小斷面長距離引水隧洞的施工設(shè)計

楊照明 張金承 周垂富

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院 烏魯木齊 830000;2.吉林省水利水電工程局 長春 130000)

1 工程概況

新疆阿拉山口供水與生態(tài)建設(shè)工程是解決阿拉山口口岸水資源嚴(yán)重匱乏的引水工程,主要由取水樞紐、引水線路 (包括管道和隧洞)、尾部調(diào)節(jié)水庫等組成,工程2006年7月正式開工,2009年10月試運行通水。

引水隧洞是該工程的關(guān)鍵控制工程,全長14.346km,設(shè)計開挖斷面2.5m×2.5m,城門洞型,洞身段基本在較完整的花崗巖體中,采用鉆爆法施工;受地形條件限制,已有工作面的平均控制長度1279m,其中吉林省水電工程局承擔(dān)的2#豎井段單工作面控制長度達(dá)1620km,豎井深108m,為本工程施工難點,控制著整個工程的進度。

2 本工程隧洞的設(shè)計和改進

小斷面長距離隧洞是各類隧洞中施工難度較大的,“小”是指機械化程度較高的施工機械不能進洞作業(yè),只能采取以人工為主的方法開挖;“長”是對通風(fēng)、供電、排水和運距相對而言;同樣比較長的距離,對于洞徑較大的,不稱其為長,但對于洞徑較小、主要靠人工作業(yè)的隧洞,就可認(rèn)為是長隧洞。

目前長距離、小斷面引水隧洞中,2m×2m以下開挖斷面還未有工程實例,單工作面掘進長度1.6km也極少,在阿拉山口供水工程前期的設(shè)計階段,受工程總投資控制,隧洞斷面尺寸按照滿足最小施工斷面設(shè)計,開挖洞徑為1.8×1.8m的城門洞型,施工主要以人工為主,目前市場上最小型號電瓶機車的型號為XK2.5-4/48-2A,自重2.5t,3.5k W,長2.3m,寬0.92m,高1.55m,可以滿足運輸需要。原設(shè)計洞徑不具備機械施工條件,只能采用人工裝碴,機械運輸?shù)姆绞?。初步設(shè)計階段控制工期為三年。

隧洞于2005年開始進行試驗性開挖,由于小斷面施工中對爆破的鉗制作用,每一循環(huán)施工僅1.1～1.2m,隨著進尺的延伸,出渣、通風(fēng)排煙明顯受到隧洞斷面的限制,通風(fēng)管直徑一般不小于0.5m,否則,單位長度的風(fēng)壓損失較大,送風(fēng)的距離就短,運輸車與通風(fēng)管的間隔太近,通風(fēng)管容易被尖狀物劃破,加之洞內(nèi)還需要布供水管、高壓電纜、低壓電纜、照明燈具等,造成通風(fēng)時不能出渣,出渣時不能通風(fēng),洞內(nèi)空氣質(zhì)量很差,每循環(huán)作業(yè)時間也在拉長,施工期的安全生產(chǎn)也不易得不到保證,隧洞施工表現(xiàn)出斷面越小開挖條件越差,施工難度大、施工附加工作量也加大,進度和工期的矛盾日益嚴(yán)重,經(jīng)測算,僅開挖需工期57個月。

根據(jù)實際情況,為保證按期完工,經(jīng)過專題論證,設(shè)計變更將洞徑擴大為2.5m×2.5m,以盡可能采用機械化施工,提高工作效率,且更能滿足實施灌漿和噴護的空間要求,有利于實施連續(xù)通風(fēng)、實施灌漿、襯砌、噴錨支護等施工。

隧洞工程于2006年正式開工,實踐證明,擴大洞徑后,每一循環(huán)進尺增加到1.4～1.5m,出渣設(shè)備、通風(fēng)排煙管、供電、排水及供風(fēng)管路在斷面內(nèi)可合理布置,基本滿足施工期的安全生產(chǎn)需要,隧洞總開挖工期28個月,比原設(shè)計洞徑的理論工期減少了29個月。擴大洞徑后,洞挖工程量增加,投資有一定增加,經(jīng)過經(jīng)濟分析,提前完工后的財務(wù)收益完全可彌補增加的投資。

3 隧洞施工

3.1 整體施工方案

隧洞施工采用全斷面開挖,機械出渣。用0.2m3裝巖機裝斗車,水平運輸采用2.5t電瓶車牽引至井底,垂直運輸以礦用絞車提升自制罐籠,罐籠四角采用4根導(dǎo)向繩固定,提升高度40～108m,豎井出渣在井外直接裝自卸汽車,平洞出渣在洞外裝載機裝自卸汽車,運輸至指定棄渣場。

為保證洞壁懸掛通風(fēng)筒、滿足牽引車運輸寬度及另一側(cè)行人避車安全的要求,軌道中心線偏移隧洞中心線150mm。

3.2 主要施工方法

3.2.1 鉆爆開挖方案

根據(jù)不同的圍巖類別采用不同的施工方法見表1。

表1 隧洞開挖施工方案表

3.2.2 進尺的確定

合理的進尺是隧洞掘進作業(yè)的重要參數(shù),按照規(guī)范要求通常選用的循環(huán)進尺為隧洞開挖寬度的0.6倍左右,本工程隧洞開挖寬度為2.5m,進尺為1.5m,鉆孔可取1.7m,該深度處于鉆機的最佳深度范圍。進尺與循環(huán)時間協(xié)調(diào)才能取得最佳掘進效率,本工程為小斷面隧洞,因此采用短進尺、多循環(huán)的工作方式。

3.2.3 爆破設(shè)計

表2 隧洞爆破施工參數(shù)匯總表

合理的爆破參數(shù)是本工程隧洞快速開挖的關(guān)鍵,根據(jù)理論計算分析,采用中心直孔掏槽布置方式,周邊布置輔助孔,外輪廓線布置周邊孔,整個斷面共布置鉆孔34個,光面爆破,隧洞爆破施工參數(shù)(見表2)。

表2隧洞石方開挖的爆破參數(shù),系根據(jù)理論計算結(jié)合實際爆破效果反復(fù)進行爆破試驗總結(jié)的參數(shù),實際施工時按照監(jiān)理最終批復(fù)的爆破試驗成果,作為施工控制參數(shù)。

3.2.4 通風(fēng)散煙

通風(fēng)問題往往成為小斷面長隧洞能否實現(xiàn)快速施工的關(guān)鍵,根據(jù)已有施工經(jīng)驗,施工洞、井內(nèi)的最低風(fēng)速不小于0.15m/s,工作面附近的最小風(fēng)速不低于0.25m/s,隧洞、豎井工作面最大風(fēng)速為4m/s。通風(fēng)主要考慮施工作業(yè)人員所需風(fēng)量、爆破散煙所需風(fēng)量等,經(jīng)計算分析,洞內(nèi)通風(fēng)量不小于45m3/min。

為了安全施工需要,有利于實施連續(xù)通風(fēng),采用壓入式供風(fēng)方式,由于洞徑尺寸限制,洞內(nèi)牽引車行走需要,并與通風(fēng)桶需保持20cm的安全距離,最大限度布置直徑大的供風(fēng)管,以滿足工作面所需風(fēng)量。

本工程采用性能較好、供風(fēng)距離較長的對旋軸流式通風(fēng)機 YBT-62型,風(fēng)機功率22×2k W,供風(fēng)量240m3/min,風(fēng)壓3200～680Pa,選用風(fēng)管為塑料柔性風(fēng)管,懸掛在隧洞一側(cè)墻上。洞挖進尺300m以內(nèi)時,僅開一級風(fēng)機,300～500m時,僅開二級風(fēng)機,進尺超過500m時兩級風(fēng)機全部打開,當(dāng)隧洞掘進到700m以上時,供風(fēng)的沿程損失太大,送至工作面的風(fēng)量很小,此時采取串聯(lián)11kw的軸流風(fēng)機,每隔300m左右設(shè)一臺,由于各段的風(fēng)壓損失已由接力式的風(fēng)機補償,這種供風(fēng)方式也不受洞長的限制。

在本工程實踐中,還總結(jié)出了長距離混合式分散供風(fēng)方式。距工作面50m始終布置一臺吸風(fēng)機,邊開挖邊往工作面移,爆破后首先開啟該風(fēng)機,先往外吸,煙塵經(jīng)硬質(zhì)風(fēng)管吸出200m外,約20min后,關(guān)閉該風(fēng)機;然后開啟供風(fēng)的所有風(fēng)機,從洞口將新鮮空氣吹入,使工作面的空氣較新鮮,一般60min可完成排煙工作,工作面200m范圍內(nèi)空氣質(zhì)量滿足工人安全施工需要。為了安全起見,每次爆破后洞內(nèi)風(fēng)機的開啟按鈕均在井上控制。每次通風(fēng)結(jié)束,工人下井作業(yè)時,專職安全員首先攜帶有害氣體檢測儀檢查,若空氣質(zhì)量不合格繼續(xù)通風(fēng),直至滿足要求為止。

3.2.5 出渣作業(yè)一次爆破有效進尺為1.4～1.5m,方量為 7.96～8.53m3,折合松方約 12.18～13.05m3。采用2.5t的電瓶車牽引礦車出渣,正常情況下每班出渣作業(yè)時間為5～6h。

本工程洞內(nèi)采用有軌出渣,輕軌600mm,在洞內(nèi)鋪設(shè)單線,每隔300m設(shè)一斗車編組站(大避車道位置),每隔100m設(shè)一移車器(小避車道位置);裝渣采用0.2m3風(fēng)動裝巖機,采用0.5m3斗車十二輛,牽引機車采用二臺2.5t電瓶車,一臺用于工作面至編組站的斗車的牽引工作,一臺用于編組站至豎井提升機受料斗處斗車的牽引工作。

平時一臺電瓶車停放于豎井地下卸渣站處,另一臺電瓶車和十二輛空斗車均停放于斗車編組站處,出渣開始時由編組站處一臺電瓶車推動兩臺空斗車,向工作面方向推進,行進至移車器時將一臺斗車推入移車器,另一臺由電瓶車推至裝巖機后開始裝巖,裝巖完畢后則電瓶車將其牽引至斗車編組站處,同時人工將移車器內(nèi)的空斗車推至工作面開始裝巖;牽引重車的電瓶車把斗車牽引至編組站的靠近豎井處的岔口后,推入斗車編組站,并把從編組站遠(yuǎn)離豎井的岔口人工推出的一臺空斗車,向工作面方向推進,至移車器后將空車移出,電瓶車前進至工作面處牽引重車,如此循環(huán);當(dāng)編組站處的重車滿六輛時,由豎井處的電瓶車牽引至豎井卸渣站,提升至地面。

3.2.6 輔助作業(yè)及支護時間

手持風(fēng)鉆進出工作面時間約 20min;準(zhǔn)備、清孔、裝藥時間為60min;爆破時間為10min;通風(fēng)散煙時間為60min;出渣前的工作面清理、集渣、危巖安全處理等項工作約20min。綜合考慮正常情況下每循環(huán)作業(yè)時間取10.1～11.9h,一天按2.38～2.0班計算。

3.2.7 施工供電

施工用電分為洞外供電、洞內(nèi)供電兩類,洞外用電分為生活用電(辦公區(qū)、生活區(qū))、生產(chǎn)用電(空壓機、通風(fēng)機、加工廠、砼拌和機、電焊機、機修等);洞內(nèi)用電主要指電瓶車充電、照明等。

(1)洞外供電。電源引自博州地方電網(wǎng)阿拉山口110kV變電所,供電電壓等級為35kV和10kV,35kV送電線路至2#豎井箱式變電站,10k V送電線路由2#豎井箱式變電站至2#豎井315kVA變壓器。

(2)洞內(nèi)供電。洞內(nèi)400V低壓輸電線路進洞,主干線采用90mm2銅芯膠套電纜,據(jù)用電負(fù)荷理論計算供電距離為1200m,本工程實際供電距離最長為1700m,我們將大功率的用電設(shè)備如空壓機、通風(fēng)機布置在井口,洞內(nèi)照明或動力電距離長,若電壓降過大,采用電容補償器就地補償,盡量避免洞內(nèi)同時啟動多臺用電設(shè)備,根據(jù)實際用電負(fù)荷計算達(dá)到理論供電距離后,設(shè)專職人員跟蹤隨著進尺的達(dá)到,經(jīng)實踐檢驗,該項措施可滿足施工要求。

3.2.8 施工排水

根據(jù)地質(zhì)條件,隧洞開挖過程中局部地段涌水量豐富,尤其是受地形限制,豎井均布置在溝內(nèi),施工期降雨入滲、開挖作業(yè)面層間滯水等需要盡快排出。隧洞設(shè)計坡度1‰,對于開挖面向上游的可以自流排水,匯集至豎井底部集中抽排;對于開挖面向下游的只能分段匯集,利用開挖碴料圍堵,分段抽排,出水點集中部位采用橡膠軟管導(dǎo)水。

4 結(jié)語

在長距離、小洞徑斷面施工中,爆破夾制作用大,炮眼利用率低,嚴(yán)重影響施工進尺,超挖工作量也相對較大,需要認(rèn)真研究合理的掏槽方式、施工循環(huán)進尺、炸藥單耗等,并根據(jù)具體情況研究長距離通風(fēng)、供電方式等,以確保施工安全,在實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗。

1 水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范[S].SL/47-94

2 水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S].SL/279-2002

3 錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范[S].GB50086-2001