陳志高
(中國鐵建股份有限公司 北京 100073)
隨著我國水利工程的不斷發(fā)展,埋深較大的特長水工隧洞不斷涌現(xiàn)。為確保工期,施工輔助坑道在工程中往往被廣泛采用。不同的輔助坑道方案勢必造成不同的施工條件、設備投入、安全風險和環(huán)境影響,也直接決定了項目的工期、成本?;诖耍疚耐ㄟ^對小浪底引黃工程2#引水隧洞34+090~47+430段施工輔助坑道平面位置、縱向坡度、坑道斷面、場地條件等方面進行系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整,有效解決了出渣、材料運輸難題,節(jié)約了施工投入成本、減小了環(huán)境影響、降低了施工難度和安全風險。
(1)小浪底引黃工程2#隧道34+090~47+430段主洞長13.34 km,設計布設 10#、11#、12#、13#共4條輔助坑道,坑道總長約4.22 km,具體參數(shù)見表1。
表1 原方案輔助坑道相關(guān)參數(shù)
(2)各輔助坑道設計斷面均為城門洞形,洞身段斷面尺寸為3.65 m×3.2 m,與主洞交叉段斷面尺寸為2.5 m×3.2 m。
本工程所處地層主要為黑云斜長片麻巖、大理巖,巖性較硬,穩(wěn)定性一般,局部可能產(chǎn)生坍塌。隧洞大部分埋深較大,洞址基本位于地下水位以下,施工中有滲水、涌水的可能,局部可能存在突涌水問題。
10#輔助坑道位于石門鄉(xiāng)上富裕村北溝內(nèi),洞口地形陡峭,場地高低起伏不平,施工用電需從石門變電站接線,接線距離約5 km,另外需新修便道約2 km;11#輔助坑道位于聞垣公路南毛峪溝內(nèi),施工用電T接困難,需要架設9 km的線路,洞口地形溝谷起伏較大,需新修便道約3 km;12#輔助坑道位于聞喜縣酒務頭鄉(xiāng)的小山洼村,洞口地形險要,場地狹小,施工用電T接點距離洞口4 km,另外需新修便道約3 km;13#輔助坑道位于聞喜縣酒務頭鄉(xiāng)下白家溝附近,洞口地形復雜,場地狹窄,施工用電T接點距離洞口3 km,另外需新修便道約2.8 km??拥蓝纯趯ν饨煌ㄖ饕獮榭h道聞垣公路和鄉(xiāng)間公路,輔助坑道洞口需要修建臨時進場道路及棄渣場道路共計約10.8 km。
(1)設備配置投入大。原方案輔助坑道均為陡坡有軌運輸,僅輔助坑道有軌專用設備一次性投入總計達700萬元以上。
(2)大臨費用高。新建便道長,原方案需新建便道共計10.8 km,并且土方工程量很大,新建便道初估需投入約600萬元;T接供電線路工程量大,總計需架設高壓線路約21 km。
(3)運輸成本高。所有材料均需通過兩次倒運才能到達作業(yè)面,特別是砼運輸,倒運工序復雜,費時費力,損耗較大、成本較高。
由于陡坡輔助坑道采用有軌提升方式運輸,坑道軌道鋪設和維護工作量大,出渣及物流運輸、人員升降等工作耗用時間長、功效低,綜合開挖進尺指標大約為緩坡隧洞進尺的1/3,如遇突涌水等不良地質(zhì),施工效率將更低。
(1)4個輔助坑道均為有軌陡坡,施工安全風險極大,特別是10#、11#斜井,坡長且陡,富水地段施工淹井風險極高,且搶險救援不利。
(2)有軌運輸方式,物流及人員升降井安全管控難度大,礦車運行對軌道平順度和穩(wěn)定性敏感度高,礦車上下過程中極易發(fā)生脫軌事故。
小浪底引黃2#隧洞位于中條山自然保護區(qū),植被茂密,環(huán)保要求高。原方案4座輔助坑道洞口、棄渣場和新建10.8 km的便道均需征用大量的農(nóng)田、林地。另外,坑道棄渣、洞室開挖越多對環(huán)水保影響就越大。
優(yōu)化過程以保證工期、減低成本、防范風險作為主要目的,并結(jié)合現(xiàn)場實際情況,對10#、11#、12#、13#輔助坑道洞口位置、斜井縱坡、與主洞交點進行全面系統(tǒng)優(yōu)化。
(1)輔助坑道斷面和坑道縱坡選擇
10#輔助坑道原方案坡度大、坑道長,通過調(diào)整相對高差盡量壓縮坑道長度。為提高物流效率,輔助坑道計劃按雙軌布設,斷面按4.6 m(寬)×3.8 m(高)優(yōu)化;根據(jù)國內(nèi)外礦山相關(guān)經(jīng)驗,緩坡縱坡最大可到20%[1-2]。12#、13#輔助坑道縱坡選擇15%,為了提高物流效率,采用改進加強型自卸汽車運輸,斷面按4.6 m(寬)×5 m(高)優(yōu)化。
(2)10#輔助坑道優(yōu)化方案
10#輔助坑道仍按陡坡施工,只將洞口位置、斷面尺寸、縱坡及長度進行優(yōu)化。洞口標高由原設計的939 m調(diào)整為874 m,坡度由原設計的41.7%調(diào)整為47.8%,長度由原設計1 202.6 m調(diào)整為926 m,與主洞交匯樁號35+363,與主洞夾角23.74°,斷面按4.6 m(寬)×3.8 m(高)優(yōu)化。優(yōu)化后洞口場地較為平整、植被少,距既有道路1.1 m,T接電力電路800 m,距離水源500 m。
(3)12#輔助坑道優(yōu)化方案
12#陡坡輔助坑道優(yōu)化為緩坡施工,洞口標高由原設計的824 m調(diào)整為778 m,坡度由原設計的44.3%調(diào)整為15%;考慮12??拥浪?jīng)地層圍巖較好,長度由原設計865.7 m調(diào)整為1 987.5 m[3],與主洞交匯樁號40+423,與主洞夾角4.03°,斷面按4.6 m(寬)×5 m(高)優(yōu)化。洞口場地為河谷臺地,距既有道路800 m,T接電力電路1.2 km,距離水源350 m。
(4)13#輔助坑道優(yōu)化方案
13#陡坡輔助坑道優(yōu)化為緩坡施工,洞口標高由原設計的660 m調(diào)整為628 m,坡度由原設計的26.9%調(diào)整為15%,長度由原設計711 m調(diào)整為982 m,與主洞交匯樁號 45+637,與主洞夾角30.73°,斷面按4.6 m(寬)×5 m(高)優(yōu)化。洞口場地為開闊荒地,距既有道路1 100 m,T接電力電路900 m,距離水源150 m。
(5)11#輔助坑道優(yōu)化方案
11#輔助坑道洞口位于原有地方鐵礦的尾礦庫下游,若發(fā)生暴雨,極易形成泥石流,安全隱患極大,且11#輔助坑道坡度大、長度長,施工十分困難。經(jīng)工期計算,取消11#輔助坑道。
(6)承擔主洞施工任務規(guī)劃
結(jié)合現(xiàn)場實際情況和具體地質(zhì)條件,優(yōu)化后的輔助坑道承擔的主洞施工任務見表2。
輔助坑道優(yōu)化前后的主要參數(shù)對比情況見表3。
表2 優(yōu)化前后輔助坑道承擔主洞施工任務規(guī)劃
表3 優(yōu)化前后總體對比
輔助坑道優(yōu)化前后平面見圖1。
圖1 2#隧洞輔助坑道原設計及優(yōu)化后平面
(1)10#輔助坑道優(yōu)化后及主洞采用人工鉆爆、雙軌礦車運輸+主洞汽車運輸?shù)木C合出渣運輸方案[4]。在輔助坑道與主洞交叉口設井底車場[5-6],主洞每隔200 m設置一調(diào)頭及錯車道,調(diào)頭及錯車道寬10 m、長25 m[7]。
(2)12#、13#輔助坑道優(yōu)化后及主洞采用人工鉆爆,加強型自卸汽車出渣運輸方案。輔助坑道及主洞每隔200 m設置調(diào)頭及錯車道,調(diào)頭及錯車道寬10 m、長25 m。
(1)10#輔助坑道主要配置2臺CAT312D、一臺L30裝載機、6臺南俊4108改進加強型汽車,絞車采用2JK-2.5×1.5/20型雙滾筒礦用絞車[8-10]。
(2)12#、13#輔助坑道各配置 8臺南俊4108改進加強型汽車,2臺 CAT312D挖機、2臺 ZL50裝載機。
優(yōu)化后的輔助坑道方案得到了有關(guān)專家和業(yè)主的高度認可與肯定,并全面推進了本工程其他標段輔助坑道方案優(yōu)化工作,較好地取得了“保工期、降成本、防風險、護環(huán)境”的綜合社會效應。
(1)方案優(yōu)化前后輔助坑道工期及掘進進尺比較(見表4)[11]。
(2)方案優(yōu)化前后主洞工期及掘進進尺比較(見表 5)[12]。
表4 優(yōu)化前后輔助坑道工期及掘進進尺比較
表5 優(yōu)化前后主洞工期及掘進進尺比較
根據(jù)表4~表5中數(shù)據(jù)可知,原方案11#輔助坑道和11#輔助坑道主洞大里程為關(guān)鍵線路,總工期59.9個月;優(yōu)化后10#輔助坑道和10#輔助坑道主洞大里程為關(guān)鍵線路,實際總工期50個月,比原方案要節(jié)約9.9個月,因此取消11#輔助坑道并不影響本工程總工期。
(1)優(yōu)化前需新建便道10.8 km,優(yōu)化后只需新建便道2.8 km,減少了便道修建長度,節(jié)省了材料運輸成本。
(2)優(yōu)化后每個輔助坑道口距高壓線均在1 km左右,總計減少臨時電力線路架設長度約18 km。
(3)由于取消11#輔助坑道,節(jié)約了1個洞口的征地及駐地臨建費用。
(4)施工工期節(jié)約9.9個月,管理費、機械設備費、抽水費、通風費、勞務成本大幅縮減。
(5)有軌陡坡斜井較少,二襯混凝土及鋼筋能直接通過汽車運輸至施工作業(yè)面,避免了二次倒運,節(jié)省了材料的倒運費用。
(6)輔助坑道總長度比原方案減少328.4 m,減少成本約260萬元。
(7)縮減了1個施工工區(qū),現(xiàn)場管理人員和管理費用得以降低。
(8)無軌輔助坑道斷面加大,工程造價有所增加,就工程清單而言,工程造價增加了560萬。但綜合來看,由于施工難度降低、安全風險減少、坑道長度壓縮、施工效率提高及工期的節(jié)約,優(yōu)化后的施工綜合成本較原方案降低約2 000多萬元。
(1)原方案陡坡有軌輔助坑道有4座,優(yōu)化后陡坡有軌輔助坑道只有1座,施工期間的安全風險降低。
(2)由于取消了11#輔助坑道,徹底消除了原有地方鐵礦尾礦發(fā)生泥石流的風險。
(3)原方案輔助坑道斷面小、坡長且陡,施工排水十分困難,特別是發(fā)生突涌水后人員逃生和救援不利,安全風險極大。變?yōu)榫徠潞?,降低了隧洞排水難度,人員上下班安全系數(shù)大大提高,整個施工期間保持平穩(wěn)平順,未發(fā)生過安全事故。
(1)方案優(yōu)化后減少了施工便道的修建長度,節(jié)約了臨建工程及棄渣場農(nóng)田、林地征用,減少了對原始地貌的破壞量。
(2)取消1個輔助坑道修建,有利于生態(tài)環(huán)境修復。
(3)總體減少了開挖棄渣量,有利于環(huán)保、水保。
小浪底引黃2#隧洞位于中條山腹地,地形地質(zhì)條件復雜,隧洞埋深大,輔助坑道優(yōu)化過程中,在滿足總工期的前提條件下,綜合考慮洞口條件、道路交通、安全風險、施工成本和環(huán)境影響等因素,堅持“因地制宜、系統(tǒng)策劃、合理部署”的原則,在實際施工中取得良好的效果,為水工隧洞輔助坑道規(guī)劃設置提供了參考范例。