天河山隧道辅助坑道方案优化设计研究

胡玉林

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

为满足工期要求及施工组织需要，长大隧道及地质条件复杂的隧道一般需要设置辅助坑道。辅助坑道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，梁文灏、路仕洋、杨国庆等人对关角隧道[1]、当金山隧道[2]、乌鞘岭隧道[3]等特长铁路隧道的辅助坑道方案进行了深入研究；杨昌贤、陈志高等人结合实际施工情况对辅助坑道进行了优化设计研究[4]；向道银、刘传等人着重从施工角度研究了复杂或软弱围岩地质条件下辅助坑道施工技术。上述研究成果对长大隧道的辅助坑道方案优化具有一定的参考和借鉴意义。

本文以新建和顺至邢台铁路天河山隧道工程为背景，结合隧道施工过程中遇到的复杂地质情况，对隧道的辅助坑道方案进行动态优化设计，拟为今后类似地层隧道设计和施工提供一定参考。

2 工程及水文地质概况

天河山隧道呈东西走向穿越太行山山脉，隧道进口位于山西省左权县拐儿镇骆驼村，出口位于河北省邢台县白岸乡洺水村。隧道起迄里程D2K33＋710～D2K45＋405，全长11 695 m，为单线隧道。隧道一般埋深100～300 m，最大埋深615 m。洞内纵坡为-4‰/20 m、-14‰/11 220 m、-5‰/455 m的单面坡。

天河山隧道洞身所穿越的地层为第四系全新统冲洪积粗角砾土和碎石土，第四系上更新统坡、洪积粉质黏土、震旦系下统串岭沟组砂岩和常州沟组砂岩。全隧道Ⅱ级围岩长5 945 m，占50.83%；Ⅲ级围岩长3 626 m，占31.01%；Ⅳ级围岩长1 639 m，占14.01%；Ⅴ级围岩长485 m，占4.15%。本隧道受太行大断裂影响较强烈，隧道洞身发育21条断层破碎带和7条节理密集带，对隧道影响较大。

隧道区内地下水主要为岩溶裂隙水、构造裂隙水及砂岩层间水。岩溶裂隙水与砂岩层间水多层状分布，且通过构造带实现自上而下连通，形成补给和排泄关系。本隧道正洞预测正常涌水量约35 973 m3/d，最大涌水量约72 856 m3/d。

3 原设计辅助坑道方案

3.1 辅助坑道方案概况

本隧道原设计采用1座双车道斜井和1座单车道平行导坑辅助施工，如图1所示。根据施工组织安排，1号斜井向进口方向将承担1 495 m的正洞施工任务，向出口方向将承担2 455 m的正洞施工任务，平行导坑和出口工区共同承担4 635 m的正洞施工任务。隧道贯通工期为28个月。

3.2 辅助坑道设计情况

(1)1号斜井位于线路前进方向左侧，与正洞交于D2K38＋315，长1 581 m，最大纵坡为10.7%。斜井采用双车道无轨运输方式，断面按7.0×6.2 m(宽×高)设计。

(2)在隧道出口端线路右侧平行正洞设置平行导坑，长3 150 m，与正洞线间距为35 m，坑底设计高程低于正洞坑底不小于1.2 m，纵坡为14‰。平行导坑采用无轨运输单车道＋错车道[5]，每隔250～300 m设1处错车道，单车道断面按5.0×6.0 m(宽×高)设计，错车道断面按7.0×6.2 m(宽×高)设计。

(3)平行导坑与隧道正洞间通过横通道连接，平行导坑终点的横通道与正洞相交于D2K42＋265。共设置4处横通道，横通道采用单车道断面。

(4)1号斜井和平行导坑洞身支护措施以锚喷支护[6]为主，洞口浅埋偏压段和洞身断层破碎带采用模筑衬砌。

4 1号斜井局部调整及延长平行导坑优化设计

4.1 1号斜井连续溜坍及涌水涌泥影响

1号斜井X1DK0＋209～X1DK0＋141段原设计Ⅲ级围岩51 m，Ⅳ级围岩17 m。施工过程中揭示该段为断层破碎带和节理密集发育带影响区，以Ⅴ级围岩为主，掌子面涌水量超过200 m3/h，连续发生多次较大规模的掌子面溜坍，其中X1DK0＋161处掌子面发生涌水涌泥，涌出物约450 m3。本段斜井处理周期较长，原计划该段工期为1个月，实际施工约11个月，施工严重受阻。

通过超前水平钻探、TSP、大地电磁物探测试等补充勘察手段，查明 1号斜井 X1DK0＋141～X1DK0＋000段为强富水区，节理密集发育，岩体破碎，拱顶、侧壁多夹软层，易发生坍塌及涌水涌泥。该节理密集带与斜井走向基本平行，与正洞相交于D2K38＋300～D2K38＋345段。

1号斜井X1DK0＋141掌子面前方地质条件较差，向前继续掘进施工风险高，需采用超前帷幕注浆等加固措施，施工周期长、加固费用高，且原设计在D2K38＋315处进入正洞挑顶施工[7]难度大，因此有必要研究绕避该不良地质段落的方案，并增设辅助坑道加快1号斜井与出口工区间的施工进度。

4.2 辅助坑道方案优化需考虑的因素

(1)地质因素

本段隧道洞身段发育的节理密集带为北东走向张性节理组，以砂充填为主，有少量土。缓倾岩层在竖向节理切割及长期风化作用下，砂岩小碎块呈砂夹土状，存在涌泥的物质来源；另一方面，本隧道构造裂隙水储量丰富，补给源长，砂岩地层宽张裂隙发育[8]，上下连通性好，利于水的流动，围岩中地下水具有较高的水压力，存在涌水涌泥的动力条件，使得该段隧道发生坍塌和涌水涌泥的风险较高，施工难度极大，严重制约隧道工期。

1号斜井原设计线位与节理密集带基本平行，该节理密集带与正洞相交于斜井交叉口D2K38＋315附近。因此需要合理调整1号斜井走向，使斜井与节理密集带大角度相交，减少斜井洞身不良地质段落长度，降低施工难度。

(2)工期因素

1号斜井与出口工区间为关键线路[9]，该区间按原设计辅助坑道方案施工已无法满足工期要求，因此需要通过采取辅助坑道优化调整措施，开辟新的作业面，减轻1号斜井在富水破碎带段施工受阻带来的工期压力，加快施工进度，为后续无砟轨道、附属工程及站后工程施工争取作业时间。

(3)施工组织因素

本隧道地下水发育，带水作业反坡施工难度大、独头掘进距离长，辅助坑道选择时应充分考虑方便运输组织，有利于施工通风和施工排水[10]。

(4)运营安全因素

本隧道地下水十分丰富，实际揭示的最大涌水量与预测基本吻合，运营期间隧道正洞侧沟的排水压力极大，因此必须妥善解决隧道运营期间的排水问题。

4.3 1号斜井局部调整及延长平行导坑设计

根据现场实际情况，综合考虑多方面因素，确定了以下辅助坑道优化调整方案:

(1)在1号斜井X1DK0＋238右侧增设1个1号支洞[11](简称右支洞)辅助施工。右支洞与正洞相交于D2K38＋085处，长283.6 m，采用双车道断面。右支洞纵断面坡度采用-3%/30 m、-8.11%、-3%/30 m的单面下坡。

(2)在1号斜井X1DK0＋153处向左侧局部调整1号斜井走向(简称左支洞)。左支洞与正洞交叉点为D2K38＋600，调整后1号斜井X1DK0＋153掌子面到正洞的长度为365 m，较原设计长度增加212 m。考虑斜井X1DK0＋153掌子面位于断层及节理密集发育带影响范围，地下水量大，施工反坡排水难度大，纵断面坡度采用0.1%/175 m、-10.83%/160 m、3%/30 m的人字坡。

(3)出口端平行导坑延长至D2K38＋600处与调整走向后的1号斜井连通。变更后平行导坑全长6 822 m，较原平行导坑长度增加3 672 m。平行导坑与正洞间增加8处横通道，全隧道共12个横通道，如图2所示。

(4)为提高施工效率，平行导坑延长段平导断面由单车道改为双车道，便于大型机械快速施工。

(5)针对斜井支洞和平行导坑洞身穿越Ⅴ级围岩富水断层破碎带段，采用加固圈5 m的全断面帷幕注浆进行超前加固，并对衬砌结构进行加强，初期支护全环采用 20a型钢钢架，间距0.6 m/榀，二衬采用钢筋混凝土结构。

(6)开展本变更设计时，进口工区实际掘进约2 005 m，出口工区实际掘进约1 700 m，1号斜井实际掘进约1 420 m，出口端平行导坑实际掘进约2 400 m。隧道正洞D2K35＋715～D2K43＋705段共7 990 m未施工，按进口、出口、1号斜井、平行导坑四个工区组织施工，剩余工程施工工期约16.6个月，满足目标工期要求。

5 施工效果分析

由于受各种不利因素影响，天河山隧道工期严重滞后，施工过程中通过对1号斜井向正洞进口方向增设右支洞及向正洞出口方向局部调整走向绕避不良地质、出口端平行导坑延伸至与1号斜井左支洞连通等辅助坑道优化方案，达到超前地质预报、增加工作面、减少反坡排水和降低工程风险的目的，隧道于2021年8月7日顺利贯通，为全线年底竣工通车创造了条件。

施工实践表明，出口及平行导坑工区共同完成5 687 m的正洞施工任务，该工区施工期间涌水量超过15 000 m3/d，长段落顺坡施工极大地缓解了隧道施工期间的反坡排水压力。隧道贯通后大部分地下水通过平行导坑排出洞外，解决了运营期间的排水难题。1号斜井工区右支洞向进口方向完成了约996 m的正洞施工任务，向出口方向完成了366 m的正洞施工任务。1号斜井工区左支洞向进口方向完成了约149 m段的正洞施工任务，向出口方向完成了1 118 m的正洞施工任务。1号斜井左、右两个支洞共同完成了包含位于断层破碎带和节理密集发育带的D2K38＋100～D2K38＋600段长约500 m的Ⅳ～Ⅴ级围岩强富水段落，该段在施工至里程D2K38＋154时发生了较大规模的涌水涌泥导致右支洞向出口方向施工受阻。由于优化走向后的1号斜井左支洞成功绕避了不良地质区域，施工较顺利，确保了隧道向出口方向的施工正常推进。本隧道开挖贯通后，由于正洞和平行导坑间有12个横通道，为后续二衬及无砟轨道施工提供了开辟多个作业面的便利条件[12]，加快了施工进度。因此，天河山隧道出口端平行导坑、1号斜井左支洞和右支洞为隧道安全顺利贯通发挥了重要作用。

6 结束语

(1)由于受外部客观条件影响，天河山隧道的工期严重滞后于原施工组织计划，施工过程中对辅助坑道设置方案进行及时调整非常必要，保证了隧道工程顺利推进，1号斜井局部调整走向绕避了不良地质地段，为安全施工创造了条件。

(2)天河山隧道在施工过程中发现独头掘进距离超过3 km后单车道平行导坑难以发挥施工组织效率后，将平行导坑延长段由单车道断面调整为双车道断面方案合理，提高了平行导坑工区内长距离独头掘进的运输组织效率，也为平行导坑内多个工作面的施工通风创造了条件。

(3)对于长段落穿越太行山区震旦系富水砂岩断层破碎带及节理密集发育带地层且埋深较大的隧道，选择辅助坑道时应优先选择平行导坑方案。平行导坑不仅能增加工作面，施工期间还可以超前预报正洞前方的地质情况并起到超前泄水降压的作用；运营期间作为泄水洞，减小正洞排水压力，消除地下水浸泡道床带来的隐患，保证隧道运营安全。