王 軍

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，蘭州 730030）

引洮二期工程隧洞出碴方案比選

王 軍

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，蘭州 730030）

出碴方案是影響長(zhǎng)距離工程隧洞掘進(jìn)效率的重要因素，結(jié)合引洮二期隧洞工程地質(zhì)、施工條件，分析了隧洞出碴方式的影響因素，提出了不同出碴方案，并從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、出碴效率等方面進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果：引洮二期隧洞施工推薦采用無(wú)軌方式為主、有軌方式為輔的出碴方案。

引洮二期工程；隧洞；出碴方案；支洞布置

隨著我國(guó)水利建設(shè)的不斷發(fā)展，引水隧洞、海底隧道、高速公路等項(xiàng)目中需要建設(shè)大批量不同斷面、不同類型的長(zhǎng)距離隧洞[1]。目前，隧洞掘進(jìn)中一般采取TBM掘進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)集合了挖掘、支護(hù)、出碴、通風(fēng)等施工過(guò)程[2-3]。研究表明：出碴方案制約了掘進(jìn)效率，對(duì)于長(zhǎng)距離隧道施工時(shí)，一般可采用無(wú)軌運(yùn)輸方式和有軌運(yùn)輸方式[4]。引洮二期供水工程共有供水管線18條，總長(zhǎng)度為174.18 km，設(shè)計(jì)流量0.05～2.90 m3/s。受地形地貌限制，引水線路縱向建筑物以隧洞為主，隧洞長(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)度的64.82%。引洮二期工程隧洞施工方案較復(fù)雜，以該工程為例，對(duì)不同出碴方案進(jìn)行研究，希望能為類似工程施工設(shè)計(jì)提供參考。

1 施工條件分析

甘肅省引洮供水工程水源取自卓尼縣境內(nèi)的九甸峽水庫(kù)，該工程覆蓋灌溉面積48萬(wàn)畝，設(shè)計(jì)流量為32.0 m3/s，最大引水流量為36.0 m3/s，年引水總量可達(dá)5.5億m3。二期工程供水范圍涉及安定、隴西等8縣，設(shè)計(jì)流量為20.0 m3/s，年引水總量為3.13億m3，覆蓋灌溉面積29萬(wàn)畝，屬于大（2）型水利工程，供水渠線總長(zhǎng)度為569.3 km?？偢汕L(zhǎng)度為95.09 km，設(shè)計(jì)流量7.0～20.0 m3/s；干渠共6條，總長(zhǎng)度為254.72 km，設(shè)計(jì)流量0.95～5.0 m3/s；分干渠有2條，長(zhǎng)度為45.25 km，設(shè)計(jì)流量0.9～1.35 m3/s。

目前，大部分隧洞洞口處于無(wú)水、無(wú)電、無(wú)路狀況。部分支洞口位于海拔較高的山梁之上，施工道路維修、維護(hù)工程量較大。長(zhǎng)隧洞數(shù)量多、洞渠比較大且隧洞斷面較小，施工通風(fēng)、出碴難度較大。為保障施工人員安全，需要布置施工輔助支洞，僅總干渠3座特長(zhǎng)隧洞（16#、22#洞和34#洞）就需要布置輔助支洞15座，總長(zhǎng)度6.09 km，臨建費(fèi)用較高。此外，各洞段淺埋溝道狹窄，溝谷切割較深，支洞口施工場(chǎng)地狹小，施工困難。支洞洞身地質(zhì)條件較差，絕大部分為Ⅳ～Ⅴ類軟巖地段，成洞條件較差，襯砌工程量較大。由于支洞平均長(zhǎng)度為406 m，通風(fēng)較差，采用傳統(tǒng)出渣方案進(jìn)行施工時(shí)出碴效率較低。

針對(duì)高海拔小斷面、特小斷面長(zhǎng)隧洞的施工作業(yè)及工期要求，結(jié)合地質(zhì)及洞線布置成果需要增設(shè)部分施工支洞。在施工支洞的選擇和規(guī)劃布置方面基本遵循如下原則：

（1）采用鉆爆法施工時(shí)，長(zhǎng)度在3 km以上或確有特殊需要的隧洞須設(shè)置施工支洞。每個(gè)掌子面距支洞口的最大距離應(yīng)小于2 km內(nèi)；

（2）支洞線宜短，優(yōu)先考慮洞線地質(zhì)條件應(yīng)好、洞臉巖體穩(wěn)定的平洞，不宜選用豎井做施工支洞，洞口附近應(yīng)有足夠的臨時(shí)設(shè)施和碴場(chǎng)布置場(chǎng)地并滿足防洪要求；

（3）支洞高差不宜超過(guò)100 m，優(yōu)先考慮向洞外下坡。平支洞縱坡與坡長(zhǎng)限制：有軌小于2%，無(wú)軌大于9%、坡長(zhǎng)小于150 m；斜井支洞傾角串車提升時(shí)小于25°，傳送帶輸送提升應(yīng)小于15°，井身縱斷面不應(yīng)該存在變坡和轉(zhuǎn)彎；

（4）支洞布置時(shí)，平洞與主洞的軸線交角須大于45°，當(dāng)隧洞斷面較小時(shí)，支洞軸線應(yīng)當(dāng)向主洞開(kāi)挖工作面傾斜，交叉口水平段長(zhǎng)度應(yīng)大于20 m；豎井支洞布設(shè)與主洞凈間距為15～20 m。

2 隧洞出碴方式

通常的出碴方式有無(wú)軌運(yùn)輸、有軌運(yùn)輸兩種，少數(shù)采用膠帶出碴。施工時(shí)應(yīng)根據(jù)隧洞的長(zhǎng)度、開(kāi)挖方法、機(jī)具設(shè)備、運(yùn)輸量大小、施工進(jìn)度等確定合理的出碴方案。

2.1 隧洞無(wú)軌出碴技術(shù)

無(wú)軌出碴技術(shù)一般適用于較大斷面，隧洞高度和寬度應(yīng)在4.5 m以上，其施工流程見(jiàn)圖1。隨著低矮窄體電動(dòng)運(yùn)輸車、拔抓裝載機(jī)、全液壓鑿巖臺(tái)車的發(fā)展和應(yīng)用，無(wú)軌出碴技術(shù)得到了迅速發(fā)展。對(duì)于小斷面隧洞出碴量少，隧洞強(qiáng)度低，常采用無(wú)軌出碴方式。無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備比較靈活，通用性大，設(shè)備利用率高。

當(dāng)采用無(wú)軌運(yùn)輸方式時(shí)，隧洞本身作為交通運(yùn)輸通道，隧洞斷面設(shè)計(jì)參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）。建筑界限內(nèi)不得有任何部件侵入；隧道建筑限界基本寬度應(yīng)符合如下規(guī)定：當(dāng)設(shè)置檢修道或人行道時(shí)，不設(shè)余寬；當(dāng)不設(shè)檢修道或人行道時(shí)，應(yīng)設(shè)不小于25 cm的余寬[5]。隧道內(nèi)路邊溝寬度應(yīng)小于側(cè)向?qū)挾龋⒉贾糜谲嚨纼蓚?cè)。洞內(nèi)施工期交通運(yùn)輸設(shè)計(jì)速度小于20 km/h，側(cè)向?qū)挾葢?yīng)不小于25 cm，余寬取25 cm。

2.2 隧洞有軌出碴技術(shù)

當(dāng)洞口距開(kāi)挖工作面長(zhǎng)度大于2 km時(shí)，有軌出碴方式較經(jīng)濟(jì)，有軌出碴技術(shù)示意圖見(jiàn)圖2。短距離有軌出碴多采用蓄電池式電機(jī)車，無(wú)廢氣污染，適應(yīng)強(qiáng)，較經(jīng)濟(jì)，但受電池電量影響；當(dāng)運(yùn)輸長(zhǎng)度大于8 km時(shí)，使用內(nèi)燃機(jī)車比較合適；膠帶輸送機(jī)主要在運(yùn)輸量大，在運(yùn)輸距離較長(zhǎng)和使用期較長(zhǎng)的情況下采用，膠帶輸送機(jī)斜坡運(yùn)輸時(shí)最大傾角一般不宜超過(guò)16。

圖1 無(wú)軌出碴施工流程

圖2 有軌運(yùn)輸出碴示意圖

3 隧洞出碴方案比選

目前，長(zhǎng)隧洞施工出碴方案一般采用有軌出碴技術(shù)，而短距離隧洞施工無(wú)軌出碴方案一次性投資遠(yuǎn)小于有軌出碴方案，宜采用無(wú)軌出碴方案?，F(xiàn)從運(yùn)輸能力、施工安全、施工環(huán)境等方面對(duì)比兩種出碴方案的優(yōu)缺點(diǎn)（見(jiàn)表1）。

表1 兩種出碴方案對(duì)比

引洮二期總干渠共有7座隧洞布置有施工臨時(shí)支洞20條，其中16#隧洞7#施工平洞與11#永久下渠通道相結(jié)合；干（分干）渠共有17座隧洞布置，設(shè)有施工臨時(shí)支洞21條；供水管線共有3座隧洞布置，設(shè)有施工臨時(shí)支洞4條。根據(jù)上述支洞布置原則，經(jīng)計(jì)算得出整個(gè)工程施工支洞的控制主洞長(zhǎng)度，其中總干渠施工輔助支洞布置情況見(jiàn)表2。

由表2可知，總干渠的支洞數(shù)量為20個(gè)。故總干渠相應(yīng)隧洞工程單工作面平均控制主洞的長(zhǎng)度為1 267 m，相應(yīng)的洞內(nèi)出碴距離為633.5 m。經(jīng)過(guò)分析總干渠、干（分干）渠和供水管線相應(yīng)隧洞工程單工作面平均控制主洞長(zhǎng)度分別約1.3、0.9、0.6 km相應(yīng)洞內(nèi)出碴運(yùn)距均小于1 km。綜合井巷專用全液壓鑿巖臺(tái)車、輪式或履帶式拔碴機(jī)和電動(dòng)運(yùn)輸車的應(yīng)用，確定本工程隧洞出碴采用無(wú)軌開(kāi)挖方式為主的出碴方案。受地形條件、工程布置和工期制約，部分長(zhǎng)隧洞需設(shè)施工斜井輔助施工，由施工斜井控制的洞段受坡度限制多采用有軌出碴方式。

表2 引洮二期總干渠施工輔助支洞布置情況

4 引洮二期隧洞出碴方案

4.1 總干渠平洞無(wú)軌出碴洞段

主洞土洞段采用人工手持風(fēng)鎬、風(fēng)鏟開(kāi)挖；主洞巖洞段由人工手持風(fēng)鉆鉆孔、人工配合機(jī)械裝藥進(jìn)行光面爆破。碴料由輪胎刮板式挖斗裝載機(jī)LWT-80（ZWY-80/18T）裝3 t地下礦用自卸汽車經(jīng)洞內(nèi)、洞外運(yùn)輸至棄碴場(chǎng)。

4.2 總干渠平洞、施工斜井聯(lián)合有軌出碴

主洞由CGT500.3軌輪式鑿巖臺(tái)車鉆孔、人工配合機(jī)械裝藥進(jìn)行光面爆破，碴料由ZLZY—80/45G立爪裝巖機(jī)裝S4/SB4小型4 m3梭式礦車由8 t電瓶機(jī)車牽引有軌運(yùn)輸至主、支洞交叉處，再經(jīng)75 kW雙筒絞車斜井內(nèi)提升至井口，洞外運(yùn)至棄碴場(chǎng)。

4.3 分干渠平洞無(wú)軌出碴

主洞土洞段采用人工手持風(fēng)鎬、風(fēng)鏟開(kāi)挖；主洞巖洞段采用氣腿式風(fēng)鉆或人工手持風(fēng)鉆鉆孔、人工配合機(jī)械裝藥爆破。碴料由ZLD-20型履帶式電動(dòng)裝巖機(jī)裝1～2 t微型礦用電動(dòng)運(yùn)輸車至棄碴場(chǎng)。

4.4 分干渠平洞有軌出碴

主洞采用人工手持風(fēng)鉆或支腿鑿巖機(jī)鉆孔、人工配合機(jī)械裝藥進(jìn)行爆破，碴料由礦用軌移式電動(dòng)WZG—60型扒碴機(jī)裝1.1～1.6 m3礦車由5～8 t電瓶機(jī)車牽引有軌運(yùn)輸至棄碴場(chǎng)。

4.5 分干渠平洞、施工斜井聯(lián)合有軌出碴

主洞采用人工手持風(fēng)鉆或支腿鑿巖機(jī)鉆孔、人工配合機(jī)械裝藥進(jìn)行爆破，碴料由礦用軌移式電動(dòng)WZG—60型扒碴機(jī)裝1.1～1.6 m3礦車由5～8 t電瓶機(jī)車牽引主洞內(nèi)有軌運(yùn)輸先至主、支洞交叉口，后經(jīng)75 kW雙筒絞車斜井內(nèi)平均提升至井口，洞外再運(yùn)到棄碴場(chǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析比較，引洮二期隧洞出碴推薦采用無(wú)軌方式為主、有軌方式為輔的出碴方案?？偢汕爸Ф礋o(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備選用輪胎刮板式挖斗裝載機(jī)裝碴、車輛選用3 t低矮型地下礦用自卸汽車運(yùn)輸出碴；干渠及管線選用履帶式電動(dòng)裝巖機(jī)裝碴、1～2 t礦用電動(dòng)運(yùn)輸車運(yùn)輸出碴；有軌運(yùn)輸設(shè)備選用斗車或梭車礦車輛編組，電瓶車牽引出碴。希望為今后其他隧洞工程出碴施工設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

[1] 肖東旭，何輝建.小斷面長(zhǎng)距離引水隧洞施工技術(shù)應(yīng)用分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015，（1）:104-105.

[2] 吳世勇，周濟(jì)芳，陳炳瑞，等.錦屏二級(jí)水電站引水隧洞TBM開(kāi)挖方案對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015（4）:728-734.

[3] 林長(zhǎng)杰，李光波，苑曉倩.特長(zhǎng)隧洞TBM施工組織管理技術(shù)的研究與實(shí)踐[J].水利建設(shè)與管理，2011（S1）:61-65.

[4] 盧祖貴.田地水電站利用出碴支洞技改擴(kuò)容的探討[J].小水電，2010（4）:39-40.

[5] 胡莉萍.隧洞開(kāi)挖與混凝土襯砌交叉作業(yè)施工方法[J].水電與新能源，2013（2）:15-16.

（責(zé)任編輯：周 群）

Comparison and selection of tunnel mucking schemes for Yinzhao 2ndstage Project

WANG Jun

（Water Resources and Hydropower Investigation and Design Institute of Gansu Province,Lanzhou 730030,China）

Mucking scheme is an important factor affecting the boring efficiency of long tunnel.Taking Yinzhao 2nd-stage Project with tunnel construction as example,the author analyzed the factors affecting the mucking modes combined with the geological and construction conditions;put forward several mucking schemes;and compared these schemes in respects of cost,environmental protection and mucking efficiency before the tunnel mucking scheme was recommended with trackless transport as main method and rail transport as auxiliary one.

Yinzhao 2nd-stage Project;tunnel;mucking scheme;arrangement of branch tunnel

U455.92 [

]B [

]1003-1510（2016）02-0064-03

2015-12-21

2016-01-08

王 軍（1987-），男，甘肅蘭州人，甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院助理工程師，學(xué)士，主要從事水利工程施工設(shè)計(jì)工作。