高瓦斯特長隧道輔助坑道方案優化及施工研究

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的大力開發，公路建設項目逐漸增多，特別是云、貴、川交界的貧困地區，這些地區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，不可預見的地質災害風險大，施工往往成為制約工期的控制性工程，而傳統的依靠主洞兩端工作面進行施工無法有效保證工期，因此，設計中通長采用“長隧短打”的建設思路，減小施工風險、保證施工進度。而合理設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、安全風險和環境影響。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、通風排煙等方面進行了系統優化調整，有效降低安全風險、加快施工進度、減少環境影響、節約施工成本。

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，節理裂隙、發育，地下裂隙水發育，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、出口段分別穿越兩次煤層，煤層與線路夾角為17°～25°，進口段穿越煤層長度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 施工準備階段輔助坑道設置方案優化

2.1 原設計方案

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

2.2 方案優化原因

①建設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情況下，參照國內相同斷面隧道月平均最大進尺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，區域揭煤防突程序復雜，耗時長，穿越煤層時月平均進尺不足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，通風排煙效果差，揭煤過程中瓦斯排放速度慢，施工階段通風無法利用隧道中部的豎井，加大了施工難度和安全風險，其次如遇突發事件無法迅速增加作業面，緩減工期壓力，例如相鄰鎮畢線張吉屯瓦斯隧道和宜畢線扎西勝利高瓦斯隧道出現突發事故后，作業面停滯了6-12 個月，導致總體工期延后。

④通風豎井施工難度大，需要大型設備、施工場地、便道，對生態環境不利，且施工階段的通風無法利用，對于高瓦斯特長隧道設置斜井更為有利。

2.3 方案優化原則

高瓦斯特長隧道輔助坑道優化原則：①避開不良地質；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管道的要求；④用途需要綜合考慮，設置多功能輔助坑道，達到“一坑多用”的效果，既要增加作業面，又要滿足施工和運營期的通風要求，其次可以通過設置輔助坑道提前揭露煤層，利用其通風排煙能力強，對正洞煤層段落進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 方案優化

通過以上原因分析，參考國內其他特長隧道施工經驗，在工期條件緊張時，優先選用斜井，項目本著節約工期、保證通風、降低環境影響的原則，坪上隧道選用雙車道斜井，根據現場地形條件和用途，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，項目結合場地條件和圍巖情況，共制定了6 種斜井設置方式進行比選，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2.5年工期目標，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 斜井口位置位于進口側，未充分考慮出口端煤層瓦斯區，揭煤防突耗時較長等因素，導致工期具有不確定性，延期風險較大；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%，不符合現行《公路施工安全規范》要求長隧道斜井無軌運輸道路綜合縱坡不得大于10%，《JTGD70-2004 公路隧道設計規范》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范要求，但斜井與通風豎井結合條件差，需單獨設置通風豎井，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，同時考慮到現有條件下有軌運輸施工效率較低，且國內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，結合斜井位置充分考慮出口端煤層瓦斯區，揭煤防突耗時較長等因素，考慮通風排煙等綜合因素，為確保工期和加強通風排煙效果，選擇布置方式4 與布置方式6 結合的輔助坑道施工方案，即在線路左側增設兩個斜井，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豎井，既能保證工期，又可解決隧道通風排煙、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 方案優化分析

2.5.1 通風效果分析

本隧道長度為5.983km（左右線平均），根據通風計算結果，坪上隧道全縱向射流通風可以滿足通風要求，但《公路隧道通風設計細則》JTG/T D70/2-02-2014 中規定，采用縱向排煙的單向交通隧道，火災煙霧在隧道內的最大行程不宜大于5000m。因此，需設置排煙井進行分段排煙，排煙通道可采用豎井、斜井或平導。根據坪上隧道隧址區的地形、地質條件，對2 種輔助坑道設置方案的通風方案進行經濟技術比較，詳見表2。

表2 坪上隧道輔助坑道通風方案經濟比選

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

方案2 中的兩端設置斜井方案，雖然投資較單斜井設置方案有所增加，但所增加費用不大，既能滿足通風及防災救援要求，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了巷道式通風，減小了揭煤防突施工過程中的安全風險，通風布置圖詳見圖3。

圖3 坪上隧道利用斜井施工通風示意圖

2.5.2 工期比較

從工期上分析，根據以往和在建的隧道施工經驗，隧道的主洞施工進度Ⅴ級圍巖為每月50m，Ⅳ級圍巖為每月80m，Ⅲ級圍巖為120m。本項目建設工期為2.5年，若坪上隧道不設斜井，僅從隧道兩端進行正常施工，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，工程逾期風險依然存在，采用方案2 兩端設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，斜井完成后進入正洞向小里程方向揭煤施工，而大里程方向由出口工區組織施工，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轉正洞施工，隧道全部完工25 個月，兩端設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置時充分考慮了斜井與通風豎井結合情況，對土建費用詳細對比，其中單斜井方案中，方式1 斜井長度990m，斜井與通風豎井結合條件差，需分別設置，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，斜井與通風豎井結合，不需單獨設置通風豎井，斜井費用1142 萬元；方式3 斜井長度895m，斜井與通風豎井結合條件差，需分別設置，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，斜井與通風豎井結合，不需單獨設置通風豎井，斜井費用分別為766 萬元和1310萬元；方式6 斜井長度936m，斜井與通風豎井結合條件差，需分別設置，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 兩端設置斜井，在斜井布置方式4 的基礎上增加方式6 斜井布置，土建總投資2638 萬元。采用組合式輔助坑道設置，既能避免由于揭煤防突造成工程逾期風險，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合，滿足隧道通風排煙及消防救援需求，可代替原設計通風豎井，降低了施工難度。（圖4）

圖4 斜井方案建設費用對比圖

3 施工實踐效果

3.1 施工任務劃分

坪上隧道總體施工任務由進口、出口、2 個斜井，四個工區八個作業面完成，經過對輔助坑道設計方案優化，尤其對斜井位置和正洞交匯點里程調整后，各個工區正洞施工任務見圖5。

圖5 坪上隧道施工任務劃分圖

3.2 總體工期進度

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

圖6 方案優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，然后在石門硬巖范圍內對主洞煤層進行區域性防突預測，通過長距離鉆孔和芯樣測出煤層瓦斯含量、煤屑指標、瓦斯壓力指標等關鍵指標，預測煤層無突出性危險，但煤層中噸煤瓦斯含量達到8.92m3，仍然需要進行鉆孔排放，利用斜井通風效果好的特點，在不增加抽排設備的情況下，僅用時5 天完成瓦斯排放任務，達到繼續掘進條件，較預期20 天節約了15 天工期，為主洞揭煤提供了準確詳細的指標依據，加快了主洞穿越煤層的進度，降低了安全風險。

隧道貫通后根據1#、2#、5#、6#工作面穿越煤層時的施工進度數據，與相鄰線高瓦斯段落施工進度進行比較，可以看出坪上隧道揭煤進度加快了50%（詳見圖7），施工過程中通過嚴格的瓦斯管理制度和“四區一體化”揭煤管控程序，確保了零安全事故發生，保質保量地完成了施工生產任務。

圖7 增加斜井后各作業面揭煤進度對比圖

3.4 環境影響

方案2 兩端斜井方案替代了原有的通風豎井，優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，減少了大型設備的能耗和施工用地，降低了對生態環境的影響。

4 結束語

通過對坪上隧道輔助坑道設置方案進行優化分析，在滿足總工期的前提條件下，綜合考慮洞口條件、道路交通、安全風險、施工成本和環影響等因素選擇確定了最佳合理優化方案。長大隧道采用輔助坑道實現“長隧短打”的目的，然而在前期設計階段因受地質調查和勘察條件的限制，不可能考慮非常全面，因此在開工建設前應當做好施工圖紙現場核對，進一步優化設計方案非常必要。通過對坪上隧道輔助坑道設置方案進行優化，使各工區任務劃分更合理，達到均衡施工的要求；井口位置的優化，不但有利于結合地形條件和全隧道施工任務量選擇斜井口位置，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整，可提高運輸效率、加快施工進度，從而為坪上隧道如期完工創造條件。