西安南京铁路东秦岭特长隧道设计方案的研究

收稿日期:20020820

第一作者简介:靳宝成(1976—

),男,助理工程师,1999年毕业于长沙铁道学院交通土建专业,工学学士。

西安南京铁路东秦岭特长隧道设计方案的研究

靳宝成　杨国柱　王永安

(铁道第一勘察设计院　甘肃兰州　730000)

摘　要　西安南京铁路东秦岭特长隧道全长12268m ,设计为双线加平行导坑方案,钻爆法施工。隧道进出口各35m 采用模筑混凝土衬砌,洞身其余地段采用复合式衬砌,支护均以喷、锚、网为主,并辅以钢架。隧道设计总工期为58.32个月,是全线的控制性工程。从地质特征、方案比选、结构设计等方面阐述隧道的设计方案。

关键词　铁路隧道　双线隧道　地质特征　方案　正洞　平行导坑　结构设计

1　概述

西安南京铁路东秦岭隧道位于陕西蓝田、商州交界处。隧道穿越长江与黄河的分水岭———秦岭,岭脊总体呈北东向展布,山势北陡南缓

。隧道通过的秦岭岭脊高程约为1590m ,最大埋深约为580m ,进出口与岭脊相对高差约500～600m 。隧道通过各级围岩的长度为:Ⅵ级围岩140m ,Ⅴ级围岩683m ,Ⅳ级围岩2940m ,Ⅲ级围岩3620m ,Ⅱ级围岩4885m 。隧道位于直线上,线路穿越秦岭山区,地形复杂,采用一次双线方案,设计坡度见表1。2　工程地质与水文地质特征2.1　地层岩性

表1　东秦岭隧道线路坡度设计

本区出露地层岩性复杂多变,受多期构造作用影响,在隧道进口端F 5断层以北主要出露太古界太华群,为一套古老的变质岩系,岩石的变质程度较深,经受不同程度混合岩化作用;

以南为一套元古代至早古生代沉积的滨海至浅海相碎屑和碳酸盐岩建造,并伴有强烈的火山喷发,早加里东后期褶皱隆起,自北向南主要出露元古界铁铜沟组、龙家园组、熊耳群、震旦系、古生界寒武系和奥陶系等,相互间呈角度不整合或假平导洞口建立9kVA 和10kVA 发电站,以保证施工用

电的连续性。

④在正洞和平导洞口,各建100m 3/h 混凝土拌和站1座(不含喷射混凝土拌和)。正洞配置6台5m 3无轨混凝土输送车,平导配置6台6m 3有轨混凝土输送车。5　弹性整体道床施工

弹性整体道床由混凝土道床和弹性支承块组成,其断面如图7所示。

图7　弹性整体道床断面结构(单位:mm )

由于东秦岭隧道设计为双线且有中间水沟,因此,为减少干扰,便于施工,在弹性支承块道床施工时,采用组合式轨道排架,左、右线分别异步进行。混凝土支承块由洞外现场预制。组合式轨道排架由排架与道床侧模板组成,每个排架理论长度为6.25m ,支承块与排架的组装在工作面附近的移动平台上进行。组装后的排架用轨行式专用长门吊进行起落、平移,排架方向、水平经测量定位并固定后,浇筑道床混凝土。6　结语

东秦岭特长隧道施工面临独头通风距离长,独面运输距离长、地质条件差、设计标准高等特点。施工中须重点解决G PS 定位引导、长距离独头通风、有轨与无轨运输设备相配套、软弱围岩的超前防坍塌预支护、光面爆破、无滴渗防水、复合式衬砌、弹性整体道床的

半机械化铺设等多项技术难点。为此,局指挥部对这些重点技术项目进行了专题研究,并取得很好的效果。

?设计?

整合接触关系。

2.2　地质构造

东秦岭特长隧道位于华北地台南缘构造带。褶皱构造和断裂构造极为发育。

2.2.1　褶皱构造

褶皱构造在东秦岭特长隧道区较为发育,褶皱形态复杂,小褶曲发育,主要有以下两大褶皱构造带。

(1)张家坪背斜

背斜向东倾伏,隧道区位于其倾伏端,由元古界铁铜沟组石英岩组成。其走向由北向南依次变化: N70°W～N50°～20°W,石英岩均向北倾。其核部位于DK97+600处,岩体较为完整,呈巨块状砌体结构。在其核部有长大的张开节理及节理密集带发育。

(2)田家沟—垢神庙向斜

位于F6断层以南奥陶系地层中,为一紧密的复式向斜。其核部位于DK106+600附近,岩体破碎,裂隙很发育。

2.2.2　断裂构造

(1)张家坪—灞源断层(F5)

位于隧道进口端,断层端宽约160m,走向N75°E,倾向南,倾角为43°～50°,断层与洞身斜交,隧道于DK95+550～DK95+715处通过该断层。断层破碎带主要为碎裂片麻岩、碎裂石英岩、断层泥砾,其中断层泥砾宽约50m。沿断层有泉水出露。该断层切穿张家坪武陵期花岗岩岩体,将其东南盘向北相对错位达1km,显示了逆冲左旋平移性质。该断层在地貌上反映为一系列垭口。地震、电法测量均有异常反映,碎裂片麻岩围岩电阻率ρ为160～400Ω?m,碎裂石英岩ρ为160～400Ω?m。

(2)牛头岩断层(F6)

位于美芝坪,断层近东西向延伸,倾向北,倾角约70°,为逆断层。断层宽约20～60m。洞身于DK104+ 420～DK104+480通过该断层。断层破碎带主要由泥砾带及碎裂岩组成,含地下水。泥砾带呈灰黑色,原岩为碳质千枚岩,泥状、潮湿,断层角砾具磨光镜面,局部挤压为鳞片状,可见擦痕阶步,主带宽约40m。碎裂岩呈灰黑色,原岩为白云岩,片理化明显,产状不稳定,宽约20m。该断层影响带一般较宽,两侧宽达30m,碎裂千枚岩岩质软,遇水易软化,工程地质条件较差。地震、电法测量均有异常反映,ρ为30～60Ω?m,V p为4340 m/s。

2.3　地应力及构造应力场

为研究隧道区现代构造应力场及地应力特征,运用微构造法、岩石凯塞尔效应法、有限元法、水压致裂法等综合测试分析方法,做了较多工作。

对隧道区现代构造应力场特征及地应力进行多种测试和研究表明,方法手段不同,隧道区最大水平主应力方向互有差异,但各研究方法的成果均表明隧道区最大水平主应力值为4.95～19.93MPa,即最大水平主应力不太大。经X NQ6深孔测试,最大水平主应力δ

h=11.93MPa,计算结果表明圆形隧道δθmax=47.86 MPa(δθ为切向应力)。由于δθmax较低,预测施工时岩爆问题不很严重,地应力对隧道的稳定性影响也不大。

2.4　水文地质

隧道正常涌水量4000～6000m3/d,最大涌水量17000～22000m3/d,地下水对隧道的影响主要集中在岭南DK101+790～DK104+420碳酸盐岩地层的岩溶裂隙水,施工中可能遇到突然涌水现象。F5、F6断层富水带是影响隧道施工的重要因素。F5断层物质由碎裂岩和构造角砾组成,胶结较差,透水性好,隧道通过时可能发生涌水、坍塌等危害。F6断层后期显张性,由碎裂千枚岩和断层泥砾组成,隧道通过时可能发生涌水、坍塌等。F2、F3小型断层在白云岩中,局部可能发生突然涌水现象。

3　方案比选

东秦岭隧道作为全线的控制性工程,地形、地质条件很复杂,在工期、投资以及后期运营等各方面均有特殊的要求。因此,在初步设计、技术设计阶段,对不同的方案进行了比选。

3.1　双线斜井方案

根据线路的引线方式以及东秦岭特长隧道的地形条件,选择2座斜井加1座横洞作为辅助坑道。

2座斜井均长690余m,横洞长630m。辅助坑道太长,严重影响正洞的施工,使总工期达到65.6个月,超过全线5年工期的要求。

采用双线斜井方案,无法准确地进行超前地质预报,对正洞的施工极为不利;双线斜井方案在后期运营阶段,对隧道的防灾、救援工作会带来较大的困难。3.2　2座单线隧道钻爆法方案

2座单线隧道与同一座双线隧道相比,单线隧道运营条件有利,但投资大,工期也没有优势。为节约投资,加快工期,2座单线钻爆法方案也不予采用。

3.3　2座单线隧道T BM方案

目前,国内使用的敞开式硬岩掘进机适合于在Ⅲ级围岩中施工,岩石抗压强度在90～120MPa。在强度太高的Ⅰ、Ⅱ级围岩或软弱的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩中,均不适合用敞开式T BM施工。

?设计?

在硬岩中T BM掘进速度慢,刀盘磨损大,刀盘更换次数频繁;在软弱围岩地段,如破碎带、挤压带、节理密集带、软弱夹层带等,常常出现坍塌、掉块、围岩失稳等地质灾害,造成支护工程量增加,辅助工作增多,导致掘进效率降低。

在东秦岭特长隧道中,石英岩、白云岩等岩石抗压强度较高;而千枚岩、灰岩夹千枚岩及一些断层带,岩质较软;大理岩、白云岩中发育有溶洞等诸多原因,全隧道围岩软硬变化大,地质构造复杂,使用T BM不经济、不合理、不安全。因此,该方案也不可取。

3.4　双线平行导坑方案

综合工期、投资、运营条件等因素,东秦岭隧道采用了双线平行导坑(以下简称“平导”)方案。在正洞右侧30m处设1座平导,长12270m。平导主要是辅助正洞施工,同时起到通风、排水、超前探明正洞地质、防灾救援等作用,隧道设计总工期为58.32个月。为节约投资,平导还采用了大小不同的断面形式。

4　隧道结构设计

4.1　衬砌类型设计

隧道进出口各35m处及悬挂风机地段采用钢筋混凝土模筑衬砌;洞身其余地段均采用复合式衬砌。隧道施工支护以锚、喷、网为主,并辅以钢架。

Ⅵ级围岩地段拱、墙采用R32N钻进式注浆锚杆,注浆同时起到加固围岩和堵水的作用,二次衬砌采用钢筋混凝土模筑衬砌。

Ⅴ级围岩根据实际情况,必要时拱部采用超前小导管并注浆以加固地层并止水,二次衬砌采用模筑混凝土衬砌。

洞身干燥无水、无岩爆等地质灾害地段的Ⅱ级围岩,可根据实际情况采用湿喷钢纤维混凝土作为永久衬砌。支护参数详见表2。

表2　双线隧道复合式衬砌支护设计参数

围岩级别

初期支护二次衬砌

喷混凝土

/cm

<22锚杆钢筋网

位置长度/m间距/m位置直径/mm间距/cm

钢架

/(榀?m-1)

预留变

形量/cm

拱、墙

/cm

仰拱

/cm

底板

/cm

Ⅱ一般5局部3025岩爆8局部2 1.5拱部8253025

Ⅲ

一般10拱墙 2.5 1.2局部82553535富水拱部825

Ⅳ15拱墙31拱墙825173550Ⅴ20拱墙 3.51拱墙825 1.5104060Ⅵ25拱墙 3.50.8拱墙8252155075

4.2　防排水设计

隧道防排水采用防、排、截、堵相结合的综合治理原则。

隧道内富水段及断层带的Ⅴ、Ⅵ级围岩地段,在喷混凝土与模筑衬砌之间设复合防水板,同时,采用超前小导管注浆以加固地层并止水;隧道其余地段在初期支护与二次衬砌之间设PE防水板。

隧道拱墙环向及墙脚纵向均设软式透水管育沟进行排水,施工缝设橡胶止水条。

隧道正洞排水系统设两侧水沟加中心水沟,平导及横通道内亦设排水沟。

4.3　运营通风设计

隧道通风设计采用射流风机纵向诱导式通风,射流风机分段集中布置于低洞口端(出口端),每一风机安装处集中布置6台,通风设备布置仅作预留,具体是否实施等运营通车后,通过观察和测试确定运营通风的必要性后,再设置通风设备。

4.4　辅助坑道设计

东秦岭隧道右侧设平导辅助施工。平导中线与正洞左线线间距30m,选用门架式台车拟定一般平导断面,通风管按直径1.3m布设,衬砌内净空为:净高6.15m,净宽4.8m,其中1号、5号、16号、19号横通道采用一般平导断面形式,以满足门架式台车施工正洞的要求;小断面平导及其他横通道断面内净空为:净高4.5m,净宽4m,平导坑底纵坡与正洞纵坡一致,进出口平导开挖至1号、5号、16号、19号横通道时,分别通过该横通道进入正洞施工,待正洞贯通后,再开挖16号～19号间的平导地段。为了节约投资,该段平导采用小断面贯通,平导按运营期间可作防灾救援通道考虑,施工完成后应对坑底修理整平,每个横通道设一个钢门。平导、横通道支护参数见表3。

表3　平导(横通道)支护参数

围岩级别

喷混凝

土/cm

<22锚杆<6钢筋网

部位

间距

/m

长度

/m

部位

间距

/cm

格栅钢架

底板

/cm

仰拱

/cm

模筑衬砌

/cm

Ⅱ

一般5

岩爆5局部 1.5 1.5拱部25

富水8

Ⅲ

一般5拱部 1.5 2.0

富水8拱部 1.5 2.0

Ⅳ8拱墙 1.5 2.0拱部2510

Ⅴ10拱墙 1.2 2.0拱墙251榀/1.2m1030

Ⅵ15拱墙 1.0 2.5拱墙25 1.5榀/m3535

?设计?

收稿日期:20020820;

第一作者简介:林海剑(1975—

),男,助理工程师,1998年毕业于西安工程学院测量工程专业,工学学士。

全站仪无棱镜测距技术在东秦岭特长隧道施工中的应用

林海剑1　索朝军2

(1.中铁十八局集团有限公司第四工程有限公司　河北高碑店　074000;2.中铁十八局集团有限公司　天津　300222)

摘　要　以西安南京铁路东秦岭特长隧道应用全站仪无棱镜测距这一新技术来指导隧道开挖与衬砌内轮廓检查为例,介绍无棱镜测距进行隧道断面放样与检查的方法,包括断面点三维坐标的测定和测量点偏移值的计算,并介绍该技术的优点。

关键词　铁路隧道　全站仪　无棱镜测距

1　概述

目前,国内绝大多数施工单位一般都是采用坐标

法(也称五寸台法、支距法)放样开挖断面,即首先用经纬仪放样出隧道中线,再用水准仪放样出开挖拱部(或底部等)高程,最后根据拱部中线点来量取开挖轮廓线上其它点。断面检查大多也是应用坐标法的原理来检查坑道的超欠挖(净空)情况。断面放样与断面检查都使用皮尺(钢尺),要达到量距相应精度要求,皮尺(钢尺)须“水平、竖直、垂直”。而众所周知,工作面不会是一个规则的平面,要达到“水平、竖直、垂直”根本不可能,断面的准确放样更是谈不上。远离工作面的坑道检查,由于断面大,如东秦岭特长隧道开挖宽约11m ,高约10m ,缺少脚手架等支撑设备,也难以测得其超欠挖的准确数值,费时费力,精度低、效率低。可以说绝大多数施工单位,因人力、设备等因素的限制,对开挖后的断面超欠情况只是一个大致的认识,只有衬砌台车就位后通过与衬砌钢模比较方能测得。测量不能为其他工序超前服务,往往造成返工浪费,既影响工程进度,又给工程质量带来隐患。

全站仪以其高度自动化和准确快捷的定位功能在

测量工具上早已确立其统治地位,在隧道控制测量中,全站仪也业已普及,但以其作为隧道施工放样的测量

工具还是鲜见。新建隧道施工中的最主要工序———断面开挖,与工程的经济效益、安全质量有着根本的联系;隧道衬砌后净空与运营安全直接相关。全站仪无棱镜测距技术使得断面放样、断面扫描更简便、准确,大大提高了隧道施工的工程质量和经济效益。

新建铁路西安南京铁路东秦岭特长隧道,是全线第一长大隧道,设计为双线带平导,隧道洞身全部位于直线上。对于这样长大的隧道,超欠挖所带来的经济损失不容忽视。对此,在施工中采取全站仪无棱镜测距来进行断面放样与断面检查。2　应用无棱镜测距进行断面放样与检查

无棱镜测距技术,通过辐射测量极坐标的方式,配合编程计算机、计算器(如PC E500等),能够准确、快速地完成断面放样、断面检查等测量工作,很好地解决了上述传统难题,为隧道工程测量带来技术革命,缩短测量时间、提高了测量精度和工程质量。2.1　断面点三维坐标的测定

放样前,首先将仪器置于导线点或利用后方交会程序完成设站工作,包括设置设站点三维坐标、仪器高、方位角。

目前,由于无棱镜测距技术受硬件的限制,大多数5　结语

东秦岭特长隧道于2002年7月28日全隧贯通。通过该隧道施工揭示的地质情况来看:隧道进口F 5断层实际影响宽度略宽于设计宽度,围岩由碎裂岩和构造角砾组成,胶结较差,透水性好,岩体比较破碎,因此,隧道在施工过程中对局部段落围岩级别进行了调整。总的来说,东秦岭隧道在设计阶段,对施工方案的选择,围岩长度的划分,不良地质灾害的处理,以及隧道结构及防排水措施的设计等方面均取得了成功;特别是选择双线平导方案、综合施工、运营等诸多因素,利用平导超前探明了地质情况,辅助正洞施工,指导正洞调整支护参数,防治地质灾害,使正洞的施工得以安全、快速地进行,在后期运营阶段作为救援、防灾通道。这样,既节约了投资,又缩短了工期,为以后类似工程的设计施工提供了成功的典范。

?施工?

RAI LWAY STANDARD DESIGN

No.11,2002

Abstracts and K eyw ords

A Summ ary of K ey T echnical Points for Construction of E ast Q in2 ling Super2long Tunnel

Qin Peiwen

Abstract　Design code and key technical points for main tunnel and parallel heading of East Qinling Super2long Tunnel are introduced.An overall introduction is given on such techn ologies as construction survey and testing,tunnel b oring and supporting,water handling,ventilation and dust control,construction equipment,and elastic m on olithic track bed,etc.Many difficult technical problems were s olved like G PS posi2 tion guidance,long distance single head ventilation,matching of track transport and trackless transport equipment,pre2supporting of weak sur2 rounding rock,sm ooth blasting,n on2seepage waterproofing,com posite lining,semi2mechanized laying of elastic m on olithic track bed,etc.

K eyw ords　railway tunnel,twin2track tunnel,super2long tunnel, construction techn ology

A Study on Design Program of E ast Q inling Super2long Tunnel of X i’an2N anjing R ail w ay

J in Baocheng,Y ang Guozhu,Wang Y ong’an

Abstract　East Qinling Super2long Tunnel has a total length of 12,268m.According to design,the twin2track tunnel with parallel head2 ing shall be excavated using drill and blast meth od.F orm concrete lining shall be applied to the sections35m to entrance and exit,and com posite lining shall be applied to the remaining part.Sh otcreting,anch or b olts and wire mesh are principal supporting means assisted with steel frame. The tunnel is the control project of X i’an2Nanjing Railway,and is scheduled to be com pleted in58.32m onths.Design program of the tun2 nel is illustrated from geological characteristics,selection of program, and structural design,etc.

K eyw ords　railway tunnel,twin-track tunnel,geological character2 istics,program,main tunnel,parallel heading,structural design The R esearch and Implementation of V entilation Programs for E ast Q inling Super2long Tunnel at Di fferent Ph ases of Construction

Suo Chaojun,Li Xingya

Abstract　Design and im plementation of ventilation for long twin2track tunnel with parallel heading is introduced in detail based on ventilation practice of East Qinling Super2long Tunnel.

K eywords　railway tunnel,phase,tunnel ventilation

Laying T echnology for W aterproofing I nsulation Layer of E ast Q in2 ling Super2long Tunnel

Li Xingya,Li Lisheng

Abstract　E VA com posite waterproofing b oard was used for water2rich section,and LDPE com posite waterproofing b oard was used for in ferior water2rich section of East Qinling Super2long Tunnel.N on-w oven geo2 textile was used as base course.The selection of materials,laying tech2n ology,thermal welding techn ology and key points for construction is in2 troduced.

K eyw ords　railway tunnel,waterproofing b oard,construction

A Study on Wet Shotcreting T est of W aterproof Concrete

Liu Chuan,Peng J ianhua

Abstract　Wet sh otcreting of waterproofing concrete makes high early stage strength,g ood water2resistance,low dust content,and broad appli2 cability,etc.The waterproof principle,selection of raw materials,and mixing ratio of the concrete are described.

K eyw ords　railway tunnel,wet sh otcrete,waterproof,construction The Application of H igh2strength Q uick A nchor Bolt T echnology to Construction of E ast Q inling Super2long Tunnel

Liu Chuan,Wei Y uelei

Abstract　The application of high2strength quick anch or b olt techn ology to East Qinling Super2long Tunnel is introduced.Ex ploration is made of testing control meth od,construction parameters,and techn ological pro2 cess of this techn ology.

K eyw ords　railway tunnel,tunnel construction,anch oring techn ology Construction Program Design for Large Cross Section in F6F ault of E ast Q inling Super2long Tunnel

Lu Guangshan,Y ang Fuqing

Abstract　Boring and supporting techn ology for large section in fault z one of railway twin2track tunnel is introduced in detail based on con2 struction practice of East Qinling Super2long Tunnel.

K eyw ords　railway tunnel,fault,construction

Construction T echnology for Double Line E lastic Monolithic T rack B ed of E ast Q inling Super2long Tunnel

Feng Siming

Abstract　Elastic m on olithic track bed was used for East Qinling Super2 long Tunnel for its g ood elasticity,less maintenance and low cost.The construction techn ology,machines and tools used,and quality control measures for the track bed are introduced.

K eyw ords　railway tunnel,twin-track tunnel,elastic m on olithic track bed,construction

Construction Supervision over E ast Q inling Super2long Tunnel Zhang Dehe

Abstract　S ome ex perience of construction supervision over East Qinling Super2long Tunnel is introduced from the aspects of supervision system, well2coordinated relationship between supervision unit and construction organization,taking quality control as the core of the supervision,ob2 serving professional ethics and getting rid of corruption in supervision, and keeping study to im prove professional skills.

K eyw ords　railway tunnel,construction supervision,ex perience