香山特长隧道辅助坑道设置方案优化及实践

刘旭全，宋领弟

（中铁北京工程局集团有限公司，北京102308）

0 引言

我国交通事业蓬勃发展，越来越多的山岭特长隧道投入施工建设。山岭特长隧道具有地质条件复杂、施工技术要求高、施工任务量大、安全风险等级高及施工工期紧张等特点，为此我国在特长隧道施工中多采用“长隧短打”的建设思路，从而达到适当减小施工风险、保证施工进度的目的。李恩满［1］通过秦岭特长隧道设计，参考国内外资料，以实例阐述辅助坑道概念、作用及选用原则、平行导坑造价问题。陈党辉等［2］对郑西客运专线大断面黄土隧道秦东隧道施工技术进行研究，得出斜井和大跨黄土隧道交叉口施工方案，并针对斜井向正洞施工方法和技术措施等对工程进行总结和实例验证。冯明等［3］结合向莆铁路高盖山隧道施工实践，从辅助坑道的形式、位置及断面尺寸等要素出发，就长大隧道斜井设计方案的优化进行探讨。张桥［4］针对渝黔铁路新凉风垭隧道论述了工程地质与斜井设置条件、辅助坑道设置和施工组织安排的关系，结合施工难度及工程风险、施工组织及工期、空气动力学影响、环境影响、防灾救援、两端接线条件等因素对合修、分修方案进行比选，推荐采用合修方案。陈鸿等［5］优先选择“八”字形布置斜井是基于山西中南部铁路通道南吕梁山隧道K、2号、3号斜井的位置和斜井断面优化完成的。

由此可知，关于特长隧道辅助坑道设置的研究，众多学者开展讨论，理论与实证成果均较为丰富，但由于时间、地区、环境以及不同行业隧道工程建设状况等多方面因素影响，不同的隧道对辅助坑道设置方案不一样，基于前人积累的经验，以中卫—兰州高速铁路（简称中兰高铁）香山特长隧道为背景，针对高铁特长隧道辅助坑道设置方案优化展开研究。

1 工程概况

1.1 工程简介

中兰高铁位于宁夏回族自治区和甘肃省境内，线路自吴忠—中卫城际铁路中卫南站引出，于常乐镇西北角折向西南跨过定武高速公路，以香山特长隧道翻越香山山脉，而后向西经兰州新区接至既有中川机场线树屏线路所，线路全长218.494 km。香山特长隧道位于宁夏中卫市沙坡头区常乐镇水车村—乱井子附近，起讫里程为DK39+990—DK57+753.3，全长17 763.3 m，采用单洞双线隧道，隧道最大埋深约380 m，为该条铁路线最长隧道，也是西北地区在建的最长高速铁路隧道，属重点控制性工程［6］。香山特长隧道2018年8月1日开工，计划竣工日期为2022年6月30日。

1.2 隧道简介

香山特长隧道正线数目为双线，正线线间距4.6 m。洞身左 线DK43+585.125—DK45+763.3397段位于R=9 000 mm的曲线上，其余地段均位于直线上。洞内纵坡依次为25‰长度160 m、20‰长度13 900 m、18.1‰长度3 000 m、-4.5‰长度703.3 m。隧道围岩Ⅲ级占比62.7%、Ⅳ级占比21.9%、Ⅴ级占比15.4%。香山特长隧道进口、出口端均设计为帽檐斜切式洞门。隧道设置5个斜井作为辅助坑道，辅助正洞施工，以达到“长隧短打”目的。其中2号斜井在隧道施工完工后改造成紧急出口，4号斜井改造成避难所，1号、3号、5号斜井进行封堵［7］。

香山特长隧道处于卫宁北山东西向构造和陇西旋卷构造体系组成的复合构造体系内，隧道洞身褶皱构造有4个，分别为站马营向斜（DK45+800）、红柳沟背斜（DK48+180）、红柳沟向斜（DK48+500）、顾家沟背斜（DK52+050）；隧址区域内地质构造较复杂，岩体破碎，与线路相交的断裂主要为北西向，由北向南依次分布有9条断层。香山隧道主要有危岩、落石和崩塌、岩溶、人为坑洞、瓦斯及有害气体、高地应力、岩爆、软岩变形和高地温等不良地质［8］。

2 隧道总体施工方案

香山特长隧道遵循“新奥法”原理，按照“短进尺、强支护、早成环、勤量测、早衬砌”的原则，整个隧道分为进口、出口、1号斜井、2号斜井、3号斜井、4号斜井和5号斜井共7个工区组织施工。除进口、出口明洞段采用明挖法施工外，其余地段均通过斜井辅助坑道采用暗挖法施工。隧道设置辅助坑道1号、2号斜井工区双向掘进，隧道进口、出口及3号、4号、5号斜井工区设单工作面采用单向掘进。隧道Ⅲ级围岩采用台阶法施工；Ⅳ级围岩浅埋地段采用三台阶法施工，深埋地段采用短台阶法施工；V级围岩洞口浅埋段采用三台阶预留核心土法或三台阶临时仰拱法开挖，浅埋冲沟影响段采用三台阶预留核心土法或CRD法施工［9］。衬砌混凝土采用整体模板台车进行整体浇筑。小型构件场设置于拌和站范围内，成品构件汽车运输，人工配合汽车吊安装。混凝土均采用混凝土拌和站集中拌合供应，混凝土输送车运输，现场泵送入模，插入式振捣施工。

隧道设计超前支护措施，进口段洞口浅埋土石分界段设长37 mΦ108 mm大管棚，出口段洞口浅埋土石分界段设长30 mΦ108 mm大管棚。Vb级围岩设Φ42 mm超前小导管，Vb级围岩穿越断层设Φ89 mm管棚+小导管，Vb级围岩穿越瓦斯地段设Φ42 mm超前双层小导管，IV围岩设Φ42 mm超前小导管。初期支护采用架设型钢钢架、挂钢筋网片喷射混凝土打设锚杆联合支护体系。

3 隧道施工方案优化

3.1 辅助坑道原设计方案

3.1.1 设置位置

结合香山特长隧道设计资料，设置5个斜井均采用无轨运输，设计井口位置、交汇点里程、坡率、长度等要素见表1和图1。

3.1.2 断面简介

原设计方案中斜井采用曲墙拱形断面型式，其中1、2号斜井采用双车道断面；3、4、5号斜井采用单车道断面，间距200 m设会车道。斜井采用喷射混凝土、挂钢筋网片、打设锚杆和架立钢架联合支护体系。斜井设计断面见图2、图3。辅助坑道每延米工程数量见表2。

表1 辅助坑道原设置要素

图1 香山隧道辅助坑道设置平面示意图

3.2 辅助坑道设置方案优化

对施工现场仔细踏勘、对原设计方案认真分析，并借鉴以往参与兰武二线乌鞘岭隧道、向莆铁路高盖山隧道等长大隧道施工经验，考虑方便施工、提高效率、节约成本、过程安全、确保工期等因素，对辅助坑道的布置位置、断面形式等要素进行优化。

3.2.1 位置优化

图2 斜井单车道断面

图3 斜井双车道断面

表2 辅助坑道每延米工程数量 m3

隧道所处香山山脉山高坡陡，冲沟纵深，辅助坑道多沿冰沟布置。根据地质情况以及雨季防汛要求，考虑施工任务和工期将斜井井口位置进行优化，1、2、3、4号斜井井口所在位置地势较陡洞门边仰坡高，洞口场地布置困难，进洞条件差，对施工进洞不利。5号斜井口距主沟便道约600 m，其中去往斜井洞口约200 m处较为狭窄，两侧山体陡峭，进场施工便道需沿山体侧进行修筑，修筑比较困难，且斜井洞口施工场地狭窄。为此将1、2、3、4号斜井井口标高进行调整，5号斜井井口位置进行调整。同时结合斜井和正洞交汇点地质状况、无轨运输斜井坡率情况，将交汇点里程做了优化。1号斜井井口标高由1 505.4 m调整为1 498.3 m，标高下调7.1 m，调整后坡率减少为8.7%，长度减少为948.3 m；2号斜井井口标高由1 543.6 m调整为1 538.4 m，标高下调5.2 m，调整后坡率减少为8.5%，长度减少为512.5 m；3号斜井井口标高由1 543.6 m调整为1 538.4 m，标高下调5.2 m，调整后坡率减少为8.5%，长度减少为512.5 m；4号斜井井口标高由1 604.5 m调整为1 600.6 m，标高下调3.9 m，调整后坡率减少为9.6%，长度减少为601.6 m。5号斜井与正洞相交里程由DK54+500调整为DK55+000处线路右侧，与线路小里程方向平面夹角138°，斜井长1 295 m，综合坡率为4.39%，最大纵坡坡率为4.7%，较原设计长度减少5 m。辅助坑道设置方案优化见表3［10］。

3.2.2 断面优化

结合斜井本身以及正洞施工工期要求，考虑风、水管路布置需要，同时为加大会车宽度，提高掘进速度，结合施工机械外形尺寸，通过计算综合效益将原斜井设计断面尺寸进行调整，宽度加大1.5 m，即为6.5 m，高度增加0.2 m，即为6.5 m。断面具体尺寸见图4。

表3 辅助坑道设置优化方案

图4 斜井优化断面

3.3 施工工作面设置方案优化

原设计方案建议采用隧道辅助坑道1号和2号斜井工区双向掘进，其余隧道进、出口和3、4、5号斜井工区设单工作面采用单向掘进。为进一步提高月掘进进度和确保关键线路施工节点工期实现，考虑施工过程中因地质变化影响施工等因素，将3、4号斜井工区也调整为双向掘进。

4 施工实践效果

4.1 施工任务划分

香山隧道总体施工任务由进口、出口、5个斜井共7个工区完成。经过对辅助坑道设计方案优化，尤其对斜井和正洞交汇点里程调整后，各个工区正洞施工计划里程段见表4。

4.2 工程进展

截至2020年10月18日，香山隧道已完成辅助坑道施工3 738 m，正洞施工累计9 584 m。其中进口工区于2018年10月19日进洞施工，已完成正洞施工1 534 m。1号斜井工区井身（长度949 m）于2018年11月28日进洞施工，于2019年11月5日完工；承担正洞任务已完成785 m。2号斜井工区井身（长度379 m）于2018年11月13日进洞施工，于2019年7月16日完工；承担正洞任务已完成1 378 m。3号斜井工区井身（长度513 m）于2018年10月30日进洞施工，于2019年5月31日完工；承担正洞任务已完成1 595 m。4号斜井工区井身（长度602 m）于2018年10月24日进洞施工，于2019年7月1日完工；承担正洞任务已完成1 073 m，剩余2 011 m。5号斜井工区井身（长度1 295 m）于2018年11月8日进洞施工，于2019年8月20日完工；承担正洞任务已完成1 197 m。出口工区于2018年11月12日进洞施工，已完成正洞施工2 022 m。

表4 各个工区正洞施工计划里程段

5 结束语

长大隧道在我国通常采用辅助坑道实现“长隧短打”的目的，然而在前期设计阶段因受地质调查和勘察条件的限制，不可能考虑非常全面。因而在开工建设前应当做好施工图纸现场核对，进一步优化设计方案非常必要。通过对香山隧道辅助坑道设置方案进行优化，使各工区任务划分更合理，达到均衡施工的要求；井口位置的优化，不但有利于结合地形条件和全隧道施工任务量选择斜井口位置，而且还便于施工便道和场地的布置；斜井的综合坡率降低和断面的调整，可提高运输效率、加快施工进度，从而为香山特长隧道如期完工创造条件。