引洮二期工程隧洞出碴方案比選

王 軍

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，蘭州 730030）

引洮二期工程隧洞出碴方案比選

王 軍

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，蘭州 730030）

出碴方案是影響長距離工程隧洞掘進(jìn)效率的重要因素，結(jié)合引洮二期隧洞工程地質(zhì)、施工條件，分析了隧洞出碴方式的影響因素，提出了不同出碴方案，并從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、出碴效率等方面進(jìn)行對比分析。結(jié)果：引洮二期隧洞施工推薦采用無軌方式為主、有軌方式為輔的出碴方案。

引洮二期工程；隧洞；出碴方案；支洞布置

隨著我國水利建設(shè)的不斷發(fā)展，引水隧洞、海底隧道、高速公路等項目中需要建設(shè)大批量不同斷面、不同類型的長距離隧洞[1]。目前，隧洞掘進(jìn)中一般采取TBM掘進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)集合了挖掘、支護(hù)、出碴、通風(fēng)等施工過程[2-3]。研究表明：出碴方案制約了掘進(jìn)效率，對于長距離隧道施工時，一般可采用無軌運輸方式和有軌運輸方式[4]。引洮二期供水工程共有供水管線18條，總長度為174.18 km，設(shè)計流量0.05～2.90 m3/s。受地形地貌限制，引水線路縱向建筑物以隧洞為主，隧洞長度占線路總長度的64.82%。引洮二期工程隧洞施工方案較復(fù)雜，以該工程為例，對不同出碴方案進(jìn)行研究，希望能為類似工程施工設(shè)計提供參考。

1 施工條件分析

甘肅省引洮供水工程水源取自卓尼縣境內(nèi)的九甸峽水庫，該工程覆蓋灌溉面積48萬畝，設(shè)計流量為32.0 m3/s，最大引水流量為36.0 m3/s，年引水總量可達(dá)5.5億m3。二期工程供水范圍涉及安定、隴西等8縣，設(shè)計流量為20.0 m3/s，年引水總量為3.13億m3，覆蓋灌溉面積29萬畝，屬于大（2）型水利工程，供水渠線總長度為569.3 km。總干渠長度為95.09 km，設(shè)計流量7.0～20.0 m3/s；干渠共6條，總長度為254.72 km，設(shè)計流量0.95～5.0 m3/s；分干渠有2條，長度為45.25 km，設(shè)計流量0.9～1.35 m3/s。

目前，大部分隧洞洞口處于無水、無電、無路狀況。部分支洞口位于海拔較高的山梁之上，施工道路維修、維護(hù)工程量較大。長隧洞數(shù)量多、洞渠比較大且隧洞斷面較小，施工通風(fēng)、出碴難度較大。為保障施工人員安全，需要布置施工輔助支洞，僅總干渠3座特長隧洞（16#、22#洞和34#洞）就需要布置輔助支洞15座，總長度6.09 km，臨建費用較高。此外，各洞段淺埋溝道狹窄，溝谷切割較深，支洞口施工場地狹小，施工困難。支洞洞身地質(zhì)條件較差，絕大部分為Ⅳ～Ⅴ類軟巖地段，成洞條件較差，襯砌工程量較大。由于支洞平均長度為406 m，通風(fēng)較差，采用傳統(tǒng)出渣方案進(jìn)行施工時出碴效率較低。

針對高海拔小斷面、特小斷面長隧洞的施工作業(yè)及工期要求，結(jié)合地質(zhì)及洞線布置成果需要增設(shè)部分施工支洞。在施工支洞的選擇和規(guī)劃布置方面基本遵循如下原則：

（1）采用鉆爆法施工時，長度在3 km以上或確有特殊需要的隧洞須設(shè)置施工支洞。每個掌子面距支洞口的最大距離應(yīng)小于2 km內(nèi)；

（2）支洞線宜短，優(yōu)先考慮洞線地質(zhì)條件應(yīng)好、洞臉巖體穩(wěn)定的平洞，不宜選用豎井做施工支洞，洞口附近應(yīng)有足夠的臨時設(shè)施和碴場布置場地并滿足防洪要求；

（3）支洞高差不宜超過100 m，優(yōu)先考慮向洞外下坡。平支洞縱坡與坡長限制：有軌小于2%，無軌大于9%、坡長小于150 m；斜井支洞傾角串車提升時小于25°，傳送帶輸送提升應(yīng)小于15°，井身縱斷面不應(yīng)該存在變坡和轉(zhuǎn)彎；

（4）支洞布置時，平洞與主洞的軸線交角須大于45°，當(dāng)隧洞斷面較小時，支洞軸線應(yīng)當(dāng)向主洞開挖工作面傾斜，交叉口水平段長度應(yīng)大于20 m；豎井支洞布設(shè)與主洞凈間距為15～20 m。

2 隧洞出碴方式

通常的出碴方式有無軌運輸、有軌運輸兩種，少數(shù)采用膠帶出碴。施工時應(yīng)根據(jù)隧洞的長度、開挖方法、機具設(shè)備、運輸量大小、施工進(jìn)度等確定合理的出碴方案。

2.1 隧洞無軌出碴技術(shù)

無軌出碴技術(shù)一般適用于較大斷面，隧洞高度和寬度應(yīng)在4.5 m以上，其施工流程見圖1。隨著低矮窄體電動運輸車、拔抓裝載機、全液壓鑿巖臺車的發(fā)展和應(yīng)用，無軌出碴技術(shù)得到了迅速發(fā)展。對于小斷面隧洞出碴量少，隧洞強度低，常采用無軌出碴方式。無軌運輸設(shè)備比較靈活，通用性大，設(shè)備利用率高。

當(dāng)采用無軌運輸方式時，隧洞本身作為交通運輸通道，隧洞斷面設(shè)計參照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）。建筑界限內(nèi)不得有任何部件侵入；隧道建筑限界基本寬度應(yīng)符合如下規(guī)定：當(dāng)設(shè)置檢修道或人行道時，不設(shè)余寬；當(dāng)不設(shè)檢修道或人行道時，應(yīng)設(shè)不小于25 cm的余寬[5]。隧道內(nèi)路邊溝寬度應(yīng)小于側(cè)向?qū)挾龋⒉贾糜谲嚨纼蓚?cè)。洞內(nèi)施工期交通運輸設(shè)計速度小于20 km/h，側(cè)向?qū)挾葢?yīng)不小于25 cm，余寬取25 cm。

2.2 隧洞有軌出碴技術(shù)

當(dāng)洞口距開挖工作面長度大于2 km時，有軌出碴方式較經(jīng)濟(jì)，有軌出碴技術(shù)示意圖見圖2。短距離有軌出碴多采用蓄電池式電機車，無廢氣污染，適應(yīng)強，較經(jīng)濟(jì)，但受電池電量影響；當(dāng)運輸長度大于8 km時，使用內(nèi)燃機車比較合適；膠帶輸送機主要在運輸量大，在運輸距離較長和使用期較長的情況下采用，膠帶輸送機斜坡運輸時最大傾角一般不宜超過16。

圖1 無軌出碴施工流程

圖2 有軌運輸出碴示意圖

3 隧洞出碴方案比選

目前，長隧洞施工出碴方案一般采用有軌出碴技術(shù)，而短距離隧洞施工無軌出碴方案一次性投資遠(yuǎn)小于有軌出碴方案，宜采用無軌出碴方案。現(xiàn)從運輸能力、施工安全、施工環(huán)境等方面對比兩種出碴方案的優(yōu)缺點（見表1）。

表1 兩種出碴方案對比

引洮二期總干渠共有7座隧洞布置有施工臨時支洞20條，其中16#隧洞7#施工平洞與11#永久下渠通道相結(jié)合；干（分干）渠共有17座隧洞布置，設(shè)有施工臨時支洞21條；供水管線共有3座隧洞布置，設(shè)有施工臨時支洞4條。根據(jù)上述支洞布置原則，經(jīng)計算得出整個工程施工支洞的控制主洞長度，其中總干渠施工輔助支洞布置情況見表2。

由表2可知，總干渠的支洞數(shù)量為20個。故總干渠相應(yīng)隧洞工程單工作面平均控制主洞的長度為1 267 m，相應(yīng)的洞內(nèi)出碴距離為633.5 m。經(jīng)過分析總干渠、干（分干）渠和供水管線相應(yīng)隧洞工程單工作面平均控制主洞長度分別約1.3、0.9、0.6 km相應(yīng)洞內(nèi)出碴運距均小于1 km。綜合井巷專用全液壓鑿巖臺車、輪式或履帶式拔碴機和電動運輸車的應(yīng)用，確定本工程隧洞出碴采用無軌開挖方式為主的出碴方案。受地形條件、工程布置和工期制約，部分長隧洞需設(shè)施工斜井輔助施工，由施工斜井控制的洞段受坡度限制多采用有軌出碴方式。

表2 引洮二期總干渠施工輔助支洞布置情況

4 引洮二期隧洞出碴方案

4.1 總干渠平洞無軌出碴洞段

主洞土洞段采用人工手持風(fēng)鎬、風(fēng)鏟開挖；主洞巖洞段由人工手持風(fēng)鉆鉆孔、人工配合機械裝藥進(jìn)行光面爆破。碴料由輪胎刮板式挖斗裝載機LWT-80（ZWY-80/18T）裝3 t地下礦用自卸汽車經(jīng)洞內(nèi)、洞外運輸至棄碴場。

4.2 總干渠平洞、施工斜井聯(lián)合有軌出碴

主洞由CGT500.3軌輪式鑿巖臺車鉆孔、人工配合機械裝藥進(jìn)行光面爆破，碴料由ZLZY—80/45G立爪裝巖機裝S4/SB4小型4 m3梭式礦車由8 t電瓶機車牽引有軌運輸至主、支洞交叉處，再經(jīng)75 kW雙筒絞車斜井內(nèi)提升至井口，洞外運至棄碴場。

4.3 分干渠平洞無軌出碴

主洞土洞段采用人工手持風(fēng)鎬、風(fēng)鏟開挖；主洞巖洞段采用氣腿式風(fēng)鉆或人工手持風(fēng)鉆鉆孔、人工配合機械裝藥爆破。碴料由ZLD-20型履帶式電動裝巖機裝1～2 t微型礦用電動運輸車至棄碴場。

4.4 分干渠平洞有軌出碴

主洞采用人工手持風(fēng)鉆或支腿鑿巖機鉆孔、人工配合機械裝藥進(jìn)行爆破，碴料由礦用軌移式電動WZG—60型扒碴機裝1.1～1.6 m3礦車由5～8 t電瓶機車牽引有軌運輸至棄碴場。

4.5 分干渠平洞、施工斜井聯(lián)合有軌出碴

主洞采用人工手持風(fēng)鉆或支腿鑿巖機鉆孔、人工配合機械裝藥進(jìn)行爆破，碴料由礦用軌移式電動WZG—60型扒碴機裝1.1～1.6 m3礦車由5～8 t電瓶機車牽引主洞內(nèi)有軌運輸先至主、支洞交叉口，后經(jīng)75 kW雙筒絞車斜井內(nèi)平均提升至井口，洞外再運到棄碴場。

5 結(jié)語

通過以上分析比較，引洮二期隧洞出碴推薦采用無軌方式為主、有軌方式為輔的出碴方案。總干渠及支洞無軌運輸設(shè)備選用輪胎刮板式挖斗裝載機裝碴、車輛選用3 t低矮型地下礦用自卸汽車運輸出碴；干渠及管線選用履帶式電動裝巖機裝碴、1～2 t礦用電動運輸車運輸出碴；有軌運輸設(shè)備選用斗車或梭車礦車輛編組，電瓶車牽引出碴。希望為今后其他隧洞工程出碴施工設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

[1] 肖東旭，何輝建.小斷面長距離引水隧洞施工技術(shù)應(yīng)用分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015，（1）:104-105.

[2] 吳世勇，周濟(jì)芳，陳炳瑞，等.錦屏二級水電站引水隧洞TBM開挖方案對巖爆風(fēng)險影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2015（4）:728-734.

[3] 林長杰，李光波，苑曉倩.特長隧洞TBM施工組織管理技術(shù)的研究與實踐[J].水利建設(shè)與管理，2011（S1）:61-65.

[4] 盧祖貴.田地水電站利用出碴支洞技改擴(kuò)容的探討[J].小水電，2010（4）:39-40.

[5] 胡莉萍.隧洞開挖與混凝土襯砌交叉作業(yè)施工方法[J].水電與新能源，2013（2）:15-16.

（責(zé)任編輯：周 群）

Comparison and selection of tunnel mucking schemes for Yinzhao 2ndstage Project

WANG Jun

（Water Resources and Hydropower Investigation and Design Institute of Gansu Province,Lanzhou 730030,China）

Mucking scheme is an important factor affecting the boring efficiency of long tunnel.Taking Yinzhao 2nd-stage Project with tunnel construction as example,the author analyzed the factors affecting the mucking modes combined with the geological and construction conditions;put forward several mucking schemes;and compared these schemes in respects of cost,environmental protection and mucking efficiency before the tunnel mucking scheme was recommended with trackless transport as main method and rail transport as auxiliary one.

Yinzhao 2nd-stage Project;tunnel;mucking scheme;arrangement of branch tunnel

U455.92 [

]B [

]1003-1510（2016）02-0064-03

2015-12-21

2016-01-08

王 軍（1987-），男，甘肅蘭州人，甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院助理工程師，學(xué)士，主要從事水利工程施工設(shè)計工作。