大坪山特長隧道重難點工程施工方案優化

彭學軍，傅鶴林，李一萍，徐迪明

(1.中鐵五局集團第一工程處有限公司，湖南 長沙 410031;2.中南大學，湖南 長沙 410075)

1 引 言

大坪山特長隧道是新建成昆鐵路第一特長隧道，為了確保隧道施工安全，采用平導輔助施工，并探明前面地質和水文情況。本文對大坪山特長隧道重難點工程進行分析，進而提出施工方案優化方案。

2 輔助坑道設置優化

為加快施工進度，解決排水、施工通風、防災救援，兼顧施工場地布置，輔助坑道采用“1平導+2橫洞”方案，長度依次為5 345.4 m、930 m、510 m，除平導PDK217+750～PDK222+950(5200 m)段采用單車道無軌運輸外，其余輔助坑道均采用雙車道無軌運輸方式。

輔助坑道采用坡度、斷面大小、運輸方式等見表1。

表1 輔助坑道設置情況

3 施工輔助措施

3.1 超前地質預報

為保證隧道施工安全、優化設計、實現信息化施工，全隧施工期間將超前地質預報納入正常施工工序管理。

結合本隧工程特點及工程地質、水文地質條件，超前地質預報開展下列工作。

(1)不同巖性接觸帶的位置，巖體破碎程度及地下水賦存情況；

(2)向斜核部等地質構造的位置、巖體破碎程度、地下水賦存情況；

(3)巖體極破碎段的巖體破碎程度及地下水賦存情況；

(4)隧道內圍巖級別變化趨勢；

(5)有害氣體聚集及煤層分布情況。

全隧采用地質調查法為基礎，綜合物探法(包括地震波反射法、地質雷達法、紅外探測法)及超前鉆孔(包括加深炮孔)為主的綜合超前地質預報手段。

3.2 監控量測

隧道監控量測按規定建立等級管理、信息反饋和報告制度。監控量測必須設置專職人員并經培訓后上崗。

本隧DK217+578～+600(22 m)、DK228+850～+894(44 m)進、出口淺埋段開展地表沉降觀測，觀測點在隧道開挖前布設。

各級圍巖量測斷面間距：Ⅲ級圍巖不大于30 m，Ⅳ級圍巖不大于10 m，Ⅴ級圍巖不大于5 m；軟弱圍巖及不良地質地段，當拱頂下沉、水平收斂速率達5 mm/d或位移累計達100 mm/d時，暫停掘進，并及時分析原因，采取針對性處理措施。

3.3 超前支護

本隧Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段采用超前支護，根據隧道地質情況的特點，在洞口段、斷層破碎帶、淺埋及偏壓地段采用超前大管棚、超前小導管。

3.4 超前注漿

洞身DK217+850～+950段通過趙家坪斷層、DK222+950～DK223+050段通過余家山斷層、DK223+200～+300段通過柴背子斷層、DK223+900～DK224+000通過楊村斷層、DK225+200～+300通過楊村斷層支斷裂、DK219+250～DK221+870段通過紅花溪向斜、DK223+000～DK223+250段通過可溶灰巖、DK223+440～+925段通過可溶巖白云質灰巖，隧道施工可能會造成突水、突泥等施工災害或是開挖過后局部出水不止，并影響施工安全。另外，洞身地表多處分布居民村莊(如江灣、莊子坎、水井坪、白泥崗、豆架坪、大坪墩、柑子坪、楊村等)，施工開挖后地下水大量流失，可能影響居民生產、生活用水，施工前對地表房屋及居民生活用水進行調查，并保留影像等調查資料，根據地質資料分析洞內出水與地表水源點之間的關系，必要時對洞內采取超前注漿或開挖后徑向注漿方式予以封堵，以減小出水量，降低對地表的影響。

3.5 施工通風

平導與正洞之間的橫通道貫通前，采用壓入式通風；平導與隧道正洞之間1#、2#的橫通道貫通后，采用巷道式通風方案；1#、2#橫洞工區均采用壓入式通風。

通風時，應采取措施保證中隔板的密閉性，減小中隔板的漏風率。風管均采用軟風管，分管的配置要平、直、順。風管出口到掌子面的距離小于5倍的隧道當量直徑，洞口風機離開洞口的距離約10倍的隧道當量直徑，或呈直角方向安放于洞口一側并保持一定的距離。

3.6 施工排水

本隧道進口工區(DK217+560～DK223+200)全部為順坡排水，1#橫洞工區(DK223+200～DK225+700)全部為反坡排水，2#橫洞工區(DK225+700～DK228+904)段：橫洞與正洞交叉口至小里程方向為順坡排水，大里程方向為反坡排水。

(1)順坡排水：在正洞線路兩側各設一條臨時排水側溝，側溝按每隔30 m設置一道φ100PVC橫向引水管，洞內積水排至側溝，通過側溝排至洞外污水沉淀池中或橫洞處的固定泵站，因仰拱施工不能順排地段設臨時水泵排水。

(2)反坡排水：反坡排水采用高揚程大流量分段逐級接力機械抽排方式排水。洞內路面設橫坡，一側設縱向排水溝(排水溝尺寸根據水量確定)，間距50 m左右設臨時集水井，水井的大小和間距根據地下水滲流情況適當調整。

(3)污水處理：隧道各工區洞外分別設置污水處理池，先對施工廢水、廢液進行固體物質沉淀，油污吸附處理，再引入污水處理場按環保要求處理后，方可排放。

4 重難點問題及其處理措施

4.1 重難點問題

(1)大坪山隧道為全線控制性工程之一，隧道工期長、工作面多、任務重、施工組織和管理難度大。

(2)隧道地質條件較差，不良地質主要有危巖落石、巖溶、煤層瓦斯。

(3)隧道獨頭通風長度較長，施工通風困難。

(4)隧道群設置防災救援站與隧道洞內大斷面施工，施工難度大。

4.2 處理措施

隧道重難點及主要應對措施詳見表2。

表2 工程重點、難點及主要應對措施一覽表

4.3 穿越煤層、瓦斯氣體段施工措施

隧道DK217+560～DK217+850、DK219+150～DK219+700及DK221+300～DK221+950段屬于低瓦斯段落。

(1)超前預報及揭煤防突施工

①通過地震波進行超前地質預報，并至少設置一個超前鉆孔取芯加以驗證。若鉆孔驗證有煤，則應增加不少于3個鉆孔進行探測驗證。

②煤層突出危險性預測采用鉆屑指標法(見表3)及瓦斯壓力法進行判別。

表3 鉆屑指標法臨界值

③根據施工中各煤層突出危險性預測結果，當煤層有突出危險時，采取鉆孔排放，金屬骨架支護等措施；煤層厚度厚度小于0.3 m且瓦斯壓力較小時，可不采取防突措施，直接以震動放炮揭煤。

(2)鉆爆作業

①瓦斯工區鉆孔作業時，必須采用濕式鉆孔，且炮眼深度不應小于60 cm。

②通風應風量足，風向穩，局部無循環風，炮眼內煤、巖粉應清除干凈，炮眼封泥不足或不嚴不應進行爆破。

③瓦斯工區爆破作業必須使用煤礦許用炸藥，所有炮眼的剩余部分應用炮泥封堵。

(3)支護

①瓦斯段噴射混凝土、仰拱及二襯混凝土應加入硅灰、防水劑或氣密劑等外加劑以提高混凝土抗滲性。

②隧道初期支護采用濕噴混凝土施工工藝，設備選用TK600型濕噴機。

(4)施工運輸

瓦斯段均采用無軌裝碴、運輸施工方案進洞施工。

(5)施工通風

①瓦斯段工作面均采用壓入式通風，各洞口通風機設在洞外距洞口5 m處。通過Ф1.5 m雙抗風管(阻燃、抗靜電)將新鮮空氣送至掌子面。

②在開挖掌子面至主風管出風口地段設置移動式局扇。

(6)電器設備

①隧道內瓦斯突出工區的電氣設備與作業機械必須使用防爆型。

②隧道洞內各級配電和機電設備額定電壓限制如下。

a高壓不大于10 kV

b低壓動力電不大于380 V。

c照明、手持用電設備、電話、信號供電電壓，在低瓦斯工區不應大于220 V；在高瓦斯工區和瓦斯突出工區不應大于127 V。

d遠距離控制線路不大于36 V。

4.5 優化效果分析

(1)經濟效益

①優化了作業步距，加快了施工進度，縮短工期4.2月。III級圍巖仰拱封閉與掌子面距離由原來的90 m優化為150 m，IV級圍巖仰拱封閉與掌子面距離由原來的35 m優化為120 m，V級圍巖仰拱封閉與掌子面距離由原來的35 m，優化為90 m，減少了隧道鉆孔、爆破、撬頂、噴混凝土、初期支護、防水板安裝、二襯施做等工序間干擾，充分發揮了機械化作業效率，開挖效率III級圍巖開挖效率由原來月進度110 m上升為130 m，IV級圍巖由原來70 m上升為85 m，V級圍巖由原來55 m上升為70 m，提高了施工進度；中鐵五局成昆4標共有隧道21 302 m，其中III級圍巖段7 910 m，IV級圍巖段12 340 m，V級圍巖段1 052 m，縮短開挖工期5.8月，取得經濟效益8 352萬元；

②縮短工期4.2月，減少了管理人員18 900人次，降低了管理成本567萬元。

(2)社會、環境效益

①提出了符合大坪山隧道開挖情況下，既能保證施工安全，又能穩定提高施工效率的方案。確保了隧道施工安全順利地進行，避免了塌方、突涌水等災害的發生，保障了當地山區的水資源安全以及水環境的生態平衡。

②研究了工程重難點，優化了工序和施工組織，既確保施工安全又高效經濟；對多道工序并存施工進行了組織設計與優化，減少了建筑材料的浪費，實現了資源可再生循環利用。

5 結 論

本文針對大坪山特長隧道，從工程地質、施工組織等方面對工程重難點工程進行了分析，提出了施工優化方案和技術措施，為隧道安全施工提供了技術支持。方案的實施和措施的推廣應用，取得了良好的經濟、環境和社會效益。