天河山隧道輔助坑道方案優化設計研究

胡玉林

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

為滿足工期要求及施工組織需要，長大隧道及地質條件復雜的隧道一般需要設置輔助坑道。輔助坑道方案的合理性對隧道的建設和運營影響巨大。針對輔助坑道設計，梁文灝、路仕洋、楊國慶等人對關角隧道[1]、當金山隧道[2]、烏鞘嶺隧道[3]等特長鐵路隧道的輔助坑道方案進行了深入研究；楊昌賢、陳志高等人結合實際施工情況對輔助坑道進行了優化設計研究[4]；向道銀、劉傳等人著重從施工角度研究了復雜或軟弱圍巖地質條件下輔助坑道施工技術。上述研究成果對長大隧道的輔助坑道方案優化具有一定的參考和借鑒意義。

本文以新建和順至邢臺鐵路天河山隧道工程為背景，結合隧道施工過程中遇到的復雜地質情況，對隧道的輔助坑道方案進行動態優化設計，擬為今后類似地層隧道設計和施工提供一定參考。

2 工程及水文地質概況

天河山隧道呈東西走向穿越太行山山脈，隧道進口位于山西省左權縣拐兒鎮駱駝村，出口位于河北省邢臺縣白岸鄉洺水村。隧道起迄里程D2K33＋710～D2K45＋405，全長11 695 m，為單線隧道。隧道一般埋深100～300 m，最大埋深615 m。洞內縱坡為-4‰/20 m、-14‰/11 220 m、-5‰/455 m的單面坡。

天河山隧道洞身所穿越的地層為第四系全新統沖洪積粗角礫土和碎石土，第四系上更新統坡、洪積粉質黏土、震旦系下統串嶺溝組砂巖和常州溝組砂巖。全隧道Ⅱ級圍巖長5 945 m，占50.83%；Ⅲ級圍巖長3 626 m，占31.01%；Ⅳ級圍巖長1 639 m，占14.01%；Ⅴ級圍巖長485 m，占4.15%。本隧道受太行大斷裂影響較強烈，隧道洞身發育21條斷層破碎帶和7條節理密集帶，對隧道影響較大。

隧道區內地下水主要為巖溶裂隙水、構造裂隙水及砂巖層間水。巖溶裂隙水與砂巖層間水多層狀分布，且通過構造帶實現自上而下連通，形成補給和排泄關系。本隧道正洞預測正常涌水量約35 973 m3/d，最大涌水量約72 856 m3/d。

3 原設計輔助坑道方案

3.1 輔助坑道方案概況

本隧道原設計采用1座雙車道斜井和1座單車道平行導坑輔助施工，如圖1所示。根據施工組織安排，1號斜井向進口方向將承擔1 495 m的正洞施工任務，向出口方向將承擔2 455 m的正洞施工任務，平行導坑和出口工區共同承擔4 635 m的正洞施工任務。隧道貫通工期為28個月。

3.2 輔助坑道設計情況

(1)1號斜井位于線路前進方向左側，與正洞交于D2K38＋315，長1 581 m，最大縱坡為10.7%。斜井采用雙車道無軌運輸方式，斷面按7.0×6.2 m(寬×高)設計。

(2)在隧道出口端線路右側平行正洞設置平行導坑，長3 150 m，與正洞線間距為35 m，坑底設計高程低于正洞坑底不小于1.2 m，縱坡為14‰。平行導坑采用無軌運輸單車道＋錯車道[5]，每隔250～300 m設1處錯車道，單車道斷面按5.0×6.0 m(寬×高)設計，錯車道斷面按7.0×6.2 m(寬×高)設計。

(3)平行導坑與隧道正洞間通過橫通道連接，平行導坑終點的橫通道與正洞相交于D2K42＋265。共設置4處橫通道，橫通道采用單車道斷面。

(4)1號斜井和平行導坑洞身支護措施以錨噴支護[6]為主，洞口淺埋偏壓段和洞身斷層破碎帶采用模筑襯砌。

4 1號斜井局部調整及延長平行導坑優化設計

4.1 1號斜井連續溜坍及涌水涌泥影響

1號斜井X1DK0＋209～X1DK0＋141段原設計Ⅲ級圍巖51 m，Ⅳ級圍巖17 m。施工過程中揭示該段為斷層破碎帶和節理密集發育帶影響區，以Ⅴ級圍巖為主，掌子面涌水量超過200 m3/h，連續發生多次較大規模的掌子面溜坍，其中X1DK0＋161處掌子面發生涌水涌泥，涌出物約450 m3。本段斜井處理周期較長，原計劃該段工期為1個月，實際施工約11個月，施工嚴重受阻。

通過超前水平鉆探、TSP、大地電磁物探測試等補充勘察手段，查明 1號斜井 X1DK0＋141～X1DK0＋000段為強富水區，節理密集發育，巖體破碎，拱頂、側壁多夾軟層，易發生坍塌及涌水涌泥。該節理密集帶與斜井走向基本平行，與正洞相交于D2K38＋300～D2K38＋345段。

1號斜井X1DK0＋141掌子面前方地質條件較差，向前繼續掘進施工風險高，需采用超前帷幕注漿等加固措施，施工周期長、加固費用高，且原設計在D2K38＋315處進入正洞挑頂施工[7]難度大，因此有必要研究繞避該不良地質段落的方案，并增設輔助坑道加快1號斜井與出口工區間的施工進度。

4.2 輔助坑道方案優化需考慮的因素

(1)地質因素

本段隧道洞身段發育的節理密集帶為北東走向張性節理組，以砂充填為主，有少量土。緩傾巖層在豎向節理切割及長期風化作用下，砂巖小碎塊呈砂夾土狀，存在涌泥的物質來源；另一方面，本隧道構造裂隙水儲量豐富，補給源長，砂巖地層寬張裂隙發育[8]，上下連通性好，利于水的流動，圍巖中地下水具有較高的水壓力，存在涌水涌泥的動力條件，使得該段隧道發生坍塌和涌水涌泥的風險較高，施工難度極大，嚴重制約隧道工期。

1號斜井原設計線位與節理密集帶基本平行，該節理密集帶與正洞相交于斜井交叉口D2K38＋315附近。因此需要合理調整1號斜井走向，使斜井與節理密集帶大角度相交，減少斜井洞身不良地質段落長度，降低施工難度。

(2)工期因素

1號斜井與出口工區間為關鍵線路[9]，該區間按原設計輔助坑道方案施工已無法滿足工期要求，因此需要通過采取輔助坑道優化調整措施，開辟新的作業面，減輕1號斜井在富水破碎帶段施工受阻帶來的工期壓力，加快施工進度，為后續無砟軌道、附屬工程及站后工程施工爭取作業時間。

(3)施工組織因素

本隧道地下水發育，帶水作業反坡施工難度大、獨頭掘進距離長，輔助坑道選擇時應充分考慮方便運輸組織，有利于施工通風和施工排水[10]。

(4)運營安全因素

本隧道地下水十分豐富，實際揭示的最大涌水量與預測基本吻合，運營期間隧道正洞側溝的排水壓力極大，因此必須妥善解決隧道運營期間的排水問題。

4.3 1號斜井局部調整及延長平行導坑設計

根據現場實際情況，綜合考慮多方面因素，確定了以下輔助坑道優化調整方案:

(1)在1號斜井X1DK0＋238右側增設1個1號支洞[11](簡稱右支洞)輔助施工。右支洞與正洞相交于D2K38＋085處，長283.6 m，采用雙車道斷面。右支洞縱斷面坡度采用-3%/30 m、-8.11%、-3%/30 m的單面下坡。

(2)在1號斜井X1DK0＋153處向左側局部調整1號斜井走向(簡稱左支洞)。左支洞與正洞交叉點為D2K38＋600，調整后1號斜井X1DK0＋153掌子面到正洞的長度為365 m，較原設計長度增加212 m?？紤]斜井X1DK0＋153掌子面位于斷層及節理密集發育帶影響范圍，地下水量大，施工反坡排水難度大，縱斷面坡度采用0.1%/175 m、-10.83%/160 m、3%/30 m的人字坡。

(3)出口端平行導坑延長至D2K38＋600處與調整走向后的1號斜井連通。變更后平行導坑全長6 822 m，較原平行導坑長度增加3 672 m。平行導坑與正洞間增加8處橫通道，全隧道共12個橫通道，如圖2所示。

(4)為提高施工效率，平行導坑延長段平導斷面由單車道改為雙車道，便于大型機械快速施工。

(5)針對斜井支洞和平行導坑洞身穿越Ⅴ級圍巖富水斷層破碎帶段，采用加固圈5 m的全斷面帷幕注漿進行超前加固，并對襯砌結構進行加強，初期支護全環采用 20a型鋼鋼架，間距0.6 m/榀，二襯采用鋼筋混凝土結構。

(6)開展本變更設計時，進口工區實際掘進約2 005 m，出口工區實際掘進約1 700 m，1號斜井實際掘進約1 420 m，出口端平行導坑實際掘進約2 400 m。隧道正洞D2K35＋715～D2K43＋705段共7 990 m未施工，按進口、出口、1號斜井、平行導坑四個工區組織施工，剩余工程施工工期約16.6個月，滿足目標工期要求。

5 施工效果分析

由于受各種不利因素影響，天河山隧道工期嚴重滯后，施工過程中通過對1號斜井向正洞進口方向增設右支洞及向正洞出口方向局部調整走向繞避不良地質、出口端平行導坑延伸至與1號斜井左支洞連通等輔助坑道優化方案，達到超前地質預報、增加工作面、減少反坡排水和降低工程風險的目的，隧道于2021年8月7日順利貫通，為全線年底竣工通車創造了條件。

施工實踐表明，出口及平行導坑工區共同完成5 687 m的正洞施工任務，該工區施工期間涌水量超過15 000 m3/d，長段落順坡施工極大地緩解了隧道施工期間的反坡排水壓力。隧道貫通后大部分地下水通過平行導坑排出洞外，解決了運營期間的排水難題。1號斜井工區右支洞向進口方向完成了約996 m的正洞施工任務，向出口方向完成了366 m的正洞施工任務。1號斜井工區左支洞向進口方向完成了約149 m段的正洞施工任務，向出口方向完成了1 118 m的正洞施工任務。1號斜井左、右兩個支洞共同完成了包含位于斷層破碎帶和節理密集發育帶的D2K38＋100～D2K38＋600段長約500 m的Ⅳ～Ⅴ級圍巖強富水段落，該段在施工至里程D2K38＋154時發生了較大規模的涌水涌泥導致右支洞向出口方向施工受阻。由于優化走向后的1號斜井左支洞成功繞避了不良地質區域，施工較順利，確保了隧道向出口方向的施工正常推進。本隧道開挖貫通后，由于正洞和平行導坑間有12個橫通道，為后續二襯及無砟軌道施工提供了開辟多個作業面的便利條件[12]，加快了施工進度。因此，天河山隧道出口端平行導坑、1號斜井左支洞和右支洞為隧道安全順利貫通發揮了重要作用。

6 結束語

(1)由于受外部客觀條件影響，天河山隧道的工期嚴重滯后于原施工組織計劃，施工過程中對輔助坑道設置方案進行及時調整非常必要，保證了隧道工程順利推進，1號斜井局部調整走向繞避了不良地質地段，為安全施工創造了條件。

(2)天河山隧道在施工過程中發現獨頭掘進距離超過3 km后單車道平行導坑難以發揮施工組織效率后，將平行導坑延長段由單車道斷面調整為雙車道斷面方案合理，提高了平行導坑工區內長距離獨頭掘進的運輸組織效率，也為平行導坑內多個工作面的施工通風創造了條件。

(3)對于長段落穿越太行山區震旦系富水砂巖斷層破碎帶及節理密集發育帶地層且埋深較大的隧道，選擇輔助坑道時應優先選擇平行導坑方案。平行導坑不僅能增加工作面，施工期間還可以超前預報正洞前方的地質情況并起到超前泄水降壓的作用；運營期間作為泄水洞，減小正洞排水壓力，消除地下水浸泡道床帶來的隱患，保證隧道運營安全。