连续性多螺旋型隧道施工开挖石渣竖井溜渣抄道运送方法

向 建，殷本林，王 峻，王再强

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

0 引 言

我国大型水电工程多处于西部高山峡谷地区，且多为高坝，枢纽上下游的水位差极大，连接枢纽上下游的交通道路越来越多采用隧道的结构布置形式，交通隧道上下游高差可达数百米，甚至上千米，其优点在于隧道不仅可通过在山体内的延绵爬升消化高差形成的陡坡，还可避免在地表修建道路对山坡坡面、植被环境造成破坏及形成地质灾害，是一种对环境保护以及道路安全较为有利的道路结构布置形式。随着水电工程开发向西部的拓展，在高山峭壁地形条件下，水电站的水位落差将更大，某些巨型工程上下游的高差甚至高达2 000 m以上[1]，相对应的连接枢纽上下游交通的道路高差也将更大，给交通道路的设计与建造带来了进一步的挑战。

随着公路建设技术的发展，螺旋型展线交通隧道结构布置形式出现，这种形式的隧道可理解为“地下盘山隧道”，即在山体内隧道通过螺旋型展线的逐步上升，解决交通道路起止点的高差与距离之间的矛盾，可实现大高差起止点的平滑连接[2]。目前，国内兴建的螺旋型隧道有四川的雅西高速公路的干海子隧道[3]和铁寨子1号隧道[4]，以全程固定的2.97%的坡度，完成326.79 m的爬升；建(个)元高速公路咪的村隧道[5]左幅长3 903.62 m，右幅长4 003.62 m，隧道通过螺旋展线实现118.14 m高差的爬升；新晋高速公路[6]三层螺旋隧道桥群位于南太行山，海拔高度500～1 280 m，全长28 km，共有9个隧道，实现了780 m高差的爬升；延崇高速公路的金家庄特长螺旋隧道[7]左幅长4 228 m，右幅长4 104 m，通过螺旋展线实现了112 m高差的爬升。

螺旋型展线的交通隧道布置形式无疑对位于高山峡谷地区、河流上下游大高差水位的水电工程，提供了一种可行的枢纽上下游交通道路布置的解决方案。特别是采用连续性的多螺旋型隧道形式，可解决更大高差的道路连接问题。螺旋型展线交通隧道具有以下优点：

(1)纵坡平滑。隧道建设受到地形、地质等条件的限制，利用自然展线或长大隧道都无法克服线路控制点间的高差时，螺旋隧道能根据地质构造情况，灵活设计隧道的曲率和坡度，可消除复杂地形地貌的不良影响，在工程应用上有较强的优越性。

(2)弯道平顺。螺旋隧道具有更好的线形条件和满足线形指标的潜能，区别于一般的直线形隧道，螺旋隧道呈弧形走向，规避了盘山道路曲率小、急转弯多，采用U形、S形、C形、V形或Z形等多种形式，解决了复杂弯道等线形不畅的问题。

(3)环境友好。由于螺旋型隧道位于山体内部，与山腰线道路相比，不仅可避免地表开挖造成的植被破环[8]，还可避免地表边坡损伤所造成山体滑坡、泥石流等地质灾害的风险。在雪山上，还可避免雪线的升高等问题[9]。

(4)运行稳定。交通隧道的运行相较于地表腰线公路还具有结构安全，不易受山体落石、滑坡、山洪、泥石流、雪崩等外界因素影响而造成的交通堵塞与瘫痪等优点。

1 连续性多螺旋型隧道施工

1.1 施工方法

在岩体内的隧道建造过程中，一般采用钻爆法与TBM法施工。钻爆法是采用钻孔爆破的方式在隧道掌子面进行破岩，通过装载机、扒渣机等设备将爆破后的石渣运送到水平运输设备上，再由水平运输设备将石渣运到隧道之外[10]。而TBM法施工则是采用TBM在掌子面通过刀盘刀具全断面破岩掘进，并通过皮带机将石渣运送至隧道之外[11]。螺旋型隧道展线是长距离连续弯曲的，目前更适合采用钻爆法施工。虽然目前已有部分工程采用了TBM法进行弯曲隧道施工的实例[12]，但TBM法施工长距离螺旋形隧道尚在探索过程中。螺旋型隧道的施工除了面临直线隧道施工的问题外，还存在施工测量放线通视条件差、通风排烟更加不畅等问题。

隧道施工时，掌子面开挖石渣的水平运输通常采用不同动力的车辆运输、皮带机运输、有轨车辆运输等方式将石渣运至隧道外。而螺旋型隧道施工的石渣外运受施工布置特点的影响，运距通常会更长，成本也会更高。

1.2 隧道施工进尺与石渣运输量的动态关系

在一般情况下，石渣的动态运输距离与隧道的动态作业循坏进尺成正比关系，隧道开挖的长度越长，则运渣距离越远。假定在长度为L′的区段隧道单工作面作业中，第j个开挖作业循环进尺长度为Lj，隧道的断面面积为Sj，在该隧道段的作业循环次数为n(j=1，2，3，…，n)。在此隧道区间内，运出各作业进尺段石渣的累计运距L，可通过下式计算得出，即

L=L1+(L1+L2)+…+(L1+L2+…+Lj)+…+(L1+L2+…+Lj+Lj+1+…+Ln-1+Ln)

(1)

隧道第j个开挖作业循环进尺所运出的石渣体积

Vj=SjLj

(2)

如隧道各开挖循环进尺相等，假定其进尺长度为L0时，即Lj=L0，n=L/L0，则

L=L0(1+2+……+n)=L0(1+n)n/2=0.5L(1+L/L0)

(3)

在分析运输成本时，通常可采用运输的“吨·公里”与其“耗费单价”的概念做成本分析。假定石渣单位体积的质量为ρ，若隧道断面面积为常数S0，即Sj=S0时，在长度为L的隧道区段内，其石渣运输的“吨·公里”用M表示，则

M=ρVjL

(4)

即

M=(ρS0L0)L=(ρS0L0)[0.5L(1+L/L0)]=0.5ρS0L0L(1+L/L0)

(5)

2 连续性多螺旋型隧道石渣运输竖井溜渣抄道法

在螺旋型隧道的施工中，由于在地表布置交通道路与施工便道不可避免地对地质及生态环境产生扰动，造成对山体、植被、雪线等破坏，且难以恢复。为了发挥螺旋型隧道可避免地表盘山路开挖山体表面边坡的优点，在施工时宜尽量减少或避免在地表设置施工支洞及相应的地表施工通道，然而却会带来隧道开挖作业面较少，开挖出渣运距远，施工工期长等问题。本文提出的螺旋隧道施工新方法是，采用在螺旋型隧道施工过程中的适当时间及适当空间设置溜渣竖井[13]，并利用竖井溜渣的方式实现缩短出渣运距，达到缩短施工时间、减小工序干扰、降低施工成本的目的。

2.1 溜渣竖井的布置与竖井的溜渣方式

由于螺旋型隧道展线为立体曲线，上下隧道存有设计高差，在其展线水平投影的交汇处设置溜渣竖井，可将高层隧道内的施工开挖石渣通过竖井溜至低层隧道。这种抄近道的方式，可减少螺旋型隧道展线中闭环曲线段的运输距离，同时也可腾出其他工序的作业空间，减少隧道石渣运输与其他工序的干扰。连续型的螺旋隧道则依照以上原则连续布置多个溜渣竖井，可相应缩短多段水平运距，腾出多段非运输工序的并行作业空间，从而缩短工程整体工期。需要强调的是，设置溜渣竖井位置应遵循在隧道展线水平投影交汇点附近布置的原则，由此竖井才可短距离穿透与贯通上下层隧道，成为该区间石渣运输的最短通道。

连续型螺旋隧道施工中，在设置溜渣竖井的情况下，由原来的从掌子面采用车辆将石渣直接运送到洞口外的过程，改变为以下作业过程：①在掌子面，采用装载机将爆破形成的洞渣装至运输车辆上；②运输车辆将石渣经隧道非闭合段运至竖井井口；③车辆将石渣从竖井口卸渣，石渣经过竖井溜渣至竖井井底的下层隧道，此过程即是抄近道的过程，省去了隧道闭环型弧线长度的运输距离；④装载机在竖井井底将洞渣装至车辆；⑤车辆将石渣运至再下一层的竖井洞口卸渣，如此循环直至运出隧道外。

连续螺旋型隧道平面展线、立体展线分别见图1。图1中，连续螺旋型隧道展线形成n个立体交叉点，展线在第i处立体交叉的水平投影交叉点，从立体上看为上下2个点，Di表示第i号竖井在低高程隧道的交叉点，Ui表示第i号竖井在高高程隧道的交叉点，i为交叉点的序号，为1，2，3，…，n。

图1 连续螺旋型隧道示意

用直线连接点Di与点Ui，则该直线即为所设置溜渣竖井的轴线，其直线线段长度则为竖井深度，可用Hi表示，其值为隧道纵坡坡度与长度的乘积。

螺旋型隧道展线中闭环曲线长度越长，则缩短的车辆运输距离越长。因此，在设计布置隧道展线时，宜尽可能减少非闭环路径的长度。交通道路的纵坡通常小于4%，如果某溜渣竖井的深度为100 m，且假定道路纵坡为连续坡度，则螺旋型隧道展线中闭环曲线长度至少为2.5 km，通过多段竖井溜渣所缩短车辆运输的总运距则更长。

2.2 溜渣竖井施工

在水电站工程引水发电系统的竖井与斜井施工中，通常采用反井钻机施工技术，即在上平洞内安设反井钻机，先钻导孔至下平洞，再利用导孔将钻杆从上平洞的孔口伸至下平洞，在导孔孔底安装扩挖钻头后，自下而上扩挖成溜渣井；而后采用钻爆法自上而下将竖井扩挖至设计断面，钻爆出的石渣通过溜渣井溜至下平洞；再在下平洞隧洞将开挖石渣运出[14]。为了避免堵井，也有在反井钻机反扩成溜渣井后，再用人工爆破扩大溜渣井的断面面积。此方法避免了正井法开挖施工中繁杂低效的垂直起吊石渣过程，提高了竖井施工的开挖效率[15]。目前，国内竖井或陡斜井采用反井钻机进行施工，每延米竖井综合施工效率可达1.5～2.5 m/d，具有工期短、施工效率高、对周边环境影响小等优点。在具体施工过程中，需要根据不同的地质情况、钻孔直径、爆破参数等因素进行合理的施工方案设计和实施，同时需注意安全措施的落实。

需要说明的是，在水电工程引水发电洞的竖井施工中，其直径为引水发电洞的设计直径；而螺旋型隧道施工所设置的溜渣竖井，其直径需根据施工时采用的车辆的卸渣流量、石渣块径大小、石渣对井壁冲击力以及对工作空间要求等因素而确定。溜渣竖井深度则取决于隧道展线的闭环长度、隧道道路纵坡坡度等因素。

螺旋型交通隧道施工的溜渣竖井，施工方法与上述方法相同，但工序则穿插于施工过程中，隧道施工与溜渣竖井施工是相互交融、互为前提的关系。

2.3 隧道施工出渣与竖井溜渣的工序关系

由于溜渣竖井是服务于螺旋型隧道开挖施工的，竖井长度虽相对隧道较短，但其施工则受到隧道施工进程的约束。形成溜渣竖井施工的条件是在螺旋型隧道开挖至展线形成闭环后方可进行竖井的施工；而溜渣竖井施工完成后才可进行溜渣，从而实现石渣运输抄近道缩短运距。在施工中竖井越早形成，对隧道开挖石渣运输的作用越大。工序间衔接的紧密程度直接影响缩短运距的长短与经济效益的大小极其重要。根据图1，连续螺旋型与溜渣竖井的施工主要工序关系为：

(1)开挖从点Ai-1至点Di隧道段，即将隧道开挖至第i号溜渣竖井底部，此段隧道展线为非闭合曲线。

(2)开挖从点Di至点Ui隧道段，即将隧道开挖至第i号溜渣竖井顶部，此段隧道展线为闭合环线。

(3)开挖从点Ui至点Ai隧道段，同时段施工第i号竖井，点Ai的位置决定于第i号竖井施工完毕时的时点。点Ai的以后的隧道洞挖石渣可通过第i号竖井溜渣，实现抄近道缩短运距。

(4)在连续螺旋形隧道的施工中，根据以上所述，从点Ai的到点Ai+1隧道段的施工与上所述工序关系相同，后续工序亦与此同理。

连续性螺旋型隧道施工采用竖井溜渣法施工时，尽管通过抄近道缩短了石渣运输的运距，节省了运输成本，然而却增加了竖井的建造成本及渣料二次装运成本。只有在缩短运距的效益大于上述成本时，才具有技术经济价值。

2.4 石渣运距与竖井施工的动态关系

连续性螺旋型隧道开挖石渣的运输过程中，已开挖出的隧道实际上就是后续隧道开挖的运渣通道，在设置溜渣竖井进行溜渣抄近道的情况下，运输车辆可不经过螺旋型闭环曲线段的隧道，以每个闭环曲线段的隧道为单元，可将整个隧道划分成n个单元区段。第i段的长度，即点Ai-1到点Ai的距离为Li；n个闭环的连续性螺旋型隧道的总长为L0，即点A0到An的距离，则

L0=L1+L2+L3+…+Li+…+Ln

(6)

需要特别指出的是，在各个竖井未施工完成前，尚未形成溜渣的条件，该段隧道开挖石渣的运输距离无法通过竖井溜渣的方式缩短，如图1所示的点Ai-1到点Ai段的隧道，其开挖的石渣无法通过第i号竖井溜渣抄近道缩短运距，该运距可表示为Li，此段隧道根据作业方式及形态可分为以下3段：

(1)第一段为初始段。隧道从起始点施工到i号竖井的底部坐标点的距离，即图中点Ai-1到点Di的距离，将此距离表示为Li1。

(2)第二段为环形段，隧道从i号竖井的底部坐标点到对应的竖井顶部坐标点的距离，其隧道展线为水平投影交叉的环线，即图中点Di到Ui的环线距离，其长度为Li2，第i号竖井并不能形成第i段隧道开挖石渣的溜渣条件，只能为此后隧道的隧道开挖的洞渣提供溜渣抄道的条件，即i号竖井只能为第i+1段至第n段提供溜渣条件。

(3)第三段为完成段。隧道从i号竖井的顶部坐标点到隧道开挖继续进行到特定点的距离，该特定点根据隧道施工时间与竖井施工时间相同的隧道进尺而定，即点Ui到Ai的距离，其长度为Li3。

从图1可知，隧道的第i段长度Li=Li1+Li2+Li3。而通过第i号竖井的石渣省去的运距则为第i段闭合曲线的长度Li2。螺旋隧道道路纵坡坡度可用α表示，假定螺旋隧道的闭环弧线段道路的纵坡坡度α为定值。螺旋隧道闭环弧线段长度Li2，竖井深Hi，纵坡坡度α的关系可表达为α=Hi/Li2，则采用竖井溜渣施工方法所减少的水平运输总距离Li2=Hi/α，隧道开挖石渣可通过第i号竖井的方量Vi=S0(L0-L1-L2-…-Li)。通过第i号竖井溜渣所节省运输石渣的吨公里数为

Mi=ρViLi2

(7)

在具有n个闭环曲线的连续螺旋型隧道施工中，通过n个竖井溜渣所节省运输石渣的总吨公里数为

M=ρS0L12(L0-L1)+ρS0L22(L0-L1-L2)+…+ρS0L2(L0-L1-L2-…-Li)+…-ρS0Ln2(L0-L1-L2-…-Li-…-Ln)

(8)

也可表达为

M=ρS0(H1/α)(L0-L1)+ρS0(H2/α)(L0-L1-L2)+…+ρS0(Hi/α)(L0-L1-L2-…-Li)+…-ρS0(Hi/α)(L0-L1-L2-…-Li-…-Ln)

(9)

2.5 石渣运输的成本计算

为计算方便，假设隧道单位方量开挖石渣的运费为C1元/(t·km)；单位深度竖井施工的成本为C2元/m；Hi为第i号竖井的深度；L0为隧道总长度；L为减少的运距；Vi为隧道施工第i段进尺的石渣方量；Si为隧道施工第i段的断面面积；M为石渣运输的累计吨公里数；P1为减少运距的成本；P2为建造竖井增加的成本；P为运距减少与额外增加的施工成本之差。连续性螺旋隧道施工的n个溜渣竖井累计深度为H。计算公式如下

H=H1+H2+…+Hi+…+Hn

(10)

P=P1-P2

(11)

P1=C1M；P2=C2H

(12)

P=C1M-C2(H1+H2+…+Hi+…+Hn)

(13)

当P=0时，为成本平衡点，但因在环形段不进行运渣作业，腾出的隧道环形段的作业空间，可进行诸如隧道衬砌等其他工序的施工，可加快隧道整体施工的速度，竖井溜渣方案仍具有意义。

3 结 语

螺旋型隧道是解决山区大高差水电工程枢纽联系上下游交通的较好方案，具有不损伤地表边坡岩体及破环植被，保护生态环境等明显优势，连续性螺旋型隧道可解决更大高差的连接工程枢纽上下游交通的问题。

在螺旋型隧道环形展线水平投影交叉点布置竖井溜渣方法，可实现石渣的抄道运输，缩短施工出渣的运距。同时，可腾出环形段隧道作业面，减少石渣运输与其他作业的工序干扰，合理穿插进行开挖后续工序作业，加快隧道的施工速度，技术经济效益更加明显。溜渣竖井的施工是与螺旋型隧道施工相随相伴的，其工序的动态衔接程度关系到运渣成本。

螺旋型隧道竖井溜渣法的实施，需增加建造竖井的额外成本投入，通过本文所列计算公式可分析节省的运输成本与溜渣竖井建造成本的临界平衡点。隧道环形闭合部分的展线越长，节省的运输成本越多。在隧道展线的设计布置中，宜尽量减少非闭环路径的长度，增加闭环路径。布置竖井对于螺旋线隧洞的延伸功能也具有显著的作用，如施工临时设施(风水电)、皮带机系统等，可有效节约相关成本投入。