耿 赟 付 虎 李元松 張慶文

（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

0 引言

在長隧道建設(shè)中，往往需要設(shè)置斜井、豎井等輔助坑道來輔助施工。輔助坑道起到增加作業(yè)面，加快施工進(jìn)度的作用［1］，并可作為洞內(nèi)出渣及材料運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ馈Ｔ谥髦Ф唇徊婵谖恢梦锪鹘M織復(fù)雜，而主支洞交叉口往往地形狹窄，施工運(yùn)輸困難，且三岔口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，受力復(fù)雜，易產(chǎn)生應(yīng)力集中［2］，故對(duì)交叉口的平面布置設(shè)計(jì)與施工穩(wěn)定性研究具有重要意義。

張大榮［3］結(jié)合宜萬鐵路齊岳山特長隧道項(xiàng)目，對(duì)斜井井底車場(chǎng)施工過程中的軌道布置、卸渣臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。靳曉光等［4］利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)深埋交叉隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出了不同的施工方案下，主隧道交叉處動(dòng)態(tài)施工的圍巖穩(wěn)定性。相關(guān)學(xué)者結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)引水隧洞交叉段進(jìn)行了支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，重點(diǎn)研究了鋼拱架在初支中的力學(xué)特性［5］。

1 工程概況

滇中引水工程龍?zhí)端矶次挥诔壑莸撠S市和武定縣境內(nèi)，全長14.037 km。由于隧道較長，為增加作業(yè)面，加快施工進(jìn)度，同時(shí)滿足出渣和物料輸送要求，在龍?zhí)端矶粗卸蚊象溆覀?cè)山坡增設(shè)斜井龍?zhí)端矶?#施工支洞，斜井坡度為22°，支洞長度為682 m。

2 井底轉(zhuǎn)渣車場(chǎng)方案比選

2.1 上承式側(cè)洞存渣倉存渣及裝載機(jī)裝渣

根據(jù)單日需要出渣的量，上承式側(cè)洞存渣倉需開挖（寬）8.0 m×（高）3.0 m×（深）20 m。最大存渣量7 m×3 m×18 m=378 m3。裝載機(jī)裝渣最大運(yùn)距30 m，平均每礦斗裝載機(jī)裝渣用時(shí)4 min。一次提升10 m3。上承式渣倉平面布置如圖1所示。

圖1 上承式渣倉平面布置圖（單位：m）

2.2 下沉式存渣倉及扒渣機(jī)裝渣

根據(jù)單日需要出渣的量，在下平段開挖（寬）6.5 m×（深）5 m×（長）22 m 的下沉式存渣基坑，最大存渣量為6.5 m×4.6 m×13 m=388.7 m3。扒渣機(jī)在渣倉內(nèi)可根據(jù)堆渣量前后移動(dòng)，平均每礦斗裝渣用時(shí)3 min。一次提升10 m3。渣倉設(shè)置明槽段和蓋板區(qū)，蓋板區(qū)長12 m，蓋板采用H 型（400 mm×400 mm）鋼梁加16 mm 鋼板面板。下沉式渣場(chǎng)布置斷面如圖2所示。

2.3 方案對(duì)比分析

2.3.1 從前期投入角度分析。兩種渣倉臨建投入材料見表1 和表2。從表中可以看出兩種渣倉下沉式土方相比上承式少69.357 m3；下沉式投入鋼材31.847 t，上承式只需投入12.143 t；下承式投入型材27.090 t，上承式不需投入，下沉式投入C30混凝土268.770 m3，上承式投入噴射混凝土122.184 m3，C30混凝土45 m3。成本估算=69.357×100+（31.847-12.143）×5 000+27.090×5 000+（268.770-45）×450-122.184×600=27.529 萬元。下沉式比上承式多投入約26.829萬元。

表1 下沉式渣倉臨建工程數(shù)量

表2 上承式渣倉臨建工程數(shù)量

2.3.2 從經(jīng)濟(jì)和工期角度分析。使用50型側(cè)卸裝載機(jī)進(jìn)行施工，每小時(shí)耗油13 L，每升按照7.5元計(jì)算。每礦斗10 m3需5 min裝滿，核算成本=13×7.5∕60×5∕10≈0.81 元∕m3。由于側(cè)洞存渣倉存渣要滿足堆渣量以及自卸車卸完裝載機(jī)需要配合收攏，每天還需4 h 工作時(shí)間。則每天成本=13×7.5×4=390 元∕天。220 扒渣機(jī)（功率50 kW）裝渣，電費(fèi)0.7 元∕度。每礦斗10 m3需3 min 裝滿，核算成本=50×0.7∕60×3∕10=0.175元∕m3。

上游承擔(dān)主洞施工任務(wù)1 920 m，下游承擔(dān)主洞施工任務(wù)2 063 m，不考慮超挖土方量約37 萬m3。按照單個(gè)掌子面月進(jìn)尺90 m 的計(jì)劃，貫通工期為664 d。

綜上所述，下沉式相比上承式節(jié)約（0.82-0.17）×370 000+390×664=50.01 萬元。絞車按照每天16 h 出渣時(shí)間，下沉式每車節(jié)約2 min，相比上承式節(jié)約370 000∕10×2∕60∕16=78 d的工期。

2.3.3 從施工組織角度分析。上承式裝載機(jī)裝渣占用下平段空間，斜井井底與主洞交叉口屬于材料轉(zhuǎn)運(yùn)、機(jī)械運(yùn)行頻繁的地方，裝載機(jī)裝渣與其他施工干擾大、沖突多。反觀下沉式扒渣機(jī)裝渣，不占用空間，蓋板區(qū)還可通行車輛、堆放材料，安全文明施工得到了保障。

2.4 結(jié)果分析

下沉式存渣倉雖然前期投入多，但后期運(yùn)行方便，不僅能節(jié)約費(fèi)用和工期，而且解決了交叉口的安全文明施工問題。故選擇下沉式存渣倉及扒渣機(jī)裝渣方案進(jìn)行施工。

3 井底下沉式無軌、有軌立體轉(zhuǎn)換渣場(chǎng)布置總體方案

由于斜井坡度大且距離長，故采用有軌運(yùn)輸，同時(shí)設(shè)置混凝土溜槽進(jìn)行混凝土的輸送需要，而主洞采用無軌運(yùn)輸。為方便運(yùn)輸體系的轉(zhuǎn)換，需在斜井與正洞交叉處設(shè)置轉(zhuǎn)渣車場(chǎng)。而主支洞交叉口位置地形狹窄、物流組織復(fù)雜、相互干擾大，為了組織斜井運(yùn)輸與主洞施工同步實(shí)施，應(yīng)對(duì)井底車場(chǎng)進(jìn)行合理布置。

綜合考慮不同集渣方式在運(yùn)輸能力、經(jīng)濟(jì)性、工序轉(zhuǎn)換及通風(fēng)排水組織等方面，合理進(jìn)行井底車場(chǎng)平面布置以適應(yīng)主洞開挖支護(hù)及襯砌施工的要求。井底車場(chǎng)平面布置圖如圖3 所示。井底下沉式無軌、有軌立體轉(zhuǎn)換渣場(chǎng)布置總體方案如下。

3.1 集渣槽

為確保施工進(jìn)度，主洞運(yùn)渣采用自卸車運(yùn)輸至集渣槽，扒渣機(jī)裝渣，絞車提升運(yùn)輸?shù)姆绞匠鲈?。為了保證扒渣機(jī)出渣效率，存渣采用下沉式存渣，沿軌道中線開槽，槽寬為6.5 m，深5 m（漸變），槽壁采用50 cm 厚鋼筋混凝土擋墻支護(hù)。集渣槽最大容量為350 m3。為了便于車輛行駛，頂部橫擔(dān)400 mm×400 mmH型鋼作為蓋板梁，間距0.6 m，再鋪設(shè)16 mm厚鋼板做為面板。

3.2 集水井

為確保施工期間排水暢通，在井底布置集水池，集水池位于集渣槽端頭，集水池尺寸：11 m×6.5 m×5 m（長×寬×深），集水井底板采用C20 混凝土，邊墻與集渣槽壁支護(hù)相同，采用鋼筋混凝土進(jìn)行支護(hù)，集水井分兩層布置，中間層預(yù)埋工字鋼作為水泵層，集水井最大容量為160 m3，通過排水管道抽排至洞外。為便于車輛行駛，頂部橫擔(dān)400 mm×400 mmH型鋼作為蓋板梁，間距0.6 m，再鋪設(shè)16 mm 厚鋼板作為面板，自卸運(yùn)渣車輛經(jīng)過集水0井蓋板直卸至集渣槽內(nèi)。

3.3 高壓洞室

隨著隧洞掘進(jìn)深度的不斷增加，電壓逐漸不足，洞內(nèi)大功率用電設(shè)備較多（扒渣機(jī)、水泵等）。為便于線路布置及安全文明施工，在井底集水井右側(cè)開小洞作為高壓洞室，洞室底部標(biāo)高高于集水井頂部，高壓洞室深4.5 m、寬4.5 m、高5 m。

3.4 龍門吊

為滿足井底施工需求，需安裝龍門吊，軌道基礎(chǔ)寬80 cm，厚50 cm，配筋與集水井壁相同，軌道中線距初支邊墻1.0 m。為方便材料運(yùn)輸及水泵調(diào)運(yùn)，龍門吊布置于LT2#0+580.729～LT2#0+621.689。

3.5 溜槽

隨著斜井深度的增加，混凝土運(yùn)輸會(huì)出現(xiàn)困難，經(jīng)過多次實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，溜槽運(yùn)輸便捷，且不會(huì)造成混凝土質(zhì)量缺陷，溜槽運(yùn)輸最小角度需要不小于13°。因此井底布置混凝土溜槽，在斜井段開始放緩為13°，可將混凝土運(yùn)送至LT2#0+582.1，接料口底部考慮罐車接料。為確保混凝土運(yùn)輸質(zhì)量，底部采用罐車自行運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行二次攪拌。混凝土運(yùn)輸?shù)缆穼?.5 m，滿足罐車運(yùn)輸要求。

4 交叉口施工數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算模型建立

為分析施工后隧洞三岔口的圍巖穩(wěn)定性，需要建立長150 m、寬100 m、高90 m 的數(shù)值計(jì)算模型，整體計(jì)算模型如圖4 所示。其中斜井井底車場(chǎng)斷面寬B=14.5 m，高H=10.2 m，主洞開挖斷面寬B=9.86 m，高H=10.56 m，主支洞夾角為49°。隧道交叉口模型如圖5 所示。原始模型共316 188 個(gè)節(jié)點(diǎn)，494 368 個(gè)單元。模型頂部和底部邊界限制豎向位移，四周設(shè)置法向位移約束，計(jì)算荷載應(yīng)考慮模型上部土壓力和圍巖自重［6］。隧道開挖順序?yàn)橄冗M(jìn)行井底車場(chǎng)開挖，主洞從交叉口向兩邊開挖。單步開挖3 m，下一步開挖時(shí)進(jìn)行上一步的錨桿和初支施工。圍巖采用FLAC3D內(nèi)置mohr-coulomb 本構(gòu)模型模擬，初支結(jié)構(gòu)采用shell 單元模擬，錨桿采用內(nèi)置cable結(jié)構(gòu)單元模擬，計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 模型計(jì)算參數(shù)

圖4 整體計(jì)算模型

圖5 隧道交叉口模型

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 圍巖豎向位移分析。首先，使用切片功能對(duì)計(jì)算后圍巖Z方向位移云圖進(jìn)行切片處理，得到三岔口圍巖Z方向位移云圖和距三岔口30 m 處主洞圍巖Z方向位移云圖，如圖6、圖7 所示。由圖6、圖7可知，隧道三岔口位置與距三岔口30 m 處主洞的圍巖拱頂沉降變形分布規(guī)律相似，均為隧道開挖中軸線處的豎向位移變形最大，到兩邊變形逐漸減小。其次，隧道開挖后，隧道拱頂發(fā)生沉降變形，三岔口處變形最大位置為主支洞連接處為7.48 cm，距三岔口30 m 處主洞拱頂沉降變形為4.74 cm，明顯小于三岔口位置，說明三岔口位置圍巖受車場(chǎng)開挖影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，應(yīng)針對(duì)交叉口區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)。同時(shí)，隧道底部產(chǎn)生向上隆起變形，變形量分別為5.53 cm 和3.16 cm，均小于拱頂沉降值，說明施工時(shí)最應(yīng)注意三岔口的挑頂施工。

圖6 三岔口圍巖Z方向位移云圖（單位：m）

圖7 距三岔口30 m處主洞圍巖Z方向位移云圖（單位：m）

4.2.2 圍巖周邊收斂變形。三岔口圍巖X方向位移云圖和距三岔口30 m處主洞圍巖X方向位移云圖如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，X軸正負(fù)方向的位移分別對(duì)應(yīng)于隧道兩側(cè)的水平偏移，其大小相仿，為收斂變形。與拱頂沉降相比，其影響范圍較小，多分布于隧道兩側(cè)，收斂變形的最大區(qū)域通常位于拱頂下方的拱肩至拱腳段。在三岔口段，由于井底車場(chǎng)土體的開挖，導(dǎo)致隧道兩側(cè)存在對(duì)稱性差異，三岔口右側(cè)收斂變形區(qū)域更大，但兩側(cè)變形量差別較小，最大變形量為1.99 cm。而三岔口30 m處主洞的收斂變形分布較為對(duì)稱，主要表現(xiàn)為隧道兩側(cè)拱腰、拱腳部位，其最大變形量為1.5 cm。

圖8 三岔口圍巖X方向位移云圖（單位：m）

圖9 距三岔口30 m處主洞圍巖X方向位移云圖（單位：m）

5 現(xiàn)場(chǎng)施工效果

通過合理地對(duì)斜井井底車場(chǎng)進(jìn)行平面布置和使用數(shù)值模擬方法確定施工時(shí)最不利區(qū)域，進(jìn)而安全快速完成了三岔口施工作業(yè)，保證了節(jié)點(diǎn)工期完成，并為后續(xù)施工提供了物料運(yùn)輸體系轉(zhuǎn)換區(qū)域，方便了后續(xù)施工的出渣和物料運(yùn)輸，加快了后續(xù)施工進(jìn)度。

6 結(jié)論

通過對(duì)不同方案進(jìn)行對(duì)比，確定了使用下沉式存渣倉及扒渣機(jī)裝渣的井底轉(zhuǎn)渣車場(chǎng)方案，提出井底下沉式無軌、有軌立體轉(zhuǎn)換渣場(chǎng)布置總體方案，并確定了施工應(yīng)關(guān)注的區(qū)域和工序，得出以下結(jié)論。

①在設(shè)有大坡度斜井的隧洞施工中，通過設(shè)置井底車場(chǎng)，并使用合理渣場(chǎng)設(shè)置方案能夠解決隧洞施工時(shí)物料運(yùn)輸?shù)奈锪鹘M織問題。

②隧洞三岔口區(qū)域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，豎向位移相較于其他區(qū)域更大，位移最大位置在三岔口主支洞連接處，施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注三岔口的挑頂施工。

③隧洞不同區(qū)域X向變形最大區(qū)域均為隧道兩側(cè)拱肩至拱腳段，但三岔口區(qū)域分布不對(duì)稱，且變形量相比其他區(qū)域更大，應(yīng)對(duì)三岔口區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)。