郭建波

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100040）

0 引言

隨著國家鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，為提高線路的平順性，滿足乘客對(duì)舒適性的要求，減少線路對(duì)所經(jīng)過位置的環(huán)境影響，鐵路在山嶺地段選線多以隧道方式通過，從而使得隧道尤其是長大隧道的數(shù)量越來越多。

長大隧道施工多數(shù)需設(shè)置斜井，將一座隧道劃分為幾段同時(shí)施工，以達(dá)到長隧短打、快速施工、均衡施工的目的。斜井方案是隧道工程施工的第一個(gè)重要方案。斜井位置決定著整座隧道從哪里開始施工，斜井方案一經(jīng)確定，則在施工過程中難以更改。因此，對(duì)斜井位置的合理設(shè)置進(jìn)行研究，確保其技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)長大隧道施工來說是一項(xiàng)極為重要的工作。

在蒙華鐵路吉安隧道和京沈高鐵京冀段梨花頂特長隧道施工中，開展了一系列關(guān)于斜井合理設(shè)置的探索和實(shí)踐，滿足了工期要求，方便了施工，優(yōu)化了總體施工布局和施工組織，形成了一些行之有效的經(jīng)驗(yàn)和原則。本文對(duì)斜井理論最合理位置的概念、優(yōu)選的程序和原則進(jìn)行了論述和總結(jié)，可為類似工程提供借鑒。

1 斜井的功能

隧道作為地下工程，斜井的設(shè)置可以是臨時(shí)的施工措施，也可以是為實(shí)現(xiàn)隧道整體功能的永久性工程措施。

斜井的作用主要有以下幾個(gè)方面：從設(shè)計(jì)洞口位置施工，獨(dú)頭掘進(jìn)施工長度太長，不能滿足工期要求，需增設(shè)斜井實(shí)現(xiàn)分段施工，加快隧道施工進(jìn)度；設(shè)計(jì)洞門位置處因地形復(fù)雜、地質(zhì)條件差、場(chǎng)地不具備“三通一平”等施工條件，需要另外選擇施工洞口位置而增設(shè)斜井；長距離獨(dú)頭掘進(jìn)，施工通風(fēng)不能滿足施工要求，需增設(shè)斜井以改善洞內(nèi)作業(yè)條件。

此外，有時(shí)為了改善正洞運(yùn)營時(shí)的通風(fēng)要求、形成應(yīng)急救援與疏散的通道，也將斜井按照永久工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，以更好實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)營整體功能。

2 斜井理論最合理位置

對(duì)于以解決工期為主要目的的斜井設(shè)置，可以以理論最合理位置來指導(dǎo)斜井方案的選擇。理論最合理位置是未考慮具體的地形、地質(zhì)等條件，能夠使所形成的各個(gè)工作面工作量和工期消耗均衡、各個(gè)工作面的貫通時(shí)間絕對(duì)相同的斜井位置，以理論最合理位置為指導(dǎo)，進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)選，以最終確定可供實(shí)施的方案。

斜井理論最合理位置需首先根據(jù)總體工期進(jìn)度進(jìn)行計(jì)算，繪制總進(jìn)度斜率圖，按照各工作面之間工期絕對(duì)相同的原則來進(jìn)行確定。對(duì)于進(jìn)、出口兩個(gè)工作面掘進(jìn)的隧道而言，其最遲貫通位置為理論最合理位置。對(duì)于需設(shè)置多個(gè)斜井的隧道而言，需要進(jìn)行綜合計(jì)算來確定。

在工程實(shí)踐中，在理論最合理位置，并不一定具備相應(yīng)的地形地質(zhì)和交通條件，因此需對(duì)地形地質(zhì)條件進(jìn)行進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)踏勘，對(duì)理論最合理位置進(jìn)行調(diào)整，篩選出幾個(gè)可能的方案，進(jìn)行工期及經(jīng)濟(jì)比選，優(yōu)選其中的最優(yōu)方案作為實(shí)施方案。

3 隧道斜井設(shè)置的優(yōu)選和實(shí)踐

3.1 斜井方案的確定和優(yōu)選

在工程實(shí)踐中，斜井方案要結(jié)合所需要解決的主要矛盾，采取相應(yīng)的解決方案。以解決進(jìn)洞施工條件為主要目的，就要將場(chǎng)地條件作為主要評(píng)價(jià)條件；以解決工期為主要目的，則不僅要具有良好的進(jìn)洞條件，還要考慮斜井各段之間的施工長度大體均衡，能夠滿足總體工期的要求。此外，斜井洞口的選擇還要考慮環(huán)境保護(hù)、抗洪防汛的要求，盡量減少對(duì)周邊植被、水系的影響，洞口位置地面高程要高于附近周邊地面高程，防止洞外水流流入。對(duì)于永久保留使用的斜井，尚需要進(jìn)行洪水位的校核，滿足防洪要求。

斜井路面縱坡是影響斜井位置與長度的關(guān)鍵因素。加大斜井的路面縱坡，可以縮短斜井長度，減少施工投入。但是縮短斜井長度，又會(huì)增加路面縱坡，影響車輛正常通行。對(duì)于永久斜井，還要滿足設(shè)計(jì)功能的要求。一般用于施工的臨時(shí)斜井，主要考慮運(yùn)輸通行需要，最大縱坡按照四級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)宜為不大于10%。從安全的角度考慮，一般間隔200~300m設(shè)置不短于20m長的緩坡平臺(tái)，坡度為0~3%。初選時(shí)綜合縱坡可以按照9%進(jìn)行考慮，然后再按照實(shí)際斜井縱斷面進(jìn)行校核。

斜井與正洞交界位置處圍巖級(jí)別要相對(duì)較好，一般應(yīng)不低于IV級(jí)圍巖。斜井與正洞交匯位置處斜井軸線與正洞軸線夾角不宜小于45°，以減少正洞與斜井喇叭口位置處拱部跨度。

斜井方案的確定過程可以分為圖選、實(shí)測(cè)、比選、確定四個(gè)步驟。首先，從隧道總平面地形圖上初選進(jìn)洞位置，一般可選位置位于隧道軸線兩側(cè)附近地面標(biāo)高相對(duì)較低處，這樣洞口和隧道正洞之間的高差較小，可以縮短斜井長度。初選洞口位置后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，結(jié)合實(shí)測(cè)洞口地形和隧道設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)斜井的長度和坡度進(jìn)行核算，考慮斜井的施工條件、工期要求、交匯位置、斜井長度、洞口臨時(shí)設(shè)施的布置等因素?cái)M訂幾個(gè)可行方案，然后進(jìn)行綜合比選后確定最終方案[1]。

3.2 斜井設(shè)置的實(shí)踐

3.2.1 蒙華鐵路吉安隧道斜井優(yōu)選方案

蒙西至華中鐵路是國內(nèi)最長的運(yùn)煤鐵路專線，北起內(nèi)蒙古浩勒?qǐng)?bào)吉市，止于江西省吉安市，線路全長1837km。蒙華鐵路吉安隧道全長4861.5m，設(shè)計(jì)為單線隧道，設(shè)計(jì)III級(jí)圍巖2160m，IV級(jí)圍巖1860m，V級(jí)圍巖841.5m。按照綜合進(jìn)度指標(biāo)計(jì)算，若僅設(shè)置進(jìn)、出口兩個(gè)工作面掘進(jìn)，貫通位置為距離進(jìn)口2345m處，貫通工期為30.7個(gè)月，不能滿足工期要求[2]。吉安隧道未設(shè)置斜井總體工期斜率圖見圖1。

圖1 吉安隧道未設(shè)置斜井總體工期斜率圖

按照進(jìn)、出口兩個(gè)工作面施工進(jìn)行總體進(jìn)度安排，貫通位置為距離進(jìn)口2345m處，在此處設(shè)置斜井，考慮不同斜井長度、斜井占用工期的長短，均可以使大小里程兩個(gè)方向的貫通時(shí)間相同（如圖2中斜井長度L1、貫通位置1及斜井長度L2、貫通位置2，貫通的時(shí)間均相同），從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)工作面之間的要素配置和資源消耗均衡，此位置即為斜井理論最合理位置。吉安隧道斜井理論最合理位置工期斜率圖見圖2。

圖2 吉安隧道斜井理論最合理位置工期斜率圖

經(jīng)實(shí)際踏勘并結(jié)合設(shè)計(jì)文件，理論交匯位置處于斷層地帶，不利于斜井進(jìn)正洞施工，因此將交叉位置向大里程方向偏移102.5m作為斜井設(shè)置位置。

設(shè)置斜井后，小里程貫通時(shí)間為19.5個(gè)月，大里程貫通時(shí)間為18.2個(gè)月，較未設(shè)置斜井工期縮短11.2個(gè)月，斜井承擔(dān)2100m正洞施工任務(wù)，整個(gè)工作面承擔(dān)任務(wù)總體均衡且滿足工期要求。吉安隧道優(yōu)化斜井位置工期斜率圖見圖3。

圖3 吉安隧道優(yōu)化斜井位置工期斜率圖

斜井平面線形如按照直線布置，斜井與正洞平面交角較小，不利于喇叭口段施工及車輛行駛安全，為便于進(jìn)洞施工及保證斜井路面縱坡，中間設(shè)置半徑200m 平曲線，優(yōu)化后斜井長度620m，綜合坡度8.9%，交匯處圍巖級(jí)別為IV級(jí)，與正洞軸向夾角80°，較好滿足了施工的要求。吉安隧道優(yōu)化斜井平面布置見圖4。

圖4 吉安隧道優(yōu)化斜井平面布置圖

3.2.2 京沈高鐵梨花頂隧道斜井優(yōu)化布置

京沈高鐵梨花頂隧道全長12243m，對(duì)于進(jìn)口段6189m的施工，設(shè)計(jì)進(jìn)口洞口位于深溝邊沿陡坡上，不具備進(jìn)洞施工條件，原設(shè)計(jì)距離進(jìn)口84m處設(shè)置長度220m橫洞以解決進(jìn)洞問題，距離進(jìn)口4284m處設(shè)置長度854m斜井以增加隧道施工工作面。該設(shè)計(jì)橫洞與斜井之間距離長達(dá)4200m，成為控制工期的關(guān)鍵，橫洞向進(jìn)口方向僅施工正洞84m，未能充分發(fā)揮斜井在加快總體施工進(jìn)度方面的作用。梨花頂隧道原斜井布置見圖5。

圖5 梨花頂隧道原斜井布置圖

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，取消原設(shè)計(jì)橫洞，在距離進(jìn)口924m位置靠近既有平程路側(cè)，設(shè)置長度330m的梨花頂1號(hào)斜井；既有梨花頂斜井洞口位置保持不變，調(diào)整與正洞的角度，將斜井與正洞交匯位置調(diào)整至距離進(jìn)口4884m處，斜井長度縮短為823m。如此，則1號(hào)斜井距離進(jìn)口924m，兩斜井之間長度縮短為3960m，2號(hào)斜井至標(biāo)段終點(diǎn)長度為1305m，改善了1號(hào)斜井的施工條件，各工作面間所承擔(dān)施工任務(wù)相對(duì)比較均衡，整體施工組織得到了極大優(yōu)化。梨花頂隧道優(yōu)化后斜井布置見圖6。

圖6 梨花頂隧道優(yōu)化后斜井布置圖

4 結(jié)束語

對(duì)于長大隧道，施工前首先要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，計(jì)算確定理論最合理位置，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行比選論證，對(duì)可行的斜井方案進(jìn)行優(yōu)選，再開始施工，避免在施工過程中改變方案，造成工期和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

在蒙華鐵路吉安隧道、京沈高鐵京冀段梨花頂隧道施工過程中，高度重視斜井的設(shè)計(jì)和優(yōu)選問題，進(jìn)場(chǎng)之初就著手進(jìn)行斜井方案的優(yōu)選工作，經(jīng)過理論分析、圖上定線、實(shí)地踏勘，對(duì)可行的方案進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)與比選，確定了最優(yōu)的斜井位置，充分發(fā)揮了斜井在隧道施工中的重要作用，產(chǎn)生了良好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益，該斜井優(yōu)選的成功經(jīng)驗(yàn)可供類似工程借鑒。