路仕洋

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

當(dāng)金山特長隧道設(shè)計方案研究

路仕洋

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

在高原、高寒地區(qū)修建單線單洞特長隧道，面臨隧道勘察選線、施工方法選擇、長距離通風(fēng)、深豎井施工、生態(tài)脆弱區(qū)環(huán)境保護(hù)以及低氧環(huán)境下施工等一系列世界性技術(shù)難題。結(jié)合敦煌至格爾木鐵路當(dāng)金山特長隧道的設(shè)計全過程，對特長隧道的勘察設(shè)計進(jìn)行全方位介紹。針對當(dāng)金山特長隧道“三高(高海拔、高地應(yīng)力、高地震烈度)”、“兩低(氣溫低、氣壓低)”的地域特點(diǎn)，以及“三長(單面坡長、獨(dú)頭通風(fēng)距離長、反坡排水距離長)”、“兩多(斷層破碎帶多、不良地質(zhì)多)”、 “兩大(埋深大、水量大)”等工程特點(diǎn)，對“鉆爆法、TBM法、鉆爆法+TBM法”3種施工方案進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，最終確定大型機(jī)械配套的鉆爆法施工方案。最后對單線鐵路特長隧道的設(shè)計與施工提出了一些建議:1)特長隧道選線時重視物探技術(shù)；2)處理好勘察與設(shè)計的關(guān)系；3)高海拔特長隧道應(yīng)加大機(jī)械化施工；4)特長隧道應(yīng)充分發(fā)揮平行導(dǎo)坑的作用；5)重視環(huán)境設(shè)計。

當(dāng)金山特長隧道；單線隧道；高原地區(qū)；高寒地區(qū)；TBM法；鉆爆法；機(jī)械化配套作業(yè)；深豎井

0 引言

近年來，隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展及隧道修建技術(shù)的提高，越來越多的鐵路項目選擇特長隧道來降低穿越山嶺的工程形式，長度超過20 km的特長隧道數(shù)量迅速增加。截至目前建成和在建的鐵路隧道中超過20 km的主要有：烏鞘嶺隧道[1]、關(guān)角隧道[2]、西秦嶺隧道[3]、平安隧道、太行山隧道、云屯堡隧道、中天山隧道、青云山隧道、南呂梁山隧道、呂梁山隧道及躍龍門隧道等。這些隧道基本是以新建雙線為標(biāo)準(zhǔn)一次建成的2條單線隧道。與一般山嶺隧道相比，長度超過20 km的特長隧道基本具有埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖巖性復(fù)雜、施工工期長、環(huán)境敏感及建設(shè)風(fēng)險高等難題。而長度超過20 km當(dāng)金山特長隧道具備以上難題，但由于所處地區(qū)條件特殊，且以新建單線鐵路為標(biāo)準(zhǔn)，使得該特長隧道具有一系列工程特點(diǎn)。因此，本文通過對當(dāng)金山特長隧道勘察設(shè)計全過程研究進(jìn)行全方位介紹。

1 隧道概況

當(dāng)金山隧道位于甘肅省阿克塞縣境內(nèi)，北側(cè)為阿克塞盆地，南側(cè)為柴達(dá)木盆地。線路在長草溝以20.14 km的隧道穿越祁連山與阿爾金山結(jié)合部位的當(dāng)金山中高山區(qū)(隧道高程2 860～3 110 m)。除進(jìn)口段470 m為雙線車站隧道外，其余洞身為單線隧道(軌面以上面積34.54 m2)。全隧道除出口段224.18 m外其余均位于直線上，隧道為12.3‰的單面上坡。線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為預(yù)留二線條件，設(shè)計時速120 km/h。

1.1 自然環(huán)境

當(dāng)金山隧道位于中國西部甘肅省境內(nèi)，陽關(guān)以西的無人區(qū)。隧道穿越山體厚度為25～35 km的祁連山—阿爾金山山脈，隧道通過區(qū)山體海拔高程在2 600～4 000 m。隧道區(qū)屬高寒半干旱氣候區(qū)，季節(jié)性溫差較大,雨季和旱季較為明顯。多年平均氣溫3.1 ℃，年平均降水量127 mm，年平均蒸發(fā)量為3 297.9 mm，最大季節(jié)性凍土深度約233 mm。

隧道區(qū)地震動峰值加速度為0.20g(相當(dāng)于地震基本烈度八度)，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

1.2 工程地質(zhì)

1.2.1 勘察技術(shù)

隧道的勘察工作從2008年開始，歷時4年多，進(jìn)行了不同線路方案的比選，工作中采用大面積地質(zhì)調(diào)繪與鉆探(深孔、淺孔)、綜合物探(高密度電法、地震折射層析法、音頻大地電磁測探法)及試驗與測試相結(jié)合的綜合勘察手段，詳細(xì)查明了隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。主要完成的勘探量如表1所示。

表1 主要勘探工作量統(tǒng)計表Table 1 Statistics of main survey and exploration works

1.2.2 地質(zhì)概況

當(dāng)金山隧道洞身主要通過第四系、長城系、志留系及加里東期侵入巖。巖性主要為細(xì)角礫土、長城系云母石英片巖、志留系綠泥石英片巖、大理巖、云母石英片巖、加里東期花崗巖，構(gòu)造巖主要為斷層角礫、斷層糜棱巖等。預(yù)測隧道正常涌水量26 549 m3/d，最大涌水量79 647 m3/d。隧道埋深較大，存在高地應(yīng)力條件下硬巖巖爆、軟巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害，其中極可能發(fā)生巖爆的段落累計2 250 m，極可能發(fā)生大變形的段落累計1 875 m。

全隧道共通過10條斷層破碎帶，合計2 005 m，其中區(qū)域性斷層2條(F5為活動性斷層，寬825 m)。隧道通過3條背斜4條向斜。主要地質(zhì)問題為：高地應(yīng)力(水平主應(yīng)力21～22 MPa)、突涌水(隧道中間大斷層帶以及向斜核部)及地下水侵蝕。

2 越嶺隧道方案研究

2.1 控制因素

越嶺隧道方案的主要控制因素有線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、山前的引線、輔助坑道的設(shè)置條件、線路通過區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造(12條斷層破碎帶)以及其他不良地質(zhì)。

2.2 選線原則

本隧道為降低線路穿越祁連山—阿爾金山的分水嶺——當(dāng)金山而設(shè)，越嶺地段以隧道位置為中心，通過最佳線位的選擇來降低隧道的施工難度，確保隧道穿越最少的斷層破碎帶、通過最少的洪積扇角礫土、輔助坑道條件最優(yōu)以及隧道的施工場地相對較好。

2.3 位置選擇

通過對隧道的選線控制因素以及所要遵循的原則，經(jīng)過多方案的比選，最終決定采用隧道進(jìn)口高程相對較高的隧道線位方案。本方案與斷層破碎帶的夾角相對較大，穿越洪積扇角礫土較短，輔助坑道的設(shè)置條件相對較好。

2.4 隧道設(shè)計的難題

通過對隧道的基礎(chǔ)資料分析，本隧道修建面對的主要難題有以下幾點(diǎn)：

1)高寒、高海拔地區(qū)特長隧道快速修建；

2)單線單洞、單面坡特長隧道的施工通風(fēng)、排水；

3)小斷面隧道快速施工；

4)高寒地區(qū)隧道防凍害；

5)單洞單線特長隧道防災(zāi)救援；

6)高地應(yīng)力引起的特大活動斷層帶、軟巖變形、巖爆。

當(dāng)金山隧道的成功修建必須抓住其特點(diǎn)進(jìn)行逐一突破。當(dāng)金山隧道具有“三高”、“兩低”的地域特點(diǎn)，以及“三長”、 “兩多”、“兩缺”、 “兩大”的工程特點(diǎn)。

1)“三高”。即海拔高(軌面3 100 m)、地應(yīng)力高(水平主應(yīng)力21～22 MPa)、地震烈度高(動峰值加速度為0.20g，八度地震區(qū) )。

2)“兩低”。即氣溫低(年平均氣溫 3.1 ℃ )、氣壓低(年平均728.0 hPa )。

3)“三長”即單面坡長(20.14 km)、獨(dú)頭通風(fēng)距離長(7.8 km)、反坡排水距離長(8 km)。

4)“兩大”即埋深大(長達(dá)12 km埋深超過300 m，最大埋深784 m)、水量大(最大涌水量8萬m3)。

5)“兩多”。即斷層破碎帶多(2 005 m，其中F5斷層達(dá)825 m)和不良地質(zhì)多(圍巖大變形失穩(wěn)、突、涌水和高地應(yīng)力區(qū)巖爆等)。

6)“兩缺”。即缺合格的生活及施工用水(地表水氯離子和硫酸鹽超標(biāo)，侵蝕性大)和高原隧道施工缺氧、通風(fēng)困難。

3 施工方案研究

3.1 方案研究原則

3.1.1 機(jī)械化施工

隨著國家“以機(jī)械化代替笨重體力勞動、手工操作，省力化”技術(shù)政策的進(jìn)一步落實，社會將不再允許勞動者在惡劣施工環(huán)境下從事笨重體力勞動，勞動者也將拒絕從事本可用機(jī)械代替手工操作的笨重作業(yè)[4]。施工方案要貫徹“以人為本”的設(shè)計理念，盡可能多地解放人力，減少人為因素對隧道修建的影響。采用機(jī)械化施工，可以提高施工效率，減輕勞動強(qiáng)度，減少人員投入，提高隧道施工的安全性[5-7]。

3.1.2 提高輔助坑道的利用率

當(dāng)金山隧道洞身平均埋深較大，其中有12.3 km埋深超過300 m，最大埋深達(dá)到784 m，地形南高北低，單面上坡。結(jié)合本線遠(yuǎn)期預(yù)留二線的總體規(guī)劃，輔助坑道的設(shè)置均需考慮預(yù)留二線的條件。本隧道為特長隧道，輔助坑道的設(shè)置結(jié)合防災(zāi)救援系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮。

3.2 鉆爆法方案

當(dāng)金山隧道考慮采用大型機(jī)械配套施工，并考慮高海拔降效折減，按照海拔每增加1 000 m折減10%考慮。采用“3斜井+進(jìn)口平導(dǎo)”施工方案，因本方案1號斜井與2號斜井之間長達(dá)10.5 km，考慮高原地區(qū)由于海拔高度的增大，空氣性質(zhì)及部分有害氣體毒性較平原地區(qū)發(fā)生了較大變化，施工通風(fēng)難度比常壓下增大很多，通過計算在隧道中部設(shè)置2座通風(fēng)豎井。本方案輔助坑道設(shè)置及施工組織如表2及圖1所示。

1)地質(zhì)評價。反坡排水較靈活，對施工進(jìn)度影響較??；通過斷層破碎帶若出現(xiàn)坍塌，突涌水等，能得到快速處理；但高海拔地區(qū)施工人員成本較高，工作效率較低。

2)方案優(yōu)點(diǎn)。局部貫通平導(dǎo)防災(zāi)救援性能好，預(yù)留二線利用率高，可為二線節(jié)省投資。施工期間進(jìn)口段平導(dǎo)超前正洞施工，可超前探明地質(zhì)，提前進(jìn)行排水釋放地層能量，采用巷道式通風(fēng)節(jié)省風(fēng)管，富水?dāng)鄬佣雾樒率┕?，排水條件好；運(yùn)營期間平導(dǎo)可做為防災(zāi)救援通道，可分擔(dān)正洞排水。本方案滿足6年工期要求。

3)方案缺點(diǎn)。高原地區(qū)長斜井施工風(fēng)險大，出口段2號斜井工區(qū)施工任務(wù)重、排水難度大。

表2 當(dāng)金山隧道鉆爆法輔助坑道設(shè)置表Table 2 Service galleries of Dangjinshan tunnel excavated by drill and blast method

3.3 TBM法方案

3.3.1 適應(yīng)性評價

隧道洞身通過震旦系二云石英片巖、加里東期花崗巖、志留系綠泥石英片巖、志留系云母石英片巖段絕大多數(shù)適合敞開式TBM施工。隧道通過區(qū)域斷層2個(F4和F5)次級斷層8個。本次TBM方案按TBM掘進(jìn)機(jī)通過改造可適應(yīng)除了F4和F5以外的其余次級斷層進(jìn)行設(shè)計，因部分段落不適合采用TBM施工，故應(yīng)采用以TBM為主鉆爆法為輔的方案，即“TBM+鉆爆法”。

圖1 當(dāng)金山隧道鉆爆法輔助坑道(單位：m)

3.3.2 TBM+鉆爆法方案

設(shè)計階段主要研究了3個TBM+鉆爆法方案。

3.3.2.1 方案1：平導(dǎo)TBM+正洞鉆爆法方案

本方案采用一臺敞開式小直徑TBM在進(jìn)口端預(yù)留二線位置先期施工平導(dǎo)，部分小斷層帶采用斜井鉆爆法施工，區(qū)域大斷裂F5斷層帶采用豎井鉆爆法輔助施工，其余全部采用小TBM直接通過。正洞通過平導(dǎo)超前開辟的橫通道采用鉆爆法施工。

本方案斜井總長1 698 m，本方案設(shè)豎井2座，其中1號豎井輔助施工兼顧通風(fēng)，2號豎井為通風(fēng)豎井。豎井總長770 m，平導(dǎo)總長17 205 m。小TBM施工平導(dǎo)12 991 m，占平導(dǎo)總長的75.5%。本方案工期為52.0個月，建設(shè)工期為5年。方案1的輔助坑道布設(shè)如圖2所示。

圖2 方案1的輔助坑道布設(shè)圖(單位:m)

1)地質(zhì)評價。TBM法施工在通過斷層破碎帶、深埋軟弱圍巖、節(jié)理密集帶、接觸蝕變帶時容易產(chǎn)生塊體掉塊、軟弱變形問題、繼而引發(fā)卡機(jī)、護(hù)盾變形、塌方等施工地質(zhì)問題。通過高地應(yīng)力地段有產(chǎn)生巖爆的可能。

2)方案優(yōu)點(diǎn)。平導(dǎo)在施工期間,可超前探明地質(zhì)情況，為正洞施工提供超前預(yù)報，可分擔(dān)正洞施工排水任務(wù)，富水?dāng)鄬佣雾樒率┕?，排水條件好。運(yùn)營期間，平導(dǎo)作為防災(zāi)救援通道，輔助坑道預(yù)留二線利用率較高，可為二線節(jié)省投資，運(yùn)營期間平導(dǎo)可分擔(dān)正洞排水。

3)方案缺點(diǎn)。平導(dǎo)TBM施工超前正洞較多，后期巷道式通風(fēng)難度大，施工通風(fēng)困難。平導(dǎo)擔(dān)負(fù)正洞2個掌子面施工，平導(dǎo)內(nèi)長段落需要開辟橫通道施工正洞，施工組織復(fù)雜、干擾極大，設(shè)計的鉆爆法施工正洞掘進(jìn)速度難以保障，工期風(fēng)險大。

3.3.2.2 方案2：正洞TBM+鉆爆法

本方案進(jìn)口(低端洞口)正洞采用1臺大直徑TBM施工，采用鉆爆法施工平導(dǎo)處理2條區(qū)域斷層F4和F5。為加快平導(dǎo)施工進(jìn)度設(shè)1座斜井輔助平導(dǎo)施工，出口(高端洞口)段采用鉆爆法施工，設(shè)置1座無軌運(yùn)輸斜井輔助正洞施工。

本方案設(shè)斜井2座總長2 633.32 m，平導(dǎo)總長15 805 m，設(shè)2座通風(fēng)豎井，豎井總長889 m。TBM施工正洞10 772 m，占隧道總長的53.5%。TBM施工段通過5條斷層計540 m。本方案工期為66.0個月，建設(shè)工期為6年。方案2的輔助坑道布設(shè)如圖3所示。

1)地質(zhì)評價。TBM通過斷層破碎帶、深埋軟弱圍巖、節(jié)理密集帶、接觸蝕變帶時容易產(chǎn)生塊體掉塊、軟弱變形問題、繼而引發(fā)卡機(jī)、護(hù)盾變形、塌方等施工地質(zhì)問題；隧道通過斷層破碎帶、軟弱接觸帶容易突水、突泥；通過志留系中統(tǒng)綠泥石英片巖時，容易產(chǎn)生軟弱圍巖變形。

2)方案優(yōu)點(diǎn)。平導(dǎo)在施工期間,可超前探明地質(zhì)情況，為正洞施工提供超前預(yù)報，可分擔(dān)正洞施工排水任務(wù)，富水?dāng)鄬佣雾樒率┕?，排水條件好，輔助正洞TBM過大斷層帶的施工，為正洞制定支護(hù)措施提供依據(jù)；運(yùn)營期間，平導(dǎo)作為防災(zāi)救援通道，輔助坑道預(yù)留二線利用率較高，可為二線節(jié)省投資，運(yùn)營期間平導(dǎo)可分擔(dān)正洞排水。

3)方案缺點(diǎn)。處理F4、F5斷層帶時間較長，建設(shè)工期長，投資較大。平導(dǎo)中間約2.0 km滯后于正洞，該段平導(dǎo)不能起到超前探明地質(zhì)的作用。

圖3 方案2的輔助坑道布設(shè)圖(單位：m)Fig.3 Layout of service galleries of option II(m)

3.3.2.3 方案3：平導(dǎo)TBM、正洞TBM+鉆爆法

本方案采用一臺敞開式小直徑TBM先期施工平導(dǎo)，F(xiàn)4斷層帶采用迂回導(dǎo)坑鉆爆法施工，F(xiàn)5斷層帶采用豎井鉆爆法輔助施工，其余全部采用小TBM直接通過。正洞采用一臺大直徑TBM施工，F(xiàn)4和F5 2條區(qū)域斷層帶通過平導(dǎo)采用鉆爆法施工，降低TBM施工的風(fēng)險。

本方案斜井1座長900 m，平導(dǎo)總長17 205 m。設(shè)2座豎井，豎井總長770 m，1號豎井施工F5斷層帶兼顧通風(fēng)，2號豎井通風(fēng)。小TBM施工平導(dǎo)14 661 m，占平導(dǎo)總長的85.2%；大TBM施工正洞9 885 m，占隧道總長的49.1%。本方案工期為66.0個月，建設(shè)工期為6年。方案3的輔助坑道布設(shè)如圖4所示。

圖4 方案3的輔助坑道布設(shè)圖(單位：m)Fig.4 Layout of service galleries of option III(m)

1)地質(zhì)評價。TBM在通過斷層破碎帶、深埋軟弱圍巖、節(jié)理密集帶、接觸蝕變帶時容易產(chǎn)生塊體掉塊、軟弱變形問題、繼而引發(fā)卡機(jī)、護(hù)盾變形、塌方等施工地質(zhì)問題；隧道進(jìn)口端長城系云母石英片巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體軟硬不均，局部存在軟弱夾層，在軟硬不均地層中產(chǎn)生護(hù)盾支撐反力不適，TBM施工容易坍塌，繼而引起卡機(jī)，邊墻及拱頂塌方。

2)方案優(yōu)點(diǎn)。平導(dǎo)在施工期間,可超前探明地質(zhì)情況，為正洞施工提供超前預(yù)報，可分擔(dān)正洞施工排水任務(wù)，富水?dāng)鄬佣雾樒率┕?，排水條件好，輔助正洞TBM過大斷層帶的施工，為正洞制定支護(hù)措施提供依據(jù)，平導(dǎo)與正洞采用巷道式通風(fēng)節(jié)省風(fēng)管；運(yùn)營期間，平導(dǎo)作為防災(zāi)救援通道，平導(dǎo)可分擔(dān)正洞排水，輔助坑道預(yù)留二線利用率較高，可為二線節(jié)省投資。

3)方案缺點(diǎn)。處理F4和F5斷層帶時間較長，建設(shè)工期長，投資較大。

TBM+鉆爆法3種方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)總體比較如表3所示。

表3 TBM+鉆爆法3種方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)總體比較表Table 3 Comparison and contrast among three options in terms of economy and technology

通過表3可以看出方案1(平導(dǎo)TBM+正洞鉆爆法方案)相對其他方案較優(yōu)(工期較短、投資低)，選擇 “平導(dǎo)TBM+正洞鉆爆法”為推薦方案。

3.4 方案比選結(jié)論

因TBM法方案中斷層破碎帶處理時間較長，進(jìn)口段受構(gòu)造影響圍巖軟硬變化頻繁，TBM通過風(fēng)險大，不經(jīng)濟(jì)，故采用鉆爆法方案，加強(qiáng)機(jī)械化配套。

4 推薦方案主要工程情況

4.1 隧道主要建筑物

當(dāng)金山隧道主要建筑物為：正洞、平行導(dǎo)坑、2座豎井、3座斜井、橫通道、泄水洞、避難所、救援站及其風(fēng)道。具體情況如圖5所示。

圖5 當(dāng)金山隧道建筑物效果圖

4.1.1 正洞

當(dāng)金山隧道正洞主要包括車站段、一般段、風(fēng)機(jī)段、救援站段，隧道按照新奧法原理設(shè)計，采用復(fù)合式襯砌。其中單線隧道一般段襯砌斷面如圖6所示。

4.1.2 平行導(dǎo)坑

當(dāng)金山隧道洞身12.3 km，埋深超過300 m，加之遠(yuǎn)期預(yù)留二線的規(guī)劃，在距離正洞左側(cè)40 m的預(yù)留二線位置設(shè)置了12 520 m的平行導(dǎo)坑，平行導(dǎo)坑底面較正洞軌面低0.8 m。平行導(dǎo)坑采用內(nèi)輪廓5 m×6 m(寬×高)的馬蹄形斷面，設(shè)單側(cè)水溝，考慮運(yùn)營期間擔(dān)負(fù)正洞的排水，對水溝進(jìn)行加大加深。進(jìn)口段考慮斷面小，為提高效率采用有軌運(yùn)輸，斜井施工段平導(dǎo)采用無軌運(yùn)輸，為提高施工效率無軌運(yùn)輸段每隔200 m設(shè)一處錯車道，錯車道斷面采用內(nèi)輪廓為7.5 m×6.2 m(寬×高)的馬蹄形斷面。

圖6 當(dāng)金山隧道單線襯砌斷面(單位:cm)Fig.6 Cross-section of Dangjinshan single-track railway tunnel(cm)

4.1.3 斜井

當(dāng)金山施工期間設(shè)置了3座無軌運(yùn)輸斜井，斜井的均考慮遠(yuǎn)期預(yù)留二線施工條件。運(yùn)營期間保留靠近出口無平導(dǎo)段的2號、3號斜井作為永久的防災(zāi)救援通道。雙車道斜井采用內(nèi)輪廓為7.5 m×6.2 m(寬×高)的馬蹄形斷面，單車道斜井采用5 m×6 m(寬×高)的馬蹄形斷面。

4.1.4 豎井

為縮短高海拔獨(dú)頭施工通風(fēng)距離，隧道中部設(shè)置了2座通風(fēng)豎井，豎井采用圓形斷面外徑為3.0 m，支護(hù)以噴混凝土為主，采用反井法施工，運(yùn)營期間1號豎井封閉，2號豎井作為永久的防災(zāi)救援風(fēng)道使用。

4.1.5 橫通道

隧道內(nèi)設(shè)有8個施工橫通道、31個運(yùn)營橫通道以及16個防災(zāi)橫通道。

4.1.6 泄水洞

隧道處于高寒地區(qū)，最冷月平均氣溫低于-13 ℃。為防止隧道運(yùn)營期間的凍害，隧道進(jìn)口端在平行導(dǎo)坑與正洞中間下方設(shè)置一段長835 m的泄水洞。泄水洞頂面較正洞底面低5～8 m，泄水洞每隔200 m設(shè)1道橫通道與平行導(dǎo)坑及正洞的水溝聯(lián)通，泄水洞洞口設(shè)保溫出水口。

4.1.7 避難所及救援站

隧道進(jìn)口端利用加密橫通道設(shè)1處避難所，隧道中部2號斜井底部附近設(shè)1座長560 m的救援站，并設(shè)風(fēng)道滿足事故時的防災(zāi)救援通風(fēng)。

4.2 施工機(jī)械化配套

通過對施工組織方案、運(yùn)輸組織方案、施工進(jìn)度指標(biāo)等進(jìn)行綜合分析，建議采用的主要具體機(jī)械設(shè)備配置如表4所示。

表4當(dāng)金山隧道建議機(jī)械設(shè)備配置表
Table 4 Mechanical equipment and machinery proposed for cons-truction of Dangjinshan tunnel

設(shè)備名稱 規(guī)格型號備注數(shù)量工程鉆機(jī)8注漿機(jī)8兩臂鑿巖臺車8濕噴機(jī)械手30m3/hSika-PM500PC8混凝土輸送車8m3與二次襯砌共用28錨噴及二次襯砌混凝土攪拌站90m3/hHZ150與二次襯砌共用5簡易棧橋12m12挖裝機(jī)≥300m3/h與裝運(yùn)共用8鋼拱架拼裝機(jī)8防水板鋪設(shè)臺車12裝載機(jī)3m3WA380-38自卸汽車16m3沃爾沃110梭式礦車12m320二次襯砌模板臺車12m12混凝土輸送泵60m3/hHBT6012養(yǎng)護(hù)作業(yè)臺架12

4.3 不良地質(zhì)應(yīng)對措施

隧道勘查期間發(fā)現(xiàn)隧道洞身穿越10條斷層破碎帶，以及向斜和背斜等地質(zhì)構(gòu)造；隧道局部地段有軟巖大變形、巖爆、突水、涌水等難題，設(shè)計采用 “動態(tài)設(shè)計、信息化施工”的理念[8-9]。通過大量地質(zhì)勘查和土工試驗，經(jīng)計算具體分析，預(yù)測隧道開挖后巖體變形收斂情況及穩(wěn)定狀況，針對不同的情況，設(shè)計研究了有針對性的工程措施預(yù)案，并根據(jù)現(xiàn)場超前預(yù)報及監(jiān)控量測信息及時進(jìn)行實施設(shè)計。

4.4 施工與運(yùn)營安全措施

隧道施工期間采用綜合地質(zhì)超前預(yù)報，洞內(nèi)配備智能化管理監(jiān)測系統(tǒng)以及人員定位系統(tǒng)等，通過以上措施確保施工作業(yè)人員的安全。

運(yùn)營期間通過隧道內(nèi)每隔420 m設(shè)置的橫通道聯(lián)通主隧道及平行導(dǎo)坑，方便養(yǎng)護(hù)維修及防災(zāi)救援；洞內(nèi)設(shè)2處避難所及1座救援站，并配備消防系統(tǒng)，洞口設(shè)指揮應(yīng)急中心。

4.5 環(huán)保措施

隧道穿越的地區(qū)環(huán)境脆弱，選線時采用長隧道減少鐵路線路長度，減少對環(huán)境的破壞；隧道設(shè)計中盡量減少輔助坑道以減少占地、施工垃圾集中處置、對隧道內(nèi)涌水量大的地段采取以堵為主、隧道施工期間的廢水進(jìn)行集中處理、隧道棄砟集中設(shè)擋護(hù)堆棄，施工完成后對棄砟場及洞口邊坡進(jìn)行綠化。

5 設(shè)計體會

通過對當(dāng)金山特長隧道的勘察設(shè)計，總結(jié)以下幾點(diǎn)體會：

1)特長隧道選線時重視物探技術(shù)。特長隧道線位的選擇過程往往要進(jìn)行多條線路方案的比選，若每個方案都進(jìn)行詳細(xì)的地面調(diào)繪和鉆探，則勢必嚴(yán)重影響方案的勘察周期，而物探技術(shù)可為選線節(jié)約成本及時間。

2)處理好勘察與設(shè)計的關(guān)系。重視特長隧道的勘察工作，隧道的線位、高程、穿越的地層、水文地質(zhì)情況以及施工場地等對隧道施工組織方案的選擇影響很大，可以說隧道勘察階段已經(jīng)決定了隧道的設(shè)計施工方案。

3)高海拔特長隧道應(yīng)加大機(jī)械化施工。高海拔特長隧道條件具備時應(yīng)盡量選擇TBM法進(jìn)行施工，TBM 是實現(xiàn)快速施工的新的機(jī)械化程度很高的施工方法[10]，若地層不適應(yīng)則應(yīng)采用大型機(jī)械化配套的鉆爆法施工。

4)特長隧道應(yīng)充分發(fā)揮平行導(dǎo)坑的作用。按照目前國內(nèi)的勘察設(shè)計流程，在特長隧道線路位置確定的情況下，隧道設(shè)計方案的選擇往往要經(jīng)過1～2年甚至更長的時間。有必要先開展平行導(dǎo)坑的設(shè)計與施工，發(fā)揮平導(dǎo)先行探明地質(zhì)超前預(yù)報，為正洞后續(xù)施工創(chuàng)立工作面，節(jié)省隧道的施工周期，使投資回報最大化。

5)重視環(huán)境設(shè)計。鐵路穿越較大的山脈或者山體采用特長隧道減少對環(huán)境影響，同時結(jié)合預(yù)留工程位置情況，優(yōu)先采用平行導(dǎo)坑。

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CaseStudyonDesignofDangjinshanSuper-longTunnelonDunhuang-GolmudRailway

LU Shiyang

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

For super-long single-tube single-track railway tunnels in extremely-cold high-plateau area,world-level technological challenges in surveying and alignment selection,construction method selection,long-distance dead-end ventilation,deep vertical shaft sinking,ecologically-fragile environment protection and tunneling in low-oxygen environment are faced.In the paper,the design of super-long Dangjinshan tunnel on Dunhuang-Golmud railway is presented.Dang-jinshan tunnel has the following characteristics:1) high altitude,high ground stress and high seismic intensity; 2) low temperature and low atmospheric pressure; 3) long single-direction slope,long-distance dead-end ventilation and long-distance anti-slope water releasing; 4) lots of fractured zones and lots of adverse geological units; 5) deep cover and serious water inflow.Comparison and contrast is made among three construction methods considered for the tunnel,i.e.,drill and blast method,TBM method and “drill and blast + TBM” method,in terms of economy and technology,and drill and blast method assisted by heavy-duty construction equipment and machinery is proposed for the tunnel.Finally,the following advice is made on the design and construction of super-long single-track railway tunnels:1) More attention should be paid to the geophysical prospecting technology in the selection of the alignment of super-long tunnels; 2) The relationship between the survey and the design should be well dealt with; 3) Mechanized construction should be adopted for super-long tunnels in high-plateau area; 4) The function of the parallel service gallery should be fully used; 5) More attention should be paid to the design of the environment protection measures.

Dangjinshan super-long tunnel; single-track railway tunnel; high-plateau area; extremely-cold area; TBM method; drill and blast method; mechanized construction; deep shaft

2014-01-20;

2014-03-05

路仕洋(1981—)，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，2004年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，土木工程專業(yè)，本科，工程師，從事隧道與地下工程方面設(shè)計研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.009

U 45

A

1672-741X(2014)05-0452-08