鉆爆法超長施工支洞設(shè)計(jì)

王 磊

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

鉆爆法超長施工支洞設(shè)計(jì)

王 磊

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

新疆KS隧洞自然長度283.41km，是目前世界在建最長的輸水隧道，采用“以TBM為主，鉆爆法為輔”的施工方案，劃分為11個(gè)TBM施工段和14個(gè)鉆爆法施工段。11個(gè)TBM施工段共布置11條施工支洞，其中緩斜井10條，豎井1條。KS隧洞平均埋深428m，最大埋深774m，283.41km長的洞線地面高程在560-1350m之間，整體地形平緩，起伏不大，布置緩斜井的地形條件較差，通過對(duì)大坡度施工支洞的調(diào)查研究，最終確定了本工程施工支洞的縱坡和斷面尺寸，在施工中取得了良好效果。

水利工程；施工支洞；調(diào)查研究大坡度；超長

1 工程概況

新疆北部某輸水工程等級(jí)為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型工程。KS隧洞是該工程的重要組成部分，自然長度283.41km，是目前世界在建最長的輸水隧道隧洞，平均埋深428m，最大埋深774m，為無壓洞，縱坡采用1/2583。KS隧洞采用“以TBM為主，鉆爆法為輔”的施工方案，其中TBM掘進(jìn)長度226.75km，分為11個(gè)TBM施工段，開挖洞徑為7.00m，建筑物級(jí)別為1級(jí)。

11個(gè)TBM施工段共布置11條施工支洞，支洞類型分為TBM進(jìn)入洞和TBM中間洞。TBM進(jìn)入洞是指TBM段起始點(diǎn)的施工通道，TBM掘進(jìn)機(jī)拆分件由此進(jìn)入，共布置6條，均布置為緩斜井(傾角>6°)。TBM中間洞是指由于TBM施工段落的長度較長，除每段的TBM進(jìn)入通道外，在段落中部布置一條中間通道，縮短TBM施工洞段的供電、通風(fēng)距離、物料運(yùn)輸?shù)木嚯x、提前采用鉆爆法施工主洞，TBM掘進(jìn)機(jī)通過中間通道后，可以利用TBM進(jìn)入洞進(jìn)行已完成掘進(jìn)段的永久混凝土襯砌，縮短工期，中間的洞共布置5條，其中4條緩斜井，1條豎井。所有施工支洞在工程完建后作為KS運(yùn)行期檢修和通風(fēng)通道，建筑物級(jí)別為3級(jí)。

11條施工支洞中有10條緩斜井和1條豎井；10條緩斜井中有8條采用鉆爆法施工，有2條采用TBM施工。8條采用鉆爆法施工的支洞設(shè)計(jì)是文章的主要內(nèi)容。

2 地形地質(zhì)條件

KS隧洞位于準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠東部，穿越阿爾泰山南坡和東天山北坡之間所夾的低山區(qū)、低山丘陵區(qū)。海拔高程560-1350m，地形起伏不大。低山區(qū)，高差50-150m，局部高差300m；低山丘陵區(qū)，高差10-20m，局部高差40m，主要為戈壁荒漠區(qū)。

KS隧洞段通過的地層主要為：古生界志留系(S)片理化凝灰?guī)r；泥盆系(D)凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r夾凝灰角礫巖、鈣質(zhì)砂巖夾炭質(zhì)頁巖；石炭系(C)凝灰質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)砂礫巖、炭質(zhì)粉砂巖、安山巖、火山角礫巖、砂巖夾炭質(zhì)頁巖、凝灰?guī)r夾角礫熔巖、凝灰礫巖夾炭質(zhì)粉砂巖、石英斑巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰?guī)r夾凝灰角礫巖、安山玢巖、片理化凝灰?guī)r，均屬厚層狀和塊狀中-堅(jiān)硬巖；其次為華力西期(γ)侵入花崗巖、石英閃長巖，屬堅(jiān)硬巖。尾部分布少量中生界二疊系(P)砂巖、砂礫巖夾泥巖互層；三疊系(T)泥巖夾砂巖、砂礫巖互層，屬中厚層狀軟-較軟巖。

3 縱坡設(shè)計(jì)

本工程隧洞沿線除進(jìn)口段和卡拉麥里山分別發(fā)育有低矮的小山梁群、且地形有較大的起伏外，其它地段的地面總體較為平坦、開闊，高差起伏不大。因此，本工程施工支洞為減小長度，必須增大縱坡。

經(jīng)過對(duì)超長大坡度施工支洞陡具有代表性的遼寧北部某供水工程及引漢濟(jì)渭工程兩項(xiàng)工程進(jìn)行調(diào)查，共統(tǒng)計(jì)了30條施工支洞，結(jié)果見表1。

表1 大坡度施工支洞調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1 大坡度施工支洞調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析如下：

1)其中18條支洞綜合縱坡分布在8%-11%之間，占支洞總數(shù)的60%，并且支洞綜合縱坡與洞長有直接的關(guān)系，洞長越長綜合縱坡相對(duì)較緩。

2)長度在2.0km以下的施工支洞共20條，占支洞總數(shù)的66.67%。

3)遼寧北部某供水工程新增的5'號(hào)支洞洞長1251m，綜合縱坡達(dá)到14.5%，該洞在施工過程中曾發(fā)生過剎車失靈等安全問題，施工方將運(yùn)輸車輛全部更換成全驅(qū)軍隊(duì)專用車，但仍運(yùn)行困難。

4)遼寧北部某供水工程的12號(hào)支洞長1870m，綜合縱坡12.66%，經(jīng)調(diào)查，該施工支洞正常運(yùn)行。

5)洞長>2.0km的支洞共10條，占支洞總數(shù)的33.33%，其中綜合縱坡>10%的支洞共2條，占總數(shù)的6.67%。

6)引漢濟(jì)渭工程4號(hào)支洞長5786m，綜合縱坡10.78%。

根據(jù)上述分析結(jié)果，長度>2.0km、綜合縱坡>10%的施工支洞運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，但考慮到目前施工設(shè)備性能的不斷提高、施工經(jīng)驗(yàn)的積累；主洞施工時(shí)采用皮帶機(jī)出渣，汽車主要運(yùn)輸施工物資，運(yùn)輸量不大；采取有效的安全措施，并經(jīng)過專家咨詢，KS隧洞TBM施工段的8條鉆爆法施工支洞坡度確定為12%，縱斷面設(shè)計(jì)為200m長12.9%的陡坡+20m長3%的緩坡，見圖1。長度統(tǒng)計(jì)見表2。

圖1 施工支洞縱坡組合示意圖

序號(hào)支洞編號(hào)與主洞夾角/°與主洞交點(diǎn)樁號(hào)/m埋深/m綜合縱坡/%長度/m備注1P17913+500187121315TBM1中間洞2P29043+000232121689TBM2中間洞3T19058+153216121656TBM2和3進(jìn)入洞4P2+5568+753223121720TBm3中間洞5P47598+500347122567TBM4中間洞6T286117+153382122987TBM4和5進(jìn)入洞7T2+55137+000465123852TBM6進(jìn)入洞8T581270+393275122047TBM11進(jìn)入洞

4 斷面設(shè)計(jì)

本工程施工支洞橫斷面尺寸確定的主要因素如下：

4.1 TBM大件運(yùn)輸

本工程TBM掘進(jìn)機(jī)均在洞內(nèi)組裝，TBM組裝硐室布置在支洞與主洞交叉口的兩側(cè)，主要大件尺寸見表3。大件經(jīng)TBM進(jìn)入洞運(yùn)輸至組裝硐室，主洞完建后，TBM掘進(jìn)機(jī)原地拆卸，拆卸后的大件經(jīng)TBM中間洞運(yùn)至洞外。

表3 TBM主要大件尺寸及重量

圖2 施工支洞陡坡段、緩坡段橫斷面示意圖

4.2 便于支洞施工

本工程施工支洞坡度較大，支洞出渣最簡(jiǎn)便的方式為側(cè)卸式裝載機(jī)與自卸車并排裝渣。施工常用的15t自卸車寬2.5m，高3.45m；側(cè)卸式裝載機(jī)寬2.95m，高3.5m，斗容量2.5m3，側(cè)卸高度4.0m，經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，此施工方案的最小開挖寬度為6.7m。

4.3 主洞施工時(shí)的設(shè)備布置

主洞施工施工期間，施工支洞動(dòng)身內(nèi)布置有出渣皮帶機(jī)、行車道、2條直徑2.2m的風(fēng)管(TBM中間洞布置1條)、各種管路和供電線路等設(shè)施。皮帶機(jī)包括附屬裝置總寬度1.436m，與洞壁的安全距離0.5m。

分析上述各種因素，施工支洞的橫斷面尺寸由主洞施工控制，根據(jù)風(fēng)管尺寸、出渣皮帶機(jī)的布置、汽車尺寸和洞內(nèi)錯(cuò)車要求，施工支洞陡坡段斷面凈尺寸6.7m×6.8m(寬×高，城門洞型)，緩坡段設(shè)置錯(cuò)車道，斷面凈尺寸8.5m×6.8m(寬×高，城門洞型)。Ⅱ-Ⅲ類圍巖洞段采用噴錨支護(hù)；Ⅳ-Ⅴ類圍巖洞段一次支護(hù)采用噴錨支護(hù)，永久支護(hù)采用0.3-0.4m厚鋼筋混凝土襯砌。

5 安全措施

采取的安全措施如下：

1)在出渣期間安排專人負(fù)責(zé)交通指揮，對(duì)進(jìn)出洞的車輛進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，除值班人員一律不得在隧洞內(nèi)停留。

2)混凝土路面施做防滑措施，加強(qiáng)道路養(yǎng)護(hù)工作，將路面的水引排至右側(cè)水溝內(nèi)，保持路面干燥，隨時(shí)清除撒落路面的石頭或其它尖銳物體，避免對(duì)運(yùn)輸車輛造成損傷。

3)加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)，確保照明充足，保證洞內(nèi)視線良好。

4)確保洞內(nèi)各交界處設(shè)置轉(zhuǎn)彎標(biāo)志、警示燈，并設(shè)置專人負(fù)責(zé)該處的運(yùn)輸安全。

5)定期對(duì)所有行走設(shè)備剎車制動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、變速系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致而全面的檢查保養(yǎng)，堅(jiān)決杜絕超載現(xiàn)象。

6)施工作業(yè)地段正常行駛速度不得超過10km/h，回車時(shí)不得超過5km/h，非作業(yè)地段正常運(yùn)行不超過20km/h，嚴(yán)禁超載、超速、超高、超寬行駛。

7)洞內(nèi)運(yùn)輸過程中不應(yīng)停車，確需在井身停車時(shí)要用三角木打阻車器，且操作司機(jī)不得擅自離開。

8)每間隔200m設(shè)置坡度為3%的錯(cuò)車道，并設(shè)置警示標(biāo)志、安全會(huì)車標(biāo)志、防撞墻及防撞墩，且設(shè)置水平緩沖帶。

9)出渣期間每車配置2名駕駛員，嚴(yán)禁駕駛員疲勞駕駛。

6 結(jié) 語

目前8條施工支洞均已全部開工，其中T1支洞(長1656m)和T2(2987m)已完工，最長的T2+施工支洞已施工至3147m。在實(shí)際施工過程中，所有施工支洞均運(yùn)行安全，無任何安全事故，圍巖條件較好的T2施工支洞于2015年9月初免爆法施工進(jìn)洞，同年11月中旬炸藥到位后開始從洞身0+100m樁號(hào)開始正常鉆爆施工，于2016年12月低貫通，正常施工后平均進(jìn)尺210m/月，高峰進(jìn)尺256m/月。

[1]中華人民共和國水利部.SL 303-2004水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2004.

[2]中華人民共和國水利部.SL 642-2013水利水電地下工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3]康世榮，陳東山.水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國水利電力出版社，1990：29-36.

Ultra-long Construction Tunnel Design with Drill and Blast Method

WANG Lei

(Xinjiang Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation, Design and ResearchInstitute, Urumqi 830000, China)

The natural length of KS tunnel in Xinjiang is 283.41km and is the longest diversion tunnel in the world today, a construction scheme of “taking TBM as the main, taking the drill and blast method as a supplement” is adopted for it, being divided into 11 construction sections of TBM totaling of 14 construction tunnels laid, of which, 10 gently inclined shaft and one vertical shaft. The average depth embedded of KS tunnel is 428m, the largest depth laid is 774m, the elevation of ground surface on tunnel line in 283.41km is between 560 meters and 1350 meters, the topography is gentle, less undulant, to lay gentle shaft in poor topographic conditions, through survey and study on construction tunnel in sheep slope, finally, to decide the longitude slope and section dimensions of the construction tunnel, achieving good results in the construction of the project.

hydraulic project; construction drift; survey and study; steep slope; super-long

1007-7596(2017)07-0047-05

2017-06-18

王磊(1983-)，男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。

TV554.1

B