隧道施工方案对比分析

摘 要：本文结合某隧道的具体工程，提出了三种施工方案，对施工方案进行了对比分析，研究了其技术的可行性和经济的合理性，为隧道工程的施工组织设计奠定基础。

关键词：隧道；施工；方案；分析；对比；优化；台阶法

中图分类号：TN312+.2 文献标识码：A

1 工程介绍

某隧道位于阴山山脉东端，内蒙古高原南缘之大青山低中山区，隧道洞身穿越印河与大黑河的分水岭，山脉横亘东西，山体浑厚，间歇性宽沟谷蜿蜒曲折，地面高程1512～1710m，相对高差50～170m，隧道最大埋深约130m，进口为洪积区，地形开阔平坦，进口山坡坡度相对较缓，自然坡度5°左右，出口位于大黑河右岸斜坡区，由于大黑河下切作用强烈，山坡较陡，自然坡度15°～40°。隧道DK529+500至DK532+700多成高平台，并有火山口凸起或凹陷于平台之上，有的已剥蚀成桌状山，在平台边缘形成陡坎，山体整体呈平缓宽阔梁峁及平台景观，DK525+200至DK529+500段山高沟深，沟谷受季节性水流冲刷严重。隧道通过地段总体基岩，局部缓坡处及支沟有第四系覆盖层，厚度不大，植被生长稀疏，其间支沟稀少。隧道起讫里程DK525+080～DK533+230，全长8150m，为双线隧道。全隧道除出口段2861.38m位于4500m的曲线上外，其余均位于直线上，洞内线路纵坡除进口端920m的3‰上坡外，其余为3‰的下坡。

2 方案对比

2.1 中方案

该方案自方案比选起点DK515+500引出后，上跨既有京包线和印河后，沿既有线右侧山坡而行，线路在白道梁、小东村、小西号北侧通过，于大西号南侧穿越岭隧道（6.99km），在马盖图乡南营子村东南侧出越岭隧道后，沿既有线右侧山坡布线，在姑家堡线路自华电卓资电厂北侧边缘通过至方案比选终点DK543+500。隧道6.99km/1座。该方案隧道总体埋深相对较浅，经过地层为第四系洪积黏性土夹碎石土，厚10～20m，基岩上第三系玄武岩、泥岩夹砾岩及花岗岩。隧道进口地势低洼，线路总体走向与冲沟平行，进洞前约500m为挖方路基，进口约有700m的隧道浅埋段落位于第四系的洪积地层及基岩风化层中，围岩为Ⅴ级，受地形影响，地势右高左低，右侧坡面积水不易顺利排出。隧道通过围岩级别以Ⅳ、Ⅴ为主，占隧道总长的52.8%，因此，工程地质条件相对较差。

2.2 南方案

该方案自比选起点DK515+500引出后，上跨既有京包线和印河后，沿既有线右侧山坡西行，在白道梁东侧折向西南方向，线路自白道梁南侧、正湾村北侧通过，在康家湾村南侧穿越岭隧道（8.150km），于马盖图乡南营子村南侧出越岭隧道后，沿既有线右侧山坡布线，接至方案比选终点DK543+500。隧道8.150km/1座。该方案隧道经过地层为第四系洪积黏性土、碎石土、上第三系玄武岩、泥岩夹砾岩、太古代花岗岩。洞身最大埋深130m，最浅埋深为44m，洞身主要位于玄武岩及花岗岩中。总体上隧道围岩以Ⅱ、Ⅲ级为主，约占隧道总长的69%，因此，工程地质条件相对较好。

2.3 北方案

该方案线路长25.404km，隧道11.72km/1座。隧道经过地层为第四系洪积黏性土、上第三系玄武岩、泥岩夹砾岩，太古界大理岩。泥岩具膨胀性，大理岩具轻微的岩溶现象，主要为小的溶孔、溶隙等，隧道进口位于第四系洪积黏性土层中，土层厚10～20m,，隧道洞身在七苏木至公忽洞附近经过较长的冲沟，隧道埋深浅，地层上部为粉土夹碎石，厚10～15m，下部为泥岩夹砾岩，物探资料显示该段洞身地层破碎，富水。总体上隧道围岩以Ⅳ、Ⅴ级为主，约占隧道总长的58%，工程地质条件相对较差。

3 方案分析

3.1 工程条件分析

三个方案中，南方案（DK）越岭隧道进出口条件较好，中方案（C39K）越岭隧道进口地形平缓，需作明洞接长，工程条件差，由于隧道进口处地形平缓，隧道进口前挖方路段长约500m，存在风吹雪病害，出口条件和DK方案相当，北方案（C42K）越岭隧道进口工程条件略优于中方案进口条件，出口存在较长段落浅埋地段，地形条件极为不利，地质条件差。工程地质条件南方案最好，中方案次之，北方案最差。

3.2 经济方案分析

从总工期来说，北方案工期最长，中方案和南方案相当。南方案（DK）工程条件最优，工期适中，病害较少，因此八苏木至马盖图段越岭隧道推荐南方案（DK），即8.150km越岭隧道方案。

4 隧道主要设计内容

4.1 衬砌支护设计

按喷锚构筑法技术要求设计，隧道均采用曲墙带仰拱复合式衬砌，初期支护采用喷锚支护，衬砌及支护参数设计详见表3-1，喷混凝土采用湿喷工艺，Ⅳ、Ⅴ级围岩于每立方喷混凝土中掺加1.2kg的聚丙烯纤维，纤维的化学物理性能指标应满足相关设计图的有关要求。进口DK525+080～+180段为Ⅴ级围岩洞口浅埋段，考虑地震设防要求，采用Ⅴ级围岩加强衬砌钢筋混凝土结构，全断面设1榀/0.6m的I20b型钢钢架。为确保进洞安全，DK525+080～+110段拱部设置一环φ108大管棚超前预支护，长30m，环向间距0.6m，并注水泥浆填塞管体，结合钢架和大管棚的设置，拱部设φ42超前小导管，与大管棚交错布置，小导管长3.5m，环向间距0.6m，并注水泥浆，其余地段结合钢架拱部设φ42小导管超前预支护，小导管长3.5m，环向间距0.4m，并注水泥浆。

洞身DK525+180～+300段Ⅳ级围岩埋深较浅,采用Ⅳ级围岩加强衬砌钢筋混凝土结构，拱墙设1榀/m的I18型钢钢架,局部破碎地段拱部设φ42小导管超前预支护，小导管长3.5m，环向间距0.4m。洞身DK525+300～+360为Ⅳ级围岩深埋段，采用Ⅳ级围岩一般衬砌钢筋混凝土结构，拱墙设1榀/m的I18型钢钢架。洞身DK526+420～DK527+250为花岗岩与玄武岩、泥岩夹砾岩不整合接触带，采用Ⅳ级围岩一般衬砌钢筋混凝土结构，拱墙设1榀/m的I18型钢钢架，结合钢架拱部局部设置φ42超前小导管预支护，小导管长3.5m，环向间距0.4m。洞身DK527+250～+755段Ⅳ级围岩地段，位于具中等膨胀性的泥岩夹砂岩地层，采用Ⅳ级围岩膨胀岩衬砌钢筋混凝土结构。全断面设1榀/0.8m的I18型钢钢架，结合钢架的设置拱部设φ42小导管超前预支护，小导管长3.5m，环向间距0.3m。

4.2 辅助坑道设计

本隧道采用钻爆法方案设计，工期按30个月左右控制，辅助坑道方案有两个，其一为平行导坑全长贯通，平导设于正线隧道右侧，辅助正线施工，并结合运营、养护及防灾要求设计为永久性结构。其二结合地形条件考虑在南梁子村、土卜子村设二座无轨运输斜井方案辅助正线施工。

4.2.1 平导方案

采用贯通平行导坑辅助施工。平导长8150m，平导始终超前正洞施工，在起预先探明隧道地质状况的同时，进出口平导分别通过施工横通道担负三段正洞施工任务，以缩短隧道总工期。选用通行H178型三臂台车、布设直径为1.3m两根风管以及双车道无轨运输净空要求拟定平导内轮廓，施工横通道采用平导断面形式，以满足三臂台车通行要求。

4.2.2 无轨斜井方案

南梁子斜井：位于南梁上村附近，线路交点为DK527+800，与线路平面交角为60°，坡度11%，斜井长度573.09m。沟谷开阔，洞口地形平坦，有乡村小路通达。斜井通过地层以岩性泥岩夹砾岩、玄武岩风化层。土卜子斜井：井口位于土卜子村山前的斜坡上，线路交点为CK529+900，与线路平面交角为45°，坡度10%，斜井长度903.94m。洞口地形较为平缓，有乡村小路通达。斜井通过的地层主要为花岗岩、粉土。斜井选用通行H178型三臂台车、布设直径为1.5m两根风管以及A25沃尔沃自卸汽车通行净空要求拟定斜井内轮廓，衬砌内净空为：净高5.9m，净宽5.0m。

4.2.3 方案比选

平导方案：施工总工期为31.5个月，超前施工探明隧道工程地质及水文地质状况，辅助正洞施工加快施工进度；平导可作为运营期间的排水、防灾救援、检修维护通道；贯通平导方案工程量较大，投资较高。平导同时施工三个掌子面，施工通风及施工排水组织复杂。无轨斜井方案： 施工总工期约30.06个月，斜井可分流部分弃砟，减少洞内施工运输干扰，工程投资较平导方案小。南梁子斜井按永久性工程设计，可作为运营期间的防灾救援、检修维护通道及紧急疏散通道。

4.3 辅助坑道断面的拟定及衬砌支护设计

斜井按无轨运输单车道设计，采用瑞典沃尔沃公司生产的A25沃尔沃自卸汽车的外形尺寸，通风管、排水管和高压风水管的布置以及人行道的宽度，同时满足Boomer H178三臂台车、混凝土输送泵进洞的要求等因素拟定，净空尺寸5.0m×5.9m（宽×高）。辅助坑道较长时，按约200m设错车道一处，错车道长20m，并在两端各5m范围内与单车道断面过渡，错车道断面净宽按在单车道断面基础上加宽3.11m考虑。辅助坑道在隧道主体工程竣工后，在保证隧道安全的前提下，作如下处理：整理排水系统，使水流畅通无阻。横洞应有完整通畅的排水系统，封闭前应结合排水需要，先做暗沟，并应设置检查通道。斜井有水时，应将水引入隧道侧沟。土卜子斜井在洞口及辅助坑道与正洞连接处采用M10水泥砂浆砌片石封闭，厚度不小于3m，并对地表进行恢复。

4.4 洞内设备

洞内铺设普通框架型板式无砟轨道。洞内两侧均设置通信、信号与电力电缆槽，具体按有关专业要求设置。根据有关专业要求在隧道内设置固定照明施。在救援通道内设置应急疏散标识和应急照明，应急疏散标识、紧急呼叫电话标示牌处应设灯光照明和应急照明，指示两个方向分别到洞口或紧急出口的整百米数。隧道内设综合洞室32处，综合洞室内预留余长电缆腔，洞室单侧间距为500m。洞室沿隧道两侧交错布置，若遇衬砌断面变化处可适度调整其位置，左侧综合洞室预留检修梯车洞。根据对围岩和支护量测的变形规律，确定二次衬砌的施做时间。一般情况下，二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定后施做，浅埋、偏压及特殊地段应及早施作二次衬砌。

4.5 施工组织设计

采用钻爆法施工，由正洞进口、出口及斜井掘进，采用H178三臂台车开挖，围岩完整地段采用全断面法开挖，围岩较破碎时可采用台阶法施工。本次设计按两正洞洞口及南梁子斜井3个工作面同时铺设无砟轨道道床设计。按上述施工指标工期如下：施工总工期30.06个月，含施工准备和铺设无砟轨道道床时间。仰拱宜超前拱墙二次衬砌，其超前距离宜保持3倍以上衬砌循环作业长度。仰拱施工前，必须将隧底虚碴、杂物、积水等清除干净，超挖应采用同级混凝土回填。仰拱施做应优先选择各段一次成型，避免分部灌筑。仰拱施工缝和变形缝应作防水处理，其工艺及要求同衬砌拱墙的施工缝及变形缝。

4.6 环境保护措施

隧道施工便道、工棚及作业场的布置应尽量维护自然面貌，占用荒地亦应少开挖、少刷方，以保护山坡稳定及自然植被。施工便道、施工工棚及作业场的设置，应尽量维护自然面貌，减少开挖。工程竣工时，应修整、恢复受到破坏的植被。弃砟坡面进行复垦或绿化，坡脚进行挡护，确保碴体不流失，减少弃砟对行洪和周围环境的影响。做好隧道施工过程中的水土保持及环境保护工作。施工前应及早保护当地人畜用水资源。隧道施工排水应避免对周围环境产生污染，隧道施工排水采取清污分流，加强施工污水处理，避免污染水源、影响周围人蓄饮水；对施工便道的引入、洞口场地布置等应严格规划，避免造成水土流失，污染环境。

结论

根据方案和地质状况采用钻爆法施工，由正洞进口、出口及斜井掘进，采用H178三臂台车开挖，围岩完整地段采用全断面法开挖，围岩较破碎时可采用台阶法施工。并具有较好的安全性和地层适应性。从应用效果看，通过优化确定台阶法先进的施工工艺和合理的工序间距，上下台阶实施平行作业，施工效率高，保证了每天平均开挖进尺3～4m，围岩变形也控制在较小的范围内，实现大断面隧道的安全、快速施工。

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