香山特長隧道輔助坑道設置方案優化及實踐

劉旭全，宋領弟

（中鐵北京工程局集團有限公司，北京102308）

0 引言

我國交通事業蓬勃發展，越來越多的山嶺特長隧道投入施工建設。山嶺特長隧道具有地質條件復雜、施工技術要求高、施工任務量大、安全風險等級高及施工工期緊張等特點，為此我國在特長隧道施工中多采用“長隧短打”的建設思路，從而達到適當減小施工風險、保證施工進度的目的。李恩滿［1］通過秦嶺特長隧道設計，參考國內外資料，以實例闡述輔助坑道概念、作用及選用原則、平行導坑造價問題。陳黨輝等［2］對鄭西客運專線大斷面黃土隧道秦東隧道施工技術進行研究，得出斜井和大跨黃土隧道交叉口施工方案，并針對斜井向正洞施工方法和技術措施等對工程進行總結和實例驗證。馮明等［3］結合向莆鐵路高蓋山隧道施工實踐，從輔助坑道的形式、位置及斷面尺寸等要素出發，就長大隧道斜井設計方案的優化進行探討。張橋［4］針對渝黔鐵路新涼風埡隧道論述了工程地質與斜井設置條件、輔助坑道設置和施工組織安排的關系，結合施工難度及工程風險、施工組織及工期、空氣動力學影響、環境影響、防災救援、兩端接線條件等因素對合修、分修方案進行比選，推薦采用合修方案。陳鴻等［5］優先選擇“八”字形布置斜井是基于山西中南部鐵路通道南呂梁山隧道K、2號、3號斜井的位置和斜井斷面優化完成的。

由此可知，關于特長隧道輔助坑道設置的研究，眾多學者開展討論，理論與實證成果均較為豐富，但由于時間、地區、環境以及不同行業隧道工程建設狀況等多方面因素影響，不同的隧道對輔助坑道設置方案不一樣，基于前人積累的經驗，以中衛—蘭州高速鐵路（簡稱中蘭高鐵）香山特長隧道為背景，針對高鐵特長隧道輔助坑道設置方案優化展開研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

中蘭高鐵位于寧夏回族自治區和甘肅省境內，線路自吳忠—中衛城際鐵路中衛南站引出，于常樂鎮西北角折向西南跨過定武高速公路，以香山特長隧道翻越香山山脈，而后向西經蘭州新區接至既有中川機場線樹屏線路所，線路全長218.494 km。香山特長隧道位于寧夏中衛市沙坡頭區常樂鎮水車村—亂井子附近，起訖里程為DK39+990—DK57+753.3，全長17 763.3 m，采用單洞雙線隧道，隧道最大埋深約380 m，為該條鐵路線最長隧道，也是西北地區在建的最長高速鐵路隧道，屬重點控制性工程［6］。香山特長隧道2018年8月1日開工，計劃竣工日期為2022年6月30日。

1.2 隧道簡介

香山特長隧道正線數目為雙線，正線線間距4.6 m。洞身左 線DK43+585.125—DK45+763.3397段位于R=9 000 mm的曲線上，其余地段均位于直線上。洞內縱坡依次為25‰長度160 m、20‰長度13 900 m、18.1‰長度3 000 m、-4.5‰長度703.3 m。隧道圍巖Ⅲ級占比62.7%、Ⅳ級占比21.9%、Ⅴ級占比15.4%。香山特長隧道進口、出口端均設計為帽檐斜切式洞門。隧道設置5個斜井作為輔助坑道，輔助正洞施工，以達到“長隧短打”目的。其中2號斜井在隧道施工完工后改造成緊急出口，4號斜井改造成避難所，1號、3號、5號斜井進行封堵［7］。

香山特長隧道處于衛寧北山東西向構造和隴西旋卷構造體系組成的復合構造體系內，隧道洞身褶皺構造有4個，分別為站馬營向斜（DK45+800）、紅柳溝背斜（DK48+180）、紅柳溝向斜（DK48+500）、顧家溝背斜（DK52+050）；隧址區域內地質構造較復雜，巖體破碎，與線路相交的斷裂主要為北西向，由北向南依次分布有9條斷層。香山隧道主要有危巖、落石和崩塌、巖溶、人為坑洞、瓦斯及有害氣體、高地應力、巖爆、軟巖變形和高地溫等不良地質［8］。

2 隧道總體施工方案

香山特長隧道遵循“新奧法”原理，按照“短進尺、強支護、早成環、勤量測、早襯砌”的原則，整個隧道分為進口、出口、1號斜井、2號斜井、3號斜井、4號斜井和5號斜井共7個工區組織施工。除進口、出口明洞段采用明挖法施工外，其余地段均通過斜井輔助坑道采用暗挖法施工。隧道設置輔助坑道1號、2號斜井工區雙向掘進，隧道進口、出口及3號、4號、5號斜井工區設單工作面采用單向掘進。隧道Ⅲ級圍巖采用臺階法施工；Ⅳ級圍巖淺埋地段采用三臺階法施工，深埋地段采用短臺階法施工；V級圍巖洞口淺埋段采用三臺階預留核心土法或三臺階臨時仰拱法開挖，淺埋沖溝影響段采用三臺階預留核心土法或CRD法施工［9］。襯砌混凝土采用整體模板臺車進行整體澆筑。小型構件場設置于拌和站范圍內，成品構件汽車運輸，人工配合汽車吊安裝。混凝土均采用混凝土拌和站集中拌合供應，混凝土輸送車運輸，現場泵送入模，插入式振搗施工。

隧道設計超前支護措施，進口段洞口淺埋土石分界段設長37 mΦ108 mm大管棚，出口段洞口淺埋土石分界段設長30 mΦ108 mm大管棚。Vb級圍巖設Φ42 mm超前小導管，Vb級圍巖穿越斷層設Φ89 mm管棚+小導管，Vb級圍巖穿越瓦斯地段設Φ42 mm超前雙層小導管，IV圍巖設Φ42 mm超前小導管。初期支護采用架設型鋼鋼架、掛鋼筋網片噴射混凝土打設錨桿聯合支護體系。

3 隧道施工方案優化

3.1 輔助坑道原設計方案

3.1.1 設置位置

結合香山特長隧道設計資料，設置5個斜井均采用無軌運輸，設計井口位置、交匯點里程、坡率、長度等要素見表1和圖1。

3.1.2 斷面簡介

原設計方案中斜井采用曲墻拱形斷面型式，其中1、2號斜井采用雙車道斷面；3、4、5號斜井采用單車道斷面，間距200 m設會車道。斜井采用噴射混凝土、掛鋼筋網片、打設錨桿和架立鋼架聯合支護體系。斜井設計斷面見圖2、圖3。輔助坑道每延米工程數量見表2。

表1 輔助坑道原設置要素

圖1 香山隧道輔助坑道設置平面示意圖

3.2 輔助坑道設置方案優化

對施工現場仔細踏勘、對原設計方案認真分析，并借鑒以往參與蘭武二線烏鞘嶺隧道、向莆鐵路高蓋山隧道等長大隧道施工經驗，考慮方便施工、提高效率、節約成本、過程安全、確保工期等因素，對輔助坑道的布置位置、斷面形式等要素進行優化。

3.2.1 位置優化

圖2 斜井單車道斷面

圖3 斜井雙車道斷面

表2 輔助坑道每延米工程數量 m3

隧道所處香山山脈山高坡陡，沖溝縱深，輔助坑道多沿冰溝布置。根據地質情況以及雨季防汛要求，考慮施工任務和工期將斜井井口位置進行優化，1、2、3、4號斜井井口所在位置地勢較陡洞門邊仰坡高，洞口場地布置困難，進洞條件差，對施工進洞不利。5號斜井口距主溝便道約600 m，其中去往斜井洞口約200 m處較為狹窄，兩側山體陡峭，進場施工便道需沿山體側進行修筑，修筑比較困難，且斜井洞口施工場地狹窄。為此將1、2、3、4號斜井井口標高進行調整，5號斜井井口位置進行調整。同時結合斜井和正洞交匯點地質狀況、無軌運輸斜井坡率情況，將交匯點里程做了優化。1號斜井井口標高由1 505.4 m調整為1 498.3 m，標高下調7.1 m，調整后坡率減少為8.7%，長度減少為948.3 m；2號斜井井口標高由1 543.6 m調整為1 538.4 m，標高下調5.2 m，調整后坡率減少為8.5%，長度減少為512.5 m；3號斜井井口標高由1 543.6 m調整為1 538.4 m，標高下調5.2 m，調整后坡率減少為8.5%，長度減少為512.5 m；4號斜井井口標高由1 604.5 m調整為1 600.6 m，標高下調3.9 m，調整后坡率減少為9.6%，長度減少為601.6 m。5號斜井與正洞相交里程由DK54+500調整為DK55+000處線路右側，與線路小里程方向平面夾角138°，斜井長1 295 m，綜合坡率為4.39%，最大縱坡坡率為4.7%，較原設計長度減少5 m。輔助坑道設置方案優化見表3［10］。

3.2.2 斷面優化

結合斜井本身以及正洞施工工期要求，考慮風、水管路布置需要，同時為加大會車寬度，提高掘進速度，結合施工機械外形尺寸，通過計算綜合效益將原斜井設計斷面尺寸進行調整，寬度加大1.5 m，即為6.5 m，高度增加0.2 m，即為6.5 m。斷面具體尺寸見圖4。

表3 輔助坑道設置優化方案

圖4 斜井優化斷面

3.3 施工工作面設置方案優化

原設計方案建議采用隧道輔助坑道1號和2號斜井工區雙向掘進，其余隧道進、出口和3、4、5號斜井工區設單工作面采用單向掘進。為進一步提高月掘進進度和確保關鍵線路施工節點工期實現，考慮施工過程中因地質變化影響施工等因素，將3、4號斜井工區也調整為雙向掘進。

4 施工實踐效果

4.1 施工任務劃分

香山隧道總體施工任務由進口、出口、5個斜井共7個工區完成。經過對輔助坑道設計方案優化，尤其對斜井和正洞交匯點里程調整后，各個工區正洞施工計劃里程段見表4。

4.2 工程進展

截至2020年10月18日，香山隧道已完成輔助坑道施工3 738 m，正洞施工累計9 584 m。其中進口工區于2018年10月19日進洞施工，已完成正洞施工1 534 m。1號斜井工區井身（長度949 m）于2018年11月28日進洞施工，于2019年11月5日完工；承擔正洞任務已完成785 m。2號斜井工區井身（長度379 m）于2018年11月13日進洞施工，于2019年7月16日完工；承擔正洞任務已完成1 378 m。3號斜井工區井身（長度513 m）于2018年10月30日進洞施工，于2019年5月31日完工；承擔正洞任務已完成1 595 m。4號斜井工區井身（長度602 m）于2018年10月24日進洞施工，于2019年7月1日完工；承擔正洞任務已完成1 073 m，剩余2 011 m。5號斜井工區井身（長度1 295 m）于2018年11月8日進洞施工，于2019年8月20日完工；承擔正洞任務已完成1 197 m。出口工區于2018年11月12日進洞施工，已完成正洞施工2 022 m。

表4 各個工區正洞施工計劃里程段

5 結束語

長大隧道在我國通常采用輔助坑道實現“長隧短打”的目的，然而在前期設計階段因受地質調查和勘察條件的限制，不可能考慮非常全面。因而在開工建設前應當做好施工圖紙現場核對，進一步優化設計方案非常必要。通過對香山隧道輔助坑道設置方案進行優化，使各工區任務劃分更合理，達到均衡施工的要求；井口位置的優化，不但有利于結合地形條件和全隧道施工任務量選擇斜井口位置，而且還便于施工便道和場地的布置；斜井的綜合坡率降低和斷面的調整，可提高運輸效率、加快施工進度，從而為香山特長隧道如期完工創造條件。