水利工程深斜井施工中物料組織布置問(wèn)題的解決對(duì)策

何志敏

(中鐵五局集團(tuán)第五工程有限責(zé)任公司，云南 昆明 650500)

受山嶺重丘影響，長(zhǎng)距離引調(diào)水工程隧洞深埋施工支洞被迫設(shè)置為斜井。隧洞施工管理靠工序循環(huán)卡控，出渣作為隧洞施工關(guān)鍵控制性工序直接制約著掘進(jìn)進(jìn)度，而隧洞除開(kāi)挖外全部工序均受物流組織影響。水利工程深斜井在斷面小及坡度陡的雙重約束下，支洞特別是洞口、支洞與主洞三岔口成為了運(yùn)輸瓶頸，物料組織布置是施工組織的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)施工企業(yè)的布置方法存在各種局限，布置方法不系統(tǒng)，致使洞內(nèi)停工待料現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。基于大理Ⅱ段2標(biāo)4號(hào)斜井施工支洞三維模型，采用空間換時(shí)間的理念對(duì)斜井支洞的主要物料組織進(jìn)行布置，提供了一套系統(tǒng)的解決方案。

1 大理Ⅱ段2標(biāo)4號(hào)斜井概況

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，工程建成投入運(yùn)行后可以從根本上解決滇中區(qū)的水資源短缺問(wèn)題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。滇中引水工程受水區(qū)包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪及紅河的35個(gè)縣(市、區(qū))，總面積3.69萬(wàn)km2；工程多年平均引水量34.03億m3，屬大型水利工程。工程由石鼓水源及輸水總干渠組成。大理Ⅱ段總干渠線路位于瀾滄江、金沙江與紅河水系分水嶺地帶，地勢(shì)為西高東低，主要山脈和水系在祥云以西呈北西向展布、以東呈近南北向展布，輸水總干渠起點(diǎn)為大理市長(zhǎng)育村，末點(diǎn)為祥云縣萬(wàn)家，全長(zhǎng)104.071km，設(shè)計(jì)引水流量135～120m3/s，渠首水面高程1986.00m，渠末水面高程1956.00m，總水頭30m，全線平均底坡0.29‰。受水區(qū)有賓川牛井、大理市、彌渡彌城、巍山南詔、祥云祥城、祥云下莊、永勝縣太陽(yáng)平山。大理Ⅱ段施工2標(biāo)位于大理州大理市、賓川縣境內(nèi)，輸水隧洞包含海東隧洞4號(hào)施工支洞至海東隧洞出口控制段10.930km(DLⅡ14+355.000～DLⅡ25+285.431)、獅子山隧洞進(jìn)口控制段3.083km(DLⅡ25+801.348～DLⅡ28+885)。

海東隧洞4號(hào)施工支洞位于賓川縣境內(nèi)，支洞長(zhǎng)度647.7m，坡度22.36°，高差256.228m；斷面采用城門(mén)洞形，斷面尺寸為6.5m×6m(寬×高)，施工典型斷面如圖1所示。控制主洞段長(zhǎng)3.541km(DLⅡ14+355.000～DLⅡ17+896.000)，主洞典型斷面如圖2所示。

圖1 海東隧洞4號(hào)支洞斷面圖

圖2 海東隧洞典型斷面圖

2 深斜井物料組織存在的問(wèn)題

2.1 物料運(yùn)輸量大

基于洞內(nèi)施工工藝及圍巖的實(shí)際，施工運(yùn)輸通道高度繁忙，需要進(jìn)洞的有鋼軌、高壓風(fēng)管、高壓水管、高壓電纜、施工供電設(shè)備、漿液輸送管、混凝土、鋼筋、模板、輸送泵、運(yùn)輸車(chē)輛、施工機(jī)械、水泵、通風(fēng)風(fēng)管及通風(fēng)設(shè)備、民爆物品、工字鋼、超前小導(dǎo)管、超前管棚以及施工作業(yè)人員等；需要出洞的有洞渣、排水、模板、施工設(shè)備、待修車(chē)輛及設(shè)備、測(cè)量及超前預(yù)報(bào)等儀器設(shè)備以及管理人員等。雙向物流運(yùn)輸交通十分繁忙。

2.2 受斷面小及縱坡大約束

為了選擇最佳進(jìn)尺和實(shí)用斷面，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)比選，滇中引水選用了6.5m×6m的成型斷面。主洞斷面遠(yuǎn)大于支洞斷面，出渣量、支護(hù)材料等運(yùn)輸量大，支洞通道擁擠；加之支洞縱坡為41.1%，設(shè)備自有動(dòng)力無(wú)法行走，只能通過(guò)重力或者絞車(chē)實(shí)現(xiàn)。

2.3 運(yùn)輸時(shí)間平行空間約束

進(jìn)入主洞后分上下游施工，上下游的開(kāi)挖、支護(hù)、襯砌、灌漿及抽排水等工序均可能平行交叉作業(yè)；物料組織在洞口及斜井腳狹小的空間同時(shí)進(jìn)料、卸料，交叉干擾較為嚴(yán)重。由于施工強(qiáng)度高，為了施工的便捷和快速，運(yùn)輸工作存在連續(xù)、集中、不規(guī)則、無(wú)規(guī)律、裝卸費(fèi)時(shí)等問(wèn)題。

2.4 斜井有軌運(yùn)輸?shù)膮?shù)選取

一些有軌運(yùn)輸參數(shù)的選取適應(yīng)性較差。其一是有軌運(yùn)輸提升機(jī)提升的運(yùn)輸速度按照礦用《單繩纏繞式礦井提升機(jī)》(GB/T 20961—2018)規(guī)范，最大速度可以達(dá)到7m/s；而依據(jù)《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范》(SL 378—2007)，卷?yè)P(yáng)機(jī)的提升速度要求是不宜大于2m/s，沒(méi)有提升機(jī)的相關(guān)參數(shù)，因此應(yīng)選用《單繩纏繞式礦井提升機(jī)》(GB/T 20961—2018)相關(guān)參數(shù)。其二是斜井腳的平洞段設(shè)置，斜井及主洞全部采用有軌運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)在斜井腳設(shè)置不小于30m的平洞段。設(shè)置平洞段的目的一是用來(lái)切換洞內(nèi)電瓶車(chē)主洞運(yùn)輸與提升機(jī)運(yùn)輸調(diào)度車(chē)場(chǎng)地；二是滿(mǎn)足有軌運(yùn)輸支洞與主洞轉(zhuǎn)彎半徑要求。滇中引水采用的是斜井有軌+主洞無(wú)軌相結(jié)合的運(yùn)輸方式，設(shè)置30m平洞段導(dǎo)致物料運(yùn)輸集中，不利于組織物料運(yùn)輸。

2.5 國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)可借鑒

海東隧洞4號(hào)施工支洞斷面小6.5m×6m(寬×高)、下傾坡陡41%縱坡、高差大-256.228m，主洞9.46m×9.46m的斷面大，每延米99.78m3，是一個(gè)典型的縮頸約束；按照2420日歷天總工期目標(biāo)，要求海東隧洞4號(hào)施工支洞控制主洞段日進(jìn)尺須達(dá)到6m/d(兩個(gè)面)，約合718m3/d(實(shí)方按20%超挖計(jì))，進(jìn)料、出渣、施工補(bǔ)給、人員交通等物流組織任務(wù)繁重；受主要工序平行交叉作業(yè)制約，開(kāi)挖支護(hù)、襯砌及灌漿三大主要隧洞工程施工工序無(wú)恒定規(guī)律，卻須平行交叉作業(yè)，相互交叉干擾大。在結(jié)構(gòu)尺寸、進(jìn)度峰值及主要工序平行交叉三個(gè)因素同時(shí)作用制約下的高效集約運(yùn)輸方式，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

3 解決深斜井施工中物料組織布置問(wèn)題的主要原則及方法

基于隧洞掘進(jìn)進(jìn)度的需要，采用空間換時(shí)間的思路，按照化順序作業(yè)為平行作業(yè)、運(yùn)輸相對(duì)獨(dú)立、降低干擾、錯(cuò)面錯(cuò)位立交、節(jié)能減排、緊湊有序的原則，系統(tǒng)整體布置深斜井施工物料組織設(shè)施。具體方法如下。

3.1 集約化管理

受斜井寬度制約，運(yùn)輸繁忙的影響，采用敞口溜槽混凝土自溜運(yùn)輸技術(shù)，充分利用斜井坡度、混凝土自重、橫斷面結(jié)構(gòu)型式，采用定型溜槽結(jié)合集料緩沖倉(cāng)的方式，實(shí)現(xiàn)混凝土連續(xù)、及時(shí)恒定的運(yùn)輸，解決了斜井混凝土罐車(chē)運(yùn)輸量小、速度慢、安全風(fēng)險(xiǎn)大、能耗大等問(wèn)題，避免了混凝土運(yùn)輸與洞內(nèi)出渣的干擾，提高了斜井混凝土的運(yùn)輸速度，保障了混凝土襯砌的施工質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)省了混凝土運(yùn)輸時(shí)間，加快了施工進(jìn)度。

受洞內(nèi)出渣日進(jìn)尺需要，經(jīng)運(yùn)能測(cè)算需配置8m3側(cè)卸料斗。與之配套軌道42kg/m，軌距900mm，為了最大程度地壓縮斜井同平面的占用寬度，通過(guò)模擬雙股道絞車(chē)的運(yùn)行過(guò)程，將兩股道中心間距壓縮至1.5m,在滿(mǎn)足《單繩纏繞式礦井提升機(jī)》(GB/T 20961—2018)斜井段錯(cuò)車(chē)位置安排拉開(kāi)40cm距離外其余部位按礦斗間零距離布置，大大提升了斜井坡道凈斷面的利用率。

受主洞工序相互干擾及運(yùn)輸?shù)南拗疲磧?nèi)灌漿作業(yè)區(qū)域制漿嚴(yán)重影響平行工序作業(yè)。灌漿工程施工全部采用集中制漿站制濃漿，經(jīng)高壓灌漿泵逐級(jí)加壓，管路輸送至作業(yè)面稀釋至設(shè)計(jì)配合比的方式進(jìn)行，極大地減少了作業(yè)區(qū)域空間占有量，便利了其他工序的作業(yè)。

3.2 空間錯(cuò)位時(shí)間平行

洞口及斜井腳是斜井施工的運(yùn)輸瓶頸，為了減少工序間干擾、提高運(yùn)輸效率、加快作業(yè)循環(huán)，采用了空間錯(cuò)位、工序時(shí)間平行的全空間立體布置。洞口卸料采用倒渣區(qū)下沉、無(wú)軌運(yùn)輸?shù)孛妗⒂熊夁\(yùn)輸?shù)厣系目臻g立交方式；洞口采用外部混凝土無(wú)軌到溜槽接口、中段二三項(xiàng)料及主材門(mén)吊裝卸、洞臉位置無(wú)軌設(shè)備通道的空間錯(cuò)位、工序時(shí)間平行的布置方式；斜井腳由支洞至主洞也采用前段混凝土泵送分流上下游、中段門(mén)吊裝卸二三項(xiàng)料及主材、后段料斗裝渣的空間錯(cuò)面、工序時(shí)間平行布置方式。

3.3 空間換時(shí)間

隧洞特別是深斜井隧洞施工主要受物料運(yùn)輸制約，而斜井施工主要受斜井的出渣運(yùn)能限制。為了壓縮出渣時(shí)間，加快工序循環(huán)，按照洞內(nèi)設(shè)置渣倉(cāng)，將掌子面的渣料在短時(shí)間內(nèi)以無(wú)軌機(jī)動(dòng)靈活的運(yùn)輸方式運(yùn)至渣倉(cāng)，再采用裝載機(jī)裝至斜井料斗，連續(xù)不間斷地運(yùn)輸至洞外。通過(guò)洞內(nèi)無(wú)軌運(yùn)輸速度大于斜井有軌運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間差，加快掌子面的出渣速度，在壓縮工序時(shí)間的同時(shí)保證了斜井出渣連續(xù)性，確保了運(yùn)能和絞車(chē)的利用率。

4 深斜井施工中物料組織布置問(wèn)題的解決對(duì)策

基于隧洞掘進(jìn)進(jìn)度的需要，按照空間換時(shí)間的理念設(shè)置渣倉(cāng)調(diào)蓄渣料運(yùn)輸。采用雙卷筒礦用《單繩纏繞式礦井提升機(jī)》(GB/T 20961—2018 )規(guī)定的運(yùn)輸速度，結(jié)合運(yùn)能計(jì)算結(jié)果，對(duì)深斜井的提升機(jī)設(shè)備進(jìn)行選型。

4.1 洞口下沉式立交卸料系統(tǒng)布置

采用地上有軌側(cè)卸料斗卸料、地面層施工機(jī)械無(wú)軌車(chē)輛自由通行、倒渣系統(tǒng)下沉的三層互通立交運(yùn)輸系統(tǒng)，確保洞口物流組織相對(duì)獨(dú)立分行，互不干擾高速快捷的運(yùn)行方案，同時(shí)確保洞口文明施工整潔干凈，通過(guò)渣料臨時(shí)存儲(chǔ)調(diào)蓄達(dá)到渣料運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性。具體布置見(jiàn)圖3。

圖3 下沉式卸料系統(tǒng)布置

4.2 洞口物料組織布置

洞口物料采用混凝土溜槽運(yùn)輸；通風(fēng)、高壓風(fēng)、排水、高壓水、水泥漿液采用管道運(yùn)輸；高壓電、動(dòng)力電、照明采用電纜輸送；渣料運(yùn)輸、水泵、二三項(xiàng)料、鋼材、半成品等采用雙股道與箕斗或平板車(chē)，結(jié)合門(mén)吊裝卸有軌運(yùn)輸；設(shè)置人員采用梯步專(zhuān)屬通道；無(wú)軌設(shè)備采用鋼絲繩牽引進(jìn)出的總布局。具體布置見(jiàn)圖4。

圖4 洞口物料組織布置

為了充分利用支洞寬度，達(dá)到最大運(yùn)能，具體參數(shù)布置如下：橫斷面布置上，溜槽加檢修通道建議不大于1m；兩股道間距：礦斗錯(cuò)車(chē)處，礦斗間距不大于0.2m，其余區(qū)段可考慮礦斗間零間距布置；人行步道寬度不大于1m；管路總寬不大于0.6m；門(mén)吊一側(cè)立柱與同側(cè)軌道間距離不小于3.7m。軸線方向上門(mén)吊距洞臉間距不大于5m；混凝土進(jìn)料口在結(jié)合最佳溜槽坡度前提下，總長(zhǎng)不應(yīng)大于40m；施工通風(fēng)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口距洞臉不得小于30m。具體布置見(jiàn)圖5。

圖5 洞口物料組織布置細(xì)部圖

4.3 支洞內(nèi)布置

洞內(nèi)物料運(yùn)輸組織按照集約、分區(qū)、分行、順暢的布置原則進(jìn)行。按照?qǐng)D6所示編號(hào)對(duì)應(yīng)物料通道分別為：①混凝土運(yùn)輸溜槽；②2×φ1500通風(fēng)管；③照明供電電纜；④高壓供電電纜；⑤φ108高壓供水水管；⑥φ48水泥漿液輸送管；⑦φ200高壓風(fēng)管(可兼做應(yīng)急排水管)；⑧φ200排水管；⑨φ300排水管；物料運(yùn)輸軌道；物料與人員共軌軌道；無(wú)軌設(shè)備下放通道(可臨時(shí)占用)；人行步道。

圖6 洞內(nèi)物料運(yùn)輸系統(tǒng)布置

4.4 支洞與主洞三岔口物料組織布置

按照空間換時(shí)間的理念在主洞上下游分別設(shè)置渣倉(cāng)調(diào)蓄渣料運(yùn)輸，壓縮出渣工序時(shí)間，實(shí)現(xiàn)出渣部分時(shí)間與其他工序的平行作業(yè)；采用斜井腳設(shè)置門(mén)吊和有軌坡道實(shí)現(xiàn)出渣與其他物料運(yùn)輸與裝卸的立交錯(cuò)面運(yùn)行，降低干擾，加快運(yùn)轉(zhuǎn)速度和效率；斜井腳設(shè)置混凝土集料倉(cāng)及混凝土輸送泵，實(shí)現(xiàn)上下游分流及空間錯(cuò)位運(yùn)輸；支洞對(duì)面設(shè)置滿(mǎn)足要求的洞內(nèi)沉淀池及排水泵站。具體布置如圖7所示。

圖7 支洞與主洞三岔口物料組織布置

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)深斜井施工的布置和物料組織，特別是系統(tǒng)的物料運(yùn)輸布置沒(méi)有成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，受深斜井的約束，施工進(jìn)度遲緩嚴(yán)重制約了建設(shè)項(xiàng)目的及時(shí)運(yùn)營(yíng)。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)深斜井類(lèi)似施工經(jīng)驗(yàn)，并不斷探討和實(shí)踐，優(yōu)化了斜井施工工藝、提高了施工功效，為深斜井水利施工項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的施工技術(shù)保障。