? 牡绥铁路双丰隧道辅助坑道设计研究杨昌贤 (铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142) 摘 要：双丰隧道是牡绥铁路最长的隧道和重点控制工程，其辅助坑道设置对隧道建设本身及牡绥铁路整体建设都具有重要的意义。隧道开工后因施工组织受客观条件影响，先后将设计的2座斜井由单车道变更为双车道；在2号斜井工区率先进入第三系泥岩后，开挖变形大，易发生涌水涌泥，施工受阻，通过对比研究斜井、迂回平导方案，推荐增加迂回平导辅助1、2号斜井工区施工;详细介绍斜井断面的拟定及新增迂回平导平、纵断面设计及优化和内轮廓拟定等，最终有效保证了隧道的施工安全和顺利贯通。 关键词：铁路隧道；斜井；涌水涌泥；第三系砂泥岩；迂回平导；设计 为满足工期要求并妥善处理弃砟，长大隧道及具有复杂地质条件的中长隧道一般需要设置辅助坑道；另外，在隧道施工过程中，由于遇到复杂地质条件造成大规模塌方、突水涌泥等灾害而工期受阻，且按既有工作面施工无法满足要求时，往往也需要增加辅助坑道。铁路隧道常见的辅助坑道类型有斜井、横洞、平行导坑和竖井[1]，其方案的合理性对隧道的建设和运营影响巨大。 针对辅助坑道设计，文献[2-7]重点研究了长大铁路隧道的辅助坑道方案，局部还结合实际情况进行了优化设计研究；文献[8-16]综合从开挖、支护、出砟、机械配置、排水和通风等方面着重研究了复杂地质或软弱围岩地质条件下平行导坑和斜井等辅助坑道类型的快速施工技术。基于上述经施工验证的研究成果，对今后辅助坑道的方案优化、设计和施工具有一定的参考和借鉴意义。 以牡绥铁路双丰隧道工程为背景，结合隧道施工开挖揭示的复杂地质情况和施工进度，对隧道的辅助坑道方案进行了研究探讨，拟为今后类似工程提供一定的参考和借鉴。 1 工程概况双丰隧道位于黑龙江省东宁县，隧道起讫里程为DK461+741～DK468+978，全长7 237 m，是牡绥铁路最长的双线隧道和重点控制工程，最大埋深约140 m。隧道除出口端651.19 m段位于半径为3 500 m的右偏曲线上外，其余段落均位于直线上。隧道为人字坡，进口至出口依次为3‰的上坡，坡长959m； 6‰的下坡，坡长1 000 m； 11‰的下坡，坡长4 500 m；5‰的下坡，坡长778 m。 双丰隧道穿越老爷岭东麓大岭山低山丘陵，区域地势东高西低，隧区所处山坡地表较为平缓，地形起伏不大。隧道穿越地段工程地质和水文地质条件复杂，地层岩性主要为第四系黏性土、中粗砂、细圆砾土、碎石土，第三系上新统玄武岩、砂岩、泥岩、褐煤，白垩系下统安山玢岩和华力西晚期花岗岩、花岗闪长岩等。 2 辅助坑道原设计方案及优化2.1 原设计辅助坑道设置 牡绥铁路计划全线工期为42个月，其中双丰隧道土建工期为29个月。结合工期要求、洞身地形、工程地质和水文地质条件，隧道原设计设置2座斜井相向施工，共同承担正洞长为3 200 m(DK464+100～DK467+300)的施工任务，斜井设计参数详见表1。 表1 斜井设计参数  名称斜井与线路交会里程长度(平距)L/m斜长/m平面夹角/(°)斜井与线路相对位置综合坡度/%最大坡度/%附注1号斜井DK464+10011601164.5945左8.639.5临时斜井2号斜井DK467+300480482.0345右8.8310紧急出口 2座斜井均采用单车道无轨运输形式，最大纵坡不超过10%，斜井每隔约200 m设置错车平台一处，每处错车平台长25 m，纵坡为3%；斜井与正洞相交处，设置井底缓坡段，长度为30 m，纵坡为3%。 根据勘察报告，1号斜井洞身穿越主要地层主要为花岗岩，围岩分级以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级为主，少量Ⅴ级；2号斜井洞身穿越地层主要为安山玢岩，围岩分级为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。 2.2 原设计内轮廓形式 综合考虑地质条件、施工机械、人行要求及管路布置等因素，确定单车道斜井的内净空尺寸为5.0 m×6.0 m(宽×高)，双(错)车道斜井的内净空尺寸为7.5 m×6.0 m(宽×高)。斜井横断面设计详见图1、图2。  图1 单车道斜井横断面(单位：cm)  图2 双车道斜井横断面(单位：cm) 2.3 辅助坑道方案优化 隧道开工后，结合实际情况重点研究了影响工期的主要因素，分析结论如下。 (1)全隧位于林区内，由于征地拆迁进度缓慢，造成了工期延误。 (2)隧道处于严寒地区，漫长而寒冷的冬季对正洞出砟和材料运输均存在不利影响，尤其是钢架、钢筋、混凝土等材料都需要在洞内储备、加工，使得斜井的交通压力也随之增大。 (3)隧道地质条件复杂，穿越第三系砂泥岩段地下水极其丰富，使得1、2号斜井工区在施工期间具有反坡排水量大、排水时间长的特点，故需在斜井内长期布设抽水管、泵站等抽水设施。 (4)斜井自身工期影响：经分析单车道斜井施工自身工期主要受出砟影响。结合现场施工机械配置和以往施工经验分析可知，由于装砟和会车、错车等影响，当采用单车道断面施工时，长为1 160 m的1号斜井会增加工期约4个月，而长为480 m的2号斜井会增加工期约1.6个月。 经上述分析，为加快施工进度，确定将原设计的1、2号斜井由单车道均变更采用双车道，即斜井维持平、纵断面设计不变，按原设计围岩级别将单车道断面调整为双(错)车道断面。 3 双丰隧道1、2号斜井工区增设辅助坑道方案研究3.1 DK466+608处涌水涌泥影响 2012年7月7日，双丰隧道2号斜井工区施工至DK466+608时，触遇第三系富水砂泥岩及其与花岗岩、安山玢岩的接触带，发生涌水涌泥，涌泥总量约5 000 m3，涌水量约130 m3/h，施工进度严重受阻。涌泥后现场见图3。 经对1、2号斜井间隧道剩余约2 400 m段落进行地质补充勘察查明，剩余地段约1 900 m为第三系砂泥岩及其与花岗岩、花岗闪长岩、安山玢岩和玄武岩的接触带地层。 随着隧道施工的深入以及对第三系砂泥岩地层工 程特性认识的不断加深，逐渐认识到双丰隧道的第三系砂泥岩地层不仅成岩性差，具有丰富的地下水补给来源，且接触面起伏变化大，地层分布具有严重的不均一性，其中砂岩地层具有高渗透性、泥岩地层具有遇水易软化性等的特点，使得隧道施工难度极大，安全风险高，严重制约隧道工期。因此有必要研究增设辅助坑道辅助1、2号斜井间工区剩余段落施工。  图3 DK466+608处涌水涌泥后洞内实景 3.2 辅助坑道方案比选 结合隧道工期要求以及地形、工程地质及水文条件，施工过程中研究了1、2号斜井工区间剩余段增设斜井和洞内增设迂回平导的方案，2个方案优缺点对比分析见表2。 表2 双丰隧道1、2号斜井工区间增设斜井和迂回平导方案优缺点对比分析  项目优缺点分析斜井方案1.工程地质和水文地质:根据补充勘察资料表明斜井洞身长段落穿越富水砂泥岩地层,而反坡易积水造成砂泥岩段掌子面稳定性差,施工风险高;2.征地及施工准备:需较长时间准备和办理手续,且征地受地方影响大,使得时间存在不可控风险;3.工期影响:影响斜井施工工期的不确定性因素多,若斜井施工不顺利对正洞工期影响较大;4.其他:独头通风距离相对较短迂回平导方案1.工程地质和水文地质:迂回平导洞身虽长段落穿越富水砂泥岩地层,且1号斜井迂回平导反坡排水但坡度大大减缓,而2号斜井迂回平导则为顺坡排水。另外,迂回平导可作为正洞的超前地质预报及超前泄水降压途径,完工后可作为永久泄水通道保证运营安全;2.征地及施工准备:不需征地,施工准备期相对短,可局部利用1、2号斜井工区内的既有风、水、电等设施;3.工期影响:迂回平导施作后可根据开挖揭示地质条件和正洞施工进度情况选择合理的横通道进入正洞开辟工作面,对保证隧道工期更加有利;4.其他:独头通风距离相对较长,可利用双车道斜井,增加通风设施 综合考虑，认为双丰隧道1、2号间斜井工区分别增设迂回平导，虽然导致1、2号斜井工区施工独头通风压力大，但相对于斜井方案，对保证隧道的建设工期存在较大优势，且完工后可作为永久泄水降压通道保证隧道运营安全。因此推荐采用增设迂回平导方案。 3.3 迂回平导方案比选和确定 研究对比确定双丰隧道1、2号斜井间工区采用增设迂回平导方案后，对迂回平导的详细设计方案又进行了重点研究，对比分析了从1、2号斜井工区分别设置迂回平导方案以及从2号斜井工区单独设置迂回平导方案。 研究表明，由于2号斜井工区DK466+608处涌水涌泥溃口及影响段处理难度大，施工风险和工期风险高，对2号斜井迂回平导施工存在一定的影响；且另一方面，根据补勘资料显示剩余段落中控制工期的第三系砂泥岩地层长段落位于其中部，有必要从1号斜井工区端设置迂回平导快速绕前施工。因此推荐采用分别在1、2号斜井工区选择合理位置施工迂回平导方案。 3.4 迂回平导平、纵断面设计及优化 根据双丰隧道开挖揭示和补充勘察查明的工程地质、水文地质情况并结合隧道施工进度，选择迂回平导开口和进入正洞位置应尽量避免位于富水砂泥岩地层内，且平导洞身宜尽量少穿越或接近砂泥岩及其与花岗岩、花岗闪长岩、玄武岩及安山玢岩接触带地层，尽可能位于较好围岩内。 根据上述原则，经综合分析后确定双丰隧道1、2号斜井迂回平导均设置于正洞线路左侧，平导线路中线与正洞线路中线间距为30 m，并选择1号斜井迂回平导开口里程为DK464+189，2号斜井平导开口里程为DK466+660，平导开口处与正线平面夹角分别为60°和35°；2号斜井迂回平导在施工过程中，掌子面施工至2PD2+63时，由于2PD2+35处瞬时变形过大，导致塌方拥堵，经现场研究后确定在2号斜井迂回平导2PD2+05处再次迂回，平导再次迂回段线路中线与正洞线路中线间距为50 m；1、2号斜井迂回平导最终均选择处于相对稳定的花岗闪长岩地层进入正洞，里程分别为DK465+590和DK466+220。双丰隧道1、2号斜井迂回平导平面设计参数详见表3，最终平面示意见图4。 表3 双丰隧道1、2号斜井间工区增设迂回平导设计参数  迂回平导名称进口里程进口平面夹角(β)/(°)出口里程出口平面夹角β/(°)正线左右长度(平距)(L)/m附注1号斜井迂回平导DK464+18960DK465+59060左1450单车道2号斜井迂回平导DK466+66035DK466+22045左460单车道  图4 双丰隧道洞内迂回平导平面示意 为满足平导永久排水要求，迂回平导低洞口端底板高程较正洞仰拱填充顶面低0.3 m，且施工完成后平导内水均通过铸铁管直接引入临近的检查井或中心排水管内排出洞外。 结合地质情况和隧道正洞纵断面设计，1号斜井迂回平导纵断面设计为单面下坡，由进口至出口依次为5.5‰的下坡，坡长28 m； 11‰的下坡，坡长862 m； 61‰的下坡，坡长50 m；5.34‰的下坡，坡长510 m。2号斜井迂回平导纵断面设计为单面上坡，全长位于10.6‰的上坡，有效坡长460 m。 3.5 迂回平导断面形式及运输方式 结合现场实际情况及施工机械配置，经研究双丰隧道1、2号斜井间增设迂回平导均采用单车道无轨运输方式，间隔200 m左右设置错车道1处，每处错车道长25 m。 3.6 迂回平导内轮廓的拟定 结合现场施工机械配置，迂回平导断面净空综合考虑满足LJ855柳工装载机、海沃290型自卸汽车、豪沃335型8 m3混凝土罐车通行，并考虑风、水、电等管路布设和人行安全，以及汽车之间、汽车与衬砌间的安全间隙等因素，且满足受力合理并能方便快捷施工成洞的要求。综合研究确定平导Ⅱ～Ⅴ级围岩段采用曲墙带底板的断面形式，平导Ⅵ级围岩段采用曲墙带仰拱的断面形式。单车道平导的内净空尺寸为6.0 m×6.0 m(宽×高)，错车道平导的内净空尺寸为7.3 m×6.3 m(宽×高)。平导横断面设计详见图5、图6。 迂回平导按“永临结合”的要求设置，施工期间作为临时通道开辟工作面加快隧道施工进度，施工完成后局部Ⅴ级围岩段和全部Ⅵ级围岩段施作模筑衬砌后作为永久泄水降压通道预留。  图5 单车道平导横断面(单位：cm)  图6 错车道平导横断面(单位：cm) 4 施工效果分析由于工期严重受阻，施工过程中双丰隧道1、2号斜井间工区通过增设迂回平导，实现了超前预报、增加工作面和降低工程风险的目的，隧道于2015年10月13日顺利贯通。 施工实践表明：1号斜井迂回平导完成了正洞长约400 m段的施工任务，其中包含位于第三系砂泥岩及其与其他岩层接触带的长约200 m的Ⅵ级围岩段落；2号斜井迂回平导完成正洞长约600 m段的施工任务，其中包含位于第三系砂泥岩及其与其他岩层接触带长约400 m段的Ⅵ级围岩段。即1、2号斜井迂回平导累计完成正洞剩余段施工任务的42%，为隧道的按时、安全贯通发挥了重要作用。 5 结语(1)由于施工组织受林区征地拆迁、冬季施工、工程地质条件、斜井自身施工等客观条件影响，双丰隧道在施工初期先后将1、2号斜井由单车道断面变更为双车道断面的方案是合理且必要的，为后期在1、2号斜井工区内优化施工通风设置迂回平导以及应对长期而又量大的反坡排水等创造了条件。 (2)施工实践表明，对于长段落穿越第三系富水砂泥岩及其与其他岩层接触带地层且埋深较大的隧道，施工过程中工期受阻后不适合采用斜井或竖井方案，且结合现场地形当无横洞条件时应优先选用迂回平导或平行导坑方案。设置迂回平导或平行导坑不仅能增加工作面，有效保证隧道建设工期，施工期间还可以作为正线隧道超前地质预报手段和超前泄水降压途径降低工程风险，且平导完工后经局部处理可兼作永久泄水降压通道，保证隧道运营安全。 (3)迂回平导的断面拟定应综合考虑满足现场施工机械、通风、人行以及安全间隙等因素，并满足受力合理和方便快捷施工成洞要求。 参考文献： [1]中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005. [2]李金城.关角铁路隧道辅助坑道设计[J].现代隧道技术，2009，46(1):1-7. [3]李国良.乌鞘岭隧道辅助坑道的设置[J].现代隧道技术，2006，43(2):38-43. [4]冯明，刘旭全.高盖山长大隧道辅助坑道设置优化方案[J].铁路工程造价管理，2010，25(2):56-58. [5]张健儒.龙厦铁路象山隧道辅助坑道优化设计[J]. 隧道建设，2010，30(1):33-36. [6]王勇，吴建福.肖家梁隧道辅助坑道变更方案的比选与分析[J].路基工程，2010(6)：184-187. [7]李显伟.渭河隧道水文地质条件分析对“V”形坡设计方案的优化与施工建议[J].铁道标准设计，2013(12):90-94. [8]张继奎.圆梁山隧道平行导坑快速施工技术[J].现代隧道技术，2002，39(4):47-53. [9]王才高.千枚岩地质条件下隧道平导扩挖快速施工技术[J].铁道标准设计，2007(S1):166-169. [10]刘传，刘艳仓.软弱围岩无轨平导快速施工技术[J].隧道建设，2011，31(5):610-619. [11]牟军.小断面陡坡斜井快速施工技术与管理[J].隧道建设，2007，27(1):55-58. [12]高存成.长大斜井快速施工技术与施工管理[J].隧道建设，2006，26(2):40-44. [13]马涛.铁路隧道斜井皮带运输机出砟方案研究[J].铁道标准设计，2015，59(5):138-141. [14]郑丽洪.太行山隧道单线长斜井运输设计及行车调度方案优化[J].铁道标准设计，2008(6):86-88. [15]吉艳雷.关角隧道皮带机出砟系统设计[J].铁道标准设计，2013(10):112-115. [16]吴建和，朱家稳.长斜井条件下正洞多工作面施工组织技术[J].铁道标准设计，2006(7):73-75. Study on Design of Access Adit of Shuangfeng Tunnel on Mudanjiang-Suifenhe RailwayYANG Chang-xian (The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China) Abstract：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． Key words：Railway tunnel; Inclined shaft; Gushing water and projecting mud soil; Tertiary of sand-shale; Detour of parallel heading; Design 收稿日期：2016-02-29； 修回日期：2016-03-10 基金项目：铁道第三勘察设计院集团有限公司科研开发重点课题(721332) 作者简介：杨昌贤(1984—)，男，工程师，2010年毕业于西南交通大学土木工程学院桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail：ycxycxycx007@sina.com。 文章编号：1004-2954(2016)09-0089-05 中图分类号：U453.4 文献标识码：A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.020 |
|
|
