摘要:設(shè)置輔助坑道是實現(xiàn)長大隧道長隧短打、快速施工的重要手段,為解決長大隧道輔助坑道與正洞交叉口區(qū)域交通組織困難、運輸效能低的問題,以山西中南部通道南呂梁山隧道進口段斜井的設(shè)計和變更為例,對輔助坑道雙聯(lián)式井底布置進行了研究。結(jié)果表明:雙聯(lián)式井底布置可實現(xiàn)運輸車輛的便捷轉(zhuǎn)彎并形成環(huán)島式物流通道,有效破解輔助坑道與正洞交叉口的交通組織難題、提升輔助坑道的運輸能力;利用雙聯(lián)式井底布置方式,南呂梁山隧道斜井施工正洞月均進度為規(guī)范建議值的 1.4~2.1倍,實現(xiàn)了隧道的快速施工;特殊工況下,主聯(lián)和副聯(lián)互為替代關(guān)系,可有效降低因單點擁堵導(dǎo)致整個物流系統(tǒng)停滯的風(fēng)險;隧道施工通風(fēng)、變壓器和空壓機進洞、交叉口正洞襯砌施工等方面的優(yōu)勢是雙聯(lián)式井底布置的另一外溢效能,與常規(guī)通風(fēng)方式相比成本降低 30%以上。
關(guān)鍵詞: 鐵路隧道;長大隧道;輔助坑道;運輸效能;雙聯(lián)布置;優(yōu)化設(shè)計;施工
引言
隨著中國鐵路建設(shè)規(guī)模和速度快速拔擢及施工裝備的跨越式進步，超特長隧道不斷涌現(xiàn)，高隧線比正成為山區(qū)鐵路建設(shè)的特點和主流。因工期和進洞施工條件制約，長大隧道往往成為制約全線的工期控制工程，為科學(xué)縮短工期，多采用諸如斜井、橫洞、平導(dǎo)等為主要形式的輔助坑道開辟新工作面，以期通過長隧短打和快速施工達到加速隧道建設(shè)的目的 [1 6]。業(yè)界專家學(xué)者對長大隧道輔助坑道的設(shè)計、施工進行了許多有益的研究與探索實踐[7 13]。
衛(wèi)鵬華[14]以廈深鐵路大南山隧道為例，探討了包括斜井與正洞單聯(lián)連接形成正洞施工瓶頸在內(nèi)的五大制約因素并提出了解決辦法的方向;李海飛等[15]以關(guān)角隧道為例，對斜井運輸布置、施工組織、人力物力配置及機械化配套進行了分析，提出了增設(shè)斜井和正洞交叉口輔助通道的建議;張健儒[16]以龍廈鐵路象山隧道為例，基于運輸能力和通風(fēng)需求，分別對不同區(qū)段的斜井?dāng)嗝妗⑵露?、布置方式進行優(yōu)化，在完整中硬巖中以斜井與隧道斜交擴大斷面單聯(lián)連接方式為主實現(xiàn)了施工資源合理利用與加快施工進度的目標(biāo);楊磐石[17]等以秦嶺天臺山隧道為依托，通過數(shù)值模擬和工程實踐，對超長隧道斜井及正洞通風(fēng)方案進行研究，確定了隧道施工的最佳通風(fēng)方式。
歷史和現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計規(guī)范，多對隧道輔助坑道類型、位置、運輸方式、斷面尺寸、支護結(jié)構(gòu)、通風(fēng)及排水等作了一般規(guī)定[18 20]，長大隧道輔助坑道的設(shè)計和使用日臻完善，但隨著十年來隧道施工機械化程度的提高和無軌重載化運輸方式的發(fā)展，一些缺點也逐漸暴露?，F(xiàn)行輔助坑道多與正洞單一接口相交，接口位置一旦發(fā)生擁堵，將引起對應(yīng)工期控制工作面的緩慢甚至停滯;除輔助坑道采用平導(dǎo)設(shè)置外，斜井和橫洞多與正洞小角度相交，交接位置車輛進出極為不便，并有車輛傷害等施工安全風(fēng)險;工期緊、一座輔助坑道服務(wù)多個開挖支護工作面出砟時，施工效率和安全問題更加突出。
為提升輔助坑道的使用效率、破解上述問題，探索和優(yōu)化輔助坑道與正洞接口布置方式十分必要。藉此，在某些長大鐵路隧道建設(shè)中，對輔助坑道與正洞交叉口的布置方式進行了探索實踐與研究，數(shù)次提出并實施了雙聯(lián)式井底布置方式，有效解決了輔助坑道與正洞交叉口交通組織困難的難題，極大提升了輔助坑道的利用率。主要以山西中南部通道南呂梁山隧道進口段斜井優(yōu)化為例，對輔助坑道雙聯(lián)式井底布置方式進行分析，以期為長大隧道輔助坑道優(yōu)化設(shè)計提供可復(fù)制的設(shè)計方法借鑒。
1 工程概況
南呂梁山隧道位于山西中南部臨汾市蒲縣境內(nèi)，為雙洞雙線鐵路隧道，左線長 23.443 ㎞，右線長 24.465 ㎞，是山西中南部鐵路通道最長隧道，系全線工期控制性工程，左右隧道中心線間距30m，最大埋深約 550m。建設(shè)管理機構(gòu)將該隧道劃分為進口段和出口段，分別安排在兩個施工標(biāo)段;進口段長 12.623 ㎞、按單面坡設(shè)置，其中:左線坡度為 8‰(575m)、12.6‰(12048m) ， 右 線 坡 度 為 6.6‰(615m) 、12.6‰(12008m);標(biāo)段洞身穿越地層以灰?guī)r為主，其 中 ， Ⅱ 級 圍 巖 3988m(31.6%) 、 Ⅲ 級 圍 巖3080m(24.4%)、Ⅳ級圍巖 3900m(30.9%)、Ⅴ級圍巖1655m(13.1%)，隧道正洞開挖斷面面積 44.5~55.1m2。進口段按進口和 1#、2#、#3 斜井四組散布工作面組織施工。
2 原斜井設(shè)計方案
2.1 設(shè)計方案標(biāo)段原設(shè)計
3 座斜井。1#斜井長 1770m、坡度 11.5%，居左線隧道左側(cè)，井底距隧道進口約5㎞，按雙車道無軌運輸斷面設(shè)置;2#斜井長870m、坡度 30%，居左線隧道左側(cè)，井底距 1#斜井井底 4㎞，按主副井有軌運輸設(shè)置，主井雙車道斷面運砟，副井單車道斷面進料;3#斜井長 847m、坡度 42%，居右線隧道右側(cè)，井底距 2#斜井井底 2.8 ㎞、距標(biāo)段分界點 800m，按主副井有軌運輸設(shè)置，主井雙車道斷面運砟，副井單車道斷面進料。
2.2 施工條件變化和方案
缺陷施工進場后對南呂梁山隧道標(biāo)段現(xiàn)場核對、踏勘、調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，從定測到開工前工程環(huán)境發(fā)生了很大的變化，執(zhí)行原設(shè)計方案存在的主要問題如下。⑴因隧址南側(cè)近域臨大線進入施工高峰，砂石等原材料需求激增，1#斜井原設(shè)計洞口處開辟了數(shù)家碎石場，該處山體已被大幅開挖，原設(shè)計方案所依據(jù)的周邊環(huán)境已發(fā)生顛覆性變化，已無進場施工條件;此外，若仍采用原設(shè)計斜井方案，則需支付較高金額賠償，且斜井位置及進出道路存在嚴重安全隱患。
?、?#斜井從 3 家小規(guī)模煤礦間狹長地段穿過，原設(shè)計雖已勱力規(guī)避了斜井與煤礦企業(yè)間的相互影響，但 3 家小規(guī)模煤礦整合后的煤礦公司以斜井開挖后對其影響、造成其礦井產(chǎn)能降低為由，阻撓3#斜井進場施工;3#斜井附近已無建井位置可選。⑶2#和 3#兩座斜井按有軌運輸主副井設(shè)置，一是運能很難滿足指導(dǎo)性施組的進度要求，二是有軌運輸?shù)淖鳂I(yè)人員難覓且培訓(xùn)困難，三是有軌運輸設(shè)備采購量大價高且再利用概率低，四是施工安全風(fēng)險大，五是 1#~3#斜井離散分布不利于施工中資源的集約化使用和管理。
3 斜井設(shè)計方案優(yōu)化
因 1#斜井原設(shè)計所依據(jù)的周邊環(huán)境顯著變化，斜井洞口位置需調(diào)整;2#、3#斜井原設(shè)計依據(jù)比較充分，卻因 3#斜井范圍存在覆礦、壓礦賠償問題等較多不確定因素，已不能按計劃開工，3#斜井本身從煤層中穿過，如遇客觀條件和(或)人為阻滯，工期還將進一步后滯，為彌補 3#斜井晚開工導(dǎo)致的工期延誤，也需對 2#斜井優(yōu)化。
3.1 斜井井位、運輸方式及交叉口位置
優(yōu)化基于工期控制、3#斜井穿越地層的施工風(fēng)險、施工企業(yè)快速施工能力和對地下水風(fēng)險不高的研判等綜合考量，將 3 座斜井優(yōu)化為兩座長深斜井如圖 2，變更后的斜井?dāng)嗝婷娣e 48~71 ㎡。
?、?#斜井按地下空間直線型設(shè)置，與正洞交點向大里程方向移 1100m，斜井長度 2508m，綜合坡率 9.7%，按無軌運輸方式設(shè)置，每隔 300m 設(shè) 1 處20 m 長、坡率 3%的緩坡段，斜井井底設(shè)置平坡段。
?、剖芫C合坡度影響，2#斜井按地下空間展線布置，與正洞交點向大里程方向移 1990m，斜井長度2665m，綜合坡率 10.5%，按無軌運輸方式設(shè)置，每隔 300m 設(shè)置 1 處 20 m 長、坡率 3%的緩坡段，斜井井底設(shè)置平坡段;斜井與正洞平面投影近平行段不在同一高程，在空間關(guān)系上已考慮規(guī)避地下洞室近接效應(yīng)。通過對直線型 1#和地下展線型 2#斜井的優(yōu)化，將 2#斜井有軌運輸調(diào)整為雙車道無軌運輸方案，提高運輸能力和施工組織效率以承擔(dān) 3#斜井承擔(dān)的施工任務(wù);優(yōu)化方案將 1#和 2#斜井井口位置調(diào)整到相距 550m，實現(xiàn)了施工場地集中，有利于物化資源和人力資源的集約利用，且避開了 3#斜井穿煤層遇采空區(qū)的安全風(fēng)險。
⑶斜井方案變更后，對進口標(biāo)段施工組織進行相應(yīng)調(diào)整，按進口和斜井兩個工區(qū)組織施工，為使各工作面工作量平衡，適度調(diào)高進口工作面的工作量。施工企業(yè)明顯高于行業(yè)水平的快速施工組織能力，是本次變更設(shè)計的重要潛在前提，因此，變更設(shè)計文件中提出的斜井工區(qū)正洞施工進度指標(biāo)為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級依次為 170 m/月、110 m/月、80 m/月、50m/月，該進度指標(biāo)體系顯著高于規(guī)范建議值。
3.2 斜井底平面布置優(yōu)化
受設(shè)計習(xí)慣和常規(guī)較小的斜井?dāng)嗝娴挠绊?，斜井與正洞交叉口處斷面較為狹窄、交通組織困難，一旦發(fā)生下屬任何一種情況必然引起對應(yīng)工作面停頓甚至搶險和應(yīng)急工作嚴重阻滯:大型移動設(shè)備行走至此區(qū)發(fā)生故障;交叉口“被迫”處于軟弱圍巖中偶發(fā)的加固需求、突發(fā)的初支和(或)巖體坍滑溜;交叉口及其附近正洞、斜井襯砌施工。
為破解上述窘迫狀況、減少錯車和擁堵時間、提高運輸效率，在斜井與正洞交叉口極近域增設(shè) 1 條通道，形成雙聯(lián)通道(本工程中主聯(lián)和副聯(lián)分別通過聯(lián)絡(luò)通道與右線隧道相連)，為方便常態(tài)工況車輛轉(zhuǎn)彎，兩條聯(lián)絡(luò)通道與正洞夾角均宜按 45°~60°設(shè)置;為便于描述，將雙聯(lián)稱為主聯(lián)和副聯(lián);常態(tài)工況主副聯(lián)可任意組合使用，非常態(tài)工況主聯(lián)與副聯(lián)之任一通道成為應(yīng)急和(或)保持連續(xù)施工通道。
3.3 雙聯(lián)井底交通組織概述
?、?#斜井:常規(guī)工況下，向小里程方向的行走設(shè)備均以銳角轉(zhuǎn)彎直接從主聯(lián)通道進出左、右線隧道，左、右線隧道間互通則經(jīng)保持暢通的橫通道實現(xiàn);向大里程方向的行走設(shè)備均同樣以銳角轉(zhuǎn)彎直接從副聯(lián)通道進出左、右線隧道，左、右線隧道間互通亦經(jīng)保持暢通的橫通道實現(xiàn);聯(lián)絡(luò)通道、左右線、橫通道可形成環(huán)島式物流通道，按通風(fēng)和運輸方式特點，既可按單洞雙向物流組織，也可按單洞單向物流組織。非常規(guī)工況下，主聯(lián)與副聯(lián)、左線與右線互為替代通道。⑵2#斜井:與 1#斜井相同同，不再贅述。
?、翘厥夤r:①單獨、②+③同時、④+⑤同時堵塞，則 4 個工作面停頓;④+⑨、⑤+⑧同時堵塞且尚無橫通道，則 3 個工作面停頓;④+⑨、⑤+⑧、④+⑪、⑤+⑪同時堵塞，則兩個工作面停頓;⑧+⑩、⑨+⑩同時堵塞且尚無橫通道，則一個工作面停頓;其他特殊工況不一一列舉。從以上分析可見，①、②+③、④+⑤為依序分別為極重要、重要、次重要點區(qū)，各點區(qū)洞室支護安全的重要性同樣依次呈現(xiàn)，因此，大型設(shè)備可停放的位置則反序排列。上述單獨或組合堵塞的發(fā)生概率依次下降，物流暢通度的保證率則相應(yīng)升高。
3.4 雙聯(lián)井底功能外溢
?、挪贾脼榫总噲觯鞲甭?lián)交通繁忙時，車輛可駛?cè)擘饣?#9322;區(qū)單側(cè)停放。⑵1#和 2#斜井長均超 2.5 ㎞，為降低長距離連續(xù)施工通風(fēng)和供電的高損耗，變壓器、空壓機均移入⑩單側(cè)安裝，同時保持該區(qū)域暢通;⑩+⑪區(qū)拱部空間隔離成施工通風(fēng)接力緩沖風(fēng)倉，從風(fēng)倉向兩端工作面供風(fēng)。施工通風(fēng)共分為 3 個階段，第 1 階段：斜井井身施工，采用壓入式通風(fēng)，通風(fēng)效果良好。第 2 階段：進入正洞至井底雙聯(lián)模式建成及 4 個正洞工作面最短完成 80m 全斷面開挖初支施工，基于該隧使用蓋雅變頻通風(fēng)機的優(yōu)越性能，依次在①④⑤⑧⑨節(jié)點安裝可調(diào)剛性三岔和四岔分流器，據(jù)工序時態(tài)向 6 和(或)8 個開挖工作面供風(fēng)，該階段通風(fēng)效果明顯下降。
第 3 階段：④⑤⑧⑨⑩⑪區(qū)襯砌、隧底結(jié)構(gòu)、單側(cè)溝槽完成，正洞 4 個開挖支護工作面同期施工，將⑩和⑪區(qū)襯后拱部空間隔離成緩沖風(fēng)倉，斜井內(nèi)通風(fēng)管經(jīng)①③⑤⑦⑨區(qū)將入新鮮風(fēng)壓入⑩和⑪區(qū)拱部緩沖風(fēng)倉，從⑩和⑪區(qū)緩沖風(fēng)倉端頭各安裝 2 臺共 4 臺小功率通風(fēng)機分別向 4 個開挖支護工作面壓入式通風(fēng)，④⑤⑧⑨區(qū)拱部均安裝剛性隔板引導(dǎo)污風(fēng)經(jīng)雙聯(lián)通道歸流如斜井自然排除，通風(fēng)效果良好。施工期間，洞內(nèi)氣溫除第 2 階段部分工作面時有高于 30℃外，洞內(nèi)氣溫多在 22~27℃(襯砌臺車段除外)。
3.5 施工效果
工區(qū)為一般地質(zhì)段的常規(guī)機械配置無軌運輸斜井施工，依 Q/CR 9004—2018《鐵路工程施工組織設(shè)計規(guī)范》表 8.3.4 1[14]與《鐵路工程施工組織設(shè)計指南》(鐵建設(shè)[2009]226 號)表 6.3.4 1 相比，除斜井Ⅳ級圍巖指標(biāo)有差異外，其余指標(biāo)相同，結(jié)合斜井長度、斜井和正洞斷面大小組合出斜井和斜井工區(qū)正洞施工進度指標(biāo)，以此為基礎(chǔ)進行計劃進度指標(biāo)、實際進度指標(biāo)比對。
4 推廣應(yīng)用
新建渝昆高鐵彝良隧道(L=24.8 km)和炳輝隧道(L=21.2 km)，均為雙洞雙線特長鐵路隧道，在圖紙審查中，設(shè)計單位和審查部門采納了井底雙聯(lián)布置意見，彝良和炳輝隧道雙聯(lián)式井底布置示意，該兩座隧道開工不久，尚處于斜井井身施工階段。雙聯(lián)式通道布置不僅適應(yīng)于雙線雙修隧道，同樣適應(yīng)于單洞雙線隧道，基于其顯著的優(yōu)點，建議設(shè)計和設(shè)計鑒定單位勱力推廣并固化該模式;因交叉口雙聯(lián)式布置提高施工速度和優(yōu)化隧道施工通風(fēng)、變壓器和空壓機進洞、輔助坑道與正洞交叉口處正洞襯砌及時施工等方面的外溢效能十分顯著，在抵扣措施成本后仍有大量結(jié)余，對作為臨時工程的輔助坑道，施工企業(yè)不必拘泥于設(shè)計和規(guī)制約束，即便自費也可實施。
5結(jié)語與建議
?、泡o助坑道雙聯(lián)式井底布置可實現(xiàn)運輸車輛的便捷轉(zhuǎn)彎并形成環(huán)島式物流通道，有效破解輔助坑道與正洞交叉口的交通組織難題與機械傷害風(fēng)險、提升輔助坑道運輸能力。⑵利用雙聯(lián)式井底布置，南呂梁山隧道 1#、2#斜井施工正洞月均進度達到規(guī)范建議值的 1.4~2.1倍，實現(xiàn)了隧道的快速施工。⑶雙聯(lián)式井底布置在變壓器和空壓機進洞、交叉口正洞襯砌施工等方面也有諸多優(yōu)勢，其施工速度和外溢效能的增加，明顯優(yōu)于常規(guī)布置方式。
?、入p聯(lián)式井底布置、蓋雅變頻通風(fēng)機、緩沖風(fēng)倉組合帶來的施工通風(fēng)效能十分顯著，除第 2 階段外，南呂梁山隧道 1#、2#斜井施工期間通風(fēng)效果好，據(jù)不完全統(tǒng)計，與常規(guī)通風(fēng)方式相比成本降低約 30%以上。⑸特殊工況下，主聯(lián)和副聯(lián)互為替代關(guān)系，可有效降低因偶然事故擁堵導(dǎo)致整個物流系統(tǒng)停滯的風(fēng)險。⑹建議在渝昆鐵路全線一、二級工期控制性斜井和橫洞中全面推廣雙聯(lián)式井底布置。
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作者：姚云曉 1,馬相峰 2,王立川 3,4,王秋林 5,袁步德 1,奐炯睿 1,張鴻昆 1, 辛軍響 3
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