深埋长隧洞施工支洞布置型式比选研究

韦道嘉，李晓燕，周绍红

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 工程特点和施工支洞布置条件

滇中引水工程楚雄段输水总干渠全长142.816km，包括隧洞、暗涵、渡槽和倒虹吸等建筑物，其中隧洞总长129.91km，占全长的90.97%。输水线路穿越地层主要为“滇中红层”，岩性以泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩(含泥灰岩)及砂岩等为主。隧洞穿越的地层主要为滇中红层，约占隧洞总长的95%，在线路后段局部穿越昆阳群浅变质岩和白云岩地层，其中隧洞穿越软岩为主地层约占73.7%；工程区域内分布有元谋—绿汁江断裂和罗茨—易门断裂两条区域性活动断裂，以及若干规模较大的断层；其复杂的地形地质条件决定了输水隧洞的施工方法适宜选择常规钻爆法。

软岩隧洞和断层施工是楚雄段隧洞施工的难点和重点，但沿线经过的地域复杂，工程施工与周边干扰较大，除穿越高山、河谷、冲沟外，还经过水库、鱼塘、农田、村庄、铁路、公路等以及人类活动密集的区域，工程受外围因素限制较多，施工支洞布置条件差。

楚雄段输水线路施工控制工期为89个月。

2 斜井支洞与平支洞运输能力分析

2.1 平支洞断面设计

平支洞采用无轨运输方式。支洞的断面宽度主要考虑自卸汽车的宽度、人行道宽度、风水管布置宽度及安全距离等，同时考虑主洞洞径大、运输强度高，施工支洞拟采用双车道；支洞的断面高度考虑自卸汽车的高度、风管高度、风管距离自卸汽车车顶的高度、安全距离、架线高度等。综合考虑各种因素，平洞支洞断面采用城门洞型，断面尺寸为7.5m×6.0m(宽×高)，如图1所示。

图1 平支洞横断面图

2.2 斜井支洞断面设计

斜井支洞采用有轨运输方式。斜井支洞的断面宽度主要考虑有轨运输车的宽度、列车间的净距、人行道宽度、风水管布置宽度等；支洞的断面高度考虑轨道至底板高度、有轨运输车的高度、风管高度、风管距离有轨运输车车顶的高度、安全距离、架线高度等。斜井支洞采用有轨运输方式，各斜井支洞均要承担上下游两个工作面的出渣、支护材料运输、施工人员上下运输等，考虑洞内运输强度大，并避免或减少施工干扰，为上下游工作面施工进度提供保证，斜井支洞按四线双车道布置设计。

楚雄段沿线地层主要为“滇中红层”，岩性为软岩，隧洞开挖过程中部分洞段需采用“边挖边衬”的方法，而斜井支洞采用“溜槽”运输混凝土；而昆明段沿线多位于可溶岩地层，对于岩溶洞段，施工排水量大，排水管占用宽度较大。因此，施工支洞布置还应考虑溜槽及排水管的布置。

表1 斜井出渣能力计算成果

斜井支洞断面按四轨双车道布置，断面尺寸为6.5m×5.5m，如图2所示。

图2 斜井横断面图

2.3 斜井出渣运输能力

2.3.1斜井提升斗车的循环时间

斜井提升斗车的循环时间(T)，主要包括斗车的装渣时间(T1)、斗车提升及下放时间(T2)、斗车卸渣时间(T3)以及其他不可预见的时间(T4)。

斜井提升斗车的一次循环时间(T)为

T=T1+T2+T3+T4

(1)

2.3.1.1 斗车的装渣时间(T1)

斜井底部斗车装车时间(T1)。斗车容量10m3，采用15t自卸汽车从掌子面运渣料至斜井底，再卸入斗车。不考虑斗车等待情况，斗车装渣用时150s。

2.3.1.2 斗车提升及下放时间(T2)

T2=2L/v

(2)

式中,T2—斗车提升及下放时间，s；L—斜井长度，取600m(楚雄昆明段支洞平均长度422m)；v—斗车提升速度，根据实际工程经验，一般为2～4m/s。

2.3.1.3 斗车卸渣时间(T3)

斗车洞外卸渣时间取90s。

2.3.1.4 其他不可预见的时间(T4)

其他不可预见的时间取60s。

2.3.2斜井提升能力

采用10m3斗容的斗车提升渣料，考虑斗车装渣容量折减系数0.9，每天出渣时间按12h计(每天施工时间20h，其他时间运输材料和作辅助运输等)，每月25d，则斜井四轨双车道的出渣提升能力见表1。安全稳妥起见，取斗车提升速度为2m/s，对应的斜井月出渣能力为21600m3/月(松方)。

2.3.3斜井出渣强度要求

设计进尺中，主洞上层出渣能力要求最大的是Ⅱ类围岩开挖，月进尺120m/月，循环进尺2.5m，一个循环的出渣量220m3(松方)，出渣时间6h，小时出渣强度最大要求为36.7m3/h(松方)。

设计进尺中，主洞单工作面下层开挖月进尺140m/月，循环进尺5m，一个循环出渣量最大为290m3(松方)，出渣时间6h，小时出渣强度最大为48.3m3/h(松方)。

斜井提升出渣能力为21600m3/月以上，可满足主洞上下游两个工作面的上层开挖累计月进尺245m/月的出渣强度要求，可满足两个工作面下层开挖累计月进尺372m/月的出渣强度要求。

2.3.4斜井出渣能力分析

从斜井提升能力、主洞单工作面开挖月进尺及出渣强度要求等方面综合分析，斜井支洞采用四轨双车道的提升能力，完全可以满足主洞开挖强度的要求，斜井有轨运输不制约主洞开挖进度。

施工中需合理做好洞内施工组织设计，加强主洞上、下游工作面的工序衔接和循环时间的控制，保证施工进度。

2.4 斜井混凝土运输能力

2.4.1斜井溜槽输送混凝土效率

根据工程经验，不同高差的斜井溜槽输送混凝土的生产率一般在20～25m3/h，高峰期每天溜送混凝土时间按12h计，每月按25d计，则单组溜槽输送混凝土的能力为6000～7500m3/月。

2.4.2斜井混凝土运输强度要求

根据设计进尺，主洞控制段单工作面混凝土浇筑月进尺140m/月，单工作面浇筑强度为2884m3/月，上下游两个面的月浇筑强度即为5768m3/月。

斜井单组溜槽输送混凝土的能力为6000～7500m3/月。若有需要，斜井内可布置两组溜槽，则输送混凝土的能力达到12000～15000m3/月。可满足两个工作面混凝土浇筑累计月进尺582～728m/月的强度要求。

2.4.3斜井运输混凝土能力分析

从斜井溜槽输送混凝土能力、主洞单工作面浇筑月进尺及浇筑强度要求等方面综合分析，斜井支洞采用溜槽输送混凝土的能力，完全可以满足主洞衬砌混凝土浇筑的要求，斜井不制约主洞衬砌进度。

通过对平洞与斜井布置方案出渣能力进行分析，斜井方案采用四轨双车道斜井运输及平洞采用自卸汽车运输，施工强度满足主洞施工要求，不制约主洞的出渣和混凝土浇筑强度，但对于富水洞段的施工，斜井的排水压力相对较大。

3 施工支洞布置总体原则

(1)施工支洞的设置以均衡施工为原则，既要满足进度要求，又要经济合理。

(2)沿输水隧洞洞线施工支洞间距一般控制在2.5～3.5km，主洞施工单工作面长度一般控制在1.3～1.8km，局部条件困难的控制在2.0km左右。

(3)施工支洞设置一般优先考虑平洞，其次为斜井。平洞坡度一般小于9%，最大不宜超过10%；斜井倾角在20°～25°，一般22°。

(5)施工支洞应选择洞线地质条件相对较好、洞口围岩稳定的位置，并避开泥石流、滑坡体等不良地质部位。

(6)支洞口交通条件较好，并尽量避开村庄、交通主干道、水库等人类活动密集和敏感区域，洞口附近有足够场地布置施工临时设施和渣场。

(7)支洞口设置高程应考虑防洪的要求，底板高程应设在防洪水位以上。

(8)支洞口位置的选择还应考虑环保水保的要求。

4 平洞与斜井经济性分析

4.1 分析条件说明

斜井的倾角取20°～25°，一般为22°；平洞坡度最大10%，一般8%～9%。

投资分析包扩支洞本身投资及相应承担的主洞投资。主洞工程量按支洞平均控制主洞施工段长3.2km长度计算，主洞计算断面分别选择楚雄段、昆明段输水线路中部具有代表性的隧洞断面，计算断面分别按8.2m×9.6m、6.7m×7.2m考虑。

针对每一支洞的平洞方案和斜井方案，假设平支洞与斜井支洞进口工程投资相同。

4.2 平洞与斜井支洞布置方案的经济比较方法

以上述设定为前提，逐一计算不同高差、不同型式的支洞洞挖、混凝土等工程量及投资变化情况，从而分析支洞高差与总投资之间的关系。

工业4.0这一主题早已与注塑机制造商息息相关。工业监测和控制的网络化与数字化可提升注塑工艺过程的透明度，并可以从经济效能上有花生产过程，而实现这种注塑工艺网格化的基础则是只能得工具传感器。例如瑞士Kistler公司提供的传感器，该模具中的传感器能对工艺过程进行监测，并使该过程更加透明，工作效率也将因此得到提高。

支洞经济分析中总投资包括支洞部分投资和主洞部分投资。支洞部分根据各支洞方案的拟定断面、洞长及围岩分类，分别计算工程量；主洞部分根据代表性隧洞断面和段长计算主要可比选项目的工程量；投资按每20m高差一个计算步数，对高差为40～240m范围内的平支洞与斜井的主要项目进行单价分析，进而进行总投资比较，得到以下支洞高差—总投资曲线图。

针对具体的某条支洞，存在斜井方案与平洞方案洞口可能位于不同位置，两种方案高差相差较大的情况，如图3所示中曲线可以查出某个高差的斜井与其投资相当的平洞的高差值，具体对应情况见表2。

图3 施工支洞高差-总投资曲线

序号斜井支洞高差/m平支洞高差/m124014022201353200130418012051601106140105712010081009097777

5 平洞与斜井技术经济比选

施工支洞布置方案的比选原则如下：

(1)输水线路穿越多处人类活动密集区域且受外围环境制约，施工支洞及生产生活区一方面尽量靠近已有县乡公路，方便交通；另一方面还与集镇、村庄、工厂、主干公路等保持一定距离，减少了彼此干扰和影响。

(2)支洞口施工场地能适应平洞和斜井、竖井等不同建筑物施工方法的差异，满足相应不同的施工要求。

(3)对初步规划布置成斜井，且具备布置表2中所列投资相当的长平洞地形地质条件的支洞，需从进洞条件、进场交通、施工场地、渣场布置条件、征地移民、施工排水、水保环保、施工工期、施工便利性及投资等方面进行斜井和平洞方案的技术、经济综合对比分析后确定支洞布置推荐方案。

(4)对初步规划布置成深长斜井，且不具备布置投资相当的长平洞的地形地质条件的支洞，视情况进行斜井与竖井方案的综合比选。

依据上述原则，设计中对各施工支洞至少拟定一个斜井及一个平洞方案，逐一进行技术经济综合比较；对布置平洞条件差，经初步分析判断斜井方案明显更优的支洞，则选择典型的斜井支洞，进行斜井与竖井方案的综合比较，最终确定合理的布置方案。

通过对各支洞布置方案拟定斜井、平洞或竖井等不同布置型式，进行技术经济综合分析比选后，推荐楚雄段施工支洞共布置平支洞24条，平支洞总长16702m；斜井支洞7条，斜井支洞总长3999m。

6 结语

综上所述，在滇中引水工程代表性输水隧洞断面尺寸及段长的特定条件下，通过对不同高差的平洞与斜井布置主要从土建方面进行经济分析，得到平支洞及斜井支洞的高差—总投资曲线，可作为支洞方案初拟时的经济性依据。

针对具体的支洞布置方案，除投资方面外，还需综合考虑进洞口的进洞条件、进场交通、施工场地、渣场布置条件、征地移民、水保环保影响及工期等因素，进行技术经济综合分析后选定较优的支洞布置方案。各支洞布置方案已获相关各方的认可，为工程顺利建设实施打下了坚实的基础。