天河山隧道輔助坑道方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

胡玉林

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

為滿足工期要求及施工組織需要，長(zhǎng)大隧道及地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道一般需要設(shè)置輔助坑道。輔助坑道方案的合理性對(duì)隧道的建設(shè)和運(yùn)營影響巨大。針對(duì)輔助坑道設(shè)計(jì)，梁文灝、路仕洋、楊國慶等人對(duì)關(guān)角隧道[1]、當(dāng)金山隧道[2]、烏鞘嶺隧道[3]等特長(zhǎng)鐵路隧道的輔助坑道方案進(jìn)行了深入研究；楊昌賢、陳志高等人結(jié)合實(shí)際施工情況對(duì)輔助坑道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[4]；向道銀、劉傳等人著重從施工角度研究了復(fù)雜或軟弱圍巖地質(zhì)條件下輔助坑道施工技術(shù)。上述研究成果對(duì)長(zhǎng)大隧道的輔助坑道方案優(yōu)化具有一定的參考和借鑒意義。

本文以新建和順至邢臺(tái)鐵路天河山隧道工程為背景，結(jié)合隧道施工過程中遇到的復(fù)雜地質(zhì)情況，對(duì)隧道的輔助坑道方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，擬為今后類似地層隧道設(shè)計(jì)和施工提供一定參考。

2 工程及水文地質(zhì)概況

天河山隧道呈東西走向穿越太行山山脈，隧道進(jìn)口位于山西省左權(quán)縣拐兒鎮(zhèn)駱駝村，出口位于河北省邢臺(tái)縣白岸鄉(xiāng)洺水村。隧道起迄里程D2K33＋710～D2K45＋405，全長(zhǎng)11 695 m，為單線隧道。隧道一般埋深100～300 m，最大埋深615 m。洞內(nèi)縱坡為-4‰/20 m、-14‰/11 220 m、-5‰/455 m的單面坡。

天河山隧道洞身所穿越的地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積粗角礫土和碎石土，第四系上更新統(tǒng)坡、洪積粉質(zhì)黏土、震旦系下統(tǒng)串嶺溝組砂巖和常州溝組砂巖。全隧道Ⅱ級(jí)圍巖長(zhǎng)5 945 m，占50.83%；Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)3 626 m，占31.01%；Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)1 639 m，占14.01%；Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)485 m，占4.15%。本隧道受太行大斷裂影響較強(qiáng)烈，隧道洞身發(fā)育21條斷層破碎帶和7條節(jié)理密集帶，對(duì)隧道影響較大。

隧道區(qū)內(nèi)地下水主要為巖溶裂隙水、構(gòu)造裂隙水及砂巖層間水。巖溶裂隙水與砂巖層間水多層狀分布，且通過構(gòu)造帶實(shí)現(xiàn)自上而下連通，形成補(bǔ)給和排泄關(guān)系。本隧道正洞預(yù)測(cè)正常涌水量約35 973 m3/d，最大涌水量約72 856 m3/d。

3 原設(shè)計(jì)輔助坑道方案

3.1 輔助坑道方案概況

本隧道原設(shè)計(jì)采用1座雙車道斜井和1座單車道平行導(dǎo)坑輔助施工，如圖1所示。根據(jù)施工組織安排，1號(hào)斜井向進(jìn)口方向?qū)⒊袚?dān)1 495 m的正洞施工任務(wù)，向出口方向?qū)⒊袚?dān)2 455 m的正洞施工任務(wù)，平行導(dǎo)坑和出口工區(qū)共同承擔(dān)4 635 m的正洞施工任務(wù)。隧道貫通工期為28個(gè)月。

3.2 輔助坑道設(shè)計(jì)情況

(1)1號(hào)斜井位于線路前進(jìn)方向左側(cè)，與正洞交于D2K38＋315，長(zhǎng)1 581 m，最大縱坡為10.7%。斜井采用雙車道無軌運(yùn)輸方式，斷面按7.0×6.2 m(寬×高)設(shè)計(jì)。

(2)在隧道出口端線路右側(cè)平行正洞設(shè)置平行導(dǎo)坑，長(zhǎng)3 150 m，與正洞線間距為35 m，坑底設(shè)計(jì)高程低于正洞坑底不小于1.2 m，縱坡為14‰。平行導(dǎo)坑采用無軌運(yùn)輸單車道＋錯(cuò)車道[5]，每隔250～300 m設(shè)1處錯(cuò)車道，單車道斷面按5.0×6.0 m(寬×高)設(shè)計(jì)，錯(cuò)車道斷面按7.0×6.2 m(寬×高)設(shè)計(jì)。

(3)平行導(dǎo)坑與隧道正洞間通過橫通道連接，平行導(dǎo)坑終點(diǎn)的橫通道與正洞相交于D2K42＋265。共設(shè)置4處橫通道，橫通道采用單車道斷面。

(4)1號(hào)斜井和平行導(dǎo)坑洞身支護(hù)措施以錨噴支護(hù)[6]為主，洞口淺埋偏壓段和洞身斷層破碎帶采用模筑襯砌。

4 1號(hào)斜井局部調(diào)整及延長(zhǎng)平行導(dǎo)坑優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 1號(hào)斜井連續(xù)溜坍及涌水涌泥影響

1號(hào)斜井X1DK0＋209～X1DK0＋141段原設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)圍巖51 m，Ⅳ級(jí)圍巖17 m。施工過程中揭示該段為斷層破碎帶和節(jié)理密集發(fā)育帶影響區(qū)，以Ⅴ級(jí)圍巖為主，掌子面涌水量超過200 m3/h，連續(xù)發(fā)生多次較大規(guī)模的掌子面溜坍，其中X1DK0＋161處掌子面發(fā)生涌水涌泥，涌出物約450 m3。本段斜井處理周期較長(zhǎng)，原計(jì)劃該段工期為1個(gè)月，實(shí)際施工約11個(gè)月，施工嚴(yán)重受阻。

通過超前水平鉆探、TSP、大地電磁物探測(cè)試等補(bǔ)充勘察手段，查明 1號(hào)斜井 X1DK0＋141～X1DK0＋000段為強(qiáng)富水區(qū)，節(jié)理密集發(fā)育，巖體破碎，拱頂、側(cè)壁多夾軟層，易發(fā)生坍塌及涌水涌泥。該節(jié)理密集帶與斜井走向基本平行，與正洞相交于D2K38＋300～D2K38＋345段。

1號(hào)斜井X1DK0＋141掌子面前方地質(zhì)條件較差，向前繼續(xù)掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)高，需采用超前帷幕注漿等加固措施，施工周期長(zhǎng)、加固費(fèi)用高，且原設(shè)計(jì)在D2K38＋315處進(jìn)入正洞挑頂施工[7]難度大，因此有必要研究繞避該不良地質(zhì)段落的方案，并增設(shè)輔助坑道加快1號(hào)斜井與出口工區(qū)間的施工進(jìn)度。

4.2 輔助坑道方案優(yōu)化需考慮的因素

(1)地質(zhì)因素

本段隧道洞身段發(fā)育的節(jié)理密集帶為北東走向張性節(jié)理組，以砂充填為主，有少量土。緩傾巖層在豎向節(jié)理切割及長(zhǎng)期風(fēng)化作用下，砂巖小碎塊呈砂夾土狀，存在涌泥的物質(zhì)來源；另一方面，本隧道構(gòu)造裂隙水儲(chǔ)量豐富，補(bǔ)給源長(zhǎng)，砂巖地層寬張裂隙發(fā)育[8]，上下連通性好，利于水的流動(dòng)，圍巖中地下水具有較高的水壓力，存在涌水涌泥的動(dòng)力條件，使得該段隧道發(fā)生坍塌和涌水涌泥的風(fēng)險(xiǎn)較高，施工難度極大，嚴(yán)重制約隧道工期。

1號(hào)斜井原設(shè)計(jì)線位與節(jié)理密集帶基本平行，該節(jié)理密集帶與正洞相交于斜井交叉口D2K38＋315附近。因此需要合理調(diào)整1號(hào)斜井走向，使斜井與節(jié)理密集帶大角度相交，減少斜井洞身不良地質(zhì)段落長(zhǎng)度，降低施工難度。

(2)工期因素

1號(hào)斜井與出口工區(qū)間為關(guān)鍵線路[9]，該區(qū)間按原設(shè)計(jì)輔助坑道方案施工已無法滿足工期要求，因此需要通過采取輔助坑道優(yōu)化調(diào)整措施，開辟新的作業(yè)面，減輕1號(hào)斜井在富水破碎帶段施工受阻帶來的工期壓力，加快施工進(jìn)度，為后續(xù)無砟軌道、附屬工程及站后工程施工爭(zhēng)取作業(yè)時(shí)間。

(3)施工組織因素

本隧道地下水發(fā)育，帶水作業(yè)反坡施工難度大、獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)，輔助坑道選擇時(shí)應(yīng)充分考慮方便運(yùn)輸組織，有利于施工通風(fēng)和施工排水[10]。

(4)運(yùn)營安全因素

本隧道地下水十分豐富，實(shí)際揭示的最大涌水量與預(yù)測(cè)基本吻合，運(yùn)營期間隧道正洞側(cè)溝的排水壓力極大，因此必須妥善解決隧道運(yùn)營期間的排水問題。

4.3 1號(hào)斜井局部調(diào)整及延長(zhǎng)平行導(dǎo)坑設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合考慮多方面因素，確定了以下輔助坑道優(yōu)化調(diào)整方案:

(1)在1號(hào)斜井X1DK0＋238右側(cè)增設(shè)1個(gè)1號(hào)支洞[11](簡(jiǎn)稱右支洞)輔助施工。右支洞與正洞相交于D2K38＋085處，長(zhǎng)283.6 m，采用雙車道斷面。右支洞縱斷面坡度采用-3%/30 m、-8.11%、-3%/30 m的單面下坡。

(2)在1號(hào)斜井X1DK0＋153處向左側(cè)局部調(diào)整1號(hào)斜井走向(簡(jiǎn)稱左支洞)。左支洞與正洞交叉點(diǎn)為D2K38＋600，調(diào)整后1號(hào)斜井X1DK0＋153掌子面到正洞的長(zhǎng)度為365 m，較原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度增加212 m。考慮斜井X1DK0＋153掌子面位于斷層及節(jié)理密集發(fā)育帶影響范圍，地下水量大，施工反坡排水難度大，縱斷面坡度采用0.1%/175 m、-10.83%/160 m、3%/30 m的人字坡。

(3)出口端平行導(dǎo)坑延長(zhǎng)至D2K38＋600處與調(diào)整走向后的1號(hào)斜井連通。變更后平行導(dǎo)坑全長(zhǎng)6 822 m，較原平行導(dǎo)坑長(zhǎng)度增加3 672 m。平行導(dǎo)坑與正洞間增加8處橫通道，全隧道共12個(gè)橫通道，如圖2所示。

(4)為提高施工效率，平行導(dǎo)坑延長(zhǎng)段平導(dǎo)斷面由單車道改為雙車道，便于大型機(jī)械快速施工。

(5)針對(duì)斜井支洞和平行導(dǎo)坑洞身穿越Ⅴ級(jí)圍巖富水?dāng)鄬悠扑閹Ф危捎眉庸倘? m的全斷面帷幕注漿進(jìn)行超前加固，并對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，初期支護(hù)全環(huán)采用 20a型鋼鋼架，間距0.6 m/榀，二襯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

(6)開展本變更設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)口工區(qū)實(shí)際掘進(jìn)約2 005 m，出口工區(qū)實(shí)際掘進(jìn)約1 700 m，1號(hào)斜井實(shí)際掘進(jìn)約1 420 m，出口端平行導(dǎo)坑實(shí)際掘進(jìn)約2 400 m。隧道正洞D2K35＋715～D2K43＋705段共7 990 m未施工，按進(jìn)口、出口、1號(hào)斜井、平行導(dǎo)坑四個(gè)工區(qū)組織施工，剩余工程施工工期約16.6個(gè)月，滿足目標(biāo)工期要求。

5 施工效果分析

由于受各種不利因素影響，天河山隧道工期嚴(yán)重滯后，施工過程中通過對(duì)1號(hào)斜井向正洞進(jìn)口方向增設(shè)右支洞及向正洞出口方向局部調(diào)整走向繞避不良地質(zhì)、出口端平行導(dǎo)坑延伸至與1號(hào)斜井左支洞連通等輔助坑道優(yōu)化方案，達(dá)到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、增加工作面、減少反坡排水和降低工程風(fēng)險(xiǎn)的目的，隧道于2021年8月7日順利貫通，為全線年底竣工通車創(chuàng)造了條件。

施工實(shí)踐表明，出口及平行導(dǎo)坑工區(qū)共同完成5 687 m的正洞施工任務(wù)，該工區(qū)施工期間涌水量超過15 000 m3/d，長(zhǎng)段落順坡施工極大地緩解了隧道施工期間的反坡排水壓力。隧道貫通后大部分地下水通過平行導(dǎo)坑排出洞外，解決了運(yùn)營期間的排水難題。1號(hào)斜井工區(qū)右支洞向進(jìn)口方向完成了約996 m的正洞施工任務(wù)，向出口方向完成了366 m的正洞施工任務(wù)。1號(hào)斜井工區(qū)左支洞向進(jìn)口方向完成了約149 m段的正洞施工任務(wù)，向出口方向完成了1 118 m的正洞施工任務(wù)。1號(hào)斜井左、右兩個(gè)支洞共同完成了包含位于斷層破碎帶和節(jié)理密集發(fā)育帶的D2K38＋100～D2K38＋600段長(zhǎng)約500 m的Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖強(qiáng)富水段落，該段在施工至里程D2K38＋154時(shí)發(fā)生了較大規(guī)模的涌水涌泥導(dǎo)致右支洞向出口方向施工受阻。由于優(yōu)化走向后的1號(hào)斜井左支洞成功繞避了不良地質(zhì)區(qū)域，施工較順利，確保了隧道向出口方向的施工正常推進(jìn)。本隧道開挖貫通后，由于正洞和平行導(dǎo)坑間有12個(gè)橫通道，為后續(xù)二襯及無砟軌道施工提供了開辟多個(gè)作業(yè)面的便利條件[12]，加快了施工進(jìn)度。因此，天河山隧道出口端平行導(dǎo)坑、1號(hào)斜井左支洞和右支洞為隧道安全順利貫通發(fā)揮了重要作用。

6 結(jié)束語

(1)由于受外部客觀條件影響，天河山隧道的工期嚴(yán)重滯后于原施工組織計(jì)劃，施工過程中對(duì)輔助坑道設(shè)置方案進(jìn)行及時(shí)調(diào)整非常必要，保證了隧道工程順利推進(jìn)，1號(hào)斜井局部調(diào)整走向繞避了不良地質(zhì)地段，為安全施工創(chuàng)造了條件。

(2)天河山隧道在施工過程中發(fā)現(xiàn)獨(dú)頭掘進(jìn)距離超過3 km后單車道平行導(dǎo)坑難以發(fā)揮施工組織效率后，將平行導(dǎo)坑延長(zhǎng)段由單車道斷面調(diào)整為雙車道斷面方案合理，提高了平行導(dǎo)坑工區(qū)內(nèi)長(zhǎng)距離獨(dú)頭掘進(jìn)的運(yùn)輸組織效率，也為平行導(dǎo)坑內(nèi)多個(gè)工作面的施工通風(fēng)創(chuàng)造了條件。

(3)對(duì)于長(zhǎng)段落穿越太行山區(qū)震旦系富水砂巖斷層破碎帶及節(jié)理密集發(fā)育帶地層且埋深較大的隧道，選擇輔助坑道時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇平行導(dǎo)坑方案。平行導(dǎo)坑不僅能增加工作面，施工期間還可以超前預(yù)報(bào)正洞前方的地質(zhì)情況并起到超前泄水降壓的作用；運(yùn)營期間作為泄水洞，減小正洞排水壓力，消除地下水浸泡道床帶來的隱患，保證隧道運(yùn)營安全。