在长大山岭隧道施工中, 根据地形条件常常设置一些辅助坑道(斜井), 以减少独头掘进的开挖运输及通风距离, 改善开挖运输条件, 增强通风效果, 增加开挖、衬砌作业面, 从而达到加快工程进度、缩短工期的目标。如何在隧道辅助坑道(斜井)施工中既保证施工安全, 又保证施工质量的前提下加快施工进度是急需解决的一个问题。在隧道施工中, 往往形成一种意识, 辅助坑道是一种临时施工措施, 施工完毕后封闭废弃处理, 造成施工队伍以偷工减料的形式加快斜井施工进度, 这样给隧道施工安全以及今后高速铁路的安全运营带来隐患。辅助坑道作为正洞施工的运输命脉, 坑道与正洞交叉段受力复杂多变, 一旦辅助坑道出现安全事故, 会严重制约制约整个隧道施工进度, 因此在辅助坑道施工图设计需避开不良地质地段并适当加强永久支护措施^[1-3]。按照常规铁路隧道设计来讲, 辅助坑道支护是单层支护结构, 且使用寿命与正洞相同, 如果加固措施施工不到位, 会引起支护结构变形破坏, 因此辅助坑道(斜井)的支护措施不容忽视。在工期紧张情况下, 如现有施工方法无法满足隧道施工的设计进度指标, 施工单位不加以对原设计方案进行全面优化将无法按照合同工期完成施工任务^[4]。

1 工程概况

熬包梁隧道位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗与东胜区交界处, 隧道全长4 216 m, 进口里程为DK146+336, 出口里程为D8K150+552, 隧道共有1条双车道斜井, 斜井长1 223 m, 隧道最大埋深约为238.629 m。斜井与正洞左线交于D8K148+ 100, 交点与线路前进方向夹角为71°, 平面长度1 178 m, 纵坡10%下坡, 斜井与隧道采用斜交单联式, 无轨运输双车道衬砌断面, 无缓坡地段。双车道斜井宽=1.0 m人行道+2.8 m车宽+0.3 m余宽+2.8 m车宽+0.6 m侧沟宽度, 总宽为7.5 m; 高为6.2 m。Ⅴ级围岩斜井断面净空及支护结构如图 1、2所示。斜井Ⅳ级、Ⅴ级围岩模筑衬砌拱墙初期支护与二次衬砌间铺设EVA防水板加土工布防水, 并设置环、纵向盲管。斜井衬砌支护参数如表 1所示。长大隧道施工工程特点是工期紧、任务重、施工不可预见因素多、施工防护及安全要求高。合同工期共28个月, 合同单价低, 工程任务由进口、出口、斜井工区施工, 斜井进入正洞后双向掘进并承担正洞进口方向1 795 m, 出口方向1 621 m施工任务。斜井与正洞同时开工, 但由于斜井断面小爆破及装碴运输难度大等原因, 开工以来一直未实现斜井超前正洞。原斜井设计方案如表 2所示。

2 斜井方案原设计情况分析

原设计斜井1 223 m, 双车道支护结构, 断面净空小且无内错车道, 斜井进入正洞后双向掘进。斜井大坡度下坡, 反坡导致洞内积水无法自然排出, 无法满足大型隧道机械通行要求及通风、排水管路布置和人行通道设置相关规定; 斜井穿越多处断层破碎带, 这将会给开挖、衬砌、通风、运输等施工带来极大的困难, 制约工期。本文通过对原设计1#斜井方案进行优化, 提前了施工工期, 安全、质量、投资均得到有效控制, 同时满足了建设单位要求^[5]。

2.1 围岩级别低、施工进度慢

隧道区地层从新至老为第四系全新统(Q4ml)素填土、坡积层(Q4dl)块石土、冲洪积层(Q4al+pl)中砂; 第四系上更新统风积层(Q3eol)新黄土; 第三系上新统(N2)粉质黏土、砾岩; 侏罗系下统(J1)砂岩、泥岩、砾岩及煤层。斜井井身范围内砂泥岩及煤层节理裂隙发育, 风化较严重, 胶结较差, 岩体结构较疏松, 故地下水主要赋存于砂岩和煤层中, 较破碎的砂泥岩互层岩层中也易富水, 土石分界处水量较大。经评估, 敖包梁隧道中的主要典型风险事件类型为塌方风险, 原设计初始风险等级评定统计见表 3。原设计斜井洞身围岩以Ⅴ级、Ⅳ级为主, 采用单层喷锚衬砌+模筑衬砌混凝土的复合式结构, 在施工过程中, 由于二衬混凝土施工工序复杂, 混凝土运输作业经常与掌子面出碴运输发生冲突, 严重影响施工进度。

2.1.1 支护时间分析

根据现场统计, 支护考虑钢架、钢筋网、锚杆施工时间, 共需约2 h。喷锚采用传统混凝土湿喷机, 理论喷射速度为5 m³/h, 实际考虑4 m³/h, 开挖支护2.5 m共需喷射2.5×6.88=17.2 m³, 考虑超挖因素影响, 共计喷射20 m³。施工时使用2台传统湿喷机同时作业, 喷射需用时2.5 h, 考虑施工准备等影响因素, 暂按4 h计算, 支护共用时6 h, 120 m/月。

2.1.2 二衬施工时间分析

根据现场实际施工情况, 土工布、防水板挂设耗时约6.5 h。台车定位、堵头板施工耗时约6 h。因混凝土搅拌站距洞口过远, 准备工作完成后1 h, 混凝土到达施工现场, 二衬混凝土浇筑约7 h, 二衬混凝土浇筑完成后24 h可进行拆模, 120 m/月。依此计算, 进行一循环施工共需要30 h。按30 d计算, 每日24 h, 12 m/循环, 共720 h, 260 m/月。

2.2 进度指标高、施工成本高

根据原设计斜井现场情况, 该斜井必须修建2.1 km施工便道, 其中500 m便道需贯穿杨梅峡村, 沿途场地狭窄, 且周围2 km范围内无法提供合适的弃碴场地。原设计斜井计划于2012年10月5日正式开挖进洞, 合同工期30个月。实际施工情况:由于施工图纸开工后2个月后才到位, 而大电架设滞后4个月, 实际施工工期仅为24个月; 按照2013年4月1日斜井进洞施工, 隧道正洞月均开挖需完成205 m才能满足合同约定期限。因此, 从工期方面来说, 急需对辅助坑道设计方案进行优化, 甩开不利于进洞的出口及围岩较差地段, 提前进正洞。

1) 原设计斜井长1 223 m, 其中Ⅳ级围岩300 m, Ⅴ级围岩923 m, 斜井设计进度指标Ⅲ级围岩204 m/月, Ⅳ级围岩145 m/月, Ⅴ级围岩77 m/月, 斜井施工工期为442 d。

2) 通过多年的施工经验, 斜井进入正洞后主攻方向为左线进口方向, 挑顶计划20 d完成。

3) 按照原设计方案2013年4月1日斜井进洞施工, 共需施工工期为487 d。具体工期计划如表 4。

2.3 出碴运输困难、安全系数低

经核实发现斜井坡度在16.5%, 坡度较陡, 地质条件均以Ⅴ、Ⅳ为主, 原设计双车道断面结构形式, 设计净空断面较小无法满足液压凿岩台车、挖掘机以及装载机出碴等机械作业要求, 出现开挖-循环出碴作业时间过长, 严重影响斜井施工进度和作业安全。根据现有各种运输设备的爬坡能力, 重载出碴车辆行驶困难容易出现溜车、翻车等安全风险^[6-7]。斜井Ⅳ、Ⅴ级围岩设计有模筑衬砌, 模筑衬砌结构均设置在斜井的斜坡面上, 该部位施工人员和砼输送泵作业只能在斜坡面上组织施工。模筑衬砌施工过程中使用的作业台车、机械及支撑、钢架很大程度上都是相互联结在一起, 如一个部位没稳固发生移动和滑塌, 那会产生连锁反应, 安全风险是巨大的^[8]。在考虑工期、安全、投资均存在较大风险的情况下, 若能将斜井坡度、支护结构、长度做适当调整, 则能规避上述风险。

2.4 投标单价低

敖包梁隧道是以外资银行贷款投资的, 是施工单位在预算价基础上相对招标概算降幅为5.3%后中标的项目, 中标后的工程量清单单价与其他铁路工程项目相比是比较低的。目前作业队资金压力较大, 工人工资只能保证按季度发放, 工人积极性不高。为了提高职工的工作积极性、提高工作效率, 必须在施工方案上进行变更优化并与建设单位索要风险包干费, 以保证资金拨付上能满足施工需求。

3 斜井方案优化

原设计斜井洞口施工现场地形复杂, 施工道路狭窄交通不便, 纵向坡度大于极限坡度15%, 导致车辆行驶困难。结合现场围岩情况以及斜井作为正洞主要的运输通道, 洞内出碴、混凝土等运输均由此出入的现状, 为了提高施工能力, 确保隧道每月掘进指标及最终贯通目标顺利实现, 必须加大劳动力、机械设备的资源配置, 缩短循环时间, 提高工效。在满足铁路隧道设计规范(TB10003-2016)及投标合同要求的基础上, 本文分别从纵向坡度调整、设计方案、施工工期等3个方面对斜井原设计方案进行优化, 以加快施工进度, 保证整条隧道的工期目标实现。经过对斜井的地质情况的分析, 结合现场实际情况及以往施工经验, 设计了以下3套施工方案进行对比分析。

3.1 优化方案1 3.1.1 设计方案优化

优化后的斜井洞口地势开阔, 紧邻44省道与正洞左线垂直相交于DK147+691.83(Ⅲ级围岩), 斜井与主线左线线路平面交角由原设计71°调整为90°, 综合坡度由原设计-16.5%下坡调整为纵坡8.1%, 斜井底板距离拱顶开挖轮廓线高度由7.72 m变更为7.32 m(每延米减少开挖方量1.8 m³), 双车道无轨运输。斜井长度增加到2 487 m, 将原设计Ⅳ、Ⅴ级围岩变更为Ⅲ级围岩, 钢纤维混凝土单层喷锚衬砌取代格栅钢架和型钢钢架双层支护结构, 斜井开挖后一次成型, 反坡抽排水变为正坡自然排水, 加快了总体施工进度^[9-10]。优化方案1支护参数如表 5所示。喷锚支护采用Sika-PM500PC混凝土机械手完成, 可实现240°的摆动和360°回转, 喷射臂的所有动作全部由液压驱动, 配备有液态添加剂计量输送装置, 喷嘴刷动马达可以实现8×360°无限连续刷动, 对钢纤维混凝土和速凝剂流量同步程序控制, 喷料速度为10~30 m³/h, 可保证喷射混凝土与岩面的有效粘结。与传统的湿喷机相比, 机械手工作风压较大, 混凝土运输到现场后即可直接喷射作业, 实际喷料速度比传统2台(9 m³/h)的湿喷机快2倍。

钢纤维湿喷混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料, 这些乱向分布的钢纤维能提高混凝土的韧性和抗拉强度和早期强度。通过调整斜井位置、斜井与正洞的水平夹角、纵向坡度及钢纤维喷射混凝土单层支护, 改善了斜井施工环境, 简化施工工序, 省去了费时而危险的挂网作业, 施工生产能力大, 减少循环作业的时间, 使支护更加及时, 提高了混凝土的质量, 确保了施工安全, 大大缩短了施工时间, 保证了施工工期^[11-12]。

3.1.2 施工工期优化

优化后斜井长2 487 m, 比原设计增加1 264 m, 围岩均为Ⅲ级, 施工工期参照原设计斜井Ⅲ级围岩月进度指标增加60 m/月后的施工工期计算, 斜井于2013年4月1日开挖进洞, 优化方案1施工工期为298 d。优化后工期计划如表 6所示。

调整前斜井进正洞需16个月; 优化方案1调整后隧道仅需10个月。显然, 斜井提前工期6个月(189 d)进正洞, 有效缓解了紧张的正洞开挖工期压力, 为正洞在合同工期内完成施工任务提供了工期保证。

3.2 优化方案2 3.2.1 设计方案优化

将斜井适当进行调整, 将斜井洞口向谷底下移170 m, 每250 m设置一处缓坡段, 共5处, 缓坡段坡度为3%, 每段缓坡段长20 m。优化后的斜井洞口地势开阔, 斜井长长度增加至2 633 m。支护参数如表 5所示。优化后将原设计Ⅳ、Ⅴ级围岩变更为Ⅲ、Ⅳ级围岩, Ⅳ围岩支护采用喷射混凝土挂网+170栅钢钢架, 取消模筑衬砌+衬砌防水, 综合纵坡为7.2%上坡与正洞左线垂直相交于DK147+399(Ⅲ级围岩), 双车道无轨运输。优化方案2斜井开挖及支护参数如表 7所示。其他Ⅲ级围岩支护参数与优化方案1相同。

3.2.2 施工工期优化

优化后斜井长2 634 m, 比原设计增加1 411 m, 斜井地质围岩为Ⅳ、Ⅲ级, Ⅲ级围岩进度指标与方案1相同、Ⅳ级围岩比原设计增加30 m/月后的施工工期计算。斜井于2013年4月1日开挖进洞, 优化后施工工期为378 d, 优化后工期如表 8所示。优化调整后隧道需13个月, 可提前工期3.6个月(109 d)斜井转入正洞。

3.3 优化方案3 3.3.1 设计方案优化

将斜井洞口向谷底下移150 m, 每250 m设置一处错车加宽段, 共9处。优化后的斜井长增加至2 772 m, 综合纵坡7.51%上坡, 与正洞左线垂直相交于D8K147+941, 斜井开挖后支护方法与方案1相同。优化后将原设计Ⅳ、Ⅴ级围岩变更为Ⅲ、Ⅴ级围岩, Ⅴ级围岩支护采用喷射混凝土挂网+150栅钢钢架(取代原设计I18型钢钢架, 格栅钢架克与喷射混凝土密贴加固效果要比型钢钢架好), 模筑衬砌(20 cm)+衬砌防水, 双车道无轨运输。综合纵坡为7.2%上坡与正洞左线垂直相交于DK147+399(Ⅴ级围岩)。优化方案3斜井开挖及支护参数如表 9所示。Ⅲ级围岩支护参数与优化方案1相同。

3.3.2 施工工期优化

优化后斜井长2 772 m, 比原设计增加1 549 m, 斜井地质围岩为Ⅴ级和Ⅲ级, Ⅲ级围岩进度指标与方案1相同、Ⅴ级比原设计增加15 m/月后的施工工期计算。斜井于2013年4月1日开挖进洞, 优化方案3斜井施工工期为384 d。优化后的施工工期如表 10所示。优化方案3调整后隧道需13个月, 可提前工期3.5个月(103 d)斜井转入正洞。

4 斜井优化前后分析比较

针对斜井所处的地质现状及工期要求, 本文通过将斜井洞口向谷底下移, 调整斜井与正洞交叉角度、围岩地质分布状况、纵坡及长度、扒碴出碴资源配置、运输方式以及开挖支护形式的方法, 以降低施工风险, 减少成本, 缩短斜井的施工进度。方案1斜井井身全部为Ⅲ级围岩, 每200 m设置1处20 m长缓坡, 长度增加了1 264 m, 综合坡度为纵坡8.1%, 采用Sika-PM500PC机械手喷射高性能钢纤维混凝土单层衬砌支护, 减少了开挖与支护工作量; 方案2井身为Ⅲ、Ⅳ级围岩, 每250 m设置1处20 m长缓坡, 长度增加了1 410 m, 综合纵坡为7.2%上坡, Ⅳ级围岩采用喷射混凝土挂网+170栅钢钢架支护, 交叉段Ⅲ级围岩, 格栅钢架作业增加了工序时间, Ⅳ级围岩降低的开挖进度, 加大了施工安全风险; 方案3井身为Ⅲ、Ⅴ级围岩, 有轨运输, 每250 m设置一处加宽错车道, 长度增加了1 549 m, 综合纵坡7.51%上坡, Ⅴ级围岩采用喷射混凝土挂网+150栅钢钢架+模筑衬砌(20 cm)支护, 交叉段Ⅴ级围岩, 格栅钢架和模筑衬砌作业与有轨运输相互干扰增加了工序时间, 施工难度加大。

4.1 综合进度对比分析

原设计位置斜井计划2013年4月1日开挖, 有效开挖工期442 d; 优化方案1开挖及支护工期298 d(10个月), 2014年1月24日进入正洞, 较原设计节省189 d(6个月); 优化方案2开挖及支护工期378 d(13个月), 2014年4月13日进入正洞, 较原设计节省109 d(3.6个月); 优化方案3斜井开挖及支护工期384 d, 2014年4月19日进入正洞, 较原设计节省103 d(3.6个月)。综合比较上述3个方案, 得出综合月进尺情况见表 11所示。从表 11可以看出, 优化方案1每月进尺有明显提高, 提高了施工效率。故选择方案1可大大节约斜井施工工期, 有效缓解正洞开挖工期压力。

4.2 安全性对比分析

原设计斜井处在Ⅳ、Ⅴ围岩地段, 纵向坡度为-16.5%下坡, 坡度过陡, 围岩差, 斜井开挖过程中容易出现支护不及时造成坍塌事故发生, 有轨运输出碴载重汽车行驶时容易出现溜车安全事故。方案1最大纵坡度为8.1%上坡处在Ⅲ级围岩地段, 方案2最大纵坡度为7.2%上坡处在Ⅲ、Ⅳ级围岩地段, 方案3最大纵坡度为7.51%上坡, 处在Ⅲ、Ⅴ围岩地段。由于载重汽车行驶的最大坡度为15%, 故优化方案1围岩地质情况最好, 可降低施工难度, 增加了施工安全系数, 能够满足现场施工安全要求。

4.3 成本对比分析

斜井原设计长度为1 223 m, Ⅴ级围岩923 m, Ⅳ级围岩300 m, 初期支护为钢架锚网喷+C25模筑混凝土双层支护结构; 优化方案1斜井长度为2 487m, 均为Ⅲ级围岩, 支护结构采用钢纤维喷射混凝土单层衬砌; 优化方案2斜井长度为2 633 m, Ⅲ级围岩1 534 m, Ⅳ级围岩1 100 m(喷射混凝土挂网+170栅钢钢架支护); 优化方案3斜井长度为2 772 m, Ⅲ级围岩2 612 m, V围岩160 m(喷射混凝土挂网+150栅钢钢架+20cm模筑衬砌支护); 3种优化方案投资增减按不同围岩与支护结构综合单价折合计算如表 12所示。

根据表 12可知, 斜井调整后的方案1相比其他两个方案在资金投入方面最有优势。优选方案1可以节省了大量的土建、机械设备、模板、劳务、工期等方面的费用投入, 项目成本还略有盈余。

5 结论

在本项目单价较低的被动局面下, 通过优化方案, 调整斜井所处地段地质状况, 调整斜井长度、纵坡度以及支护结构形式加快斜井施工进度; 通过3种优化方案比选最终确定优化方案1作为敖包梁隧道斜井施工方案。总结出经验如下:

1) 湿喷钢纤维混凝土工艺改善了喷射混凝土的物理学性能, 钢纤维能够控制裂缝的开展, 并且传递拉应力, 产生应力重分布, 从而提高混凝土的裂后强度, 使混凝土具有相当的弯曲韧度, 喷射混凝土在发生变形后仍能承担荷载; 钢纤维喷射混凝土单层衬砌取代了原设计二衬混凝土施工复杂工序, 节省了拼装正洞台车模板拼装时间, 确保总体工期目标的实现。

2) 从安全、费用、进度方面分析计算, 得知优化后斜井比原方案节省工期189 d(6个月), 2014年1月24日进入正洞, 满足工期要求。实践证明, 敖包梁隧道斜井的设计优化, 提高出碴效率, 较低施工造价, 可满足小断面隧道快速施工作业要求, 具有借鉴和推广价值。

3) 通过调整斜井纵坡, 满足了运输设备的爬坡能力, 避免运输车出渣车出现溜车事故的发生, 同时有效保证了斜井支护施工人员的人身安全。

4) 在地质、地形条件允许、工期紧张的情况下, 尤其是在隧道进洞受地质条件、拆迁等多方面因素制约不能按期进洞时, 选择坡度不陡于10%, 能起到缓解工期压力的作用。

5) 施工单位应主动与设计单位密切配合, 做好方案优化, 同时应加强施工组织管理, 严格按既定设计意图施工, 从而保证全面履约。