1．隧道概况
关角隧道位于青藏线西宁至格尔木段增建第二线天棚车站与察汗诺车站之间，隧道起讫里程为DK280+505～DK313+195，全长32.690km，设计为两座平行的单线隧道，线间距为40m，隧道位于直线上，Ⅰ、Ⅱ线隧道的纵向设计坡度基本一致，从进口至出口，设计坡度及坡长依次为10‰/145m、8‰/13850m、3‰/600m、-7‰/600m、-9.5‰/17495m。
隧道采用钻爆法施工，施工辅助坑道（斜井）11座，其中位于隧道中部的6号斜井里程为DK295+110，长度L=2824.13m。隧道共设计77座联络横通道，平均间隔420m，进口与出口处的两条横通道距离洞口分别为405m和365m。
关角隧道进口轨面高程为3380.26m，出口轨面高程为3324.05m；6号斜井井底高程3486.36m，井口高程为3774.30m。
2．主要技术标准
隧道类型：双洞单线；
线间距：两隧道线间距为40m；
行车速度：设计行车速度目标值160km/h；
轨面以上净空断面面积：不小于42m2；
道床形式：无碴轨道；
电缆槽：两侧设置电缆槽；
竖曲线设置：竖曲线半径为R-15000m。
3．工程地质
3．1地层岩性
隧道区地层岩性复杂，沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩类均有出露。出露的地层主要有第四系、三叠系、二叠系、石炭系、志留系，并伴有华力西期侵入岩。地层岩性特征分述如下：
(1)三叠系(T)
三叠系有两个截然不同的沉积类型，以关角日吉山一带出露的石炭系为界，分为南北两带。北带为三叠系中统及中下统，是浅海相陆台盖层碳酸盐、碎屑岩沉积，和下伏二叠系地层呈平行不整合接触，岩性主要以灰岩、砂岩为主。南带为三叠系下统，属于南祁连褶皱带地槽型沉积的范围，有规模不大的地质体零星分布，以砾岩、砂岩为主，覆盖在石炭系地层上。
(2)二叠系(P)
以碳酸盐为主的陆台型浅海相沉积，岩性以灰岩为主，局部夹少量砂岩，和下伏石炭系地层呈角度不整合接触，接触带附近岩体破碎。
(3)石炭系(C)
由变质、变形强烈的岩类组成，呈北西向带状展布于本区中部。这是一套变质的浅海相碎屑岩构造，以变质砂岩、片岩为主，夹少量大理岩、板岩，和下元古界地层呈断层接触。
(4)志留系(S)
为变质的海相类复理石碎屑沉积，以变质砂岩为主，局部夹板岩、片岩。大部分岩石中均或多或少含有一些凝灰质成分。岩体受构造影响严重，受强烈的韧性变形和动态重结晶作用，原岩结构遭到破坏，因而具有糜棱结构和流动构造，主要分布在隧道进口段。
(5)侵入岩
根据其岩性特征，分为华力西早期片状闪长岩、华力西晚期闪长岩和花岗岩。华力西早期片状闪长岩呈北北西向长条带状展布于二郎洞—巴彦哈尔一带。华力西晚期闪长岩，分布于本区南部，呈不同规模的岩株状产出，分布于石炭系、下元古界地层中。三叠系下统角度不整合其上，侵入体多呈不规则椭圆状，长轴方向以北西向为主。花岗岩：呈灰白色，成分以石英、长石、黑云石为主，似斑状结构，块状构造，岩体节理、裂隙较发育，岩体较完整，以块状为主，岩质坚硬。
3．2地质构造
(1)褶皱构造
区内褶皱发育，总体上呈北北西向展布，主要发育华力西期和印支期褶皱带。褶皱构造在区内主要表现为三种类型：一是以下古元界、石炭系中的褶皱为代表，以近于线状的紧密褶皱为主，属基底褶皱性质；二是以二叠系、三叠系中的褶皱为代表，以开阔的正常褶皱为主，属盖层褶皱性质；三是上第三系中的褶皱，以波状起伏的缓倾斜正常褶曲为主，是新构造运动造成的。
(2)断裂构造
区内断裂构造极为发育，根据断层规模及其构造可以分为两级：一级为区域性深大断裂(F )，二级为区域断裂或次级断裂(f)。根据断层走向大体上可以分为三组：北西向断裂组、北东向断裂组、北北西向断裂组。其中以北西向断裂最为发育，一般规模较大，同时构成了区内的主构造线。从各断裂之间的交切关系，确定不同方向之间断裂生成次序是：北西向断裂最早，并具有多期活动的特点；次为北北西向断裂、北东向断裂。各期断裂相互交切，分枝现象多，使区内断裂系统显得十分杂乱。空间上断裂构造发育不均匀，以二郎洞—巴彦哈尔一带最发育，构成一条密集发育的断裂带 。
4．隧道线路方案比选
4．1主要线路方案介绍
本线为增建第二线，结合既有线的改造，在多个越岭方案中比选确定了关角隧道越岭方案，在关角越岭方案中重点研究了中、长、短3个方案。
4.1.1  13 km越岭方案地质概况
隧道进口为上第三系砂、泥岩，成岩作用较差，出口为石炭系板岩、片岩，岩体相对破碎。隧道内地下水较发育，洞身工程地质条件相对较差。
4.1.2  21 km (C21K)越岭方案地质概况
洞身通过地层岩性有：三叠系砂岩、灰岩，二叠系灰岩、砂岩，石炭系变质砂岩、片岩、大理岩、板岩，下元古界混合片麻岩、混合岩及华力西期花岗岩、闪长岩。预测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)越岭方案地质概况
洞身通过地层岩性有：志留系板岩、变质砂岩，三叠系砂岩、灰岩，二叠系灰岩、砂岩，石炭系变质砂岩、片岩、大理岩、板岩，下元古界混合片麻岩、混合岩及华力西期花岗岩、闪长岩。预测隧道可能正常涌水量为46 845.4 m3／d ，可能最大涌水量91 663.7m3／d 。
4．2线路方案比较
线路方案的比选主要从以下8个方面进行了论述比较。
4.2.1  13 km 越岭隧道方案的缺点
①出口端采用 1．05 km 和 5．15 km 的曲线隧道展线，不利于提速；
②运营线路较长，维修量大；
③新线与既有线交叉次数多；
④关角隧道采用单面坡，隧道施工和运营排水较困难 ；
⑤地质条件差。
此方案不利于铁路今后的长远发展，不利于提速，因此不采用此方案。
4.2.2  21 km (C21K)与32 km(C32K)越岭方案比较
(1)线路条件
C21K 方案较既有线缩短线路26.41km，C32K 较既有线缩短线路36.82 km；C32K方案的优点是线路顺直，平面条件好，较C21K方案多缩短线路l0.28km，列车运行高程基本相当，缩短运营距离明显，列车运行时间短，减少了旅客的旅行时间，体现了“以人为本”的理念。
(2)引线工程地质条件
C21K方案路基工程存在季节冻土，C32K方案优于C21K方案 。
(3)辅助坑道与工期
C21K方案共设斜井15.7km／7座，斜井平均长度为2 243 m，斜井与正洞长度的比例为75％。C32K方案共设斜井17 171m／12座，斜井平均长度为1 431 m，斜井与正洞长度的比例为53％。综合斜井的长度、投资及现场调查分析，C32K方案设辅助坑道的条件明显优于C21K方案。
(4)施工排水和运营排水
C21K方案采用1.1％的下坡，C32K方案采用“人”字坡，对钻爆法施工方案而言，两方案均需设抽水泵站，难度相当，C32K方案在进口端略优于C21K 方案；对TBM 施工方案而言，C32K 方案明显优于C21K方案。C32K方案采用“人”字坡，运营排水优于C21K 方案。
(5)与既有线交又及干扰
① C21K方案新建线路与既有线交叉l0次，尤其是关角隧道进、出口，下穿既有线埋深浅，为人工填筑路基土，在确保既有线运营安全及施工安全的条件下施工难度大。出口端隧道出洞后与既有线平交，施工干扰大。而 C32K 方案对既有线的运营不产生影响，仅与茶卡支线交叉2次，施工难度低。
②C21K方案新建关角隧道基本被既有线包围，除隧道进出口与既有线立交外，所有的施工道路与施工运输均需跨既有线，施工中需要多处设平交道口，对既有线的运营产生很大干扰；C32K方案新建关角隧道远离既有线，施工中没有干扰。
(6)施工场地
C32K方案进出口施工场地开阔，紧邻国道，交通方便，除6号斜井施工场地较为狭窄外，其余辅助坑道的进口施工场地开阔，便道条件好。开阔的场地条件有利于TBM 的安装与施工。C21K方案进口施工场地开阔，出口被既有线包围，场地狭窄。该方案隧道的辅助坑道大多沟比较深，场地狭窄，更不利于TBM的安装与施工。
(7)水环境
①C21K方案采用1.1％。的单面下坡，隧道运营当中地下涌水全部排向乌兰县方向，对地下水的排泄方向有较大改变，而C32K方案采用“人”字坡，对地下水的排泄方向基本没有改变，因此C32K方案对当地的水环境影响小。
②C21K方案隧道进口位于天峻县居民的生活用水水源地附近，相距约1 km ，隧道的修建势必对水源地的水质、水量产生一定的影响，而 C32K方案远离天峻县生活用水水源点，对其基本无影响。
(8)投资
可研阶段C32K方案比较范围内投资为31．67亿元。C21K方案比较范围内静态投资为28．22亿元，C32K 方案较C21K方案贵3.45亿元。
综上所述，虽然C32K方案投资较贵，但运营条件好，体现了建设为运营服务的理念，符合发展趋势，线路一次取直，故推荐C32K方案，隧道长32．605 km 。
5．施工方案
    (1)关角隧道采用打斜井多点开挖，保隧道提前贯通。关角隧道共设置11座斜井，使新关角隧道最多可以有48个工作面同时施工。虽然这导致工程总量的增加，但是，磨刀不误砍柴工，仍然是大大缩短了工期。
    (2)新关角隧道里，每隔420米的距离，就会有一个横洞，而横洞只有40米，在紧急疏散的时候，旅客只要找到横洞，徒步经过40米，就可以到达另外一个隧道。这两条线路互为救援通道，保障旅客的安全。
   （3）关角隧道采用新型的斜井中隔板通风系统和皮带机出渣系统，优化施工组织方案，增开工作面，提升进度，确保安全。以关角隧道7号斜井为例，皮带机出渣系统平均在7分钟可以输出16m3的渣。受施工进度和其他因素的影响，实际使用过程中出渣量为50m3/h，皮带机可以满足施工进度的要求，对于洞内空气质量和运输情况的改善效果较为明显。
6．疏散救援系统
考虑到隧道发生火灾事故是一种小概率事件，从经济合理的角度考虑，关角隧道采用了设置相对简单、工程规模较小的疏散救援系统，即两管隧道间设12条救援横通道，间隔50m，每个救援横通道两端各设1樘横向滑移的防护门，门的通行尺寸为1.7m×2m（宽×高）。该系统与国内目前已经投入运营的乌鞘岭隧道防灾救援系统类似。
当一管隧道发生火灾时，列车停靠在紧急救援站处，旅客下车后即可紧急疏散到救援横通道内等待救援，也可进入到另一管隧道的站台等待救援（站台宽1.28m）。
7．关角隧道特点
(1)在关角隧道10个斜井施工中第一个开挖到井底实施正洞施工，在关角隧道施工中第一个开始隧道混凝土衬砌工序，在高原隧道中第一个使用中隔板通风技术解决洞内施工环境。        
(2)青藏高原是世界上海拔最高、面积最大、年代最新、地质构造最为活跃的高原。新关角隧道位于青藏高原地质板块挤压的结合部，具有高地应力、变形控制难度大等特点，共通过17个大、小断裂带，其中长达2355米的二郎洞断层束素有“隧道地质博物馆”之称。在隧道通过的灰岩富水地段，单口斜井日涌水量达到了13万方，这在世界铁路隧道工程项目中是少有的。
(3)新关角隧道通过的地质断层和岭脊地段超过10公里，面临着围岩变形失稳、突泥涌水、施工通风等诸多工程技术难题。特别是岭脊地段涌水处理及板岩地段大变形控制为该隧道的最大难点，建设规模和难度为世界所罕见。
(4)新关角隧道的贯通，使我国高海拔特长隧道设计建设达到世界先进水平，同时也刷新了我国最长铁路隧道的记录。
(5) 在高原高寒地区钻爆法特长铁路隧道长大斜井施工条件下，如何解决出砟运输及长大斜井交通运输安全是施工中的又一难题。在通过专家论证的前提下，项目部首次研发应用了长大斜井皮带机出砟运输及设备配套技术，并在7号和9号斜井安装使用，该技术的成功研发和运用，减少了出砟大车的尾气排放和对洞内空气污染，改善了洞内施工作业环境，缩短了出砟作业时间，提高了施工效率。