某铁路隧道施工中斜井的优化处理

孙晓科

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

某铁路隧道施工中斜井的优化处理

孙晓科

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

某铁路隧道在斜井的施工中，遇到地下水发育的情况，围岩以碎石土为主，含泥量高。原设计采用帷幕注浆及超前小导管注浆，实际注浆效果不明显，施工中突水突泥严重，造成出渣困难，严重影响施工进度。针对此情况，提出调整斜井纵坡、增设超前水平钻孔排水等优化方案，加快斜井施工，使斜井能满足辅助正洞施工的要求，进而满足总工期要求。实践证明，优化方案效果良好。

铁路隧道；斜井；纵坡；超前钻孔排水；施工

在特长隧道施工中，为加速施工或解决通风、排水等问题，常常需要设置辅助坑道。斜井是一种常用的辅助坑道形式[1-3]。但辅助坑道的设置是有目的的，若其不能满足预期的效应，则其设置毫无意义。在施工中多有出现优化或增设辅助坑道的情况，如渝怀线彭水隧道[4]为减少安全隐患，提高施工速度，将有轨斜井优化为无轨斜井；圆梁山隧道[5]在施工期间为解决进口车站大跨段的快速施工以及施工中所遇到的溶洞涌水涌砂难题，共增设了10个辅助坑道，包括横通道、地质探洞、迂回导坑、泄水洞等多种类型；兰渝线化马隧道[6]施工期间为处理特大高压宽张岩溶裂隙涌水，增设了约400 m的迂回导坑及2 km的泄水洞；关角隧道[7]施工期间为满足总工期要求，将斜井辅助正洞由原来的单联优化为双联进洞，并将7～10号部分斜井断面优化为双车道；同样是关角隧道，4号斜井[8]在施工中遇到大量涌水，采取了封堵和绕行的方案。

1 原设计概况

1.1 工程概况

某隧道斜井位于线路前进方向左侧，如图1所示。斜井长835 m，综合坡度7.9%，与线路平面交角40°，斜井与主隧道斜交单联，井口与井底高差61.904 m。采用无轨运输，单车道加错车道衬砌断面。

图1 斜井平面位置示意

1.2 工程地质情况

斜井洞身穿越地层分3个段落：洞口段100 m，埋深浅，穿越第四系上更新统粉质黄土、中更新统黏质黄土和土石分界面，黄土厚20～40 m，具Ⅱ级重湿陷性；洞身中部550 m段落，穿越吕梁山群赤坚岭组灰白色夹黑色斑状片麻岩、红色伟晶岩、黑色云母片岩等地层，埋深较浅，上覆黄土同洞口段，地表黄土层沟壑发育，钻孔证实黄土下伏基岩顶部有一层厚20～40 m的全风化层，岩体破碎，呈碎石土状；井底段185 m，穿越吕梁山群赤坚岭组灰白色夹黑色斑状片麻岩、红色伟晶岩、黑色云母片岩等地层，岩石属硬岩，强风化，岩体较破碎，岩土特征为强风化、较破碎的伟晶岩、片麻岩。

1.3 水文地质特征

斜井洞身主要穿越吕梁山群赤坚岭组片麻岩、伟晶岩，全风化、强风化呈碎石土状，上覆20～40 m的黄土层，局部地段基岩上覆第四系全新统河床砂卵层。这类地层钻孔单位涌水量为1～5 m3/h·m，属于弱富水区。构造上，本段没有观测到断层、褶皱等，但由于上部粉质黄土孔隙水垂直下渗和艾蒿沟侧向补给，地下水水位高出洞身8～60 m，涌水量较大，采用降水入渗系数法计算得出斜井最大涌水量4253.34 m3/d。

1.4 原设计措施

根据地勘提供地质纵断面，斜井在IXJD0+060～IXJD0+126段为土石分界面，且地下水位线位于隧道洞身以上，因此设计采用了超前小导管及帷幕注浆等措施，采取预留核心土环形开挖法施工，对其余洞身位于全、强风化地层段考虑拱部超前小导管+局部后径向注浆的措施，台阶法施工。

2 存在问题及原因分析

2.1 施工中遇到的问题

斜井于2010年10月8日进洞，11月20日开挖至XJK0+060里程时，掌子面及侧、边墙涌水加大，涌水量达50 m3/h，地层变为全风化变质碎石土，松散，泥质含量高。

根据原设计，在IXJD0+060～IXJD0+126里程段为土石分界面，有超前小导管及帷幕注浆等措施。但从施工实际施工情况来看，注浆效果不明显，施工中突水突泥严重，造成出渣困难，严重影响施工进度，月综合进尺仅20 m/月左右，与原设计的综合进度指标相去甚远。

通过后续约30 m的施工及超前地质预报表明，地质无好转迹象，后续段落隧道洞身将有约600 m段落持续位于这种富水全风化呈碎石土状的地层中，按目前的施工进度，工期远远难以保证。

2.2 原因分析

隧道施工揭示，洞身地层主要为全风化的碎石土，泥沙充填，地层稳定性差。从钻孔揭示情况看，该层上部粉质黄土孔隙水含水层主要为风积黏质黄土，地下水接受大气降水补给，含水层储水和排泄条件差，水量小且不稳定，地表水下渗后在土石分界面聚集，土石分界面是较好的导水通道，隧道开挖后打开了地下水流通通道，再加上附近艾蒿沟常年流水，是良好的水源补给源，因此隧道施工中易出现突水涌泥，导致隧道围岩软化严重，多呈泥状，拱部及边墙坍塌严重。

再加上施工单位管理不善，掌子面涌水管理不利，导致洞内作业环境差，施工作业效率低等情况，施工进展缓慢。

3 优化情况

结合上述因素分析，要解决该施工问题，主要从两方面着手，一是地层，二是水。

根据施工中超前地质预报结果，按原设计纵断面，后续仍有约600 m段落位于此种全风化的碎石土地层，地层不可避免，因此必须采取措施，改变当前施工遇到的不良状况。

解决地层问题的一种途径是地层改良，类似地层常用的地层改良手段主要有注浆、旋喷等[9-10]。但前期施工单位实施中表明本地层注浆效果不明显，因此不予考虑；对水平旋喷，虽然地层改良效果好，但工效较慢，本工程工期已经滞后，且水平旋喷造价较高，而本斜井仅是作为施工辅助坑道用，采取旋喷技术略有舍本逐末的意思。因此还需从别的途径着手，寻找更优的解决办法。

为了解决地层的问题，期间也进行了一定范围的斜井重新选址工作[11]，但一是地质判断周边重新选址斜井仍不可避免地要通过此地层，二是施工单位自身承包合同的问题，重新选址可能性较小。因此为解决地层的问题，决定对斜井XJK0+175～XJK0+835(660 m)段纵坡进行调整。

从上述分析中可以看出，本工程施工中还有一个问题就是地下水。为了解决地下水的问题，通常采用的方法有地表降水、洞内降水等方式[12]，但本段隧道埋深在45～90 m，地表降水实施有一定难度，因此主要考虑洞内降水。

详细优化措施如下所述。

3.1 纵坡调整

结合地层风化线与斜井洞身位置关系，将斜井XJK0+175-XJK0+535段纵坡由原设计7.9%调整为11.9%，XJK0+535-XJK0+835段以2.25%的缓坡接至正洞；斜井平面位置不变，如图2所示。

通过斜井纵断面的调整，使斜井及早穿过全风化吕梁山群赤坚岭组灰白色夹黑色斑状片麻岩、红色伟晶岩、黑色云母片岩等碎石土地层，进入属IV级围岩的强风化、较破碎的伟晶岩、片麻岩地层。

通过后期实际施工情况看，通过纵断面优化，施工至XJK0+410后，该碎石土地层转变为强风化片麻岩夹伟晶岩。整个优化使得碎石土地层较原设计方案缩短约240 m。

3.2 超前钻孔排水

洞内降水又有洞内轻型井点降水、洞内超前排水等方式。洞内轻型井点降水[13]实施起来较为麻烦，对隧道施工干扰大，本工程工期紧张，因此本段排水考虑操作较简单的超前排水孔，隧道施工中在掌子面增设超前探孔兼作泄水孔，降低地下水压力和方便洞内集中排水。

洞内超前排水孔布置如图3所示。

超前排水孔钻孔设备可直接利用隧道施工超前地质预报所用的MK-5型地质钻机。

超前排水孔的实施要求如下。

(1)根据围岩富水地质特征，采用直接钻孔法，用直径110 mm的液压钻机一次钻进30 m，满足施工技术要求。排水孔根据掌子面涌水情况适当加密或调整孔位间距，上图钻孔布置为示意。

(2)将掌子面刷成75°的坡面，再喷射混凝土10 cm封闭掌子面，防止掌子面坍塌。同时设置观测桩，随时观测掌子面情况，确保施工安全。因斜井纵坡为反坡排水，需在掌子面一侧设集水坑，配备抽水设备及时将水排出洞外[14]。

(3)根据掌子面排水孔位准确固定钻机，运用全站仪、罗盘、挂线相结合的方法，保证钻杆轴线方向正确。根据钻孔深度，钻杆轴线与设计钻孔轴线要有一定的夹角，以抵消钻进中钻杆自重所产生的下垂和深孔排水坡度(1%～2%)。钻机固定要牢固，防止钻进过程中产生偏移、倾斜而影响钻孔质量。

(4)超前排水孔钻进

①钻孔速度根据钻机性能和岩层情况而定，防止孔身扭曲、变径。

②钻进过程中对每个钻孔地质围岩变化、钻进状态(钻压、钻速)、漏水量大小、涌水压力大小等情况做好施工记录。若出现卡钻、坍孔等情况，立即停钻，及时对孔壁注浆，待浆液初凝后，重新钻进，达到设计深度。

③孔径、孔深要符合施工规范要求，钻头直径大于设计孔径，实际钻深大于设计深度0.2 m以上。

④对遇水软化的岩层，很难成孔，采用套管护壁技术钻孔排水，钻孔采用跟管钻进达到设计要求，套管设计成梅花形孔排水。

⑤孔口设2 m的护管，防止孔口坍塌。

⑥排水孔检查。孔径、孔深检查采用孔径钻头，在验孔过程中钻头平顺推进，不产生阻碍和抖动，钻杆送入长度满足排水设计深度，退钻要求顺畅，反转钻具时稍慢，力量均匀，防止脱钻或卡钻现象。

3.3 施工工序优化

在采取了上述超前排水的措施后，施工中地层富水性下降，再通过拱部超前小导管，有效注浆加固拱部围岩，仰拱及时紧跟，防止渗水对基底的浸泡软化作用(必要时在隧底铺钢板作为临时路面)，同时本着“弱爆破、少扰动、多降震”的原则对爆破方案进行优化，边墙采用轮廓线钻眼法爆破，核心采用控制爆破，掏槽采用抛掷爆破的综合控制爆破技术，并与三台阶分部开挖法相结合形成了三台阶分部爆破。

4 结论

该斜井于2010年11月通过该碎石土富水地段一度出现月进度不到20 m/月的情况，通过上述纵坡调整(缩短了富水碎石土段落的长度)、超前排水(对该段的施工起到了较大作用，可供其他类似工程参考借鉴)以及爆破施工工艺上的优化，已于2012年初进入正洞施工，目前该隧道已经贯通。

结合上述措施在本工程的实践运用，在今后的设计工作中，对斜井等辅助坑道的设计，也应结合地层情况与洞身位置关系，不应局限于单坡度设计，为尽可能避开不良地质或缩短不良地质段落长度，斜井纵坡设计应有针对性。

[1] 铁道第二勘察设计院.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2] 铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册·隧道[M].北京：中国铁道出版社，1995．

[3] 铁道部隧道工程局.TB10109—95铁路隧道辅助坑道技术规范[S].北京：中国铁道出版社，1995．

[4] 雷升祥.彭水隧道斜井优化设计与施工[J].铁道标准设计，2003(5)：40-42．

[5] 曾蔚，张民庆.圆梁山隧道施工期间增加辅助坑道的设计与施工[J].探矿工程，2005(5)：56-59．

[6] 武世燕.兰渝线化马隧道涌水处理[J].国防交通工程与技术，2012，10(3)：61-64．

[7] 李志平，李永生.关角隧道单车道无轨斜井施工方案优化[J].隧道建设，2010，30(1)：53-57．

[8] 吴春成.大涌水量斜井封堵绕行方案研究[J].铁道建筑，2012(5)：35-37．

[9] 王保庆.深埋富水全风化花岗岩中长距离水平旋喷桩试验与分析[J].铁道建筑技术，2014(4)：5-8．

[10]刘士波.富水软弱Ⅴ级、Ⅵ级围岩隧道施工技术探索[J].科技创新与生产力，2014(1)：53-59．

[11]崔根群.辅助坑道方案优化对全面履约所起的重要作用[J].西部探矿工程，2004(5)：117-119．

[12]李庚许，袁德友，汤世明.黄土、砂砾、涌水地层浅埋隧道施工技术[J].铁道标准设计，2005(9)：88-91．

[13]王菀，蒋永强，张文新，等.真空轻型井点降水在深埋隧道未成岩富水粉细砂层施工中的应用[J].国防交通工程与技术，2012，10(4)：57-60.

[14]中铁隧道集团有限公司.TZ331—2009铁路隧道防排水施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2009．

Optimization of Inclined Shaft during a Railway Tunnel Construction

SUN Xiao-ke

(China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300133， China)

During the construction of the inclined shaft of a railway tunnel， the groundwater was found well-developed， and the surrounding rock was of mainly gravel soil with high clay content. Though the original design intended to use curtain grouting and advanced small ductile grouting， the site grouting effect was not obvious as expected. Water and mud bursting were serious during the construction， and brought negative effects to slag-out， and serious influence on the construction progress. In view of this situation， some optimization programs such as adjusting the profile grade of inclined shaft， adding advanced horizontal borehole to drain the water were put up to accelerate the construction of gallery， so as to enable the gallery to assist the tunnel construction and meet the progress schedule. Practices have well proved the efficiency of the optimization programs．

Railway tunnel; Inclined shaft; Profile grade; Drainage by advanced borehole; Construction

2014-10-10；

2014-10-28

孙晓科(1984—)，男，工程师，2009年毕业于同济大学道路与铁道工程专业，工学硕士，E-mail：dssun66@163.com。

1004-2954(2015)07-0124-04

U459.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.028