牡綏鐵路雙豐隧道輔助坑道設(shè)計研究

楊昌賢

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

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牡綏鐵路雙豐隧道輔助坑道設(shè)計研究

楊昌賢

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300142)

雙豐隧道是牡綏鐵路最長的隧道和重點(diǎn)控制工程，其輔助坑道設(shè)置對隧道建設(shè)本身及牡綏鐵路整體建設(shè)都具有重要的意義。隧道開工后因施工組織受客觀條件影響，先后將設(shè)計的2座斜井由單車道變更為雙車道；在2號斜井工區(qū)率先進(jìn)入第三系泥巖后，開挖變形大，易發(fā)生涌水涌泥，施工受阻，通過對比研究斜井、迂回平導(dǎo)方案，推薦增加迂回平導(dǎo)輔助1、2號斜井工區(qū)施工;詳細(xì)介紹斜井?dāng)嗝娴臄M定及新增迂回平導(dǎo)平、縱斷面設(shè)計及優(yōu)化和內(nèi)輪廓擬定等，最終有效保證了隧道的施工安全和順利貫通。

鐵路隧道；斜井；涌水涌泥；第三系砂泥巖；迂回平導(dǎo)；設(shè)計

為滿足工期要求并妥善處理棄砟，長大隧道及具有復(fù)雜地質(zhì)條件的中長隧道一般需要設(shè)置輔助坑道；另外，在隧道施工過程中，由于遇到復(fù)雜地質(zhì)條件造成大規(guī)模塌方、突水涌泥等災(zāi)害而工期受阻，且按既有工作面施工無法滿足要求時，往往也需要增加輔助坑道。鐵路隧道常見的輔助坑道類型有斜井、橫洞、平行導(dǎo)坑和豎井[1]，其方案的合理性對隧道的建設(shè)和運(yùn)營影響巨大。

針對輔助坑道設(shè)計，文獻(xiàn)[2-7]重點(diǎn)研究了長大鐵路隧道的輔助坑道方案，局部還結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計研究；文獻(xiàn)[8-16]綜合從開挖、支護(hù)、出砟、機(jī)械配置、排水和通風(fēng)等方面著重研究了復(fù)雜地質(zhì)或軟弱圍巖地質(zhì)條件下平行導(dǎo)坑和斜井等輔助坑道類型的快速施工技術(shù)?；谏鲜鼋?jīng)施工驗(yàn)證的研究成果，對今后輔助坑道的方案優(yōu)化、設(shè)計和施工具有一定的參考和借鑒意義。

以牡綏鐵路雙豐隧道工程為背景，結(jié)合隧道施工開挖揭示的復(fù)雜地質(zhì)情況和施工進(jìn)度，對隧道的輔助坑道方案進(jìn)行了研究探討，擬為今后類似工程提供一定的參考和借鑒。

1　工程概況

雙豐隧道位于黑龍江省東寧縣，隧道起訖里程為DK461+741～DK468+978，全長7 237 m，是牡綏鐵路最長的雙線隧道和重點(diǎn)控制工程，最大埋深約140 m。隧道除出口端651.19 m段位于半徑為3 500 m的右偏曲線上外，其余段落均位于直線上。隧道為人字坡，進(jìn)口至出口依次為3‰的上坡，坡長959m； 6‰的下坡，坡長1 000 m； 11‰的下坡，坡長4 500 m；5‰的下坡，坡長778 m。

雙豐隧道穿越老爺嶺東麓大嶺山低山丘陵，區(qū)域地勢東高西低，隧區(qū)所處山坡地表較為平緩，地形起伏不大。隧道穿越地段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地層巖性主要為第四系黏性土、中粗砂、細(xì)圓礫土、碎石土，第三系上新統(tǒng)玄武巖、砂巖、泥巖、褐煤，白堊系下統(tǒng)安山玢巖和華力西晚期花崗巖、花崗閃長巖等。

2　輔助坑道原設(shè)計方案及優(yōu)化

2.1 原設(shè)計輔助坑道設(shè)置

牡綏鐵路計劃全線工期為42個月，其中雙豐隧道土建工期為29個月。結(jié)合工期要求、洞身地形、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，隧道原設(shè)計設(shè)置2座斜井相向施工，共同承擔(dān)正洞長為3 200 m(DK464+100～DK467+300)的施工任務(wù)，斜井設(shè)計參數(shù)詳見表1。

表1　斜井設(shè)計參數(shù)

2座斜井均采用單車道無軌運(yùn)輸形式，最大縱坡不超過10%，斜井每隔約200 m設(shè)置錯車平臺一處，每處錯車平臺長25 m，縱坡為3%；斜井與正洞相交處，設(shè)置井底緩坡段，長度為30 m，縱坡為3%。

根據(jù)勘察報告，1號斜井洞身穿越主要地層主要為花崗巖，圍巖分級以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級為主，少量Ⅴ級；2號斜井洞身穿越地層主要為安山玢巖，圍巖分級為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。

2.2原設(shè)計內(nèi)輪廓形式

綜合考慮地質(zhì)條件、施工機(jī)械、人行要求及管路布置等因素，確定單車道斜井的內(nèi)凈空尺寸為5.0 m×6.0 m(寬×高)，雙(錯)車道斜井的內(nèi)凈空尺寸為7.5 m×6.0 m(寬×高)。斜井橫斷面設(shè)計詳見圖1、圖2。

圖1　單車道斜井橫斷面(單位：cm)

圖2　雙車道斜井橫斷面(單位：cm)

2.3輔助坑道方案優(yōu)化

隧道開工后，結(jié)合實(shí)際情況重點(diǎn)研究了影響工期的主要因素，分析結(jié)論如下。

(1)全隧位于林區(qū)內(nèi)，由于征地拆遷進(jìn)度緩慢，造成了工期延誤。

(2)隧道處于嚴(yán)寒地區(qū)，漫長而寒冷的冬季對正洞出砟和材料運(yùn)輸均存在不利影響，尤其是鋼架、鋼筋、混凝土等材料都需要在洞內(nèi)儲備、加工，使得斜井的交通壓力也隨之增大。

(3)隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越第三系砂泥巖段地下水極其豐富，使得1、2號斜井工區(qū)在施工期間具有反坡排水量大、排水時間長的特點(diǎn)，故需在斜井內(nèi)長期布設(shè)抽水管、泵站等抽水設(shè)施。

(4)斜井自身工期影響：經(jīng)分析單車道斜井施工自身工期主要受出砟影響。結(jié)合現(xiàn)場施工機(jī)械配置和以往施工經(jīng)驗(yàn)分析可知，由于裝砟和會車、錯車等影響，當(dāng)采用單車道斷面施工時，長為1 160 m的1號斜井會增加工期約4個月，而長為480 m的2號斜井會增加工期約1.6個月。

經(jīng)上述分析，為加快施工進(jìn)度，確定將原設(shè)計的1、2號斜井由單車道均變更采用雙車道，即斜井維持平、縱斷面設(shè)計不變，按原設(shè)計圍巖級別將單車道斷面調(diào)整為雙(錯)車道斷面。

3　雙豐隧道1、2號斜井工區(qū)增設(shè)輔助坑道方案研究

3.1DK466+608處涌水涌泥影響

2012年7月7日，雙豐隧道2號斜井工區(qū)施工至DK466+608時，觸遇第三系富水砂泥巖及其與花崗巖、安山玢巖的接觸帶，發(fā)生涌水涌泥，涌泥總量約5 000 m3，涌水量約130 m3/h，施工進(jìn)度嚴(yán)重受阻。涌泥后現(xiàn)場見圖3。

經(jīng)對1、2號斜井間隧道剩余約2 400 m段落進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)充勘察查明，剩余地段約1 900 m為第三系砂泥巖及其與花崗巖、花崗閃長巖、安山玢巖和玄武巖的接觸帶地層。

隨著隧道施工的深入以及對第三系砂泥巖地層工

程特性認(rèn)識的不斷加深，逐漸認(rèn)識到雙豐隧道的第三系砂泥巖地層不僅成巖性差，具有豐富的地下水補(bǔ)給來源，且接觸面起伏變化大，地層分布具有嚴(yán)重的不均一性，其中砂巖地層具有高滲透性、泥巖地層具有遇水易軟化性等的特點(diǎn)，使得隧道施工難度極大，安全風(fēng)險高，嚴(yán)重制約隧道工期。因此有必要研究增設(shè)輔助坑道輔助1、2號斜井間工區(qū)剩余段落施工。

圖3　DK466+608處涌水涌泥后洞內(nèi)實(shí)景

3.2輔助坑道方案比選

結(jié)合隧道工期要求以及地形、工程地質(zhì)及水文條件，施工過程中研究了1、2號斜井工區(qū)間剩余段增設(shè)斜井和洞內(nèi)增設(shè)迂回平導(dǎo)的方案，2個方案優(yōu)缺點(diǎn)對比分析見表2。

表2　雙豐隧道1、2號斜井工區(qū)間增設(shè)斜井和迂回平導(dǎo)方案優(yōu)缺點(diǎn)對比分析

綜合考慮，認(rèn)為雙豐隧道1、2號間斜井工區(qū)分別增設(shè)迂回平導(dǎo)，雖然導(dǎo)致1、2號斜井工區(qū)施工獨(dú)頭通風(fēng)壓力大，但相對于斜井方案，對保證隧道的建設(shè)工期存在較大優(yōu)勢，且完工后可作為永久泄水降壓通道保證隧道運(yùn)營安全。因此推薦采用增設(shè)迂回平導(dǎo)方案。

3.3迂回平導(dǎo)方案比選和確定

研究對比確定雙豐隧道1、2號斜井間工區(qū)采用增設(shè)迂回平導(dǎo)方案后，對迂回平導(dǎo)的詳細(xì)設(shè)計方案又進(jìn)行了重點(diǎn)研究，對比分析了從1、2號斜井工區(qū)分別設(shè)置迂回平導(dǎo)方案以及從2號斜井工區(qū)單獨(dú)設(shè)置迂回平導(dǎo)方案。

研究表明，由于2號斜井工區(qū)DK466+608處涌水涌泥潰口及影響段處理難度大，施工風(fēng)險和工期風(fēng)險高，對2號斜井迂回平導(dǎo)施工存在一定的影響；且另一方面，根據(jù)補(bǔ)勘資料顯示剩余段落中控制工期的第三系砂泥巖地層長段落位于其中部，有必要從1號斜井工區(qū)端設(shè)置迂回平導(dǎo)快速繞前施工。因此推薦采用分別在1、2號斜井工區(qū)選擇合理位置施工迂回平導(dǎo)方案。

3.4迂回平導(dǎo)平、縱斷面設(shè)計及優(yōu)化

根據(jù)雙豐隧道開挖揭示和補(bǔ)充勘察查明的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況并結(jié)合隧道施工進(jìn)度，選擇迂回平導(dǎo)開口和進(jìn)入正洞位置應(yīng)盡量避免位于富水砂泥巖地層內(nèi)，且平導(dǎo)洞身宜盡量少穿越或接近砂泥巖及其與花崗巖、花崗閃長巖、玄武巖及安山玢巖接觸帶地層，盡可能位于較好圍巖內(nèi)。

根據(jù)上述原則，經(jīng)綜合分析后確定雙豐隧道1、2號斜井迂回平導(dǎo)均設(shè)置于正洞線路左側(cè)，平導(dǎo)線路中線與正洞線路中線間距為30 m，并選擇1號斜井迂回平導(dǎo)開口里程為DK464+189，2號斜井平導(dǎo)開口里程為DK466+660，平導(dǎo)開口處與正線平面夾角分別為60°和35°；2號斜井迂回平導(dǎo)在施工過程中，掌子面施工至2PD2+63時，由于2PD2+35處瞬時變形過大，導(dǎo)致塌方擁堵，經(jīng)現(xiàn)場研究后確定在2號斜井迂回平導(dǎo)2PD2+05處再次迂回，平導(dǎo)再次迂回段線路中線與正洞線路中線間距為50 m；1、2號斜井迂回平導(dǎo)最終均選擇處于相對穩(wěn)定的花崗閃長巖地層進(jìn)入正洞，里程分別為DK465+590和DK466+220。雙豐隧道1、2號斜井迂回平導(dǎo)平面設(shè)計參數(shù)詳見表3，最終平面示意見圖4。

表3　雙豐隧道1、2號斜井間工區(qū)增設(shè)迂回平導(dǎo)設(shè)計參數(shù)

圖4　雙豐隧道洞內(nèi)迂回平導(dǎo)平面示意

為滿足平導(dǎo)永久排水要求，迂回平導(dǎo)低洞口端底板高程較正洞仰拱填充頂面低0.3 m，且施工完成后平導(dǎo)內(nèi)水均通過鑄鐵管直接引入臨近的檢查井或中心排水管內(nèi)排出洞外。

結(jié)合地質(zhì)情況和隧道正洞縱斷面設(shè)計，1號斜井迂回平導(dǎo)縱斷面設(shè)計為單面下坡，由進(jìn)口至出口依次為5.5‰的下坡，坡長28 m； 11‰的下坡，坡長862 m； 61‰的下坡，坡長50 m；5.34‰的下坡，坡長510 m。2號斜井迂回平導(dǎo)縱斷面設(shè)計為單面上坡，全長位于10.6‰的上坡，有效坡長460 m。

3.5迂回平導(dǎo)斷面形式及運(yùn)輸方式

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及施工機(jī)械配置，經(jīng)研究雙豐隧道1、2號斜井間增設(shè)迂回平導(dǎo)均采用單車道無軌運(yùn)輸方式，間隔200 m左右設(shè)置錯車道1處，每處錯車道長25 m。

3.6迂回平導(dǎo)內(nèi)輪廓的擬定

結(jié)合現(xiàn)場施工機(jī)械配置，迂回平導(dǎo)斷面凈空綜合考慮滿足LJ855柳工裝載機(jī)、海沃290型自卸汽車、豪沃335型8 m3混凝土罐車通行，并考慮風(fēng)、水、電等管路布設(shè)和人行安全，以及汽車之間、汽車與襯砌間的安全間隙等因素，且滿足受力合理并能方便快捷施工成洞的要求。綜合研究確定平導(dǎo)Ⅱ～Ⅴ級圍巖段采用曲墻帶底板的斷面形式，平導(dǎo)Ⅵ級圍巖段采用曲墻帶仰拱的斷面形式。單車道平導(dǎo)的內(nèi)凈空尺寸為6.0 m×6.0 m(寬×高)，錯車道平導(dǎo)的內(nèi)凈空尺寸為7.3 m×6.3 m(寬×高)。平導(dǎo)橫斷面設(shè)計詳見圖5、圖6。

迂回平導(dǎo)按“永臨結(jié)合”的要求設(shè)置，施工期間作為臨時通道開辟工作面加快隧道施工進(jìn)度，施工完成后局部Ⅴ級圍巖段和全部Ⅵ級圍巖段施作模筑襯砌后作為永久泄水降壓通道預(yù)留。

圖5　單車道平導(dǎo)橫斷面(單位：cm)

圖6　錯車道平導(dǎo)橫斷面(單位：cm)

4　施工效果分析

由于工期嚴(yán)重受阻，施工過程中雙豐隧道1、2號斜井間工區(qū)通過增設(shè)迂回平導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了超前預(yù)報、增加工作面和降低工程風(fēng)險的目的，隧道于2015年10月13日順利貫通。

施工實(shí)踐表明：1號斜井迂回平導(dǎo)完成了正洞長約400 m段的施工任務(wù)，其中包含位于第三系砂泥巖及其與其他巖層接觸帶的長約200 m的Ⅵ級圍巖段落；2號斜井迂回平導(dǎo)完成正洞長約600 m段的施工任務(wù)，其中包含位于第三系砂泥巖及其與其他巖層接觸帶長約400 m段的Ⅵ級圍巖段。即1、2號斜井迂回平導(dǎo)累計完成正洞剩余段施工任務(wù)的42%，為隧道的按時、安全貫通發(fā)揮了重要作用。

5　結(jié)語

(1)由于施工組織受林區(qū)征地拆遷、冬季施工、工程地質(zhì)條件、斜井自身施工等客觀條件影響，雙豐隧道在施工初期先后將1、2號斜井由單車道斷面變更為雙車道斷面的方案是合理且必要的，為后期在1、2號斜井工區(qū)內(nèi)優(yōu)化施工通風(fēng)設(shè)置迂回平導(dǎo)以及應(yīng)對長期而又量大的反坡排水等創(chuàng)造了條件。

(2)施工實(shí)踐表明，對于長段落穿越第三系富水砂泥巖及其與其他巖層接觸帶地層且埋深較大的隧道，施工過程中工期受阻后不適合采用斜井或豎井方案，且結(jié)合現(xiàn)場地形當(dāng)無橫洞條件時應(yīng)優(yōu)先選用迂回平導(dǎo)或平行導(dǎo)坑方案。設(shè)置迂回平導(dǎo)或平行導(dǎo)坑不僅能增加工作面，有效保證隧道建設(shè)工期，施工期間還可以作為正線隧道超前地質(zhì)預(yù)報手段和超前泄水降壓途徑降低工程風(fēng)險，且平導(dǎo)完工后經(jīng)局部處理可兼作永久泄水降壓通道，保證隧道運(yùn)營安全。

(3)迂回平導(dǎo)的斷面擬定應(yīng)綜合考慮滿足現(xiàn)場施工機(jī)械、通風(fēng)、人行以及安全間隙等因素，并滿足受力合理和方便快捷施工成洞要求。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]李金城.關(guān)角鐵路隧道輔助坑道設(shè)計[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46(1):1-7.

[3]李國良.烏鞘嶺隧道輔助坑道的設(shè)置[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006，43(2):38-43.

[4]馮明，劉旭全.高蓋山長大隧道輔助坑道設(shè)置優(yōu)化方案[J].鐵路工程造價管理，2010，25(2):56-58.

[5]張健儒.龍廈鐵路象山隧道輔助坑道優(yōu)化設(shè)計[J]. 隧道建設(shè)，2010，30(1):33-36.

[6]王勇，吳建福.肖家梁隧道輔助坑道變更方案的比選與分析[J].路基工程，2010(6)：184-187.

[7]李顯偉.渭河隧道水文地質(zhì)條件分析對“V”形坡設(shè)計方案的優(yōu)化與施工建議[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(12):90-94.

[8]張繼奎.圓梁山隧道平行導(dǎo)坑快速施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39(4):47-53.

[9]王才高.千枚巖地質(zhì)條件下隧道平導(dǎo)擴(kuò)挖快速施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(S1):166-169.

[10]劉傳，劉艷倉.軟弱圍巖無軌平導(dǎo)快速施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2011，31(5):610-619.

[11]牟軍.小斷面陡坡斜井快速施工技術(shù)與管理[J].隧道建設(shè)，2007，27(1):55-58.

[12]高存成.長大斜井快速施工技術(shù)與施工管理[J].隧道建設(shè)，2006，26(2):40-44.

[13]馬濤.鐵路隧道斜井皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2015，59(5):138-141.

[14]鄭麗洪.太行山隧道單線長斜井運(yùn)輸設(shè)計及行車調(diào)度方案優(yōu)化[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(6):86-88.

[15]吉艷雷.關(guān)角隧道皮帶機(jī)出砟系統(tǒng)設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(10):112-115.

[16]吳建和，朱家穩(wěn).長斜井條件下正洞多工作面施工組織技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2006(7):73-75.

Study on Design of Access Adit of Shuangfeng Tunnel on Mudanjiang-Suifenhe Railway

YANG Chang-xian

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

Shuangfeng tunnel is the longest tunnel and the key controlling project of Mudanjiang-Suifenhe railway. The arrangement of its access adit plays an important role in the construction of Shuangfeng tunnel and the whole Mudanjiang-Suifenhe railway. Influenced by objective conditions， the designed 2 inclined shafts have to be changed from single lane to two-lane successively after the tunnel is completed. As the construction firstly enters the tertiary mudstone in No.2 inclined shaft work area， the tunnel encounters such problems as deformation， water gushing and mud soil projecting， challenging the construction. Therefore， a new detour of parallel heading to assist construction with No.1 to No.2 inclined shafts work area are recommended based on the comparison of inclined shaft with detour of parallel heading. The article also introduces the drafted cross-section of the inclined shafts， the designed and optimized plane and the profile of the additional detour of parallel heading and drafted inner contour， which effectively guarantees construction safety and successful transfixion of the tunnel．

Railway tunnel; Inclined shaft; Gushing water and projecting mud soil; Tertiary of sand-shale; Detour of parallel heading; Design

2016-02-29；

2016-03-10

鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司科研開發(fā)重點(diǎn)課題(721332)

楊昌賢(1984—)，男，工程師，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：ycxycxycx007@sina.com。

1004-2954(2016)09-0089-05

U453.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.020