劉旭全,宋領(lǐng)弟
(中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司,北京102308)
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。
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。
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]。
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。
3.1.1 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
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
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)。
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。
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
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。