岳康 YUE Kang
(中鐵十七局集團第二工程有限公司,西安 710038)
近年來,隨著國家在西南片區(qū)的大力開發(fā),公路建設(shè)項目逐漸增多,特別是云、貴、川交界的貧困地區(qū),這些地區(qū)的地形以高山深溝為主,喀斯特地貌明顯,地下煤炭資源豐富,修路主要以長大隧道形式來穿越山體,隧道瓦斯含量高,不可預(yù)見的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險大,施工往往成為制約工期的控制性工程,而傳統(tǒng)的依靠主洞兩端工作面進(jìn)行施工無法有效保證工期,因此,設(shè)計中通長采用“長隧短打”的建設(shè)思路,減小施工風(fēng)險、保證施工進(jìn)度。而合理設(shè)置輔助坑道是提高隧道施工效率最有效措施,然而不同的輔助坑道方案勢必會造成成本投入、安全風(fēng)險和環(huán)境影響。本文通過對坪上隧道施工輔助坑道的平面位置、場地條件、運輸方式、縱向坡度、通風(fēng)排煙等方面進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整,有效降低安全風(fēng)險、加快施工進(jìn)度、減少環(huán)境影響、節(jié)約施工成本。
坪上隧道是高速公路雙線隧道,左幅起訖里程為ZK31+928-ZK37+901 長5973m,右幅起止里程為K31+928-K37+925 長5997m,左、右線間距30m,全隧縱坡采用“人字”型坡,0.8/2722、-1.8/3251(°/m)。該隧道圍巖破碎,節(jié)理裂隙、發(fā)育,地下裂隙水發(fā)育,穿越了諸宗斷層,斷層具有很好的富水性,有突涌水可能,受斷層影響隧身需在進(jìn)、出口段分別穿越兩次煤層,煤層與線路夾角為17°~25°,進(jìn)口段穿越煤層長度350m,出口段穿越煤層長度1100m,該煤層共有7 層,其中C1、C5 層可采,其余層為局部可采,噸煤瓦斯含量8.12m3,瓦斯相對涌出量約0.61m3/min,屬高瓦斯隧道。
坪上隧道原設(shè)計土建施工工期為4年(48 個月),采用兩端獨頭掘進(jìn)的方式,單向掘進(jìn)最大長度2986m,不設(shè)置施工輔助坑道,不增加工作面,可以滿足工期要求,為加強運營期通風(fēng)排煙效果,在隧道中部ZK35+000 處設(shè)通風(fēng)豎井一處,長度333m。
①建設(shè)單位將土建工期縮短為至2.5年(30 個月),在不考慮煤層和斷層破碎帶等不良地質(zhì)情況下,參照國內(nèi)相同斷面隧道月平均最大進(jìn)尺Ⅴ級圍巖為50m,Ⅳ級圍巖為80m,Ⅲ級圍巖為120m,無法滿足工期要求。
②施工階段受不良地質(zhì)影響,工期不可控因素較多,特別是兩次穿越煤層段落,參考云貴川相鄰線的高瓦斯隧道,區(qū)域揭煤防突程序復(fù)雜,耗時長,穿越煤層時月平均進(jìn)尺不足50m,按出口段煤層長度1100m 計算,單獨穿越該煤層需要22 個月,工期無法滿足要求。
③本隧道采用“人字”型縱坡,通風(fēng)排煙效果差,揭煤過程中瓦斯排放速度慢,施工階段通風(fēng)無法利用隧道中部的豎井,加大了施工難度和安全風(fēng)險,其次如遇突發(fā)事件無法迅速增加作業(yè)面,緩減工期壓力,例如相鄰鎮(zhèn)畢線張吉屯瓦斯隧道和宜畢線扎西勝利高瓦斯隧道出現(xiàn)突發(fā)事故后,作業(yè)面停滯了6-12 個月,導(dǎo)致總體工期延后。
④通風(fēng)豎井施工難度大,需要大型設(shè)備、施工場地、便道,對生態(tài)環(huán)境不利,且施工階段的通風(fēng)無法利用,對于高瓦斯特長隧道設(shè)置斜井更為有利。
高瓦斯特長隧道輔助坑道優(yōu)化原則:①避開不良地質(zhì);②輔助坑道入口交通便利、水源充足,高程不超4000m;③坑道斷面尺寸要滿足交通運輸和高瓦斯隧道雙通風(fēng)管道的要求;④用途需要綜合考慮,設(shè)置多功能輔助坑道,達(dá)到“一坑多用”的效果,既要增加作業(yè)面,又要滿足施工和運營期的通風(fēng)要求,其次可以通過設(shè)置輔助坑道提前揭露煤層,利用其通風(fēng)排煙能力強,對正洞煤層段落進(jìn)行深孔震動排放瓦斯,可以極大縮短正洞揭煤周期;⑤考慮成本和工期因素,輔助坑道長度不超1000m。
通過以上原因分析,參考國內(nèi)其他特長隧道施工經(jīng)驗,在工期條件緊張時,優(yōu)先選用斜井,項目本著節(jié)約工期、保證通風(fēng)、降低環(huán)境影響的原則,坪上隧道選用雙車道斜井,根據(jù)現(xiàn)場地形條件和用途,本隧道擬定2 種輔助坑道施工方案。
①方案1:單端斜井輔助施工方案。由于中部通風(fēng)豎井較深,施工造價高,且提升效率低,因此不考慮中部豎井輔助施工方案,項目結(jié)合場地條件和圍巖情況,共制定了6 種斜井設(shè)置方式進(jìn)行比選,詳見表1 斜井方式一覽表和圖1。
表1 斜井布置方式比選一覽表
圖1 輔助坑道平面布置示意圖
方式一:斜井洞口位于左線ZK34+354 左側(cè)55m 處,長990m,與隧道左洞相交于ZK35+300,縱坡11.3%,斜井坡度較緩,有軌運輸無軌運輸均可。
方式二:斜井洞口位于右線K33+450 右側(cè)122m 處,長571m,與隧道右洞相交于K34+000,縱坡36.5%,斜井坡度較陡,不具備無軌運輸施工條件。
方式三:斜井洞口位于右線K33+120 右側(cè)100m 處,長895m,與隧道右洞相交于K34+000,縱坡10.9%,斜井坡度較緩,有軌運輸無軌運輸均可。
方式四:斜井洞口位于左線ZK32+850 左側(cè)152m 處,長383m,與隧道左洞相交于K33+200,縱坡11.7%,斜井坡度較緩,有軌運輸無軌運輸均可。
方式五:斜井洞口位于左線ZK36+540 左側(cè)271m 處,長655m,與隧道左洞相交于ZK36+000,縱坡33.2%,斜井坡度較陡,不具備無軌運輸施工條件。
方式六:斜井洞口位于左線ZK36+770 左側(cè)433m 處,長936m,與隧道左洞相交于ZK36+000,縱坡11.5%,斜井坡度較緩,有軌運輸無軌運輸均可。
單斜井方案均可實現(xiàn)2.5年工期目標(biāo),且布置方式4斜井長度最短,輔助施工條件好且造價低。但方式1~4 斜井口位置位于進(jìn)口側(cè),未充分考慮出口端煤層瓦斯區(qū),揭煤防突耗時較長等因素,導(dǎo)致工期具有不確定性,延期風(fēng)險較大;布置方式5 雖考慮了揭煤防突耗時長的因素,但斜井坡度33.2%,不符合現(xiàn)行《公路施工安全規(guī)范》要求長隧道斜井無軌運輸?shù)缆肪C合縱坡不得大于10%,《JTGD70-2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范》明確斜井采用無軌運輸時,斜井傾角不大于12°(21.3%)的要求;布置方式6 既考慮了揭煤防突耗時長的因素,同時斜井坡度滿足無軌運輸規(guī)范要求,但斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合條件差,需單獨設(shè)置通風(fēng)豎井,斜井長度長且造價高。
②方案2:兩端斜井輔助施工方案。綜合考慮斜井及豎井的布置形式,豎井的施工難度較大,同時考慮到現(xiàn)有條件下有軌運輸施工效率較低,且國內(nèi)既有工程實例以無軌運輸斜井為主,采用緩坡無軌運輸施工方案組織施工,結(jié)合斜井位置充分考慮出口端煤層瓦斯區(qū),揭煤防突耗時較長等因素,考慮通風(fēng)排煙等綜合因素,為確保工期和加強通風(fēng)排煙效果,選擇布置方式4 與布置方式6 結(jié)合的輔助坑道施工方案,即在線路左側(cè)增設(shè)兩個斜井,1#斜井在左線ZK33+200 處與主洞交匯,2#斜井在左線ZK36+000處與主洞交匯,同時取消原有的通風(fēng)豎井,既能保證工期,又可解決隧道通風(fēng)排煙、豎井施工難度大等問題。斜井布置詳見圖2。
圖2 坪上隧道斜井布置圖
2.5.1 通風(fēng)效果分析
本隧道長度為5.983km(左右線平均),根據(jù)通風(fēng)計算結(jié)果,坪上隧道全縱向射流通風(fēng)可以滿足通風(fēng)要求,但《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》JTG/T D70/2-02-2014 中規(guī)定,采用縱向排煙的單向交通隧道,火災(zāi)煙霧在隧道內(nèi)的最大行程不宜大于5000m。因此,需設(shè)置排煙井進(jìn)行分段排煙,排煙通道可采用豎井、斜井或平導(dǎo)。根據(jù)坪上隧道隧址區(qū)的地形、地質(zhì)條件,對2 種輔助坑道設(shè)置方案的通風(fēng)方案進(jìn)行經(jīng)濟技術(shù)比較,詳見表2。
表2 坪上隧道輔助坑道通風(fēng)方案經(jīng)濟比選
其中方案1 中的斜井布置方式1、3、6 雖滿足通風(fēng)及防災(zāi)救援要求,但長度較長的緩坡度斜井不適于與通風(fēng)豎井結(jié)合,需單獨設(shè)置豎井,同時長度較長的斜井與豎井結(jié)合作為永久工程使用,則斜井本身需設(shè)置二次襯砌,土建工程費用較單獨設(shè)置豎井反而增加。斜井布置方式2、4、5在滿足通風(fēng)及防災(zāi)救援要求的情況下,斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合,不需單獨設(shè)置通風(fēng)豎井,可利用斜井作為通風(fēng)及防災(zāi)救援通道,降低土建費用,但是通風(fēng)效果及防災(zāi)排煙效果較差。
方案2 中的兩端設(shè)置斜井方案,雖然投資較單斜井設(shè)置方案有所增加,但所增加費用不大,既能滿足通風(fēng)及防災(zāi)救援要求,同時也避免了斜井穿越煤層,降低施工難度,通過斜井接正洞的方式實現(xiàn)了巷道式通風(fēng),減小了揭煤防突施工過程中的安全風(fēng)險,通風(fēng)布置圖詳見圖3。
圖3 坪上隧道利用斜井施工通風(fēng)示意圖
2.5.2 工期比較
從工期上分析,根據(jù)以往和在建的隧道施工經(jīng)驗,隧道的主洞施工進(jìn)度Ⅴ級圍巖為每月50m,Ⅳ級圍巖為每月80m,Ⅲ級圍巖為120m。本項目建設(shè)工期為2.5年,若坪上隧道不設(shè)斜井,僅從隧道兩端進(jìn)行正常施工,全部完工需35 個月。由于煤層瓦斯隧道揭煤防突具有極大地不確定性,而目前本隧的斜井方案1 僅能剛剛滿足2.5年(30 個月)工期要求,工程逾期風(fēng)險依然存在,采用方案2 兩端設(shè)置斜井的輔助坑道方案,斜井布置方式6 作為全隧控制性段落煤層瓦斯段的施工方案,斜井完成后進(jìn)入正洞向小里程方向揭煤施工,而大里程方向由出口工區(qū)組織施工,正常情況下可滿足工期要求,斜井布置方式4 本身長度較短可在短期內(nèi)轉(zhuǎn)正洞施工,隧道全部完工25 個月,兩端設(shè)置斜井的輔助坑道方案能保證工期有一定的富余,避免由于揭煤防突造成工程逾期。
2.5.3 成本比較
坪上隧道在輔助坑道設(shè)置時充分考慮了斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合情況,對土建費用詳細(xì)對比,其中單斜井方案中,方式1 斜井長度990m,斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合條件差,需分別設(shè)置,其中斜井費用1980 萬元,豎井費用520 萬元,合計2500 萬元;方式2 斜井長度571m,斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合,不需單獨設(shè)置通風(fēng)豎井,斜井費用1142 萬元;方式3 斜井長度895m,斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合條件差,需分別設(shè)置,其中斜井費用1790 萬元,豎井費用520 萬元,合計2310 萬元;方式4、5斜井長度分別為383m 和655m,斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合,不需單獨設(shè)置通風(fēng)豎井,斜井費用分別為766 萬元和1310萬元;方式6 斜井長度936m,斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合條件差,需分別設(shè)置,其中斜井費用1872 萬元,豎井費用520萬元,合計2392 萬元。
通過綜合分析,方案2 兩端設(shè)置斜井,在斜井布置方式4 的基礎(chǔ)上增加方式6 斜井布置,土建總投資2638 萬元。采用組合式輔助坑道設(shè)置,既能避免由于揭煤防突造成工程逾期風(fēng)險,雖增加了部分投資費用,但有效的縮短工期23 個月,極大降低了工程成本。同時由于斜井布置方式4 本身長度較短又可與豎井結(jié)合,滿足隧道通風(fēng)排煙及消防救援需求,可代替原設(shè)計通風(fēng)豎井,降低了施工難度。(圖4)
圖4 斜井方案建設(shè)費用對比圖
坪上隧道總體施工任務(wù)由進(jìn)口、出口、2 個斜井,四個工區(qū)八個作業(yè)面完成,經(jīng)過對輔助坑道設(shè)計方案優(yōu)化,尤其對斜井位置和正洞交匯點里程調(diào)整后,各個工區(qū)正洞施工任務(wù)見圖5。
圖5 坪上隧道施工任務(wù)劃分圖
根據(jù)坪上隧道輔助坑道優(yōu)化方案前后工期對比可知,在無輔助坑道時,隧洞掘進(jìn)需35個月,增設(shè)組合式輔助坑道后,正洞加斜井施工最長工期25個月,比業(yè)主計劃工期30 個月,提前5 個月完成,具體工期對比詳見圖6,優(yōu)化后的輔助坑道方案得到了業(yè)主的高度認(rèn)可與肯定。
圖6 方案優(yōu)化前后隧道貫通日期對比圖
按照方案六增加2#斜井后,斜井施工至距主洞交叉口30m 處遇到了煤層,通過對掌子面巖層勘查和鉆孔探測判別出了煤層走向、傾角、層厚等指標(biāo),然后在石門硬巖范圍內(nèi)對主洞煤層進(jìn)行區(qū)域性防突預(yù)測,通過長距離鉆孔和芯樣測出煤層瓦斯含量、煤屑指標(biāo)、瓦斯壓力指標(biāo)等關(guān)鍵指標(biāo),預(yù)測煤層無突出性危險,但煤層中噸煤瓦斯含量達(dá)到8.92m3,仍然需要進(jìn)行鉆孔排放,利用斜井通風(fēng)效果好的特點,在不增加抽排設(shè)備的情況下,僅用時5 天完成瓦斯排放任務(wù),達(dá)到繼續(xù)掘進(jìn)條件,較預(yù)期20 天節(jié)約了15 天工期,為主洞揭煤提供了準(zhǔn)確詳細(xì)的指標(biāo)依據(jù),加快了主洞穿越煤層的進(jìn)度,降低了安全風(fēng)險。
隧道貫通后根據(jù)1#、2#、5#、6#工作面穿越煤層時的施工進(jìn)度數(shù)據(jù),與相鄰線高瓦斯段落施工進(jìn)度進(jìn)行比較,可以看出坪上隧道揭煤進(jìn)度加快了50%(詳見圖7),施工過程中通過嚴(yán)格的瓦斯管理制度和“四區(qū)一體化”揭煤管控程序,確保了零安全事故發(fā)生,保質(zhì)保量地完成了施工生產(chǎn)任務(wù)。
圖7 增加斜井后各作業(yè)面揭煤進(jìn)度對比圖
方案2 兩端斜井方案替代了原有的通風(fēng)豎井,優(yōu)化后的斜井位置臨近既有道路,減少了施工便道的修建長度,減少了大型設(shè)備的能耗和施工用地,降低了對生態(tài)環(huán)境的影響。
通過對坪上隧道輔助坑道設(shè)置方案進(jìn)行優(yōu)化分析,在滿足總工期的前提條件下,綜合考慮洞口條件、道路交通、安全風(fēng)險、施工成本和環(huán)影響等因素選擇確定了最佳合理優(yōu)化方案。長大隧道采用輔助坑道實現(xiàn)“長隧短打”的目的,然而在前期設(shè)計階段因受地質(zhì)調(diào)查和勘察條件的限制,不可能考慮非常全面,因此在開工建設(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)計方案非常必要。通過對坪上隧道輔助坑道設(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長度的調(diào)整,可提高運輸效率、加快施工進(jìn)度,從而為坪上隧道如期完工創(chuàng)造條件。