小斷面長距離引水隧洞的施工設計

楊照明 張金承 周垂富

(1.新疆水利水電勘測設計研究院 烏魯木齊 830000;2.吉林省水利水電工程局 長春 130000)

1 工程概況

新疆阿拉山口供水與生態建設工程是解決阿拉山口口岸水資源嚴重匱乏的引水工程,主要由取水樞紐、引水線路 (包括管道和隧洞)、尾部調節水庫等組成,工程2006年7月正式開工,2009年10月試運行通水。

引水隧洞是該工程的關鍵控制工程,全長14.346km,設計開挖斷面2.5m×2.5m,城門洞型,洞身段基本在較完整的花崗巖體中,采用鉆爆法施工;受地形條件限制,已有工作面的平均控制長度1279m,其中吉林省水電工程局承擔的2#豎井段單工作面控制長度達1620km,豎井深108m,為本工程施工難點,控制著整個工程的進度。

2 本工程隧洞的設計和改進

小斷面長距離隧洞是各類隧洞中施工難度較大的,“小”是指機械化程度較高的施工機械不能進洞作業,只能采取以人工為主的方法開挖;“長”是對通風、供電、排水和運距相對而言;同樣比較長的距離,對于洞徑較大的,不稱其為長,但對于洞徑較小、主要靠人工作業的隧洞,就可認為是長隧洞。

目前長距離、小斷面引水隧洞中,2m×2m以下開挖斷面還未有工程實例,單工作面掘進長度1.6km也極少,在阿拉山口供水工程前期的設計階段,受工程總投資控制,隧洞斷面尺寸按照滿足最小施工斷面設計,開挖洞徑為1.8×1.8m的城門洞型,施工主要以人工為主,目前市場上最小型號電瓶機車的型號為XK2.5-4/48-2A,自重2.5t,3.5k W,長2.3m,寬0.92m,高1.55m,可以滿足運輸需要。原設計洞徑不具備機械施工條件,只能采用人工裝碴,機械運輸的方式。初步設計階段控制工期為三年。

隧洞于2005年開始進行試驗性開挖,由于小斷面施工中對爆破的鉗制作用,每一循環施工僅1.1～1.2m,隨著進尺的延伸,出渣、通風排煙明顯受到隧洞斷面的限制,通風管直徑一般不小于0.5m,否則,單位長度的風壓損失較大,送風的距離就短,運輸車與通風管的間隔太近,通風管容易被尖狀物劃破,加之洞內還需要布供水管、高壓電纜、低壓電纜、照明燈具等,造成通風時不能出渣,出渣時不能通風,洞內空氣質量很差,每循環作業時間也在拉長,施工期的安全生產也不易得不到保證,隧洞施工表現出斷面越小開挖條件越差,施工難度大、施工附加工作量也加大,進度和工期的矛盾日益嚴重,經測算,僅開挖需工期57個月。

根據實際情況,為保證按期完工,經過專題論證,設計變更將洞徑擴大為2.5m×2.5m,以盡可能采用機械化施工,提高工作效率,且更能滿足實施灌漿和噴護的空間要求,有利于實施連續通風、實施灌漿、襯砌、噴錨支護等施工。

隧洞工程于2006年正式開工,實踐證明,擴大洞徑后,每一循環進尺增加到1.4～1.5m,出渣設備、通風排煙管、供電、排水及供風管路在斷面內可合理布置,基本滿足施工期的安全生產需要,隧洞總開挖工期28個月,比原設計洞徑的理論工期減少了29個月。擴大洞徑后,洞挖工程量增加,投資有一定增加,經過經濟分析,提前完工后的財務收益完全可彌補增加的投資。

3 隧洞施工

3.1 整體施工方案

隧洞施工采用全斷面開挖,機械出渣。用0.2m3裝巖機裝斗車,水平運輸采用2.5t電瓶車牽引至井底,垂直運輸以礦用絞車提升自制罐籠,罐籠四角采用4根導向繩固定,提升高度40～108m,豎井出渣在井外直接裝自卸汽車,平洞出渣在洞外裝載機裝自卸汽車,運輸至指定棄渣場。

為保證洞壁懸掛通風筒、滿足牽引車運輸寬度及另一側行人避車安全的要求,軌道中心線偏移隧洞中心線150mm。

3.2 主要施工方法

3.2.1 鉆爆開挖方案

根據不同的圍巖類別采用不同的施工方法見表1。

表1 隧洞開挖施工方案表

3.2.2 進尺的確定

合理的進尺是隧洞掘進作業的重要參數,按照規范要求通常選用的循環進尺為隧洞開挖寬度的0.6倍左右,本工程隧洞開挖寬度為2.5m,進尺為1.5m,鉆孔可取1.7m,該深度處于鉆機的最佳深度范圍。進尺與循環時間協調才能取得最佳掘進效率,本工程為小斷面隧洞,因此采用短進尺、多循環的工作方式。

3.2.3 爆破設計

表2 隧洞爆破施工參數匯總表

合理的爆破參數是本工程隧洞快速開挖的關鍵,根據理論計算分析,采用中心直孔掏槽布置方式,周邊布置輔助孔,外輪廓線布置周邊孔,整個斷面共布置鉆孔34個,光面爆破,隧洞爆破施工參數(見表2)。

表2隧洞石方開挖的爆破參數,系根據理論計算結合實際爆破效果反復進行爆破試驗總結的參數,實際施工時按照監理最終批復的爆破試驗成果,作為施工控制參數。

3.2.4 通風散煙

通風問題往往成為小斷面長隧洞能否實現快速施工的關鍵,根據已有施工經驗,施工洞、井內的最低風速不小于0.15m/s,工作面附近的最小風速不低于0.25m/s,隧洞、豎井工作面最大風速為4m/s。通風主要考慮施工作業人員所需風量、爆破散煙所需風量等,經計算分析,洞內通風量不小于45m3/min。

為了安全施工需要,有利于實施連續通風,采用壓入式供風方式,由于洞徑尺寸限制,洞內牽引車行走需要,并與通風桶需保持20cm的安全距離,最大限度布置直徑大的供風管,以滿足工作面所需風量。

本工程采用性能較好、供風距離較長的對旋軸流式通風機 YBT-62型,風機功率22×2k W,供風量240m3/min,風壓3200～680Pa,選用風管為塑料柔性風管,懸掛在隧洞一側墻上。洞挖進尺300m以內時,僅開一級風機,300～500m時,僅開二級風機,進尺超過500m時兩級風機全部打開,當隧洞掘進到700m以上時,供風的沿程損失太大,送至工作面的風量很小,此時采取串聯11kw的軸流風機,每隔300m左右設一臺,由于各段的風壓損失已由接力式的風機補償,這種供風方式也不受洞長的限制。

在本工程實踐中,還總結出了長距離混合式分散供風方式。距工作面50m始終布置一臺吸風機,邊開挖邊往工作面移,爆破后首先開啟該風機,先往外吸,煙塵經硬質風管吸出200m外,約20min后,關閉該風機;然后開啟供風的所有風機,從洞口將新鮮空氣吹入,使工作面的空氣較新鮮,一般60min可完成排煙工作,工作面200m范圍內空氣質量滿足工人安全施工需要。為了安全起見,每次爆破后洞內風機的開啟按鈕均在井上控制。每次通風結束,工人下井作業時,專職安全員首先攜帶有害氣體檢測儀檢查,若空氣質量不合格繼續通風,直至滿足要求為止。

3.2.5 出渣作業一次爆破有效進尺為1.4～1.5m,方量為 7.96～8.53m3,折合松方約 12.18～13.05m3。采用2.5t的電瓶車牽引礦車出渣,正常情況下每班出渣作業時間為5～6h。

本工程洞內采用有軌出渣,輕軌600mm,在洞內鋪設單線,每隔300m設一斗車編組站(大避車道位置),每隔100m設一移車器(小避車道位置);裝渣采用0.2m3風動裝巖機,采用0.5m3斗車十二輛,牽引機車采用二臺2.5t電瓶車,一臺用于工作面至編組站的斗車的牽引工作,一臺用于編組站至豎井提升機受料斗處斗車的牽引工作。

平時一臺電瓶車停放于豎井地下卸渣站處,另一臺電瓶車和十二輛空斗車均停放于斗車編組站處,出渣開始時由編組站處一臺電瓶車推動兩臺空斗車,向工作面方向推進,行進至移車器時將一臺斗車推入移車器,另一臺由電瓶車推至裝巖機后開始裝巖,裝巖完畢后則電瓶車將其牽引至斗車編組站處,同時人工將移車器內的空斗車推至工作面開始裝巖;牽引重車的電瓶車把斗車牽引至編組站的靠近豎井處的岔口后,推入斗車編組站,并把從編組站遠離豎井的岔口人工推出的一臺空斗車,向工作面方向推進,至移車器后將空車移出,電瓶車前進至工作面處牽引重車,如此循環;當編組站處的重車滿六輛時,由豎井處的電瓶車牽引至豎井卸渣站,提升至地面。

3.2.6 輔助作業及支護時間

手持風鉆進出工作面時間約 20min;準備、清孔、裝藥時間為60min;爆破時間為10min;通風散煙時間為60min;出渣前的工作面清理、集渣、危巖安全處理等項工作約20min。綜合考慮正常情況下每循環作業時間取10.1～11.9h,一天按2.38～2.0班計算。

3.2.7 施工供電

施工用電分為洞外供電、洞內供電兩類,洞外用電分為生活用電(辦公區、生活區)、生產用電(空壓機、通風機、加工廠、砼拌和機、電焊機、機修等);洞內用電主要指電瓶車充電、照明等。

(1)洞外供電。電源引自博州地方電網阿拉山口110kV變電所,供電電壓等級為35kV和10kV,35kV送電線路至2#豎井箱式變電站,10k V送電線路由2#豎井箱式變電站至2#豎井315kVA變壓器。

(2)洞內供電。洞內400V低壓輸電線路進洞,主干線采用90mm2銅芯膠套電纜,據用電負荷理論計算供電距離為1200m,本工程實際供電距離最長為1700m,我們將大功率的用電設備如空壓機、通風機布置在井口,洞內照明或動力電距離長,若電壓降過大,采用電容補償器就地補償,盡量避免洞內同時啟動多臺用電設備,根據實際用電負荷計算達到理論供電距離后,設專職人員跟蹤隨著進尺的達到,經實踐檢驗,該項措施可滿足施工要求。

3.2.8 施工排水

根據地質條件,隧洞開挖過程中局部地段涌水量豐富,尤其是受地形限制,豎井均布置在溝內,施工期降雨入滲、開挖作業面層間滯水等需要盡快排出。隧洞設計坡度1‰,對于開挖面向上游的可以自流排水,匯集至豎井底部集中抽排;對于開挖面向下游的只能分段匯集,利用開挖碴料圍堵,分段抽排,出水點集中部位采用橡膠軟管導水。

4 結語

在長距離、小洞徑斷面施工中,爆破夾制作用大,炮眼利用率低,嚴重影響施工進尺,超挖工作量也相對較大,需要認真研究合理的掏槽方式、施工循環進尺、炸藥單耗等,并根據具體情況研究長距離通風、供電方式等,以確保施工安全,在實踐中不斷總結經驗。

1 水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范[S].SL/47-94

2 水工隧洞設計規范[S].SL/279-2002

3 錨桿噴射混凝土支護技術規范[S].GB50086-2001