施工因素在小斷面水工隧洞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

摘 要：本文主要介紹奉節(jié)縣草坪河水庫(kù)輸水工程中輸水隧洞橫斷面的確定方法，除了考慮傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)流能力外，還需考慮了施工條件對(duì)隧洞斷面尺寸的影響；綜合分析后，合理選擇了隧洞斷面尺寸，為后期隧洞安全、快速施工創(chuàng)造條件。對(duì)類似小斷面水工隧洞設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：施工因素；小斷面；水工隧洞設(shè)計(jì)；應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：TV554 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）24-0132-02

引 言

目前，隧洞工程為水利、交通、礦洞工程和其它相關(guān)工程的組成部分，發(fā)揮著重要的作用[1]。傳統(tǒng)的水工隧洞設(shè)計(jì)對(duì)隧洞橫斷面尺寸的選取主要考慮設(shè)計(jì)過(guò)流能力的要求，當(dāng)引水流量較小時(shí)，一般選取最小設(shè)計(jì)斷面，對(duì)施工因素的考慮較少，對(duì)后期施工不利。奉節(jié)縣草坪河水庫(kù)工程輸水隧洞在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅考慮了設(shè)計(jì)過(guò)流能力對(duì)隧洞橫斷面的要求，還對(duì)施工因素進(jìn)行了綜合考慮，為隧洞安全、快速施工創(chuàng)造條件。

1 工程概況

草坪河水庫(kù)位于重慶市奉節(jié)縣竹園鎮(zhèn)草坪村草坪河中游的鐵廠溝河段。地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°15′～109°30′，北緯31°15′～31°25′。水庫(kù)總庫(kù)容1113萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)灌溉面積7.4769萬(wàn)畝，草坪河水庫(kù)承擔(dān)灌溉面積5.2295萬(wàn)畝，其中分擔(dān)青蓮溪水庫(kù)灌區(qū)灌面4.5263萬(wàn)畝、新增草坪河水庫(kù)灌區(qū)0.7032萬(wàn)畝。工程規(guī)模為中型，水庫(kù)工程等別屬Ⅲ等，混凝土擋水壩、溢流壩及取水塔為3級(jí)，壩后電站、草坪河底攔柵壩、碓房溝底攔柵壩、碓房溝箱涵、無(wú)壓引水隧洞為4級(jí)；臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

無(wú)壓引水隧洞線路總長(zhǎng)8400m，進(jìn)口底板高程682.50m，出口底板高程665.70m，比降1/500，設(shè)計(jì)引水流量為4.41～6.08m3/s。輸水工程引水隧洞（草坪河-碓房溝）段長(zhǎng)950.00m，采用拱涵穿越碓房溝，長(zhǎng)20.0m；（碓房溝-竹園河-青蓮溪水庫(kù)）段長(zhǎng)7430m，后接8m長(zhǎng)渠道流入青蓮溪水庫(kù)。

2 隧洞橫斷面初定

無(wú)壓水工引水隧洞設(shè)計(jì)主要通過(guò)水力計(jì)算考慮設(shè)計(jì)過(guò)流能力對(duì)橫斷面大小的需求。

隧洞水力學(xué)計(jì)算首先應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)短洞的判別，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)0

無(wú)壓引水隧洞斷面尺寸從施工運(yùn)輸、通風(fēng)排氣角度考慮，調(diào)查類比同類工程確定，分別為1.8m×2.2m、1.9m×2.3m（寬×高），水力計(jì)算成果見(jiàn)表1。

3 隧洞施工方法簡(jiǎn)介

無(wú)壓引水隧洞總長(zhǎng)8400m，其中II類圍巖長(zhǎng)960.0m，Ⅲ類圍巖長(zhǎng)2659.0m，Ⅳ類圍巖長(zhǎng)3193.50m，Ⅴ類圍巖長(zhǎng)1567.50m。對(duì)于Ⅱ、Ⅲ類圍巖首先采用噴C20混凝土（厚100）進(jìn)行支護(hù)，對(duì)于Ⅲ類圍局部不良段采用隨機(jī)錨桿[M30？準(zhǔn)25砂漿（L=2）]支護(hù)；襯砌采用整體式結(jié)構(gòu)。頂拱、邊墻及底板為C15混凝土，襯砌厚度0.25m，對(duì)頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿處理；對(duì)于Ⅳ類圍巖圍巖首先采用掛網(wǎng)（？準(zhǔn)8@200）噴護(hù)（噴10cmC20混凝土）進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)采用M30砂漿系統(tǒng)錨桿？準(zhǔn)25（L=2，間排拒為1.0m）支護(hù)；襯砌采用整體式結(jié)構(gòu)。頂拱、邊墻及底板為C20鋼筋混凝土，襯砌厚度0.25m，對(duì)頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿處理。對(duì)于Ⅴ類圍巖及隧洞進(jìn)出口段首先采用16#工字鋼支護(hù)，同時(shí)采用M30砂漿系統(tǒng)錨桿？準(zhǔn)25（L=2，間排拒為1.0m）支護(hù)；襯砌采用整體式結(jié)構(gòu)，襯砌材料為C20鋼筋混凝土，襯砌厚度0.3m。對(duì)頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿處理，對(duì)突水、松散煤層等采用固結(jié)灌漿處理，入巖深2m，間排距2m，梅花型布置。

隧洞掘進(jìn)采用鉆爆法施工，因隧洞斷面較小，推薦采用光面爆破，全斷面開(kāi)挖。開(kāi)挖采用YT28型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，人工裝藥爆破。洞挖石渣均采用扒渣機(jī)裝渣，1t機(jī)動(dòng)翻斗車運(yùn)至相應(yīng)棄渣場(chǎng)。引水隧洞斷面較小，采用全斷面開(kāi)挖施工，周邊光面爆破。爆破后采用壓入式通風(fēng)方式，風(fēng)管出口距工作面40m。按爆破后20min內(nèi)將工作面的有害氣體排出或沖淡至允許濃度計(jì)算，每千克炸藥爆破時(shí)所產(chǎn)生的有害氣體折合成40L一氧化碳。本工程單個(gè)工作面一次性爆破藥量不多于50kg。由于爆破后作業(yè)產(chǎn)生的塵量大，濃度高，在距掌子面20m設(shè)置一道水幕，水幕降塵器設(shè)置在邊頂拱上，爆破前10min打開(kāi)水幕開(kāi)關(guān)。由于水霧密度大，影響洞內(nèi)視線，因而，在水幕附近加強(qiáng)照明。隧洞順坡工作面一般采用自流排水，倒坡工作面隨掘進(jìn)進(jìn)度開(kāi)挖積水坑，小型水泵抽水排出。采用HP-30型噴射機(jī)噴射混凝土，人工操作。邊頂拱混凝土由1t機(jī)動(dòng)翻斗車轉(zhuǎn)運(yùn)至工作面，采用HB60型混凝土泵泵送入倉(cāng)，立組合鋼模板；底板混凝土由1t機(jī)動(dòng)翻斗車運(yùn)輸至工作面直接入倉(cāng)。附壁式振搗器配合插入式振搗振實(shí)。在洞外布置固定空壓站，用風(fēng)管連接至洞口并沿隧洞頂部向前延伸工作面。在供風(fēng)管上每100m或200m焊接安裝閘閥，作為臨時(shí)用風(fēng)接口，能滿足施工供風(fēng)需求。施工供水采用在進(jìn)洞口高處布置蓄水池。用鋼管沿隧洞右邊墻頂部洞內(nèi)施工工作面延伸，并每100m安裝閘閥接口1個(gè)，解決開(kāi)挖及噴護(hù)的用水需求。施工供電采用洞內(nèi)洞外獨(dú)立供電方式，用185mm？供電線路向洞外空壓房供電，用120mm2動(dòng)力供電線路向洞內(nèi)施工的水泵、噴護(hù)機(jī)具設(shè)備供電，照明采用16mm2照明線路供電，進(jìn)洞線路布置于邊墻左側(cè)拱腳部位，其布置高度均超過(guò)相關(guān)規(guī)范要求。照明線路上每20m安裝防爆式節(jié)能燈1個(gè)，解決沿途基本照明，而施工作業(yè)照明則采用防爆礦用充電燈照明。

4 隧洞施工因素考慮

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定及隧洞施工方法可按以下方式考慮施工因素。

4.1 風(fēng)管管徑計(jì)算

（1）按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)，每人供給不少于0.05m3/s新鮮空氣計(jì)算?？紤]洞內(nèi)單個(gè)工作面最大工作人數(shù)6人。

（2）按爆破后20min內(nèi)將工作面的有害氣體排出或沖淡至允許濃度計(jì)算，每千克炸藥爆破時(shí)所產(chǎn)生的有害氣體折合成40L一氧化碳。本工程單個(gè)工作面一次性爆破藥量不多于50kg。

（3）洞內(nèi)使用材油機(jī)械時(shí)，按每千瓦供風(fēng)量0.068m3/s計(jì)算，并與同時(shí)工作人員所需風(fēng)量相加。本工程計(jì)劃采用功率不大于14kW的耙渣機(jī)1臺(tái)、功率不大于14kW的機(jī)動(dòng)翻斗車4臺(tái)（其中兩臺(tái)滿載，兩臺(tái)空載）、每臺(tái)機(jī)械配置兩名工作人員。

（4）計(jì)算通風(fēng)量時(shí)，根據(jù)通風(fēng)方式和長(zhǎng)度考慮漏風(fēng)增加值，漏風(fēng)系數(shù)取1.2～1.5。本工程綜合考慮取1.3。

（5）單端掘進(jìn)長(zhǎng)度不長(zhǎng)于2308m，采用功率不大于14kW機(jī)動(dòng)翻斗車除渣，同時(shí)在洞中空載運(yùn)行不多于2臺(tái)，滿載運(yùn)行不多于2臺(tái)，功率不大于14kW的內(nèi)燃機(jī)1臺(tái)，手風(fēng)鉆鉆孔，一次性爆破藥量少不多于50kg。

（6）隧洞處于高海拔1000m以上時(shí)計(jì)算出的通風(fēng)量應(yīng)乘以高程修正系數(shù)。本工程的隧洞均在海拔1000m以內(nèi)。

（7）計(jì)算的通風(fēng)量按最大最小允許風(fēng)速和相應(yīng)的洞室溫度所需的風(fēng)速進(jìn)行校核。本工程洞室溫度為15～20℃。

經(jīng)計(jì)算，本工程總需風(fēng)量最小值為245.29m3/min。經(jīng)比較選取700mm風(fēng)管，需系統(tǒng)風(fēng)壓值2491Pa。

4.2 考慮開(kāi)挖、運(yùn)輸及除渣機(jī)械占用隧洞面積

本隧洞開(kāi)挖時(shí)，最小凈寬2.3m，高2.7m（最小開(kāi)挖斷面減除初期支護(hù)后的斷面）。本工程出渣選用FC15小型翻斗車，斗容0.75方，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：2720×1600×1420mm。裝渣選用SWY-55小型扒渣機(jī)，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：5050×1350×1500mm。一個(gè)工作面配備一臺(tái)耙渣機(jī)4臺(tái)翻斗車。滿足設(shè)計(jì)開(kāi)挖運(yùn)輸強(qiáng)度要求。施工過(guò)程中洞內(nèi)設(shè)施布置見(jiàn)圖2。經(jīng)復(fù)核，現(xiàn)有設(shè)計(jì)洞徑是合適的，能夠適應(yīng)施工要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以奉節(jié)縣草坪河水庫(kù)輸水工程中輸水隧洞橫斷面的確定過(guò)程為例，在隧洞橫斷面選擇中首先考慮了過(guò)流能力需求，還考慮了隧洞施工條件對(duì)隧洞橫斷面尺寸的影響?？偨Y(jié)提煉了一套小斷面水工隧洞設(shè)計(jì)中施工因素復(fù)核的方法，對(duì)類似小斷面水工隧洞的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[4]《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL303-2016）[S].

[5]《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范附錄P》（GB50288-99）[S].

收稿日期：2018-7-21

作者簡(jiǎn)介：張耀屹（1986-），男，工程師，碩士研究生，港口海岸及近海工程專業(yè)，主要從事水工結(jié)構(gòu)及施工組織設(shè)計(jì)研究。