特長水工隧洞輔助坑道方案優(yōu)化研究

陳志高

(中國鐵建股份有限公司 北京 100073)

1 前言

隨著我國水利工程的不斷發(fā)展，埋深較大的特長水工隧洞不斷涌現(xiàn)。為確保工期，施工輔助坑道在工程中往往被廣泛采用。不同的輔助坑道方案勢必造成不同的施工條件、設(shè)備投入、安全風(fēng)險和環(huán)境影響，也直接決定了項(xiàng)目的工期、成本?；诖?，本文通過對小浪底引黃工程2＃引水隧洞34＋090～47＋430段施工輔助坑道平面位置、縱向坡度、坑道斷面、場地條件等方面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，有效解決了出渣、材料運(yùn)輸難題，節(jié)約了施工投入成本、減小了環(huán)境影響、降低了施工難度和安全風(fēng)險。

2 原方案基本情況概述

2.1 坑道布設(shè)及斷面

(1)小浪底引黃工程2＃隧道34＋090～47＋430段主洞長13.34 km，設(shè)計(jì)布設(shè) 10＃、11＃、12＃、13＃共4條輔助坑道，坑道總長約4.22 km，具體參數(shù)見表1。

表1 原方案輔助坑道相關(guān)參數(shù)

(2)各輔助坑道設(shè)計(jì)斷面均為城門洞形，洞身段斷面尺寸為3.65 m×3.2 m，與主洞交叉段斷面尺寸為2.5 m×3.2 m。

2.2 工程地質(zhì)

本工程所處地層主要為黑云斜長片麻巖、大理巖，巖性較硬，穩(wěn)定性一般，局部可能產(chǎn)生坍塌。隧洞大部分埋深較大，洞址基本位于地下水位以下，施工中有滲水、涌水的可能，局部可能存在突涌水問題。

2.3 施工條件

10＃輔助坑道位于石門鄉(xiāng)上富裕村北溝內(nèi)，洞口地形陡峭，場地高低起伏不平，施工用電需從石門變電站接線，接線距離約5 km，另外需新修便道約2 km；11＃輔助坑道位于聞垣公路南毛峪溝內(nèi)，施工用電T接困難，需要架設(shè)9 km的線路，洞口地形溝谷起伏較大，需新修便道約3 km；12＃輔助坑道位于聞喜縣酒務(wù)頭鄉(xiāng)的小山洼村，洞口地形險要，場地狹小，施工用電T接點(diǎn)距離洞口4 km，另外需新修便道約3 km；13＃輔助坑道位于聞喜縣酒務(wù)頭鄉(xiāng)下白家溝附近，洞口地形復(fù)雜，場地狹窄，施工用電T接點(diǎn)距離洞口3 km，另外需新修便道約2.8 km?？拥蓝纯趯ν饨煌ㄖ饕獮榭h道聞垣公路和鄉(xiāng)間公路，輔助坑道洞口需要修建臨時進(jìn)場道路及棄渣場道路共計(jì)約10.8 km。

3 原方案存在的問題分析

3.1 施工成本高

(1)設(shè)備配置投入大。原方案輔助坑道均為陡坡有軌運(yùn)輸，僅輔助坑道有軌專用設(shè)備一次性投入總計(jì)達(dá)700萬元以上。

(2)大臨費(fèi)用高。新建便道長，原方案需新建便道共計(jì)10.8 km，并且土方工程量很大，新建便道初估需投入約600萬元；T接供電線路工程量大，總計(jì)需架設(shè)高壓線路約21 km。

(3)運(yùn)輸成本高。所有材料均需通過兩次倒運(yùn)才能到達(dá)作業(yè)面，特別是砼運(yùn)輸，倒運(yùn)工序復(fù)雜，費(fèi)時費(fèi)力，損耗較大、成本較高。

3.2 施工效率低

由于陡坡輔助坑道采用有軌提升方式運(yùn)輸，坑道軌道鋪設(shè)和維護(hù)工作量大，出渣及物流運(yùn)輸、人員升降等工作耗用時間長、功效低，綜合開挖進(jìn)尺指標(biāo)大約為緩坡隧洞進(jìn)尺的1/3，如遇突涌水等不良地質(zhì)，施工效率將更低。

3.3 安全風(fēng)險高

(1)4個輔助坑道均為有軌陡坡，施工安全風(fēng)險極大，特別是10＃、11＃斜井，坡長且陡，富水地段施工淹井風(fēng)險極高，且搶險救援不利。

(2)有軌運(yùn)輸方式，物流及人員升降井安全管控難度大，礦車運(yùn)行對軌道平順度和穩(wěn)定性敏感度高，礦車上下過程中極易發(fā)生脫軌事故。

3.4 環(huán)境影響大

小浪底引黃2＃隧洞位于中條山自然保護(hù)區(qū)，植被茂密，環(huán)保要求高。原方案4座輔助坑道洞口、棄渣場和新建10.8 km的便道均需征用大量的農(nóng)田、林地。另外，坑道棄渣、洞室開挖越多對環(huán)水保影響就越大。

4 優(yōu)化方案分析

優(yōu)化過程以保證工期、減低成本、防范風(fēng)險作為主要目的，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對10＃、11＃、12＃、13＃輔助坑道洞口位置、斜井縱坡、與主洞交點(diǎn)進(jìn)行全面系統(tǒng)優(yōu)化。

(1)輔助坑道斷面和坑道縱坡選擇

10＃輔助坑道原方案坡度大、坑道長，通過調(diào)整相對高差盡量壓縮坑道長度。為提高物流效率，輔助坑道計(jì)劃按雙軌布設(shè)，斷面按4.6 m(寬)×3.8 m(高)優(yōu)化；根據(jù)國內(nèi)外礦山相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，緩坡縱坡最大可到20%[1-2]。12＃、13＃輔助坑道縱坡選擇15%，為了提高物流效率，采用改進(jìn)加強(qiáng)型自卸汽車運(yùn)輸，斷面按4.6 m(寬)×5 m(高)優(yōu)化。

(2)10＃輔助坑道優(yōu)化方案

10＃輔助坑道仍按陡坡施工，只將洞口位置、斷面尺寸、縱坡及長度進(jìn)行優(yōu)化。洞口標(biāo)高由原設(shè)計(jì)的939 m調(diào)整為874 m，坡度由原設(shè)計(jì)的41.7%調(diào)整為47.8%，長度由原設(shè)計(jì)1 202.6 m調(diào)整為926 m，與主洞交匯樁號35＋363，與主洞夾角23.74°，斷面按4.6 m(寬)×3.8 m(高)優(yōu)化。優(yōu)化后洞口場地較為平整、植被少，距既有道路1.1 m，T接電力電路800 m，距離水源500 m。

(3)12＃輔助坑道優(yōu)化方案

12＃陡坡輔助坑道優(yōu)化為緩坡施工，洞口標(biāo)高由原設(shè)計(jì)的824 m調(diào)整為778 m，坡度由原設(shè)計(jì)的44.3%調(diào)整為15%；考慮12?？拥浪?jīng)地層圍巖較好，長度由原設(shè)計(jì)865.7 m調(diào)整為1 987.5 m[3]，與主洞交匯樁號40＋423，與主洞夾角4.03°，斷面按4.6 m(寬)×5 m(高)優(yōu)化。洞口場地為河谷臺地，距既有道路800 m，T接電力電路1.2 km，距離水源350 m。

(4)13＃輔助坑道優(yōu)化方案

13＃陡坡輔助坑道優(yōu)化為緩坡施工，洞口標(biāo)高由原設(shè)計(jì)的660 m調(diào)整為628 m，坡度由原設(shè)計(jì)的26.9%調(diào)整為15%，長度由原設(shè)計(jì)711 m調(diào)整為982 m，與主洞交匯樁號 45＋637，與主洞夾角30.73°，斷面按4.6 m(寬)×5 m(高)優(yōu)化。洞口場地為開闊荒地，距既有道路1 100 m，T接電力電路900 m，距離水源150 m。

(5)11＃輔助坑道優(yōu)化方案

11＃輔助坑道洞口位于原有地方鐵礦的尾礦庫下游，若發(fā)生暴雨，極易形成泥石流，安全隱患極大，且11＃輔助坑道坡度大、長度長，施工十分困難。經(jīng)工期計(jì)算，取消11＃輔助坑道。

(6)承擔(dān)主洞施工任務(wù)規(guī)劃

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和具體地質(zhì)條件，優(yōu)化后的輔助坑道承擔(dān)的主洞施工任務(wù)見表2。

輔助坑道優(yōu)化前后的主要參數(shù)對比情況見表3。

表2 優(yōu)化前后輔助坑道承擔(dān)主洞施工任務(wù)規(guī)劃

表3 優(yōu)化前后總體對比

輔助坑道優(yōu)化前后平面見圖1。

圖1 2＃隧洞輔助坑道原設(shè)計(jì)及優(yōu)化后平面

5 方案優(yōu)化后施工工藝及主要設(shè)備配置

5.1 基本施工方法

(1)10＃輔助坑道優(yōu)化后及主洞采用人工鉆爆、雙軌礦車運(yùn)輸＋主洞汽車運(yùn)輸?shù)木C合出渣運(yùn)輸方案[4]。在輔助坑道與主洞交叉口設(shè)井底車場[5-6]，主洞每隔200 m設(shè)置一調(diào)頭及錯車道，調(diào)頭及錯車道寬10 m、長25 m[7]。

(2)12＃、13＃輔助坑道優(yōu)化后及主洞采用人工鉆爆，加強(qiáng)型自卸汽車出渣運(yùn)輸方案。輔助坑道及主洞每隔200 m設(shè)置調(diào)頭及錯車道，調(diào)頭及錯車道寬10 m、長25 m。

5.2 主要設(shè)備配置

(1)10＃輔助坑道主要配置2臺CAT312D、一臺L30裝載機(jī)、6臺南俊4108改進(jìn)加強(qiáng)型汽車，絞車采用2JK-2.5×1.5/20型雙滾筒礦用絞車[8-10]。

(2)12＃、13＃輔助坑道各配置 8臺南俊4108改進(jìn)加強(qiáng)型汽車，2臺 CAT312D挖機(jī)、2臺 ZL50裝載機(jī)。

6 施工實(shí)際效果分析

6.1 社會效應(yīng)

優(yōu)化后的輔助坑道方案得到了有關(guān)專家和業(yè)主的高度認(rèn)可與肯定，并全面推進(jìn)了本工程其他標(biāo)段輔助坑道方案優(yōu)化工作，較好地取得了“保工期、降成本、防風(fēng)險、護(hù)環(huán)境”的綜合社會效應(yīng)。

6.2 工期進(jìn)度

(1)方案優(yōu)化前后輔助坑道工期及掘進(jìn)進(jìn)尺比較(見表4)[11]。

(2)方案優(yōu)化前后主洞工期及掘進(jìn)進(jìn)尺比較(見表 5)[12]。

表4 優(yōu)化前后輔助坑道工期及掘進(jìn)進(jìn)尺比較

表5 優(yōu)化前后主洞工期及掘進(jìn)進(jìn)尺比較

根據(jù)表4～表5中數(shù)據(jù)可知，原方案11＃輔助坑道和11＃輔助坑道主洞大里程為關(guān)鍵線路，總工期59.9個月；優(yōu)化后10＃輔助坑道和10＃輔助坑道主洞大里程為關(guān)鍵線路，實(shí)際總工期50個月，比原方案要節(jié)約9.9個月，因此取消11＃輔助坑道并不影響本工程總工期。

6.3 施工成本

(1)優(yōu)化前需新建便道10.8 km，優(yōu)化后只需新建便道2.8 km，減少了便道修建長度，節(jié)省了材料運(yùn)輸成本。

(2)優(yōu)化后每個輔助坑道口距高壓線均在1 km左右，總計(jì)減少臨時電力線路架設(shè)長度約18 km。

(3)由于取消11＃輔助坑道，節(jié)約了1個洞口的征地及駐地臨建費(fèi)用。

(4)施工工期節(jié)約9.9個月，管理費(fèi)、機(jī)械設(shè)備費(fèi)、抽水費(fèi)、通風(fēng)費(fèi)、勞務(wù)成本大幅縮減。

(5)有軌陡坡斜井較少，二襯混凝土及鋼筋能直接通過汽車運(yùn)輸至施工作業(yè)面，避免了二次倒運(yùn)，節(jié)省了材料的倒運(yùn)費(fèi)用。

(6)輔助坑道總長度比原方案減少328.4 m，減少成本約260萬元。

(7)縮減了1個施工工區(qū)，現(xiàn)場管理人員和管理費(fèi)用得以降低。

(8)無軌輔助坑道斷面加大，工程造價有所增加，就工程清單而言，工程造價增加了560萬。但綜合來看，由于施工難度降低、安全風(fēng)險減少、坑道長度壓縮、施工效率提高及工期的節(jié)約，優(yōu)化后的施工綜合成本較原方案降低約2 000多萬元。

6.4 安全風(fēng)險

(1)原方案陡坡有軌輔助坑道有4座，優(yōu)化后陡坡有軌輔助坑道只有1座，施工期間的安全風(fēng)險降低。

(2)由于取消了11＃輔助坑道，徹底消除了原有地方鐵礦尾礦發(fā)生泥石流的風(fēng)險。

(3)原方案輔助坑道斷面小、坡長且陡，施工排水十分困難，特別是發(fā)生突涌水后人員逃生和救援不利，安全風(fēng)險極大。變?yōu)榫徠潞?，降低了隧洞排水難度，人員上下班安全系數(shù)大大提高，整個施工期間保持平穩(wěn)平順，未發(fā)生過安全事故。

6.5 環(huán)境影響

(1)方案優(yōu)化后減少了施工便道的修建長度，節(jié)約了臨建工程及棄渣場農(nóng)田、林地征用，減少了對原始地貌的破壞量。

(2)取消1個輔助坑道修建，有利于生態(tài)環(huán)境修復(fù)。

(3)總體減少了開挖棄渣量，有利于環(huán)保、水保。

7 結(jié)論

小浪底引黃2＃隧洞位于中條山腹地，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞埋深大，輔助坑道優(yōu)化過程中，在滿足總工期的前提條件下，綜合考慮洞口條件、道路交通、安全風(fēng)險、施工成本和環(huán)境影響等因素，堅(jiān)持“因地制宜、系統(tǒng)策劃、合理部署”的原則，在實(shí)際施工中取得良好的效果，為水工隧洞輔助坑道規(guī)劃設(shè)置提供了參考范例。