摘要:設置輔助坑道是實現長大隧道長隧短打、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計和變更為例,對輔助坑道雙聯式井底布置進行了研究。結果表明:雙聯式井底布置可實現運輸車輛的便捷轉彎并形成環島式物流通道,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范建議值的 1.4~2.1倍,實現了隧道的快速施工;特殊工況下,主聯和副聯互為替代關系,可有效降低因單點擁堵導致整個物流系統停滯的風險;隧道施工通風、變壓器和空壓機進洞、交叉口正洞襯砌施工等方面的優勢是雙聯式井底布置的另一外溢效能,與常規通風方式相比成本降低 30%以上。
關鍵詞: 鐵路隧道;長大隧道;輔助坑道;運輸效能;雙聯布置;優化設計;施工
引言
隨著中國鐵路建設規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，高隧線比正成為山區鐵路建設的特點和主流。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，為科學縮短工期，多采用諸如斜井、橫洞、平導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的目的 [1 6]。業界專家學者對長大隧道輔助坑道的設計、施工進行了許多有益的研究與探索實踐[7 13]。
衛鵬華[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連接形成正洞施工瓶頸在內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需求，分別對不同區段的斜井斷面、坡度、布置方式進行優化，在完整中硬巖中以斜井與隧道斜交擴大斷面單聯連接方式為主實現了施工資源合理利用與加快施工進度的目標;楊磐石[17]等以秦嶺天臺山隧道為依托，通過數值模擬和工程實踐，對超長隧道斜井及正洞通風方案進行研究，確定了隧道施工的最佳通風方式。
歷史和現行鐵路隧道設計規范，多對隧道輔助坑道類型、位置、運輸方式、斷面尺寸、支護結構、通風及排水等作了一般規定[18 20]，長大隧道輔助坑道的設計和使用日臻完善，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展，一些缺點也逐漸暴露。現行輔助坑道多與正洞單一接口相交，接口位置一旦發生擁堵，將引起對應工期控制工作面的緩慢甚至停滯;除輔助坑道采用平導設置外，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險;工期緊、一座輔助坑道服務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，數次提出并實施了雙聯式井底布置方式，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化為例，對輔助坑道雙聯式井底布置方式進行分析，以期為長大隧道輔助坑道優化設計提供可復制的設計方法借鑒。
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，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。建設管理機構將該隧道劃分為進口段和出口段，分別安排在兩個施工標段;進口段長 12.623 ㎞、按單面坡設置，其中:左線坡度為 8‰(575m)、12.6‰(12048m) ， 右 線 坡 度 為 6.6‰(615m) 、12.6‰(12008m);標段洞身穿越地層以灰巖為主，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 原斜井設計方案
2.1 設計方案標段原設計
3 座斜井。1#斜井長 1770m、坡度 11.5%，居左線隧道左側，井底距隧道進口約5㎞，按雙車道無軌運輸斷面設置;2#斜井長870m、坡度 30%，居左線隧道左側，井底距 1#斜井井底 4㎞，按主副井有軌運輸設置，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，井底距 2#斜井井底 2.8 ㎞、距標段分界點 800m，按主副井有軌運輸設置，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段現場核對、踏勘、調查后發現，從定測到開工前工程環境發生了很大的變化，執行原設計方案存在的主要問題如下。⑴因隧址南側近域臨大線進入施工高峰，砂石等原材料需求激增，1#斜井原設計洞口處開辟了數家碎石場，該處山體已被大幅開挖，原設計方案所依據的周邊環境已發生顛覆性變化，已無進場施工條件;此外，若仍采用原設計斜井方案，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。
⑵3#斜井從 3 家小規模煤礦間狹長地段穿過，原設計雖已勱力規避了斜井與煤礦企業間的相互影響，但 3 家小規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置，一是運能很難滿足指導性施組的進度要求，二是有軌運輸的作業人員難覓且培訓困難，三是有軌運輸設備采購量大價高且再利用概率低，四是施工安全風險大，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 斜井設計方案優化
因 1#斜井原設計所依據的周邊環境顯著變化，斜井洞口位置需調整;2#、3#斜井原設計依據比較充分，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#斜井晚開工導致的工期延誤，也需對 2#斜井優化。
3.1 斜井井位、運輸方式及交叉口位置
優化基于工期控制、3#斜井穿越地層的施工風險、施工企業快速施工能力和對地下水風險不高的研判等綜合考量，將 3 座斜井優化為兩座長深斜井如圖 2，變更后的斜井斷面面積 48~71 ㎡。
⑴1#斜井按地下空間直線型設置，與正洞交點向大里程方向移 1100m，斜井長度 2508m，綜合坡率 9.7%，按無軌運輸方式設置，每隔 300m 設 1 處20 m 長、坡率 3%的緩坡段，斜井井底設置平坡段。
⑵受綜合坡度影響，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%，按無軌運輸方式設置，每隔 300m 設置 1 處 20 m 長、坡率 3%的緩坡段，斜井井底設置平坡段;斜井與正洞平面投影近平行段不在同一高程，在空間關系上已考慮規避地下洞室近接效應。通過對直線型 1#和地下展線型 2#斜井的優化，將 2#斜井有軌運輸調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 3#斜井承擔的施工任務;優化方案將 1#和 2#斜井井口位置調整到相距 550m，實現了施工場地集中，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的安全風險。
⑶斜井方案變更后，對進口標段施工組織進行相應調整，按進口和斜井兩個工區組織施工，為使各工作面工作量平衡，適度調高進口工作面的工作量。施工企業明顯高于行業水平的快速施工組織能力，是本次變更設計的重要潛在前提，因此，變更設計文件中提出的斜井工區正洞施工進度指標為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級依次為 170 m/月、110 m/月、80 m/月、50m/月，該進度指標體系顯著高于規范建議值。
3.2 斜井底平面布置優化
受設計習慣和常規較小的斜井斷面的影響，斜井與正洞交叉口處斷面較為狹窄、交通組織困難，一旦發生下屬任何一種情況必然引起對應工作面停頓甚至搶險和應急工作嚴重阻滯:大型移動設備行走至此區發生故障;交叉口“被迫”處于軟弱圍巖中偶發的加固需求、突發的初支和(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 1 條通道，形成雙聯通道(本工程中主聯和副聯分別通過聯絡通道與右線隧道相連)，為方便常態工況車輛轉彎，兩條聯絡通道與正洞夾角均宜按 45°~60°設置;為便于描述，將雙聯稱為主聯和副聯;常態工況主副聯可任意組合使用，非常態工況主聯與副聯之任一通道成為應急和(或)保持連續施工通道。
3.3 雙聯井底交通組織概述
⑴1#斜井:常規工況下，向小里程方向的行走設備均以銳角轉彎直接從主聯通道進出左、右線隧道，左、右線隧道間互通則經保持暢通的橫通道實現;向大里程方向的行走設備均同樣以銳角轉彎直接從副聯通道進出左、右線隧道，左、右線隧道間互通亦經保持暢通的橫通道實現;聯絡通道、左右線、橫通道可形成環島式物流通道，按通風和運輸方式特點，既可按單洞雙向物流組織，也可按單洞單向物流組織。非常規工況下，主聯與副聯、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。
⑶特殊工況: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，各點區洞室支護安全的重要性同樣依次呈現，因此，大型設備可停放的位置則反序排列。上述單獨或組合堵塞的發生概率依次下降，物流暢通度的保證率則相應升高。
3.4 雙聯井底功能外溢
⑴布置為井底車場，主副聯交通繁忙時，車輛可駛入⑩或⑪區單側停放。⑵1#和 2#斜井長均超 2.5 ㎞，為降低長距離連續施工通風和供電的高損耗，變壓器、空壓機均移入⑩單側安裝，同時保持該區域暢通;⑩+⑪區拱部空間隔離成施工通風接力緩沖風倉，從風倉向兩端工作面供風。施工通風共分為 3 個階段，第 1 階段：斜井井身施工，采用壓入式通風，通風效果良好。第 2 階段：進入正洞至井底雙聯模式建成及 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機的優越性能，依次在①④⑤⑧⑨節點安裝可調剛性三岔和四岔分流器，據工序時態向 6 和(或)8 個開挖工作面供風，該階段通風效果明顯下降。
第 3 階段：④⑤⑧⑨⑩⑪區襯砌、隧底結構、單側溝槽完成，正洞 4 個開挖支護工作面同期施工，將⑩和⑪區襯后拱部空間隔離成緩沖風倉，斜井內通風管經①③⑤⑦⑨區將入新鮮風壓入⑩和⑪區拱部緩沖風倉，從⑩和⑪區緩沖風倉端頭各安裝 2 臺共 4 臺小功率通風機分別向 4 個開挖支護工作面壓入式通風，④⑤⑧⑨區拱部均安裝剛性隔板引導污風經雙聯通道歸流如斜井自然排除，通風效果良好。施工期間，洞內氣溫除第 2 階段部分工作面時有高于 30℃外，洞內氣溫多在 22~27℃(襯砌臺車段除外)。
3.5 施工效果
工區為一般地質段的常規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計規范》表 8.3.4 1[14]與《鐵路工程施工組織設計指南》(鐵建設[2009]226 號)表 6.3.4 1 相比，除斜井Ⅳ級圍巖指標有差異外，其余指標相同，結合斜井長度、斜井和正洞斷面大小組合出斜井和斜井工區正洞施工進度指標，以此為基礎進行計劃進度指標、實際進度指標比對。
4 推廣應用
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，設計單位和審查部門采納了井底雙聯布置意見，彝良和炳輝隧道雙聯式井底布置示意，該兩座隧道開工不久，尚處于斜井井身施工階段。雙聯式通道布置不僅適應于雙線雙修隧道，同樣適應于單洞雙線隧道，基于其顯著的優點，建議設計和設計鑒定單位勱力推廣并固化該模式;因交叉口雙聯式布置提高施工速度和優化隧道施工通風、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余，對作為臨時工程的輔助坑道，施工企業不必拘泥于設計和規制約束，即便自費也可實施。
5結語與建議
⑴輔助坑道雙聯式井底布置可實現運輸車輛的便捷轉彎并形成環島式物流通道，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險、提升輔助坑道運輸能力。⑵利用雙聯式井底布置，南呂梁山隧道 1#、2#斜井施工正洞月均進度達到規范建議值的 1.4~2.1倍，實現了隧道的快速施工。⑶雙聯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勢，其施工速度和外溢效能的增加，明顯優于常規布置方式。
⑷雙聯式井底布置、蓋雅變頻通風機、緩沖風倉組合帶來的施工通風效能十分顯著，除第 2 階段外，南呂梁山隧道 1#、2#斜井施工期間通風效果好，據不完全統計，與常規通風方式相比成本降低約 30%以上。⑸特殊工況下，主聯和副聯互為替代關系，可有效降低因偶然事故擁堵導致整個物流系統停滯的風險。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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