深埋長隧洞施工支洞布置型式比選研究

韋道嘉，李曉燕，周紹紅

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 工程特點和施工支洞布置條件

滇中引水工程楚雄段輸水總干渠全長142.816km，包括隧洞、暗涵、渡槽和倒虹吸等建筑物，其中隧洞總長129.91km，占全長的90.97%。輸水線路穿越地層主要為“滇中紅層”，巖性以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖(含泥灰?guī)r)及砂巖等為主。隧洞穿越的地層主要為滇中紅層，約占隧洞總長的95%，在線路后段局部穿越昆陽群淺變質(zhì)巖和白云巖地層，其中隧洞穿越軟巖為主地層約占73.7%；工程區(qū)域內(nèi)分布有元謀—綠汁江斷裂和羅茨—易門斷裂兩條區(qū)域性活動斷裂，以及若干規(guī)模較大的斷層；其復(fù)雜的地形地質(zhì)條件決定了輸水隧洞的施工方法適宜選擇常規(guī)鉆爆法。

軟巖隧洞和斷層施工是楚雄段隧洞施工的難點和重點，但沿線經(jīng)過的地域復(fù)雜，工程施工與周邊干擾較大，除穿越高山、河谷、沖溝外，還經(jīng)過水庫、魚塘、農(nóng)田、村莊、鐵路、公路等以及人類活動密集的區(qū)域，工程受外圍因素限制較多，施工支洞布置條件差。

楚雄段輸水線路施工控制工期為89個月。

2 斜井支洞與平支洞運輸能力分析

2.1 平支洞斷面設(shè)計

平支洞采用無軌運輸方式。支洞的斷面寬度主要考慮自卸汽車的寬度、人行道寬度、風(fēng)水管布置寬度及安全距離等，同時考慮主洞洞徑大、運輸強度高，施工支洞擬采用雙車道；支洞的斷面高度考慮自卸汽車的高度、風(fēng)管高度、風(fēng)管距離自卸汽車車頂?shù)母叨?、安全距離、架線高度等。綜合考慮各種因素，平洞支洞斷面采用城門洞型，斷面尺寸為7.5m×6.0m(寬×高)，如圖1所示。

圖1 平支洞橫斷面圖

2.2 斜井支洞斷面設(shè)計

斜井支洞采用有軌運輸方式。斜井支洞的斷面寬度主要考慮有軌運輸車的寬度、列車間的凈距、人行道寬度、風(fēng)水管布置寬度等；支洞的斷面高度考慮軌道至底板高度、有軌運輸車的高度、風(fēng)管高度、風(fēng)管距離有軌運輸車車頂?shù)母叨?、安全距離、架線高度等。斜井支洞采用有軌運輸方式，各斜井支洞均要承擔(dān)上下游兩個工作面的出渣、支護材料運輸、施工人員上下運輸?shù)?，考慮洞內(nèi)運輸強度大，并避免或減少施工干擾，為上下游工作面施工進度提供保證，斜井支洞按四線雙車道布置設(shè)計。

楚雄段沿線地層主要為“滇中紅層”，巖性為軟巖，隧洞開挖過程中部分洞段需采用“邊挖邊襯”的方法，而斜井支洞采用“溜槽”運輸混凝土；而昆明段沿線多位于可溶巖地層，對于巖溶洞段，施工排水量大，排水管占用寬度較大。因此，施工支洞布置還應(yīng)考慮溜槽及排水管的布置。

表1 斜井出渣能力計算成果

斜井支洞斷面按四軌雙車道布置，斷面尺寸為6.5m×5.5m，如圖2所示。

圖2 斜井橫斷面圖

2.3 斜井出渣運輸能力

2.3.1斜井提升斗車的循環(huán)時間

斜井提升斗車的循環(huán)時間(T)，主要包括斗車的裝渣時間(T1)、斗車提升及下放時間(T2)、斗車卸渣時間(T3)以及其他不可預(yù)見的時間(T4)。

斜井提升斗車的一次循環(huán)時間(T)為

T=T1+T2+T3+T4

(1)

2.3.1.1 斗車的裝渣時間(T1)

斜井底部斗車裝車時間(T1)。斗車容量10m3，采用15t自卸汽車從掌子面運渣料至斜井底，再卸入斗車。不考慮斗車等待情況，斗車裝渣用時150s。

2.3.1.2 斗車提升及下放時間(T2)

T2=2L/v

(2)

式中,T2—斗車提升及下放時間，s；L—斜井長度，取600m(楚雄昆明段支洞平均長度422m)；v—斗車提升速度，根據(jù)實際工程經(jīng)驗，一般為2～4m/s。

2.3.1.3 斗車卸渣時間(T3)

斗車洞外卸渣時間取90s。

2.3.1.4 其他不可預(yù)見的時間(T4)

其他不可預(yù)見的時間取60s。

2.3.2斜井提升能力

采用10m3斗容的斗車提升渣料，考慮斗車裝渣容量折減系數(shù)0.9，每天出渣時間按12h計(每天施工時間20h，其他時間運輸材料和作輔助運輸?shù)?，每月25d，則斜井四軌雙車道的出渣提升能力見表1。安全穩(wěn)妥起見，取斗車提升速度為2m/s，對應(yīng)的斜井月出渣能力為21600m3/月(松方)。

2.3.3斜井出渣強度要求

設(shè)計進尺中，主洞上層出渣能力要求最大的是Ⅱ類圍巖開挖，月進尺120m/月，循環(huán)進尺2.5m，一個循環(huán)的出渣量220m3(松方)，出渣時間6h，小時出渣強度最大要求為36.7m3/h(松方)。

設(shè)計進尺中，主洞單工作面下層開挖月進尺140m/月，循環(huán)進尺5m，一個循環(huán)出渣量最大為290m3(松方)，出渣時間6h，小時出渣強度最大為48.3m3/h(松方)。

斜井提升出渣能力為21600m3/月以上，可滿足主洞上下游兩個工作面的上層開挖累計月進尺245m/月的出渣強度要求，可滿足兩個工作面下層開挖累計月進尺372m/月的出渣強度要求。

2.3.4斜井出渣能力分析

從斜井提升能力、主洞單工作面開挖月進尺及出渣強度要求等方面綜合分析，斜井支洞采用四軌雙車道的提升能力，完全可以滿足主洞開挖強度的要求，斜井有軌運輸不制約主洞開挖進度。

施工中需合理做好洞內(nèi)施工組織設(shè)計，加強主洞上、下游工作面的工序銜接和循環(huán)時間的控制，保證施工進度。

2.4 斜井混凝土運輸能力

2.4.1斜井溜槽輸送混凝土效率

根據(jù)工程經(jīng)驗，不同高差的斜井溜槽輸送混凝土的生產(chǎn)率一般在20～25m3/h，高峰期每天溜送混凝土?xí)r間按12h計，每月按25d計，則單組溜槽輸送混凝土的能力為6000～7500m3/月。

2.4.2斜井混凝土運輸強度要求

根據(jù)設(shè)計進尺，主洞控制段單工作面混凝土澆筑月進尺140m/月，單工作面澆筑強度為2884m3/月，上下游兩個面的月澆筑強度即為5768m3/月。

斜井單組溜槽輸送混凝土的能力為6000～7500m3/月。若有需要，斜井內(nèi)可布置兩組溜槽，則輸送混凝土的能力達到12000～15000m3/月。可滿足兩個工作面混凝土澆筑累計月進尺582～728m/月的強度要求。

2.4.3斜井運輸混凝土能力分析

從斜井溜槽輸送混凝土能力、主洞單工作面澆筑月進尺及澆筑強度要求等方面綜合分析，斜井支洞采用溜槽輸送混凝土的能力，完全可以滿足主洞襯砌混凝土澆筑的要求，斜井不制約主洞襯砌進度。

通過對平洞與斜井布置方案出渣能力進行分析，斜井方案采用四軌雙車道斜井運輸及平洞采用自卸汽車運輸，施工強度滿足主洞施工要求，不制約主洞的出渣和混凝土澆筑強度，但對于富水洞段的施工，斜井的排水壓力相對較大。

3 施工支洞布置總體原則

(1)施工支洞的設(shè)置以均衡施工為原則，既要滿足進度要求，又要經(jīng)濟合理。

(2)沿輸水隧洞洞線施工支洞間距一般控制在2.5～3.5km，主洞施工單工作面長度一般控制在1.3～1.8km，局部條件困難的控制在2.0km左右。

(3)施工支洞設(shè)置一般優(yōu)先考慮平洞，其次為斜井。平洞坡度一般小于9%，最大不宜超過10%；斜井傾角在20°～25°，一般22°。

(5)施工支洞應(yīng)選擇洞線地質(zhì)條件相對較好、洞口圍巖穩(wěn)定的位置，并避開泥石流、滑坡體等不良地質(zhì)部位。

(6)支洞口交通條件較好，并盡量避開村莊、交通主干道、水庫等人類活動密集和敏感區(qū)域，洞口附近有足夠場地布置施工臨時設(shè)施和渣場。

(7)支洞口設(shè)置高程應(yīng)考慮防洪的要求，底板高程應(yīng)設(shè)在防洪水位以上。

(8)支洞口位置的選擇還應(yīng)考慮環(huán)保水保的要求。

4 平洞與斜井經(jīng)濟性分析

4.1 分析條件說明

斜井的傾角取20°～25°，一般為22°；平洞坡度最大10%，一般8%～9%。

投資分析包擴支洞本身投資及相應(yīng)承擔(dān)的主洞投資。主洞工程量按支洞平均控制主洞施工段長3.2km長度計算，主洞計算斷面分別選擇楚雄段、昆明段輸水線路中部具有代表性的隧洞斷面，計算斷面分別按8.2m×9.6m、6.7m×7.2m考慮。

針對每一支洞的平洞方案和斜井方案，假設(shè)平支洞與斜井支洞進口工程投資相同。

4.2 平洞與斜井支洞布置方案的經(jīng)濟比較方法

以上述設(shè)定為前提，逐一計算不同高差、不同型式的支洞洞挖、混凝土等工程量及投資變化情況，從而分析支洞高差與總投資之間的關(guān)系。

工業(yè)4.0這一主題早已與注塑機制造商息息相關(guān)。工業(yè)監(jiān)測和控制的網(wǎng)絡(luò)化與數(shù)字化可提升注塑工藝過程的透明度，并可以從經(jīng)濟效能上有花生產(chǎn)過程，而實現(xiàn)這種注塑工藝網(wǎng)格化的基礎(chǔ)則是只能得工具傳感器。例如瑞士Kistler公司提供的傳感器，該模具中的傳感器能對工藝過程進行監(jiān)測，并使該過程更加透明，工作效率也將因此得到提高。

支洞經(jīng)濟分析中總投資包括支洞部分投資和主洞部分投資。支洞部分根據(jù)各支洞方案的擬定斷面、洞長及圍巖分類，分別計算工程量；主洞部分根據(jù)代表性隧洞斷面和段長計算主要可比選項目的工程量；投資按每20m高差一個計算步數(shù)，對高差為40～240m范圍內(nèi)的平支洞與斜井的主要項目進行單價分析，進而進行總投資比較，得到以下支洞高差—總投資曲線圖。

針對具體的某條支洞，存在斜井方案與平洞方案洞口可能位于不同位置，兩種方案高差相差較大的情況，如圖3所示中曲線可以查出某個高差的斜井與其投資相當?shù)钠蕉吹母卟钪?，具體對應(yīng)情況見表2。

圖3 施工支洞高差-總投資曲線

序號斜井支洞高差/m平支洞高差/m124014022201353200130418012051601106140105712010081009097777

5 平洞與斜井技術(shù)經(jīng)濟比選

施工支洞布置方案的比選原則如下：

(1)輸水線路穿越多處人類活動密集區(qū)域且受外圍環(huán)境制約，施工支洞及生產(chǎn)生活區(qū)一方面盡量靠近已有縣鄉(xiāng)公路，方便交通；另一方面還與集鎮(zhèn)、村莊、工廠、主干公路等保持一定距離，減少了彼此干擾和影響。

(2)支洞口施工場地能適應(yīng)平洞和斜井、豎井等不同建筑物施工方法的差異，滿足相應(yīng)不同的施工要求。

(3)對初步規(guī)劃布置成斜井，且具備布置表2中所列投資相當?shù)拈L平洞地形地質(zhì)條件的支洞，需從進洞條件、進場交通、施工場地、渣場布置條件、征地移民、施工排水、水保環(huán)保、施工工期、施工便利性及投資等方面進行斜井和平洞方案的技術(shù)、經(jīng)濟綜合對比分析后確定支洞布置推薦方案。

(4)對初步規(guī)劃布置成深長斜井，且不具備布置投資相當?shù)拈L平洞的地形地質(zhì)條件的支洞，視情況進行斜井與豎井方案的綜合比選。

依據(jù)上述原則，設(shè)計中對各施工支洞至少擬定一個斜井及一個平洞方案，逐一進行技術(shù)經(jīng)濟綜合比較；對布置平洞條件差，經(jīng)初步分析判斷斜井方案明顯更優(yōu)的支洞，則選擇典型的斜井支洞，進行斜井與豎井方案的綜合比較，最終確定合理的布置方案。

通過對各支洞布置方案擬定斜井、平洞或豎井等不同布置型式，進行技術(shù)經(jīng)濟綜合分析比選后，推薦楚雄段施工支洞共布置平支洞24條，平支洞總長16702m；斜井支洞7條，斜井支洞總長3999m。

6 結(jié)語

綜上所述，在滇中引水工程代表性輸水隧洞斷面尺寸及段長的特定條件下，通過對不同高差的平洞與斜井布置主要從土建方面進行經(jīng)濟分析，得到平支洞及斜井支洞的高差—總投資曲線，可作為支洞方案初擬時的經(jīng)濟性依據(jù)。

針對具體的支洞布置方案，除投資方面外，還需綜合考慮進洞口的進洞條件、進場交通、施工場地、渣場布置條件、征地移民、水保環(huán)保影響及工期等因素，進行技術(shù)經(jīng)濟綜合分析后選定較優(yōu)的支洞布置方案。各支洞布置方案已獲相關(guān)各方的認可，為工程順利建設(shè)實施打下了堅實的基礎(chǔ)。