深埋長隧洞斜井混凝土運輸方案研究

姚 勇 強，莫 文，梁 仁 強，凌 旋

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

目前國內大量的水利工程、交通工程、鐵路工程中有大量的深埋長隧洞[1-3]，受條件限制，大量采用斜井作為施工通道。為保證工程施工進度、施工質量及施工安全，有必要對斜井中混凝土運輸方式進行研究。深埋長隧洞在只能布置斜井的情況下，混凝土運輸一般采用溜槽、混凝土泵送、有軌提升車和打垂直投料孔等方式[4-5]。本文將以滇中引水工程中最長的香爐山隧洞為例，根據實際情況對斜井混凝土運輸方式進行研究和探討。

1 工程概況

滇中引水是解決云南滇中地區嚴重缺水的特大型跨流域調水工程，是云南省可持續發展的戰略性基礎工程，滇中引水工程的輸水工程總長約664.236 km。香爐山隧洞長62.596 km，是滇中引水工程中最長的深埋隧洞，采用TBM法與鉆爆法相結合的開挖方案，全斷面需進行二次襯砌。開挖與襯砌平行作業，襯砌工程量大，施工強度要求高。香爐山隧洞混凝土襯砌運輸通道為進出口及施工支洞，其中香爐山隧洞1-1，2，3，3-1，4，5號施工支洞為斜井(見表1)，斜井傾角為14.3°～27.0°，香爐山隧洞約一半的混凝土需通過斜井運輸。

表1 香爐山隧洞斜井施工支洞工程特性Tab.1 Characteristics of construction adit of inclined shaft in Xianglushan tunnel

與滇中引水工程類似，同在云南省的牛欄江-滇池補水工程大部分也為隧洞，共設有30條施工支洞，其中22條為斜井，斜井傾角21°～24°，高差46～240 m。設計階段均采用提升機運輸混凝土。工程開工后部分標段因開挖進度滯后，留給混凝土澆筑的工期減少，為搶工期，混凝土澆筑強度加大，提升機難以滿足強度要求，實施中改用溜槽配合垂直投料孔。

為保證工程施工進度，減少后期變更，有必要針對滇中引水控制性工程——香爐山隧洞的混凝土在斜井中的輸送方式進行研究。

2 斜井混凝土運輸多方案比較研究

深埋隧洞在只能布置斜井的情況下，混凝土運輸一般采用溜槽、混凝土泵送、有軌提升車和打垂直投料孔4種方式。4種方式的優缺點如下：① 有軌提升車運輸混凝土可以采用攪拌罐運輸，運輸中對混凝土質量最有保障；主要缺點是運輸速度較慢，需要占用開挖出渣用的提升機，運輸成本較高。② 混凝土泵送的優點是混凝土輸送強度有保障，混凝土質量較有保障；主要缺點是向下輸送時容易堵管，需合理布設管路，長距離輸送(約860～1 430 m)需采用多臺混凝土泵接力。③ 溜槽輸送混凝土的優點主要是輸送連續性好，費用較低；主要缺點是混凝土骨料容易分離，混凝土質量保障難度稍大，坡度較緩時可能溜不動。④ 布置垂直投料孔的優點是混凝土運輸速度快，并可縮短混凝土運距；主要缺點是首先需有合適的地形條件并進行鉆孔，其次是高差太大的投料孔緩降措施設置困難，國內高差大于150 m的投料孔成功經驗較少[6-7]。

香爐山隧洞斜井高差均在300 m以上，最深的達494 m，設投料孔方案明顯難度過大，因此主要考慮采用有軌提升車、溜槽、混凝土泵送方案通過斜井運輸混凝土。

2.1 斜井提升機方案

2.1.1方案研究

采用提升機需重點考慮的問題是按所需的混凝土澆筑強度設計提升機的提升能力和運行速度，定制合適的混凝土運輸罐，并選用到井底后與主洞水平運輸方式恰當的銜接方案。

按規范規定并結合常見提升機實例，一般提升機單罐運輸混凝土6 m3，千米長的斜井提升機單趟運輸時間18～20 min；對于千米長的斜井，單臺提升機能滿足18 m3/h的澆筑強度。一般施工支洞受尺寸限制，最多只能布置2線提升機，對于因施工進度要求需要混凝土澆筑高峰強度大于36 m3/h的隧洞，提升機方案不能滿足進度要求。

2.1.2工程實例

斜井提升機運輸混凝土一般根據需要的混凝土量運輸強度配置混凝土罐，并可定制帶有攪拌功能的混凝土罐，以保證混凝土長途運輸的質量。例如東北某引水隧洞支洞長1 160.86 m[6]，坡度25.19%，成洞尺寸為5.5 m×5.5 m(寬×高)，主洞襯砌混凝土運輸采用軌道提升機；支洞按照4軌雙線布置，軌道間距90 cm，提升機及軌道車主要參數如下。

(1) 礦井提升機。支洞外設置兩套JK-2.5×2.2型礦井提升機，該設備功率400 kW；卷筒直徑2.5 m；卷筒寬度2.2 m；鋼絲繩直徑31 mm；最大靜張力90 kN；最大牽引力250 kN。

(2) 軌道混凝土罐車。定制軌道式混凝土罐車自重4 t，容積9 m3，有效容積6 m3，罐體與行走輪間用鏈條連接，下行時依靠自重帶動罐體轉動，保證混凝土的工作性不受影響。卸料時，在主支洞交叉口處外接電源驅動罐車上已安裝的電機帶動罐體旋轉卸料。

(3) 運行參數。礦井提升機下放運輸罐車速度控制在2.5 m/s，提升速度控制在3.5 m/s。

2.2 溜槽方案

2.2.1方案研究

采用溜槽輸送混凝土在斜井角度大于20°的情況下有較多成功案例，而角度小于20°的實施經驗較少。采用溜槽輸送混凝土需重點考慮的問題主要有：① 合理設計溜槽斷面；② 選擇合適的溜槽材料，必要時可選用搪瓷面溜槽以降低溜槽阻力；③ 優化混凝土配比，增加混凝土的流動性，必要時采用小級配混凝土。

緩坡溜槽能否實施需要通過試驗確定，除改善溜槽表面光滑度外，主要措施是優化混凝土配比增加混凝土流動性和混凝土的抗離析能力。

對于坡度緩于20°的斜井，在采用溜槽方案時往往會出現混凝土滯留的情況，實際施工時每間隔100～300 m需采用振動或人工輔助措施。

2.2.2工程實例

國內水利工程采用溜槽輸送混凝土較常見，但多數采用溜槽澆筑混凝土的工程坡度較陡，一般都在30°～45°。公路鐵路工程中對于30°以下采用溜槽輸送混凝土的應用較多，例如龍廈鐵路的重點控制工程——象山隧道。隧道左線總長15 898 m，右線總長15 917 m，隧洞的2號、3號、4號施工支洞為斜井，斜井傾角分別為22.00°，23.08°，23.04°，長度分別為508.17，905.65，894.28 m。斜井需運輸混凝土約22萬m3，原設計混凝土運輸方式為軌道提升機牽引混凝土罐車運輸，施工中改用溜槽運輸混凝土。

從象山隧道3號斜井施工經驗來看，長845 m的溜槽運輸混凝土的強度約14 m3/h。象山隧道襯砌采用的是二級配混凝土(小石5～16 mm，中石16～31.5 mm)，施工中存在的問題主要有：① 由于采用普通鋼板加工制作的溜槽自身有一定的摩擦阻力，在混凝土的運輸過程中水泥漿往往會沿下溜部位粘滿溜槽的底部和部分槽壁，時間長容易造成堵塞現象；② 混凝土在下溜過程中，經過長時間長距離的流動，會出現較小的離析；③ 施工中因混凝土停留時間過長，出現坍落度損失過大在集料倉加水的現象。

2.3 混凝土泵方案

根據香爐山斜井的施工條件，1-1號、3號施工支洞長度為860多米，可以一次輸送到井底，其他斜井通過1～2次混凝土泵接力輸送也可輸送到井底。采用混凝土泵輸送需重點考慮的問題是混凝土管道、緩沖彎頭及排氣閥的設置，以及接力泵的布置位置等；此外施工過程中還需嚴格控制混凝土的坍落度，嚴格限制針片狀骨料的含量，防止堵管。

國內水利工程采用混凝土向下輸送混凝土多數情況高差不大，距離不遠，類似公路鐵路工程應用較多。例如引青濟秦東西線對接工程云頂山隧洞施工時從2號斜井(角度向下16°，斜井長320 m)直接泵送混凝土至主洞澆筑面，最大泵送距離870 m。山西太古高速西山隧道1號斜井傾角為25°，長763 m，選用了1臺HBT80泵向下輸送混凝土。泵送混凝土布管時通過設置“S”形緩沖彎頭等措施防止混凝土離析，管道內放置海綿球配合排氣閥等防止堵管的措施。

泵送混凝土是較成熟的技術，遠距離輸送及混凝土泵接力輸送均有較多施工實例，一次泵送超過1 000 m的也有工程實例。例如某機動車地下通道隧道內徑為6.0 m，隧道區間段最長的一段長度超過2 300 m[7]，混凝土澆筑通過豎井直接泵送至澆筑面，最大泵送距離1 200 m。

2.4 香爐山隧洞斜井混凝土運輸方案比選

分析長度在1 km左右的斜井混凝土運輸，在能保證混凝土質量、技術條件允許的條件下溜槽方案最經濟，提升機方案其次，泵送方案單價較高。

根據香爐山隧洞施工支洞斜井布置情況，對于角度較陡的香爐山1-1號施工支洞(24.3°)、3號施工支洞(26.0°)、4號施工支洞(27.0°)、5號施工支洞(24.7°)均可考慮采用溜槽輸送混凝土。這幾條斜井自身的混凝土襯砌可通過溜槽接混凝土泵入倉澆筑，通過這幾條洞運輸的主洞襯砌混凝土在溜槽末端設集料倉轉運至主洞水平運輸設備上運輸。

香爐山2號施工支洞(17.6°)因坡度稍緩，若采用溜槽輸送混凝土，應進行相應試驗，特別是長距離輸送時可能需調整混凝土級配，甚至采用一級配混凝土，這樣又會導致混凝土單價提高，其增加的費用可能超過采用提升機或泵送混凝土增加的費用，應通過技術經濟比較后確定。

香爐山3-1號施工支洞(14.3°)自身混凝土襯砌考慮采用混凝土泵直接輸送澆筑，支洞尾段考慮采用混凝土泵接力輸送。采用溜槽方案時，需考慮增加助力設施。

通過香爐山3-1號施工支洞進行開挖的主洞為TBM段，出渣采用的是皮帶機，提升機不用考慮開挖出渣，可考慮采用提升機運輸主洞混凝土。

3 斜井混凝土運輸方案特性與應用技術

3.1 提升機方案主要技術措施

(1) 混凝土運輸能力。提升機方案的關鍵是提升機的運輸能力要能滿足施工強度要求，香爐山隧洞要求邊開挖邊襯砌，對混凝土襯砌的施工強度要求較高。建議采用2臺6 m3軌道罐車運輸混凝土，需配2臺25 t 牽引力的礦井提升機。

6 m3軌道罐車裝卸料時間可按7 min考慮，礦井提升機下放運輸罐車速度控制在2.5 m/s，提升速度控制在3.5 m/s。以香爐山3-1號施工支洞為例，支洞運輸時間約10 min，洞內卸料約7 min；完成卸料后，軌道罐車再經礦井提升機返回至斜井洞口，運輸時間約7 min，斜井運輸混凝土單循環時間約31 min，2臺6 m3軌道罐車約能滿足10～12 m3/h的澆筑強度要求。

(2) 主洞內運輸。提升機運輸方案配套的主洞內混凝土運輸宜為有軌方式，可考慮直接在洞底將罐車和提升機脫鉤后由牽引車牽引運輸至澆筑部位。

(3) 其他技術措施。提升機方案采用混凝土罐車運輸，混凝土轉運次數少，運輸過程中混凝土的坍落度損失不大，不需對混凝土的配比進行特殊調整，運輸過程中只需注意運輸平穩，避免急停、急轉彎等有損混凝土質量的操作。

3.2 溜槽方案主要技術措施

(1) 溜槽加工。溜槽一般可選用4 mm厚的鋼板利用卷板機卷制成“U”形，寬度一般為40～50 cm，高度在40 cm左右，斜井傾角較緩時宜適當加高溜槽高度。

(2) 混凝土配合比。長距離溜槽輸送混凝土易造成坍落度損失，配合比設計時應適當提高出機口混凝土的坍落度，避免在下料過程中出現堵塞現象，可采取適當增加混凝土的砂率、嚴控粗骨料超徑及針片狀含量、適當延長混凝土拌和時間等措施，改善混凝土的和易性和可泵性，提高保水性和黏聚性。

(3) 溜槽混凝土運輸質量控制措施。① 對于坡度較陡、高差較大的斜井可在斜井中部每隔50 m高差左右布設緩沖器，斜井底部布置緩沖帶和集料倉，以減少混凝土的離析；② 在混凝土下溜前，先采用清水潤濕溜管，接著溜放適量的水泥砂漿后再下放混凝土，減緩混凝土離析程度；③ 每次使用溜槽后需及時清洗保養，使用過程中每段溜槽需設專人看護發現堵塞及時處理，經溜槽輸送的混凝土需集料后再次攪拌后才能入倉澆筑；④ 主洞遠距離工作面混凝土通過溜槽運至洞底后需采用混凝土罐車接料轉運的方式，可采用二次高速攪拌，以恢復混凝土的性能。

(4) 緩坡溜槽混凝土運輸實踐。香爐山2號施工支洞坡度較緩(17.6°)，在2號施工支洞斜井自身襯砌施工中嘗試采用溜槽輸送。施工中首先采用一般泵送二級配混凝土通過溜槽輸送，此時發現存在混凝土流動不暢通、骨料分離等現象，為此進行了配比調整。調整后的混凝土接近一級配，加大了出機口的坍落度，調整后溜槽中的混凝土流動性穩定，流動速度均勻，沒有產生混凝土離析現象。隨著2號施工支洞襯砌施工進展推進，溜槽輸送距離不斷加長，在溜槽長度達到600 m以后，出現了流動困難需人工輔助等情況。目前溜槽長度已超過800 m，支洞尾段及通過2號施工支洞運輸混凝土的主洞段能否采用繼續溜槽輸送混凝土尚需研究。

3.3 泵送方案主要技術措施

3.3.1混凝土配合比要求

襯砌混凝土強度等級為 C30，要求混凝土拌和物有良好的可泵性，即在泵送下能順利通過管道、摩擦阻力小、不離析、不堵塞、黏聚性好，適應遠距離泵送。

(1) 水灰比。水灰比對混凝土可泵性影響較大，水灰比過小混凝土的流動阻力大，水灰比過大會使混凝土保水性、黏聚性下降而產生離析引起堵管。根據施工經驗兼顧可泵性和混凝土強度要求，水灰比宜控制在0.42～0.45。

(2) 砂率。最佳砂率可提高水泥砂漿的潤滑作用，砂率宜在38%～45%。

(3) 坍落度。出拌和系統的機口坍落度宜考慮長距離管道輸送中的坍落度損失，使輸送管道出口坍落度不低于18 cm。

(4) 粉煤灰。粉煤灰能改善拌和物的和易性，使拌和物具有良好的可泵性。

(5) 外加劑。適當的外加劑可以增加管壁與混凝土的潤滑，減少混凝土的離析、泌水等，可增加混凝土的流動性，提高混凝土可泵性。

3.3.2泵管布置

香爐山3-1號施工支洞傾斜角度為14.3°，高差338 m，長度1 432 m。在其自身襯砌施工時需長距離大落差向下輸送混凝土，如采用泵送需要解決混凝土泵向下輸送易堵管的問題。

用混凝土泵向下輸送一般較易出現因混凝土自由降落造成管內出現空洞或因自流使混凝土離析而導致輸送管堵塞的現象，因此施工要點在于使混凝土在任何狀態下均充滿管道并保持連續輸送狀態，使管中混凝土不分離，不自由降落，無氣堵現象產生。混凝土泵管布置要注意以下幾點：① 為避免混凝土自由滑落，布置泵管時可選用適當數量的彎管，增加管道內的阻力避免混凝土自由滑落；② 如有必要可在在泵管的出口設置閥門，在停止送料時人工關閉閥門，繼續澆注時打開閥門，始終保證泵管里面混凝土的充實飽滿連續。在管內出現壓縮空氣時及時停止輸料排氣；③ 在泵送過程中，管路會有較大振動，泵管要每隔一段就進行加固，特別是彎道處要加強加固。

3.3.3長距離混凝土的泵送施工要點

(1) 正確安裝泵機和泵管，保證管道安裝牢固、管路安裝通暢和泵管接頭處氣密性良好。

(2) 混凝土的運輸能力應盡量與泵機的泵送能力相匹配，確保泵送的連續性，混凝土泵送應連續進行，盡量避免中間停泵。

(3) 遠距離向下泵送混凝土前，先泵送適量水沖洗混凝土泵的料斗、混凝土缸及輸送管，將殘渣清理干凈，濕潤管道；清洗管道后再泵送適量的水泥漿潤滑管道系統。

(4) 泵送期間，應保證料斗內持續充滿混凝土，如果余料太少，易吸入空氣，導致堵管。

(5) 泵送過程中當泵送困難、泵的壓力突然升高、管路振動幅度變大，應立即停止泵送，檢查管路，找出堵塞的管段，拆卸清理。拆除堵塞部位的泵管時，應先解除管內壓力，防止堵塞部位卡箍放松后，管內混凝土飛濺傷人。

4 結 語

受地形條件限制，香爐山隧洞6條施工支洞采用斜井。本文根據不同斜井的特點選擇了相適應的斜井混凝土運輸方案，并提出主要技術措施。由于溜槽運輸混凝土相對經濟，目前普遍成為斜井混凝土運輸中施工單位的首選。但是，當斜井坡度較緩，傾角小于20°時實施困難，傾角小于15°時難于實施，對于需要通過斜井進行大量高強度混凝土運輸的工程，布置施工斜井時，應考慮混凝土運輸對斜井坡度的要求。