小断面长距离引水隧洞的施工设计

杨照明 张金承 周垂富

(1.新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000;2.吉林省水利水电工程局 长春 130000)

1 工程概况

新疆阿拉山口供水与生态建设工程是解决阿拉山口口岸水资源严重匮乏的引水工程,主要由取水枢纽、引水线路 (包括管道和隧洞)、尾部调节水库等组成,工程2006年7月正式开工,2009年10月试运行通水。

引水隧洞是该工程的关键控制工程,全长14.346km,设计开挖断面2.5m×2.5m,城门洞型,洞身段基本在较完整的花岗岩体中,采用钻爆法施工;受地形条件限制,已有工作面的平均控制长度1279m,其中吉林省水电工程局承担的2#竖井段单工作面控制长度达1620km,竖井深108m,为本工程施工难点,控制着整个工程的进度。

2 本工程隧洞的设计和改进

小断面长距离隧洞是各类隧洞中施工难度较大的,“小”是指机械化程度较高的施工机械不能进洞作业,只能采取以人工为主的方法开挖;“长”是对通风、供电、排水和运距相对而言;同样比较长的距离,对于洞径较大的,不称其为长,但对于洞径较小、主要靠人工作业的隧洞,就可认为是长隧洞。

目前长距离、小断面引水隧洞中,2m×2m以下开挖断面还未有工程实例,单工作面掘进长度1.6km也极少,在阿拉山口供水工程前期的设计阶段,受工程总投资控制,隧洞断面尺寸按照满足最小施工断面设计,开挖洞径为1.8×1.8m的城门洞型,施工主要以人工为主,目前市场上最小型号电瓶机车的型号为XK2.5-4/48-2A,自重2.5t,3.5k W,长2.3m,宽0.92m,高1.55m,可以满足运输需要。原设计洞径不具备机械施工条件,只能采用人工装碴,机械运输的方式。初步设计阶段控制工期为三年。

隧洞于2005年开始进行试验性开挖,由于小断面施工中对爆破的钳制作用,每一循环施工仅1.1～1.2m,随着进尺的延伸,出渣、通风排烟明显受到隧洞断面的限制,通风管直径一般不小于0.5m,否则,单位长度的风压损失较大,送风的距离就短,运输车与通风管的间隔太近,通风管容易被尖状物划破,加之洞内还需要布供水管、高压电缆、低压电缆、照明灯具等,造成通风时不能出渣,出渣时不能通风,洞内空气质量很差,每循环作业时间也在拉长,施工期的安全生产也不易得不到保证,隧洞施工表现出断面越小开挖条件越差,施工难度大、施工附加工作量也加大,进度和工期的矛盾日益严重,经测算,仅开挖需工期57个月。

根据实际情况,为保证按期完工,经过专题论证,设计变更将洞径扩大为2.5m×2.5m,以尽可能采用机械化施工,提高工作效率,且更能满足实施灌浆和喷护的空间要求,有利于实施连续通风、实施灌浆、衬砌、喷锚支护等施工。

隧洞工程于2006年正式开工,实践证明,扩大洞径后,每一循环进尺增加到1.4～1.5m,出渣设备、通风排烟管、供电、排水及供风管路在断面内可合理布置,基本满足施工期的安全生产需要,隧洞总开挖工期28个月,比原设计洞径的理论工期减少了29个月。扩大洞径后,洞挖工程量增加,投资有一定增加,经过经济分析,提前完工后的财务收益完全可弥补增加的投资。

3 隧洞施工

3.1 整体施工方案

隧洞施工采用全断面开挖,机械出渣。用0.2m3装岩机装斗车,水平运输采用2.5t电瓶车牵引至井底,垂直运输以矿用绞车提升自制罐笼,罐笼四角采用4根导向绳固定,提升高度40～108m,竖井出渣在井外直接装自卸汽车,平洞出渣在洞外装载机装自卸汽车,运输至指定弃渣场。

为保证洞壁悬挂通风筒、满足牵引车运输宽度及另一侧行人避车安全的要求,轨道中心线偏移隧洞中心线150mm。

3.2 主要施工方法

3.2.1 钻爆开挖方案

根据不同的围岩类别采用不同的施工方法见表1。

表1 隧洞开挖施工方案表

3.2.2 进尺的确定

合理的进尺是隧洞掘进作业的重要参数,按照规范要求通常选用的循环进尺为隧洞开挖宽度的0.6倍左右,本工程隧洞开挖宽度为2.5m,进尺为1.5m,钻孔可取1.7m,该深度处于钻机的最佳深度范围。进尺与循环时间协调才能取得最佳掘进效率,本工程为小断面隧洞,因此采用短进尺、多循环的工作方式。

3.2.3 爆破设计

表2 隧洞爆破施工参数汇总表

合理的爆破参数是本工程隧洞快速开挖的关键,根据理论计算分析,采用中心直孔掏槽布置方式,周边布置辅助孔,外轮廓线布置周边孔,整个断面共布置钻孔34个,光面爆破,隧洞爆破施工参数(见表2)。

表2隧洞石方开挖的爆破参数,系根据理论计算结合实际爆破效果反复进行爆破试验总结的参数,实际施工时按照监理最终批复的爆破试验成果,作为施工控制参数。

3.2.4 通风散烟

通风问题往往成为小断面长隧洞能否实现快速施工的关键,根据已有施工经验,施工洞、井内的最低风速不小于0.15m/s,工作面附近的最小风速不低于0.25m/s,隧洞、竖井工作面最大风速为4m/s。通风主要考虑施工作业人员所需风量、爆破散烟所需风量等,经计算分析,洞内通风量不小于45m3/min。

为了安全施工需要,有利于实施连续通风,采用压入式供风方式,由于洞径尺寸限制,洞内牵引车行走需要,并与通风桶需保持20cm的安全距离,最大限度布置直径大的供风管,以满足工作面所需风量。

本工程采用性能较好、供风距离较长的对旋轴流式通风机 YBT-62型,风机功率22×2k W,供风量240m3/min,风压3200～680Pa,选用风管为塑料柔性风管,悬挂在隧洞一侧墙上。洞挖进尺300m以内时,仅开一级风机,300～500m时,仅开二级风机,进尺超过500m时两级风机全部打开,当隧洞掘进到700m以上时,供风的沿程损失太大,送至工作面的风量很小,此时采取串联11kw的轴流风机,每隔300m左右设一台,由于各段的风压损失已由接力式的风机补偿,这种供风方式也不受洞长的限制。

在本工程实践中,还总结出了长距离混合式分散供风方式。距工作面50m始终布置一台吸风机,边开挖边往工作面移,爆破后首先开启该风机,先往外吸,烟尘经硬质风管吸出200m外,约20min后,关闭该风机;然后开启供风的所有风机,从洞口将新鲜空气吹入,使工作面的空气较新鲜,一般60min可完成排烟工作,工作面200m范围内空气质量满足工人安全施工需要。为了安全起见,每次爆破后洞内风机的开启按钮均在井上控制。每次通风结束,工人下井作业时,专职安全员首先携带有害气体检测仪检查,若空气质量不合格继续通风,直至满足要求为止。

3.2.5 出渣作业一次爆破有效进尺为1.4～1.5m,方量为 7.96～8.53m3,折合松方约 12.18～13.05m3。采用2.5t的电瓶车牵引矿车出渣,正常情况下每班出渣作业时间为5～6h。

本工程洞内采用有轨出渣,轻轨600mm,在洞内铺设单线,每隔300m设一斗车编组站(大避车道位置),每隔100m设一移车器(小避车道位置);装渣采用0.2m3风动装岩机,采用0.5m3斗车十二辆,牵引机车采用二台2.5t电瓶车,一台用于工作面至编组站的斗车的牵引工作,一台用于编组站至竖井提升机受料斗处斗车的牵引工作。

平时一台电瓶车停放于竖井地下卸渣站处,另一台电瓶车和十二辆空斗车均停放于斗车编组站处,出渣开始时由编组站处一台电瓶车推动两台空斗车,向工作面方向推进,行进至移车器时将一台斗车推入移车器,另一台由电瓶车推至装岩机后开始装岩,装岩完毕后则电瓶车将其牵引至斗车编组站处,同时人工将移车器内的空斗车推至工作面开始装岩;牵引重车的电瓶车把斗车牵引至编组站的靠近竖井处的岔口后,推入斗车编组站,并把从编组站远离竖井的岔口人工推出的一台空斗车,向工作面方向推进,至移车器后将空车移出,电瓶车前进至工作面处牵引重车,如此循环;当编组站处的重车满六辆时,由竖井处的电瓶车牵引至竖井卸渣站,提升至地面。

3.2.6 辅助作业及支护时间

手持风钻进出工作面时间约 20min;准备、清孔、装药时间为60min;爆破时间为10min;通风散烟时间为60min;出渣前的工作面清理、集渣、危岩安全处理等项工作约20min。综合考虑正常情况下每循环作业时间取10.1～11.9h,一天按2.38～2.0班计算。

3.2.7 施工供电

施工用电分为洞外供电、洞内供电两类,洞外用电分为生活用电(办公区、生活区)、生产用电(空压机、通风机、加工厂、砼拌和机、电焊机、机修等);洞内用电主要指电瓶车充电、照明等。

(1)洞外供电。电源引自博州地方电网阿拉山口110kV变电所,供电电压等级为35kV和10kV,35kV送电线路至2#竖井箱式变电站,10k V送电线路由2#竖井箱式变电站至2#竖井315kVA变压器。

(2)洞内供电。洞内400V低压输电线路进洞,主干线采用90mm2铜芯胶套电缆,据用电负荷理论计算供电距离为1200m,本工程实际供电距离最长为1700m,我们将大功率的用电设备如空压机、通风机布置在井口,洞内照明或动力电距离长,若电压降过大,采用电容补偿器就地补偿,尽量避免洞内同时启动多台用电设备,根据实际用电负荷计算达到理论供电距离后,设专职人员跟踪随着进尺的达到,经实践检验,该项措施可满足施工要求。

3.2.8 施工排水

根据地质条件,隧洞开挖过程中局部地段涌水量丰富,尤其是受地形限制,竖井均布置在沟内,施工期降雨入渗、开挖作业面层间滞水等需要尽快排出。隧洞设计坡度1‰,对于开挖面向上游的可以自流排水,汇集至竖井底部集中抽排;对于开挖面向下游的只能分段汇集,利用开挖碴料围堵,分段抽排,出水点集中部位采用橡胶软管导水。

4 结语

在长距离、小洞径断面施工中,爆破夹制作用大,炮眼利用率低,严重影响施工进尺,超挖工作量也相对较大,需要认真研究合理的掏槽方式、施工循环进尺、炸药单耗等,并根据具体情况研究长距离通风、供电方式等,以确保施工安全,在实践中不断总结经验。

1 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范[S].SL/47-94

2 水工隧洞设计规范[S].SL/279-2002

3 锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].GB50086-2001