內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，縮短了出砟作業(yè)時間，提高了施工效率。
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