高瓦斯特長隧道輔助坑道方案優(yōu)化及施工研究

岳康 YUE Kang

（中鐵十七局集團第二工程有限公司，西安 710038）

0 引言

近年來，隨著國家在西南片區(qū)的大力開發(fā)，公路建設(shè)項目逐漸增多，特別是云、貴、川交界的貧困地區(qū)，這些地區(qū)的地形以高山深溝為主，喀斯特地貌明顯，地下煤炭資源豐富，修路主要以長大隧道形式來穿越山體，隧道瓦斯含量高，不可預(yù)見的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險大，施工往往成為制約工期的控制性工程，而傳統(tǒng)的依靠主洞兩端工作面進(jìn)行施工無法有效保證工期，因此，設(shè)計中通長采用“長隧短打”的建設(shè)思路，減小施工風(fēng)險、保證施工進(jìn)度。而合理設(shè)置輔助坑道是提高隧道施工效率最有效措施，然而不同的輔助坑道方案勢必會造成成本投入、安全風(fēng)險和環(huán)境影響。本文通過對坪上隧道施工輔助坑道的平面位置、場地條件、運輸方式、縱向坡度、通風(fēng)排煙等方面進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，有效降低安全風(fēng)險、加快施工進(jìn)度、減少環(huán)境影響、節(jié)約施工成本。

1 隧道概況

坪上隧道是高速公路雙線隧道，左幅起訖里程為ZK31+928-ZK37+901 長5973m，右幅起止里程為K31+928-K37+925 長5997m，左、右線間距30m，全隧縱坡采用“人字”型坡，0.8/2722、-1.8/3251（°/m）。該隧道圍巖破碎，節(jié)理裂隙、發(fā)育，地下裂隙水發(fā)育，穿越了諸宗斷層，斷層具有很好的富水性，有突涌水可能，受斷層影響隧身需在進(jìn)、出口段分別穿越兩次煤層，煤層與線路夾角為17°～25°，進(jìn)口段穿越煤層長度350m，出口段穿越煤層長度1100m，該煤層共有7 層，其中C1、C5 層可采，其余層為局部可采，噸煤瓦斯含量8.12m3，瓦斯相對涌出量約0.61m3/min，屬高瓦斯隧道。

2 施工準(zhǔn)備階段輔助坑道設(shè)置方案優(yōu)化

2.1 原設(shè)計方案

坪上隧道原設(shè)計土建施工工期為4年（48 個月），采用兩端獨頭掘進(jìn)的方式，單向掘進(jìn)最大長度2986m，不設(shè)置施工輔助坑道，不增加工作面，可以滿足工期要求，為加強運營期通風(fēng)排煙效果，在隧道中部ZK35+000 處設(shè)通風(fēng)豎井一處，長度333m。

2.2 方案優(yōu)化原因

①建設(shè)單位將土建工期縮短為至2.5年（30 個月），在不考慮煤層和斷層破碎帶等不良地質(zhì)情況下，參照國內(nèi)相同斷面隧道月平均最大進(jìn)尺Ⅴ級圍巖為50m，Ⅳ級圍巖為80m，Ⅲ級圍巖為120m，無法滿足工期要求。

②施工階段受不良地質(zhì)影響，工期不可控因素較多，特別是兩次穿越煤層段落，參考云貴川相鄰線的高瓦斯隧道，區(qū)域揭煤防突程序復(fù)雜，耗時長，穿越煤層時月平均進(jìn)尺不足50m，按出口段煤層長度1100m 計算，單獨穿越該煤層需要22 個月，工期無法滿足要求。

③本隧道采用“人字”型縱坡，通風(fēng)排煙效果差，揭煤過程中瓦斯排放速度慢，施工階段通風(fēng)無法利用隧道中部的豎井，加大了施工難度和安全風(fēng)險，其次如遇突發(fā)事件無法迅速增加作業(yè)面，緩減工期壓力，例如相鄰鎮(zhèn)畢線張吉屯瓦斯隧道和宜畢線扎西勝利高瓦斯隧道出現(xiàn)突發(fā)事故后，作業(yè)面停滯了6-12 個月，導(dǎo)致總體工期延后。

④通風(fēng)豎井施工難度大，需要大型設(shè)備、施工場地、便道，對生態(tài)環(huán)境不利，且施工階段的通風(fēng)無法利用，對于高瓦斯特長隧道設(shè)置斜井更為有利。

2.3 方案優(yōu)化原則

高瓦斯特長隧道輔助坑道優(yōu)化原則：①避開不良地質(zhì)；②輔助坑道入口交通便利、水源充足，高程不超4000m；③坑道斷面尺寸要滿足交通運輸和高瓦斯隧道雙通風(fēng)管道的要求；④用途需要綜合考慮，設(shè)置多功能輔助坑道，達(dá)到“一坑多用”的效果，既要增加作業(yè)面，又要滿足施工和運營期的通風(fēng)要求，其次可以通過設(shè)置輔助坑道提前揭露煤層，利用其通風(fēng)排煙能力強，對正洞煤層段落進(jìn)行深孔震動排放瓦斯，可以極大縮短正洞揭煤周期；⑤考慮成本和工期因素，輔助坑道長度不超1000m。

2.4 方案優(yōu)化

通過以上原因分析，參考國內(nèi)其他特長隧道施工經(jīng)驗，在工期條件緊張時，優(yōu)先選用斜井，項目本著節(jié)約工期、保證通風(fēng)、降低環(huán)境影響的原則，坪上隧道選用雙車道斜井，根據(jù)現(xiàn)場地形條件和用途，本隧道擬定2 種輔助坑道施工方案。

①方案1：單端斜井輔助施工方案。由于中部通風(fēng)豎井較深，施工造價高，且提升效率低，因此不考慮中部豎井輔助施工方案，項目結(jié)合場地條件和圍巖情況，共制定了6 種斜井設(shè)置方式進(jìn)行比選，詳見表1 斜井方式一覽表和圖1。

表1 斜井布置方式比選一覽表

圖1 輔助坑道平面布置示意圖

方式一：斜井洞口位于左線ZK34+354 左側(cè)55m 處，長990m，與隧道左洞相交于ZK35+300，縱坡11.3%，斜井坡度較緩，有軌運輸無軌運輸均可。

方式二：斜井洞口位于右線K33+450 右側(cè)122m 處，長571m，與隧道右洞相交于K34+000，縱坡36.5%，斜井坡度較陡，不具備無軌運輸施工條件。

方式三：斜井洞口位于右線K33+120 右側(cè)100m 處，長895m，與隧道右洞相交于K34+000，縱坡10.9%，斜井坡度較緩，有軌運輸無軌運輸均可。

方式四：斜井洞口位于左線ZK32+850 左側(cè)152m 處，長383m，與隧道左洞相交于K33+200，縱坡11.7%，斜井坡度較緩，有軌運輸無軌運輸均可。

方式五：斜井洞口位于左線ZK36+540 左側(cè)271m 處，長655m，與隧道左洞相交于ZK36+000，縱坡33.2%，斜井坡度較陡，不具備無軌運輸施工條件。

方式六：斜井洞口位于左線ZK36+770 左側(cè)433m 處，長936m，與隧道左洞相交于ZK36+000，縱坡11.5%，斜井坡度較緩，有軌運輸無軌運輸均可。

單斜井方案均可實現(xiàn)2.5年工期目標(biāo)，且布置方式4斜井長度最短，輔助施工條件好且造價低。但方式1～4 斜井口位置位于進(jìn)口側(cè)，未充分考慮出口端煤層瓦斯區(qū)，揭煤防突耗時較長等因素，導(dǎo)致工期具有不確定性，延期風(fēng)險較大；布置方式5 雖考慮了揭煤防突耗時長的因素，但斜井坡度33.2%，不符合現(xiàn)行《公路施工安全規(guī)范》要求長隧道斜井無軌運輸?shù)缆肪C合縱坡不得大于10%，《JTGD70-2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范》明確斜井采用無軌運輸時，斜井傾角不大于12°（21.3%）的要求；布置方式6 既考慮了揭煤防突耗時長的因素，同時斜井坡度滿足無軌運輸規(guī)范要求，但斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合條件差，需單獨設(shè)置通風(fēng)豎井，斜井長度長且造價高。

②方案2：兩端斜井輔助施工方案。綜合考慮斜井及豎井的布置形式，豎井的施工難度較大，同時考慮到現(xiàn)有條件下有軌運輸施工效率較低，且國內(nèi)既有工程實例以無軌運輸斜井為主，采用緩坡無軌運輸施工方案組織施工，結(jié)合斜井位置充分考慮出口端煤層瓦斯區(qū)，揭煤防突耗時較長等因素，考慮通風(fēng)排煙等綜合因素，為確保工期和加強通風(fēng)排煙效果，選擇布置方式4 與布置方式6 結(jié)合的輔助坑道施工方案，即在線路左側(cè)增設(shè)兩個斜井，1#斜井在左線ZK33+200 處與主洞交匯，2#斜井在左線ZK36+000處與主洞交匯，同時取消原有的通風(fēng)豎井，既能保證工期，又可解決隧道通風(fēng)排煙、豎井施工難度大等問題。斜井布置詳見圖2。

圖2 坪上隧道斜井布置圖

2.5 方案優(yōu)化分析

2.5.1 通風(fēng)效果分析

本隧道長度為5.983km（左右線平均），根據(jù)通風(fēng)計算結(jié)果，坪上隧道全縱向射流通風(fēng)可以滿足通風(fēng)要求，但《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》JTG/T D70/2-02-2014 中規(guī)定，采用縱向排煙的單向交通隧道，火災(zāi)煙霧在隧道內(nèi)的最大行程不宜大于5000m。因此，需設(shè)置排煙井進(jìn)行分段排煙，排煙通道可采用豎井、斜井或平導(dǎo)。根據(jù)坪上隧道隧址區(qū)的地形、地質(zhì)條件，對2 種輔助坑道設(shè)置方案的通風(fēng)方案進(jìn)行經(jīng)濟技術(shù)比較，詳見表2。

表2 坪上隧道輔助坑道通風(fēng)方案經(jīng)濟比選

其中方案1 中的斜井布置方式1、3、6 雖滿足通風(fēng)及防災(zāi)救援要求，但長度較長的緩坡度斜井不適于與通風(fēng)豎井結(jié)合，需單獨設(shè)置豎井，同時長度較長的斜井與豎井結(jié)合作為永久工程使用，則斜井本身需設(shè)置二次襯砌，土建工程費用較單獨設(shè)置豎井反而增加。斜井布置方式2、4、5在滿足通風(fēng)及防災(zāi)救援要求的情況下，斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合，不需單獨設(shè)置通風(fēng)豎井，可利用斜井作為通風(fēng)及防災(zāi)救援通道，降低土建費用，但是通風(fēng)效果及防災(zāi)排煙效果較差。

方案2 中的兩端設(shè)置斜井方案，雖然投資較單斜井設(shè)置方案有所增加，但所增加費用不大，既能滿足通風(fēng)及防災(zāi)救援要求，同時也避免了斜井穿越煤層，降低施工難度，通過斜井接正洞的方式實現(xiàn)了巷道式通風(fēng)，減小了揭煤防突施工過程中的安全風(fēng)險，通風(fēng)布置圖詳見圖3。

圖3 坪上隧道利用斜井施工通風(fēng)示意圖

2.5.2 工期比較

從工期上分析，根據(jù)以往和在建的隧道施工經(jīng)驗，隧道的主洞施工進(jìn)度Ⅴ級圍巖為每月50m，Ⅳ級圍巖為每月80m，Ⅲ級圍巖為120m。本項目建設(shè)工期為2.5年，若坪上隧道不設(shè)斜井，僅從隧道兩端進(jìn)行正常施工，全部完工需35 個月。由于煤層瓦斯隧道揭煤防突具有極大地不確定性，而目前本隧的斜井方案1 僅能剛剛滿足2.5年（30 個月）工期要求，工程逾期風(fēng)險依然存在，采用方案2 兩端設(shè)置斜井的輔助坑道方案，斜井布置方式6 作為全隧控制性段落煤層瓦斯段的施工方案，斜井完成后進(jìn)入正洞向小里程方向揭煤施工，而大里程方向由出口工區(qū)組織施工，正常情況下可滿足工期要求，斜井布置方式4 本身長度較短可在短期內(nèi)轉(zhuǎn)正洞施工，隧道全部完工25 個月，兩端設(shè)置斜井的輔助坑道方案能保證工期有一定的富余，避免由于揭煤防突造成工程逾期。

2.5.3 成本比較

坪上隧道在輔助坑道設(shè)置時充分考慮了斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合情況，對土建費用詳細(xì)對比，其中單斜井方案中，方式1 斜井長度990m，斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合條件差，需分別設(shè)置，其中斜井費用1980 萬元，豎井費用520 萬元，合計2500 萬元；方式2 斜井長度571m，斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合，不需單獨設(shè)置通風(fēng)豎井，斜井費用1142 萬元；方式3 斜井長度895m，斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合條件差，需分別設(shè)置，其中斜井費用1790 萬元，豎井費用520 萬元，合計2310 萬元；方式4、5斜井長度分別為383m 和655m，斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合，不需單獨設(shè)置通風(fēng)豎井，斜井費用分別為766 萬元和1310萬元；方式6 斜井長度936m，斜井與通風(fēng)豎井結(jié)合條件差，需分別設(shè)置，其中斜井費用1872 萬元，豎井費用520萬元，合計2392 萬元。

通過綜合分析，方案2 兩端設(shè)置斜井，在斜井布置方式4 的基礎(chǔ)上增加方式6 斜井布置，土建總投資2638 萬元。采用組合式輔助坑道設(shè)置，既能避免由于揭煤防突造成工程逾期風(fēng)險，雖增加了部分投資費用，但有效的縮短工期23 個月，極大降低了工程成本。同時由于斜井布置方式4 本身長度較短又可與豎井結(jié)合，滿足隧道通風(fēng)排煙及消防救援需求，可代替原設(shè)計通風(fēng)豎井，降低了施工難度。（圖4）

圖4 斜井方案建設(shè)費用對比圖

3 施工實踐效果

3.1 施工任務(wù)劃分

坪上隧道總體施工任務(wù)由進(jìn)口、出口、2 個斜井，四個工區(qū)八個作業(yè)面完成，經(jīng)過對輔助坑道設(shè)計方案優(yōu)化，尤其對斜井位置和正洞交匯點里程調(diào)整后，各個工區(qū)正洞施工任務(wù)見圖5。

圖5 坪上隧道施工任務(wù)劃分圖

3.2 總體工期進(jìn)度

根據(jù)坪上隧道輔助坑道優(yōu)化方案前后工期對比可知，在無輔助坑道時，隧洞掘進(jìn)需35個月，增設(shè)組合式輔助坑道后，正洞加斜井施工最長工期25個月，比業(yè)主計劃工期30 個月，提前5 個月完成，具體工期對比詳見圖6，優(yōu)化后的輔助坑道方案得到了業(yè)主的高度認(rèn)可與肯定。

圖6 方案優(yōu)化前后隧道貫通日期對比圖

3.3 揭煤效果

按照方案六增加2#斜井后，斜井施工至距主洞交叉口30m 處遇到了煤層，通過對掌子面巖層勘查和鉆孔探測判別出了煤層走向、傾角、層厚等指標(biāo)，然后在石門硬巖范圍內(nèi)對主洞煤層進(jìn)行區(qū)域性防突預(yù)測，通過長距離鉆孔和芯樣測出煤層瓦斯含量、煤屑指標(biāo)、瓦斯壓力指標(biāo)等關(guān)鍵指標(biāo)，預(yù)測煤層無突出性危險，但煤層中噸煤瓦斯含量達(dá)到8.92m3，仍然需要進(jìn)行鉆孔排放，利用斜井通風(fēng)效果好的特點，在不增加抽排設(shè)備的情況下，僅用時5 天完成瓦斯排放任務(wù)，達(dá)到繼續(xù)掘進(jìn)條件，較預(yù)期20 天節(jié)約了15 天工期，為主洞揭煤提供了準(zhǔn)確詳細(xì)的指標(biāo)依據(jù)，加快了主洞穿越煤層的進(jìn)度，降低了安全風(fēng)險。

隧道貫通后根據(jù)1#、2#、5#、6#工作面穿越煤層時的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)，與相鄰線高瓦斯段落施工進(jìn)度進(jìn)行比較，可以看出坪上隧道揭煤進(jìn)度加快了50%（詳見圖7），施工過程中通過嚴(yán)格的瓦斯管理制度和“四區(qū)一體化”揭煤管控程序，確保了零安全事故發(fā)生，保質(zhì)保量地完成了施工生產(chǎn)任務(wù)。

圖7 增加斜井后各作業(yè)面揭煤進(jìn)度對比圖

3.4 環(huán)境影響

方案2 兩端斜井方案替代了原有的通風(fēng)豎井，優(yōu)化后的斜井位置臨近既有道路，減少了施工便道的修建長度，減少了大型設(shè)備的能耗和施工用地，降低了對生態(tài)環(huán)境的影響。

4 結(jié)束語

通過對坪上隧道輔助坑道設(shè)置方案進(jìn)行優(yōu)化分析，在滿足總工期的前提條件下，綜合考慮洞口條件、道路交通、安全風(fēng)險、施工成本和環(huán)影響等因素選擇確定了最佳合理優(yōu)化方案。長大隧道采用輔助坑道實現(xiàn)“長隧短打”的目的，然而在前期設(shè)計階段因受地質(zhì)調(diào)查和勘察條件的限制，不可能考慮非常全面，因此在開工建設(shè)前應(yīng)當(dāng)做好施工圖紙現(xiàn)場核對，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案非常必要。通過對坪上隧道輔助坑道設(shè)置方案進(jìn)行優(yōu)化，使各工區(qū)任務(wù)劃分更合理，達(dá)到均衡施工的要求；井口位置的優(yōu)化，不但有利于結(jié)合地形條件和全隧道施工任務(wù)量選擇斜井口位置，而且還便于施工便道和場地的布置；斜井的綜合坡率降低和長度的調(diào)整，可提高運輸效率、加快施工進(jìn)度，從而為坪上隧道如期完工創(chuàng)造條件。