泥水平衡盾構(gòu)分體始發(fā)井尺寸的優(yōu)化分析

阮小勇、楊志先

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

0 引言

作為西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程的一項(xiàng)控制性工程，穿沁河隧洞盾構(gòu)施工受水文地質(zhì)條件及地表建構(gòu)筑物影響較大，盾構(gòu)機(jī)及其配套設(shè)備復(fù)雜，施工組織具有一定難度，工期控制存在不確定性，為保證西霞院工程的工期目標(biāo)，在投資可控的情況下，適當(dāng)調(diào)整始發(fā)井的結(jié)構(gòu)尺寸，以便更加合理地組織施工。基于西霞院工程下穿沁河段對(duì)泥水平衡盾構(gòu)分體始發(fā)在滿足不同的進(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備編組情況下始發(fā)井結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析，在確保安全質(zhì)量的前提下，既有利于成型隧洞管片的拼裝質(zhì)量，又可節(jié)約工期。

1 工程概況

河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程包含一段新建穿沁河隧洞，長(zhǎng)2850m，隧洞工程所用設(shè)備為泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑6.88m，主機(jī)長(zhǎng)度8.56m。盾構(gòu)始發(fā)井周邊場(chǎng)地開(kāi)闊，無(wú)建構(gòu)筑物及地下管線等影響豎井施工。盾構(gòu)隧洞沿線地面重要建構(gòu)筑物主要有民房及沁河大堤，需要下穿沁河及方陵村民房，進(jìn)洞段長(zhǎng)672m 為40‰下坡段，施工期間安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高。盾構(gòu)始發(fā)井為矩形豎井，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度1000mm 地下連續(xù)墻，地連墻外側(cè)尺寸26m×14.5m，深度26m，原設(shè)計(jì)方案工作井總長(zhǎng)20m，內(nèi)部?jī)艨臻L(zhǎng)度為16m，垂直水流方向長(zhǎng)18m（凈空寬度14m），豎井采用明挖順作法施工。該工作井無(wú)法滿足盾構(gòu)整機(jī)組裝始發(fā)要求，需要采取分體始發(fā)。

2 施工組織及工期、施工期安全方面對(duì)比論證

穿沁隧洞施工難度大、施工工序復(fù)雜、關(guān)鍵工序占直線工期長(zhǎng)，是控制西霞院工程總工期的關(guān)鍵性工程，加快穿沁河隧洞工程建設(shè)進(jìn)度能有效縮短整個(gè)工程的建設(shè)工期，有利于工程盡早發(fā)揮效益。盾構(gòu)始發(fā)井設(shè)計(jì)規(guī)格最基本的要求有：必須滿足盾構(gòu)主機(jī)及反力架托架安裝；必須保證出渣進(jìn)料的通道最相關(guān)空間保證物料運(yùn)輸空間。其設(shè)計(jì)原則是從“最小滿足性”開(kāi)始考量之后，對(duì)不同井的規(guī)格與盾構(gòu)機(jī)改造量、掘進(jìn)工效的相關(guān)性進(jìn)行分析比較，最終確定一個(gè)平衡點(diǎn)，既滿足分體始發(fā)合理工效，又能控制盾構(gòu)始發(fā)井規(guī)格；盡可能滿足主要后配套臺(tái)車(chē)下井安裝。項(xiàng)目部人員進(jìn)場(chǎng)后，根據(jù)工程特點(diǎn)提出延長(zhǎng)工作井尺寸及減小工作井寬度的優(yōu)化建議及方案，便于更加科學(xué)合理地組織施工。業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理單位多次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察。

結(jié)合國(guó)內(nèi)主要盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠家和配套設(shè)備廠家提供的資料，參考國(guó)內(nèi)類(lèi)似泥水盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，始發(fā)井垂直水流方向凈空寬度從吊裝、調(diào)試和兩側(cè)的作業(yè)空間等方面考慮，建議由14m 調(diào)整為10m；從進(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備的編組及其占用空間的角度對(duì)始發(fā)井凈空長(zhǎng)度方面進(jìn)行分析對(duì)比及論證。作為泥水平衡盾構(gòu)機(jī)一列完整進(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備的編組需要1 臺(tái)電瓶車(chē)、1 個(gè)砂漿車(chē)和2 節(jié)管片車(chē)，總長(zhǎng)為22.4m。從原設(shè)計(jì)始發(fā)井內(nèi)凈空長(zhǎng)度16m 及滿足泥水平衡盾構(gòu)機(jī)一列完整進(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備的編組的井內(nèi)凈空長(zhǎng)度22m 考慮。

下面從現(xiàn)場(chǎng)施工組織及工期、施工期安全方面進(jìn)行分析及論證。

2.1 始發(fā)井內(nèi)凈空尺寸為16m×14m

始發(fā)井內(nèi)凈空長(zhǎng)度16m 時(shí)，井內(nèi)不能滿足材料一次運(yùn)輸進(jìn)洞的進(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備整列編組（長(zhǎng)度為22.4m）的要求，此時(shí)共有兩種方案可選擇：

方案1：一次運(yùn)輸方案。電瓶車(chē)在始發(fā)井口道岔處通過(guò)拆解、倒運(yùn)、再連接，連接成整列編組后運(yùn)送材料進(jìn)洞，電瓶車(chē)運(yùn)送一環(huán)材料需進(jìn)出隧洞1 個(gè)來(lái)回，需要配置兩列電瓶車(chē)。

方案2：兩次運(yùn)輸方案。進(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備按照兩列配置，機(jī)頭+管片車(chē)+管片車(chē)，機(jī)頭+漿罐車(chē)。電瓶車(chē)運(yùn)送一環(huán)材料需進(jìn)出隧洞2 個(gè)來(lái)回，需要配置兩列電瓶車(chē)。進(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備編組布置詳見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

圖1 列車(chē)編組布斷面置縱圖

圖2 列車(chē)編組縱斷面布置圖

圖3 列車(chē)編組平面布置圖

經(jīng)過(guò)比較分析，上述兩個(gè)方案施工功效基本接近，方案1 在拆解再連接電瓶車(chē)過(guò)程中，在隧洞進(jìn)口處為40‰斜洞，為下坡段，施工難度較大，施工期間安全風(fēng)險(xiǎn)較高。方案2 相對(duì)方案1 安全性高，故以方案2進(jìn)行功效分析。

2.1.1 功效方面

由于單列電瓶車(chē)和兩列電瓶車(chē)對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)拼裝1 環(huán)管片所用時(shí)間的影響在前期并不大，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間為主要耗時(shí)，但隨著掘進(jìn)長(zhǎng)度的增加，管片、材料及漿液的運(yùn)輸逐漸成為主要耗時(shí)，按照掘進(jìn)至1300m處分析平均工效。

（1）始發(fā)階段（前100m）

采用全分體始發(fā)，井內(nèi)只下盾構(gòu)主機(jī)，盾構(gòu)主機(jī)在井下組裝，連接橋及后配套在地面組裝連接。主機(jī)與連接橋之間使用延伸管線進(jìn)行連接，完成動(dòng)力、控制信號(hào)和耗材運(yùn)輸，始發(fā)施工難度大，投入大。

管片通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)拖拽運(yùn)輸進(jìn)洞，再通過(guò)手動(dòng)葫蘆吊運(yùn)至喂片機(jī)上方，材料運(yùn)輸洞內(nèi)吊運(yùn)以人工+簡(jiǎn)易機(jī)械為主，管片最重超過(guò)5t，在管片搬運(yùn)過(guò)程中，安全風(fēng)險(xiǎn)大，易發(fā)生磕碰，造成管片破損，容易使成型隧洞質(zhì)量較差。

該階段根據(jù)以往類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)需2 個(gè)月。

（2）接收階段（最后100m）

盾構(gòu)掘進(jìn)至最后100m，應(yīng)放慢掘進(jìn)速度，做好貫通前測(cè)量等工作，確保順利出洞，計(jì)劃工期0.5 個(gè)月。

（3）正常掘進(jìn)階段（按照掘進(jìn)至1300m 處分析平均工效）

掘進(jìn)前準(zhǔn)備工作：電瓶車(chē)帶漿罐車(chē)就位，放漿完成后開(kāi)始掘進(jìn)。

（a）盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)所需時(shí)間：管片環(huán)寬1500mm，掘進(jìn)速度平均按30mm/min，掘進(jìn)一環(huán)所需時(shí)間1500/30=50min。

（b）材料運(yùn)輸，完成一環(huán)掘進(jìn)需進(jìn)出洞2 次運(yùn)送材料，分別為：機(jī)頭+管片車(chē)+管片車(chē)、機(jī)頭+漿罐車(chē)。

其一，機(jī)頭+漿罐車(chē)出洞20min；

其二，機(jī)頭+管片車(chē)+管片車(chē)進(jìn)洞20min，卸管片、材料30min，出洞20min，總計(jì)70min；

其三，機(jī)頭+漿罐車(chē)進(jìn)洞20min，卸漿液20min，總計(jì)40min，達(dá)到下一環(huán)掘進(jìn)條件。

共計(jì)130min，約2.17h。

（c）管片拼裝30min。

累計(jì)掘進(jìn)一環(huán)時(shí)間2.17h，盾構(gòu)隧洞掘進(jìn)采取“10h+10h+6h”勞動(dòng)組織方式，即每天安排兩個(gè)掘進(jìn)班和一個(gè)保養(yǎng)班作業(yè)，每一掘進(jìn)班工作10h，保養(yǎng)班工作6h，保養(yǎng)班與每個(gè)掘進(jìn)班的作業(yè)時(shí)間重疊1h。日平均進(jìn)度：（10+10）÷2.17×0.85×0.8＝6.27 環(huán)/天，取6 環(huán)/天（其中0.85 為機(jī)械綜合完好率，0.8 為時(shí)間綜合利用率）。月掘進(jìn)180 環(huán)（270m），掘進(jìn)時(shí)間2447m/270（m/月）=9.06 個(gè)月。

考慮到地層石英含量較大，對(duì)刀盤(pán)磨損嚴(yán)重，中間計(jì)劃開(kāi)倉(cāng)檢查刀具、刀盤(pán)磨損等情況，預(yù)計(jì)時(shí)間2個(gè)月。掘進(jìn)總工期：2+9.06+0.5+2=13.6 個(gè)月，清理清除洞內(nèi)、井內(nèi)臨時(shí)設(shè)施約1 個(gè)月，盾構(gòu)施工總工期約15 個(gè)月。

能滿足投標(biāo)文件中盾構(gòu)施工工期要求。

2.1.2 安全方面

該項(xiàng)目隧洞段坡度大（40‰），由于始發(fā)井內(nèi)凈空長(zhǎng)度限制，需配置兩個(gè)道岔，道岔需加高至0.65m 才能使兩列電瓶車(chē)運(yùn)行，這使得電瓶車(chē)的坡度在隧洞段的坡度上再次增加，施工期間安全風(fēng)險(xiǎn)更大。

2.2 始發(fā)井內(nèi)凈空尺寸為22m×10m

始發(fā)井內(nèi)凈空長(zhǎng)度優(yōu)化至22m 時(shí)，能滿足掘進(jìn)1環(huán)材料一次運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備整列編組長(zhǎng)度。電瓶車(chē)編組如下：機(jī)頭+管片車(chē)+管片車(chē)+漿罐車(chē)。進(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備編組詳細(xì)布置見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 列車(chē)編組平面布置圖

圖5 列車(chē)編組 縱斷面布置圖

2.2.1 功效方面

由于單列電瓶車(chē)和兩列電瓶車(chē)對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)拼裝1 環(huán)管片所用時(shí)間的影響在前期并不大，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間為主要耗時(shí)，但隨著掘進(jìn)長(zhǎng)度的增加，管片、材料及漿液的運(yùn)輸逐漸成為主要耗時(shí)，故按照掘進(jìn)至1300m 處分析平均工效。

（1）始發(fā)階段（前100m）

可以采用半分體始發(fā)，井下可以放置盾構(gòu)主機(jī)+2#臺(tái)車(chē)+司機(jī)室，改造后的2#臺(tái)車(chē)上放置同步注漿系統(tǒng)、盾構(gòu)油脂及潤(rùn)滑油脂注入系統(tǒng)、盾構(gòu)管片吊運(yùn)系統(tǒng)（增加了雙軌梁），能夠滿足管片洞內(nèi)吊裝至拼裝機(jī)的條件，節(jié)約了大量延伸管路，避免了人工采用簡(jiǎn)易機(jī)械操作，降低了施工期間的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免了管片的磕碰破損，成型隧洞質(zhì)量更加有保障。該階段根據(jù)以往類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)需1 個(gè)月。

（2）接收階段（最后100m）

同樣，盾構(gòu)掘進(jìn)至最后100m 時(shí)，應(yīng)放慢掘進(jìn)速度，做好貫通前測(cè)量，確保順利出洞，計(jì)劃工期0.5個(gè)月。

（3）正常掘進(jìn)階段（按照掘進(jìn)至1300m 處分析平均工效）

掘進(jìn)前準(zhǔn)備工作：電瓶車(chē)帶漿罐車(chē)就位，放漿完成后開(kāi)始掘進(jìn)。

（a）盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)所需時(shí)間：管片環(huán)寬1500mm，掘進(jìn)速度平均按30mm/min，掘進(jìn)一環(huán)所需時(shí)間1500mm/30mm=50min。

（b）材料運(yùn)輸，電瓶車(chē)每次攜帶3 節(jié)配套車(chē)進(jìn)洞，完成一環(huán)掘進(jìn)共計(jì)需進(jìn)出洞1 次運(yùn)送材料，為：機(jī)頭+管片車(chē)+管片車(chē)+漿罐車(chē)。

其一，機(jī)頭+管片車(chē)+管片車(chē)+漿罐車(chē)出洞20min；

其二，井口材料吊裝30min，機(jī)頭+管片車(chē)+管片車(chē)+漿罐車(chē)進(jìn)洞20min，卸管片、漿液及材料30min，總計(jì)80min。

（c）洞內(nèi)管片吊卸部分后開(kāi)始管片拼裝，等待時(shí)間20min，管片拼裝30min，拼裝完成后達(dá)到下一環(huán)掘進(jìn)條件。

累計(jì)掘進(jìn)一環(huán)時(shí)間2h，盾構(gòu)隧洞掘進(jìn)采取“10h+10h+6h”勞動(dòng)組織方式，即每天安排兩個(gè)掘進(jìn)班和一個(gè)保養(yǎng)班作業(yè)，每一掘進(jìn)班工作10h，保養(yǎng)班工作6h，保養(yǎng)班與每個(gè)掘進(jìn)班的作業(yè)時(shí)間重疊1h。日平均進(jìn)度：（10+10）÷2×0.85×0.8＝6.8 環(huán)/天，取7 環(huán)/天（其中0.85 為機(jī)械綜合完好率，0.8 為時(shí)間綜合利用率）。月掘進(jìn)210 環(huán)（315m），掘進(jìn)時(shí)間為2447m/315（m/月）=7.8 個(gè)月。

考慮到地層石英含量較大，對(duì)刀盤(pán)磨損嚴(yán)重，中間計(jì)劃開(kāi)倉(cāng)檢查刀具、刀盤(pán)磨損等情況，預(yù)計(jì)時(shí)間2個(gè)月。掘進(jìn)總工期：1+7.8+0.5+2=11.3 個(gè)月，清理清除洞內(nèi)、井內(nèi)臨時(shí)設(shè)施約1 個(gè)月，盾構(gòu)施工總工期約12.5 個(gè)月。

相對(duì)原投標(biāo)工期節(jié)約2.5 個(gè)月。

2.2.2 安全方面

該項(xiàng)目隧洞段坡度大（40‰），在原始發(fā)井內(nèi)凈空長(zhǎng)度上增加至22m，無(wú)需配置兩個(gè)道岔，降低了軌道高度，減小了施工期間的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)果對(duì)比

綜合分析，始發(fā)井尺寸優(yōu)化后不但能夠提高施工效率，節(jié)約盾構(gòu)掘進(jìn)工期2.5 個(gè)月，為后續(xù)隧洞二襯施工等工作贏得更多時(shí)間，而且采用半分體始發(fā)能夠更好地保證前100m 管片外觀質(zhì)量，提高了施工期間的安全可控性，減少了施工期間的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)始發(fā)井屬于臨時(shí)建筑物，對(duì)始發(fā)井尺寸優(yōu)化后能夠提高盾構(gòu)掘進(jìn)施工效率，可節(jié)約盾構(gòu)掘進(jìn)工期，為后續(xù)隧洞二襯施工等工作贏得更多時(shí)間，由此能更好地保證整個(gè)項(xiàng)目工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，成型隧洞質(zhì)量更加有保障，同時(shí)減少了施工期間的安全風(fēng)險(xiǎn)。從整個(gè)工程講，提前完成控制性目標(biāo)與工程提前完工、提前投入使用相比是有利的，能夠使工程提前發(fā)揮社會(huì)效益。