劉旭全，宋領(lǐng)弟

（中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司，北京102308）

0 引言

我國交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，越來越多的山嶺特長隧道投入施工建設(shè)。山嶺特長隧道具有地質(zhì)條件復(fù)雜、施工技術(shù)要求高、施工任務(wù)量大、安全風(fēng)險(xiǎn)等級高及施工工期緊張等特點(diǎn)，為此我國在特長隧道施工中多采用“長隧短打”的建設(shè)思路，從而達(dá)到適當(dāng)減小施工風(fēng)險(xiǎn)、保證施工進(jìn)度的目的。李恩滿［1］通過秦嶺特長隧道設(shè)計(jì)，參考國內(nèi)外資料，以實(shí)例闡述輔助坑道概念、作用及選用原則、平行導(dǎo)坑造價(jià)問題。陳黨輝等［2］對鄭西客運(yùn)專線大斷面黃土隧道秦東隧道施工技術(shù)進(jìn)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(shù)措施等對工程進(jìn)行總結(jié)和實(shí)例驗(yàn)證。馮明等［3］結(jié)合向莆鐵路高蓋山隧道施工實(shí)踐，從輔助坑道的形式、位置及斷面尺寸等要素出發(fā)，就長大隧道斜井設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化進(jìn)行探討。張橋［4］針對渝黔鐵路新涼風(fēng)埡隧道論述了工程地質(zhì)與斜井設(shè)置條件、輔助坑道設(shè)置和施工組織安排的關(guān)系，結(jié)合施工難度及工程風(fēng)險(xiǎn)、施工組織及工期、空氣動力學(xué)影響、環(huán)境影響、防災(zāi)救援、兩端接線條件等因素對合修、分修方案進(jìn)行比選，推薦采用合修方案。陳鴻等［5］優(yōu)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?dāng)嗝鎯?yōu)化完成的。

由此可知，關(guān)于特長隧道輔助坑道設(shè)置的研究，眾多學(xué)者開展討論，理論與實(shí)證成果均較為豐富，但由于時間、地區(qū)、環(huán)境以及不同行業(yè)隧道工程建設(shè)狀況等多方面因素影響，不同的隧道對輔助坑道設(shè)置方案不一樣，基于前人積累的經(jīng)驗(yàn)，以中衛(wèi)—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(shè)置方案優(yōu)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(qū)和甘肅省境內(nèi)，線路自吳忠—中衛(wèi)城際鐵路中衛(wèi)南站引出，于常樂鎮(zhèn)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(jīng)蘭州新區(qū)接至既有中川機(jī)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(wèi)市沙坡頭區(qū)常樂鎮(zhèn)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(qū)在建的最長高速鐵路隧道，屬重點(diǎn)控制性工程［6］。香山特長隧道2018年8月1日開工，計(jì)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(shù)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(nèi)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(jìn)口、出口端均設(shè)計(jì)為帽檐斜切式洞門。隧道設(shè)置5個斜井作為輔助坑道，輔助正洞施工，以達(dá)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(jìn)行封堵［7］。

香山特長隧道處于衛(wèi)寧北山東西向構(gòu)造和隴西旋卷構(gòu)造體系組成的復(fù)合構(gòu)造體系內(nèi)，隧道洞身褶皺構(gòu)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(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)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(yīng)力、巖爆、軟巖變形和高地溫等不良地質(zhì)［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(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、勤量測、早襯砌”的原則，整個隧道分為進(jìn)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(qū)組織施工。除進(jìn)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(shè)置輔助坑道1號、2號斜井工區(qū)雙向掘進(jìn)，隧道進(jìn)口、出口及3號、4號、5號斜井工區(qū)設(shè)單工作面采用單向掘進(jìn)。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(yù)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(yù)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(jìn)行整體澆筑。小型構(gòu)件場設(shè)置于拌和站范圍內(nèi)，成品構(gòu)件汽車運(yùn)輸，人工配合汽車吊安裝?；炷辆捎没炷涟韬驼炯邪韬瞎?yīng)，混凝土輸送車運(yùn)輸，現(xiàn)場泵送入模，插入式振搗施工。

隧道設(shè)計(jì)超前支護(hù)措施，進(jìn)口段洞口淺埋土石分界段設(shè)長37 mΦ108 mm大管棚，出口段洞口淺埋土石分界段設(shè)長30 mΦ108 mm大管棚。Vb級圍巖設(shè)Φ42 mm超前小導(dǎo)管，Vb級圍巖穿越斷層設(shè)Φ89 mm管棚+小導(dǎo)管，Vb級圍巖穿越瓦斯地段設(shè)Φ42 mm超前雙層小導(dǎo)管，IV圍巖設(shè)Φ42 mm超前小導(dǎo)管。初期支護(hù)采用架設(shè)型鋼鋼架、掛鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土打設(shè)錨桿聯(lián)合支護(hù)體系。

3 隧道施工方案優(yōu)化

3.1 輔助坑道原設(shè)計(jì)方案

3.1.1 設(shè)置位置

結(jié)合香山特長隧道設(shè)計(jì)資料，設(shè)置5個斜井均采用無軌運(yùn)輸，設(shè)計(jì)井口位置、交匯點(diǎn)里程、坡率、長度等要素見表1和圖1。

3.1.2 斷面簡介

原設(shè)計(jì)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(shè)會車道。斜井采用噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)片、打設(shè)錨桿和架立鋼架聯(lián)合支護(hù)體系。斜井設(shè)計(jì)斷面見圖2、圖3。輔助坑道每延米工程數(shù)量見表2。

表1 輔助坑道原設(shè)置要素

圖1 香山隧道輔助坑道設(shè)置平面示意圖

3.2 輔助坑道設(shè)置方案優(yōu)化

對施工現(xiàn)場仔細(xì)踏勘、對原設(shè)計(jì)方案認(rèn)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(jīng)驗(yàn)，考慮方便施工、提高效率、節(jié)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(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 位置優(yōu)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(shù)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(jù)地質(zhì)情況以及雨季防汛要求，考慮施工任務(wù)和工期將斜井井口位置進(jìn)行優(yōu)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(jìn)洞條件差，對施工進(jìn)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(cè)山體陡峭，進(jìn)場施工便道需沿山體側(cè)進(jìn)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(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，5號斜井井口位置進(jìn)行調(diào)整。同時結(jié)合斜井和正洞交匯點(diǎn)地質(zhì)狀況、無軌運(yùn)輸斜井坡率情況，將交匯點(diǎn)里程做了優(yōu)化。1號斜井井口標(biāo)高由1 505.4 m調(diào)整為1 498.3 m，標(biāo)高下調(diào)7.1 m，調(diào)整后坡率減少為8.7%，長度減少為948.3 m；2號斜井井口標(biāo)高由1 543.6 m調(diào)整為1 538.4 m，標(biāo)高下調(diào)5.2 m，調(diào)整后坡率減少為8.5%，長度減少為512.5 m；3號斜井井口標(biāo)高由1 543.6 m調(diào)整為1 538.4 m，標(biāo)高下調(diào)5.2 m，調(diào)整后坡率減少為8.5%，長度減少為512.5 m；4號斜井井口標(biāo)高由1 604.5 m調(diào)整為1 600.6 m，標(biāo)高下調(diào)3.9 m，調(diào)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(diào)整為DK55+000處線路右側(cè)，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(shè)計(jì)長度減少5 m。輔助坑道設(shè)置方案優(yōu)化見表3［10］。

3.2.2 斷面優(yōu)化

結(jié)合斜井本身以及正洞施工工期要求，考慮風(fēng)、水管路布置需要，同時為加大會車寬度，提高掘進(jìn)速度，結(jié)合施工機(jī)械外形尺寸，通過計(jì)算綜合效益將原斜井設(shè)計(jì)斷面尺寸進(jìn)行調(diào)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(shè)置優(yōu)化方案

圖4 斜井優(yōu)化斷面

3.3 施工工作面設(shè)置方案優(yōu)化

原設(shè)計(jì)方案建議采用隧道輔助坑道1號和2號斜井工區(qū)雙向掘進(jìn)，其余隧道進(jìn)、出口和3、4、5號斜井工區(qū)設(shè)單工作面采用單向掘進(jìn)。為進(jìn)一步提高月掘進(jìn)進(jìn)度和確保關(guān)鍵線路施工節(jié)點(diǎn)工期實(shí)現(xiàn)，考慮施工過程中因地質(zhì)變化影響施工等因素，將3、4號斜井工區(qū)也調(diào)整為雙向掘進(jìn)。

4 施工實(shí)踐效果

4.1 施工任務(wù)劃分

香山隧道總體施工任務(wù)由進(jìn)口、出口、5個斜井共7個工區(qū)完成。經(jīng)過對輔助坑道設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，尤其對斜井和正洞交匯點(diǎn)里程調(diào)整后，各個工區(qū)正洞施工計(jì)劃里程段見表4。

4.2 工程進(jìn)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(jì)9 584 m。其中進(jìn)口工區(qū)于2018年10月19日進(jìn)洞施工，已完成正洞施工1 534 m。1號斜井工區(qū)井身（長度949 m）于2018年11月28日進(jìn)洞施工，于2019年11月5日完工；承擔(dān)正洞任務(wù)已完成785 m。2號斜井工區(qū)井身（長度379 m）于2018年11月13日進(jìn)洞施工，于2019年7月16日完工；承擔(dān)正洞任務(wù)已完成1 378 m。3號斜井工區(qū)井身（長度513 m）于2018年10月30日進(jìn)洞施工，于2019年5月31日完工；承擔(dān)正洞任務(wù)已完成1 595 m。4號斜井工區(qū)井身（長度602 m）于2018年10月24日進(jìn)洞施工，于2019年7月1日完工；承擔(dān)正洞任務(wù)已完成1 073 m，剩余2 011 m。5號斜井工區(qū)井身（長度1 295 m）于2018年11月8日進(jìn)洞施工，于2019年8月20日完工；承擔(dān)正洞任務(wù)已完成1 197 m。出口工區(qū)于2018年11月12日進(jìn)洞施工，已完成正洞施工2 022 m。

表4 各個工區(qū)正洞施工計(jì)劃里程段

5 結(jié)束語

長大隧道在我國通常采用輔助坑道實(shí)現(xiàn)“長隧短打”的目的，然而在前期設(shè)計(jì)階段因受地質(zhì)調(diào)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(shè)前應(yīng)當(dāng)做好施工圖紙現(xiàn)場核對，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案非常必要。通過對香山隧道輔助坑道設(shè)置方案進(jìn)行優(yōu)化，使各工區(qū)任務(wù)劃分更合理，達(dá)到均衡施工的要求；井口位置的優(yōu)化，不但有利于結(jié)合地形條件和全隧道施工任務(wù)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(diào)整，可提高運(yùn)輸效率、加快施工進(jìn)度，從而為香山特長隧道如期完工創(chuàng)造條件。