长隧洞深长斜井混凝土运输方案研究

代艳芳，肖云伟，梅 伟

(1.云南省调水中心，云南 昆明 650051；2.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650051； 3.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

十二五以来，围绕区域水资源配置、防洪减灾、水生态环境修复与保护等功能，以水资源紧缺、水生态脆弱和水环境恶化等地区为重点的大型河湖水系连通工程正处于规划兴建高峰期。跨区域进行水资源配置，为尽量避免新增征地或因地表开挖造成的水土流失问题、环境问题，多选用深埋长隧洞形式作为输水通道。长隧洞作为控制性工程，建设过程中呈现出穿越复杂地层、掘进困难、挤占混凝土衬砌工期，施工通道布设局限、混凝土输送条件受限等难点问题，即研究混凝土运输方案以保证隧洞混凝土衬砌质量和提高进度成为了长隧洞施工控制的关键环节。

混凝土运输工具种类繁多，运输组合方式亦各有不同，确定方法时以效率高而转运次数少者为佳。根据国内外已建成的大型引调水项目如大伙房输水、万家寨引黄工程，大型水电站锦屏二级、巴基斯坦阿莱瓦水电站以及类似铁路长隧道、矿业通道等长隧洞施工经验，目前长隧洞混凝土运输方式是在分析施工安全性和进度需求，避开并行工序施工干扰的前提下，视施工通道条件比选组合。一般情况下，倾角<15°的缓坡出渣斜井优先选用有轨提升、无轨混凝土搅拌车[1,2]、深槽式皮带机运输方式[3-5]；倾角>45°陡坡斜井则考虑研制溜管运输，溜管长度一般<80 m[6-8]；而施工通道布设局限的长隧洞却尽可能利用通风竖井或新掘溜料竖井运输混凝土,一般落差<100 m[9,10]。上述方法，都有成功案例，但运输距离有限，实际运输能力较小，一般12～18 m3/h。本文中研究的牛栏江-滇池补水工程输水线路长隧洞布设竖井条件局限，且大部分埋深>150 m，隧洞断面25 m2，施工空间狭长，布设有倾角平均23°，平均长450 m的大坡度长斜井作为施工通道，建设期业主组织参建各方通过方案比选、现场试验、施工优化，选用的斜井开敞式溜槽运输与主洞罐车转运或泵送接力的混凝土运输方案成功满足了混凝土衬砌快速浇筑的各项要求，利用如此条件斜井长距离运输混凝土，国内外罕见，可为类似工程提供必要借鉴。

1 工程简介

牛栏江-滇池补水工程(以下简称牛栏江工程)作为跨区域、跨流域的长距离引水项目，滇池水污染防治的关键性措施，被列为国家172项重大水利工程之一，云南省十二五期间的20项重大工程之首，工程建设与运行成效备受关注。

牛栏江工程主要由德泽水库枢纽水源工程、干河泵站提水工程和输水线路工程组成，牛栏江江水经大型德泽水库蓄积，通过地下干河泵站提水，由输水线路自流到盘龙江河道最终汇入滇池，工程多年平均向滇池补水5.66 亿m3。工程建设具有“三高两难”的特点，其中深埋、高地下水位下的长距离隧洞跨越云南高原喀斯特和沙岩土地貌区，施工异常艰难,深埋长隧洞的安全、质量及进度控制成为了本工程建设管理的关键要点。

2 研究背景

牛栏江工程建设期间，参建各方面临和攻克了许多技术难题。其中，116 km长的输水线路，90%为隧洞，90%的洞段处于强溶岩发育的高地下水位(最高205 m)以下，小断面(开挖断面25 m2)长隧洞穿越岩溶地区，地质条件复杂、不可预见的地质灾害频发，施工难度大，工期比计划更为紧迫。最为突出的是长为15.2 km的金奎地隧洞，27.2 km长的大公山隧洞，36.7 km长的大五山隧洞，施工通道因布设条件差，共设施工斜井33条，80%为深长斜井，从支洞进口到最远工作面大部分超过1 500 m，典型施工支洞布设及施工参数见表1。随着长隧洞的开挖掘进，频繁遭遇塌方冒顶、涌水、突泥等不良地质现象，施工异常艰难，有的掌子面涌水量高达6 000 m3/h，有的掌子面一次塌方形成的泥石流方量达到13 000 m3，掘进施工异常艰难，导致开挖及支护工期严重滞后。在既定通水总工期目标不变的压力下，长隧洞施工作为控制性工程，由于开挖及支护完成工期严重滞后对混凝土衬砌施工强度的要求不断提高，高效的斜井混凝土运输便成为隧洞施工进度控制的关键环节及施工技术研究的重点。

表1 长隧洞典型施工支洞布设及施工参数表

3 深长斜井混凝土输送方案比选

3.1 原设计混凝土运输方案

前期设计工作中，施工斜井、主洞内均考虑采用3 m3/6 m3轨行式混凝土运输车装载，由双筒提升机自斜井牵引至井底车场，再由14 t蓄电池机车牵引至工作面附近转混凝土泵机泵送入仓。施工斜井考虑提升斗车需要，均按四轨双线布置。主洞有轨运输一般采用双轨单线布置，同时考虑每隔300 m设一错车道，主洞混凝土浇筑计划进尺为160 m/月。

3.2 施工期存在问题

牛栏江工程90%的长斜井，倾角在23°左右，坡度较缓，隧洞断面约25 m2，断面小，大部分高差大于150 m，斜井深长。开挖施工期，为减少斜井的施工干扰，大部分按二轨单线布设，斜井运输强度不能达到前设计指标，更不能满足现场实际要求，加之处理洞内不良地质灾害，造成开挖工期延后，影响隧洞衬砌平均强度需提高到240 m/月甚至更高，总工期要求不变的压力下，需研究选择一种高效的混凝土输送方案，确保隧洞混凝土的质量与进度目标。

3.3 混凝土输送方案比选

调查国内外已建水利及隧道工程关于竖井投料、溜槽或溜管下料、皮带机布料及有轨提升等混凝土运输技术的成功案例，类比分析本工程衬砌初期试验点方案实施效果，开展了方案比选工作。长斜井混凝土运输方案比选详见表2。

比选认为①绞车提升方案，轨道布设占用大部分通道，施工干扰大，提升重量重，安全管理风险高，提升进度慢等劣势，不能满足输送强度要求[14]；②少部分如金奎地隧洞4条支洞倾角在14°～17°，平均埋深150 m的，通过皮带机实验出现皮带凹槽吸附水泥浆，严重影响混凝土可泵性，经常堵管。为避免皮带抖动加剧导致混凝土离析而放慢皮带机输送速度，远不能满足进度要求，而且17°条件下运行的皮带机容易发生飞车事故，试验失败。③新设竖井涉及征地、新建拌和站和输电线路布设事项，协调难，工期紧而被否定。综合分析，推荐斜井溜槽输送混凝土与主洞多泵接力或混凝土搅拌车转运相结合的运输方案。

4 深长斜井溜槽混凝土运输试验与优化

施工阶段，长隧洞控制段混凝土衬砌初期，施工单位根据专题研究意见，就解决深长斜井溜槽混凝土运输中混凝土离析、混凝土泵送稳定性，响应工期要求等问题，在施工阶段进行试验和优化。方案示意如图1。

4.1 深长斜井溜槽运输方案改进措施

深斜井溜槽混凝土运输存在混凝土下滑不顺畅、槽内堵塞、坍落度损失、混凝土离析等影响混凝土浇筑进度和质量的现象[12,13]，采取了如下改进措施：

(1)溜槽加工及安装质量控制措施。溜槽一般选用2～4 mm厚的钢板切割成长150 cm，宽90～110 cm的长方形，采用自制卷板机卷制或机械模型进行静压，使其每块钢板的底部呈“U”型，溜槽加工后尺寸大多为40×50 cm，R25 cm，斜井倾角较缓的，溜槽适当加高。

表2 长斜井混凝土运输方案比选[1-11]

溜槽安装时首先避免焊接接头以保证混凝土高速下溜时尽可能减少跳流外溅和单点摩擦；其次安装统一坡度，确保溜槽搭接处上摞下焊接光圆顺直，搭接长度宜为5～10 cm；再有外部架立稳定牢固，有利于混凝土的流速均匀。溜槽制作安装示意如图2。

(2)混凝土配合比研究。首先长斜井溜槽输送混凝土易造成坍落度损失，适当提高出机口混凝土的坍落度，避免在下料过程中出现堵塞现象。出机混凝土的坍落度控制指标见表3。

表3 溜槽混凝土塌落度控制指标

图1 斜井溜槽输送混凝土方案示意图

图2 溜槽制作安装示意图

其次，按适当提高出机口混凝土的坍落度，适当增加混凝土的砂率(人工砂，细度模数2.4～2.8)，严控粗骨料超径及针片状含量，适当延长混凝土拌和时间(不少于120 s)，改善混凝土的和易性和可泵性，提高保水性和黏聚性的原则，进行了混凝土配合比的试验并优化。结合典型洞段的地形及水文地质条件，选定相应的施工配合比如表4。

4.2 溜槽混凝土运输质量控制措施

(1)高差大于150 m的斜井，在斜井中部每隔130 m斜长(50 m高差)左右布设了缓冲器，斜井底部布置有缓冲带和有闸阀的集料仓(1～1.5 m3)，间隔一定距离在溜槽外设置振动器，以减少混凝土的离析。

表4 典型洞段施工配合比选择

(2)在混凝土下溜前，先采用清水润湿溜管，接着溜放不少于1 m3的水泥砂浆后再下放混凝土，可有效减缓混凝土离析程度。

(3)主洞近距离工作面采用无轨水泥罐车接料方式，采用二次高速搅拌，以改善溜槽下料过程中骨料分离影响混凝土的各项性能指标。

(4)主洞远距离工作面采用泵送接力送料方式的，首先对输送泵进行压水试验再分别用水、水泥浆、砂浆进行润管作业，尽可能避免了堵管现象发生。接力泵单台输送距离控制在300～500 m，单工作面累计接力长度一般不大于1 500 m[15]。

(5)施工过程按150～200 m分段安排工作人员进行现场巡逻查看，以便及时对堵塞部位进行疏通。

5 效果评价

根据衬砌初期试验经验，通过施工改进，牛栏江工程输水线路近30个深长斜井采用溜槽和泵送接力输送混凝土，解决了原设计混凝土运输与材料运输互相干扰，制约进度的问题，确保了长隧洞赶工措施的有效落实，工程按期投运。实践表明：①高差大于100 m的长斜井溜槽运输混凝土，可通过圆弧形到U形的体型改进，提高溜槽制作与安装质量，有效解决混凝土下滑堵塞，外溢现象，保证混凝土的稳定持续输送；②通过混凝土配合比生产性试验，改良混凝土和易性，可有效减缓混凝土离析现象，保证混凝土质量，经质量评定输水线路混凝土衬砌分部工程的优秀率平均为80%；③斜井溜槽输送与主洞采用混凝土搅拌车转运或多级泵接力的联动方式，有效提高了混凝土的输送保证率，隧洞衬砌强度大幅提升。其中大五山14号支洞单工作面衬砌最高月进度达480 m，有效节约了施工工期；④有效利用出渣斜井布设溜槽，相对于轨道提升运输方式，提高了施工安全性，比较新掘竖井投料方式，加快了进度、节约了投资。工程实践推荐的斜井溜槽运输混凝土方式在巴基斯坦阿莱瓦水电站压力引水隧洞斜洞段衬砌中成功运用，云南在建的滇中引水工程初步设计中也就此参照推荐了斜井布设及混凝土运输方案。

6 展 望

牛栏江工程从规划、设计、施工到建成仅用了5 a，投运以来，已向昆明市滇池生态补水25 亿m3，经安全监测和技术鉴定，工程运行总体稳定，工程的投运创造了显著的生态补水效益和城市应急供水、提升城市水生态环境质量等社会效益。

本工程推荐的长斜井溜槽混凝土运输方式是在工期紧，施工通道条件受限的前提下研究提出，施工中也结合现场条件有所优化，但针对斜井底部的缓冲装置受力还缺少必要的理论计算，选择一项合理的集料装置解决减缓离析的研究有待深入；采用耐磨有机材料管制作溜槽，快速高质量拼装的选材方式，未有足够时间研制。就此提出，为类似工程提供参考,并在准备前期做相应的分析与试验。

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