某鐵路隧道施工中斜井的優(yōu)化處理

孫曉科

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

某鐵路隧道施工中斜井的優(yōu)化處理

孫曉科

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

某鐵路隧道在斜井的施工中，遇到地下水發(fā)育的情況，圍巖以碎石土為主，含泥量高。原設(shè)計采用帷幕注漿及超前小導(dǎo)管注漿，實際注漿效果不明顯，施工中突水突泥嚴(yán)重，造成出渣困難，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。針對此情況，提出調(diào)整斜井縱坡、增設(shè)超前水平鉆孔排水等優(yōu)化方案，加快斜井施工，使斜井能滿足輔助正洞施工的要求，進(jìn)而滿足總工期要求。實踐證明，優(yōu)化方案效果良好。

鐵路隧道；斜井；縱坡；超前鉆孔排水；施工

在特長隧道施工中，為加速施工或解決通風(fēng)、排水等問題，常常需要設(shè)置輔助坑道。斜井是一種常用的輔助坑道形式[1-3]。但輔助坑道的設(shè)置是有目的的，若其不能滿足預(yù)期的效應(yīng)，則其設(shè)置毫無意義。在施工中多有出現(xiàn)優(yōu)化或增設(shè)輔助坑道的情況，如渝懷線彭水隧道[4]為減少安全隱患，提高施工速度，將有軌斜井優(yōu)化為無軌斜井；圓梁山隧道[5]在施工期間為解決進(jìn)口車站大跨段的快速施工以及施工中所遇到的溶洞涌水涌砂難題，共增設(shè)了10個輔助坑道，包括橫通道、地質(zhì)探洞、迂回導(dǎo)坑、泄水洞等多種類型；蘭渝線化馬隧道[6]施工期間為處理特大高壓寬張巖溶裂隙涌水，增設(shè)了約400 m的迂回導(dǎo)坑及2 km的泄水洞；關(guān)角隧道[7]施工期間為滿足總工期要求，將斜井輔助正洞由原來的單聯(lián)優(yōu)化為雙聯(lián)進(jìn)洞，并將7～10號部分斜井?dāng)嗝鎯?yōu)化為雙車道；同樣是關(guān)角隧道，4號斜井[8]在施工中遇到大量涌水，采取了封堵和繞行的方案。

1 原設(shè)計概況

1.1 工程概況

某隧道斜井位于線路前進(jìn)方向左側(cè)，如圖1所示。斜井長835 m，綜合坡度7.9%，與線路平面交角40°，斜井與主隧道斜交單聯(lián)，井口與井底高差61.904 m。采用無軌運輸，單車道加錯車道襯砌斷面。

圖1 斜井平面位置示意

1.2 工程地質(zhì)情況

斜井洞身穿越地層分3個段落：洞口段100 m，埋深淺，穿越第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土和土石分界面，黃土厚20～40 m，具Ⅱ級重濕陷性；洞身中部550 m段落，穿越呂梁山群赤堅嶺組灰白色夾黑色斑狀片麻巖、紅色偉晶巖、黑色云母片巖等地層，埋深較淺，上覆黃土同洞口段，地表黃土層溝壑發(fā)育，鉆孔證實黃土下伏基巖頂部有一層厚20～40 m的全風(fēng)化層，巖體破碎，呈碎石土狀；井底段185 m，穿越呂梁山群赤堅嶺組灰白色夾黑色斑狀片麻巖、紅色偉晶巖、黑色云母片巖等地層，巖石屬硬巖，強(qiáng)風(fēng)化，巖體較破碎，巖土特征為強(qiáng)風(fēng)化、較破碎的偉晶巖、片麻巖。

1.3 水文地質(zhì)特征

斜井洞身主要穿越呂梁山群赤堅嶺組片麻巖、偉晶巖，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化呈碎石土狀，上覆20～40 m的黃土層，局部地段基巖上覆第四系全新統(tǒng)河床砂卵層。這類地層鉆孔單位涌水量為1～5 m3/h·m，屬于弱富水區(qū)。構(gòu)造上，本段沒有觀測到斷層、褶皺等，但由于上部粉質(zhì)黃土孔隙水垂直下滲和艾蒿溝側(cè)向補給，地下水水位高出洞身8～60 m，涌水量較大，采用降水入滲系數(shù)法計算得出斜井最大涌水量4253.34 m3/d。

1.4 原設(shè)計措施

根據(jù)地勘提供地質(zhì)縱斷面，斜井在IXJD0+060～I(xiàn)XJD0+126段為土石分界面，且地下水位線位于隧道洞身以上，因此設(shè)計采用了超前小導(dǎo)管及帷幕注漿等措施，采取預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工，對其余洞身位于全、強(qiáng)風(fēng)化地層段考慮拱部超前小導(dǎo)管+局部后徑向注漿的措施，臺階法施工。

2 存在問題及原因分析

2.1 施工中遇到的問題

斜井于2010年10月8日進(jìn)洞，11月20日開挖至XJK0+060里程時，掌子面及側(cè)、邊墻涌水加大，涌水量達(dá)50 m3/h，地層變?yōu)槿L(fēng)化變質(zhì)碎石土，松散，泥質(zhì)含量高。

根據(jù)原設(shè)計，在IXJD0+060～I(xiàn)XJD0+126里程段為土石分界面，有超前小導(dǎo)管及帷幕注漿等措施。但從施工實際施工情況來看，注漿效果不明顯，施工中突水突泥嚴(yán)重，造成出渣困難，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，月綜合進(jìn)尺僅20 m/月左右，與原設(shè)計的綜合進(jìn)度指標(biāo)相去甚遠(yuǎn)。

通過后續(xù)約30 m的施工及超前地質(zhì)預(yù)報表明，地質(zhì)無好轉(zhuǎn)跡象，后續(xù)段落隧道洞身將有約600 m段落持續(xù)位于這種富水全風(fēng)化呈碎石土狀的地層中，按目前的施工進(jìn)度，工期遠(yuǎn)遠(yuǎn)難以保證。

2.2 原因分析

隧道施工揭示，洞身地層主要為全風(fēng)化的碎石土，泥沙充填，地層穩(wěn)定性差。從鉆孔揭示情況看，該層上部粉質(zhì)黃土孔隙水含水層主要為風(fēng)積黏質(zhì)黃土，地下水接受大氣降水補給，含水層儲水和排泄條件差，水量小且不穩(wěn)定，地表水下滲后在土石分界面聚集，土石分界面是較好的導(dǎo)水通道，隧道開挖后打開了地下水流通通道，再加上附近艾蒿溝常年流水，是良好的水源補給源，因此隧道施工中易出現(xiàn)突水涌泥，導(dǎo)致隧道圍巖軟化嚴(yán)重，多呈泥狀，拱部及邊墻坍塌嚴(yán)重。

再加上施工單位管理不善，掌子面涌水管理不利，導(dǎo)致洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境差，施工作業(yè)效率低等情況，施工進(jìn)展緩慢。

3 優(yōu)化情況

結(jié)合上述因素分析，要解決該施工問題，主要從兩方面著手，一是地層，二是水。

根據(jù)施工中超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，按原設(shè)計縱斷面，后續(xù)仍有約600 m段落位于此種全風(fēng)化的碎石土地層，地層不可避免，因此必須采取措施，改變當(dāng)前施工遇到的不良狀況。

解決地層問題的一種途徑是地層改良，類似地層常用的地層改良手段主要有注漿、旋噴等[9-10]。但前期施工單位實施中表明本地層注漿效果不明顯，因此不予考慮；對水平旋噴，雖然地層改良效果好，但工效較慢，本工程工期已經(jīng)滯后，且水平旋噴造價較高，而本斜井僅是作為施工輔助坑道用，采取旋噴技術(shù)略有舍本逐末的意思。因此還需從別的途徑著手，尋找更優(yōu)的解決辦法。

為了解決地層的問題，期間也進(jìn)行了一定范圍的斜井重新選址工作[11]，但一是地質(zhì)判斷周邊重新選址斜井仍不可避免地要通過此地層，二是施工單位自身承包合同的問題，重新選址可能性較小。因此為解決地層的問題，決定對斜井XJK0+175～XJK0+835(660 m)段縱坡進(jìn)行調(diào)整。

從上述分析中可以看出，本工程施工中還有一個問題就是地下水。為了解決地下水的問題，通常采用的方法有地表降水、洞內(nèi)降水等方式[12]，但本段隧道埋深在45～90 m，地表降水實施有一定難度，因此主要考慮洞內(nèi)降水。

詳細(xì)優(yōu)化措施如下所述。

3.1 縱坡調(diào)整

結(jié)合地層風(fēng)化線與斜井洞身位置關(guān)系，將斜井XJK0+175-XJK0+535段縱坡由原設(shè)計7.9%調(diào)整為11.9%，XJK0+535-XJK0+835段以2.25%的緩坡接至正洞；斜井平面位置不變，如圖2所示。

通過斜井縱斷面的調(diào)整，使斜井及早穿過全風(fēng)化呂梁山群赤堅嶺組灰白色夾黑色斑狀片麻巖、紅色偉晶巖、黑色云母片巖等碎石土地層，進(jìn)入屬IV級圍巖的強(qiáng)風(fēng)化、較破碎的偉晶巖、片麻巖地層。

通過后期實際施工情況看，通過縱斷面優(yōu)化，施工至XJK0+410后，該碎石土地層轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化片麻巖夾偉晶巖。整個優(yōu)化使得碎石土地層較原設(shè)計方案縮短約240 m。

3.2 超前鉆孔排水

洞內(nèi)降水又有洞內(nèi)輕型井點降水、洞內(nèi)超前排水等方式。洞內(nèi)輕型井點降水[13]實施起來較為麻煩，對隧道施工干擾大，本工程工期緊張，因此本段排水考慮操作較簡單的超前排水孔，隧道施工中在掌子面增設(shè)超前探孔兼作泄水孔，降低地下水壓力和方便洞內(nèi)集中排水。

洞內(nèi)超前排水孔布置如圖3所示。

超前排水孔鉆孔設(shè)備可直接利用隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報所用的MK-5型地質(zhì)鉆機(jī)。

超前排水孔的實施要求如下。

(1)根據(jù)圍巖富水地質(zhì)特征，采用直接鉆孔法，用直徑110 mm的液壓鉆機(jī)一次鉆進(jìn)30 m，滿足施工技術(shù)要求。排水孔根據(jù)掌子面涌水情況適當(dāng)加密或調(diào)整孔位間距，上圖鉆孔布置為示意。

(2)將掌子面刷成75°的坡面，再噴射混凝土10 cm封閉掌子面，防止掌子面坍塌。同時設(shè)置觀測樁，隨時觀測掌子面情況，確保施工安全。因斜井縱坡為反坡排水，需在掌子面一側(cè)設(shè)集水坑，配備抽水設(shè)備及時將水排出洞外[14]。

(3)根據(jù)掌子面排水孔位準(zhǔn)確固定鉆機(jī)，運用全站儀、羅盤、掛線相結(jié)合的方法，保證鉆桿軸線方向正確。根據(jù)鉆孔深度，鉆桿軸線與設(shè)計鉆孔軸線要有一定的夾角，以抵消鉆進(jìn)中鉆桿自重所產(chǎn)生的下垂和深孔排水坡度(1%～2%)。鉆機(jī)固定要牢固，防止鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生偏移、傾斜而影響鉆孔質(zhì)量。

(4)超前排水孔鉆進(jìn)

①鉆孔速度根據(jù)鉆機(jī)性能和巖層情況而定，防止孔身扭曲、變徑。

②鉆進(jìn)過程中對每個鉆孔地質(zhì)圍巖變化、鉆進(jìn)狀態(tài)(鉆壓、鉆速)、漏水量大小、涌水壓力大小等情況做好施工記錄。若出現(xiàn)卡鉆、坍孔等情況，立即停鉆，及時對孔壁注漿，待漿液初凝后，重新鉆進(jìn)，達(dá)到設(shè)計深度。

③孔徑、孔深要符合施工規(guī)范要求，鉆頭直徑大于設(shè)計孔徑，實際鉆深大于設(shè)計深度0.2 m以上。

④對遇水軟化的巖層，很難成孔，采用套管護(hù)壁技術(shù)鉆孔排水，鉆孔采用跟管鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計要求，套管設(shè)計成梅花形孔排水。

⑤孔口設(shè)2 m的護(hù)管，防止孔口坍塌。

⑥排水孔檢查?？讖健⒖咨顧z查采用孔徑鉆頭，在驗孔過程中鉆頭平順推進(jìn)，不產(chǎn)生阻礙和抖動，鉆桿送入長度滿足排水設(shè)計深度，退鉆要求順暢，反轉(zhuǎn)鉆具時稍慢，力量均勻，防止脫鉆或卡鉆現(xiàn)象。

3.3 施工工序優(yōu)化

在采取了上述超前排水的措施后，施工中地層富水性下降，再通過拱部超前小導(dǎo)管，有效注漿加固拱部圍巖，仰拱及時緊跟，防止?jié)B水對基底的浸泡軟化作用(必要時在隧底鋪鋼板作為臨時路面)，同時本著“弱爆破、少擾動、多降震”的原則對爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，邊墻采用輪廓線鉆眼法爆破，核心采用控制爆破，掏槽采用拋擲爆破的綜合控制爆破技術(shù)，并與三臺階分部開挖法相結(jié)合形成了三臺階分部爆破。

4 結(jié)論

該斜井于2010年11月通過該碎石土富水地段一度出現(xiàn)月進(jìn)度不到20 m/月的情況，通過上述縱坡調(diào)整(縮短了富水碎石土段落的長度)、超前排水(對該段的施工起到了較大作用，可供其他類似工程參考借鑒)以及爆破施工工藝上的優(yōu)化，已于2012年初進(jìn)入正洞施工，目前該隧道已經(jīng)貫通。

結(jié)合上述措施在本工程的實踐運用，在今后的設(shè)計工作中，對斜井等輔助坑道的設(shè)計，也應(yīng)結(jié)合地層情況與洞身位置關(guān)系，不應(yīng)局限于單坡度設(shè)計，為盡可能避開不良地質(zhì)或縮短不良地質(zhì)段落長度，斜井縱坡設(shè)計應(yīng)有針對性。

[1] 鐵道第二勘察設(shè)計院.TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 鐵道部第二勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊·隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1995．

[3] 鐵道部隧道工程局.TB10109—95鐵路隧道輔助坑道技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，1995．

[4] 雷升祥.彭水隧道斜井優(yōu)化設(shè)計與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003(5)：40-42．

[5] 曾蔚，張民慶.圓梁山隧道施工期間增加輔助坑道的設(shè)計與施工[J].探礦工程，2005(5)：56-59．

[6] 武世燕.蘭渝線化馬隧道涌水處理[J].國防交通工程與技術(shù)，2012，10(3)：61-64．

[7] 李志平，李永生.關(guān)角隧道單車道無軌斜井施工方案優(yōu)化[J].隧道建設(shè)，2010，30(1)：53-57．

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[9] 王保慶.深埋富水全風(fēng)化花崗巖中長距離水平旋噴樁試驗與分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2014(4)：5-8．

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[11]崔根群.輔助坑道方案優(yōu)化對全面履約所起的重要作用[J].西部探礦工程，2004(5)：117-119．

[12]李庚許，袁德友，湯世明.黃土、砂礫、涌水地層淺埋隧道施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005(9)：88-91．

[13]王菀，蔣永強(qiáng)，張文新，等.真空輕型井點降水在深埋隧道未成巖富水粉細(xì)砂層施工中的應(yīng)用[J].國防交通工程與技術(shù)，2012，10(4)：57-60.

[14]中鐵隧道集團(tuán)有限公司.TZ331—2009鐵路隧道防排水施工技術(shù)指南[S].北京：中國鐵道出版社，2009．

Optimization of Inclined Shaft during a Railway Tunnel Construction

SUN Xiao-ke

(China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300133， China)

During the construction of the inclined shaft of a railway tunnel， the groundwater was found well-developed， and the surrounding rock was of mainly gravel soil with high clay content. Though the original design intended to use curtain grouting and advanced small ductile grouting， the site grouting effect was not obvious as expected. Water and mud bursting were serious during the construction， and brought negative effects to slag-out， and serious influence on the construction progress. In view of this situation， some optimization programs such as adjusting the profile grade of inclined shaft， adding advanced horizontal borehole to drain the water were put up to accelerate the construction of gallery， so as to enable the gallery to assist the tunnel construction and meet the progress schedule. Practices have well proved the efficiency of the optimization programs．

Railway tunnel; Inclined shaft; Profile grade; Drainage by advanced borehole; Construction

2014-10-10；

2014-10-28

孫曉科(1984—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)道路與鐵道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：dssun66@163.com。

1004-2954(2015)07-0124-04

U459.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.028