某特長(zhǎng)距離小斷面礦山法輸水隧洞關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究

王志

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

某特長(zhǎng)距離小斷面礦山法輸水隧洞關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究

王志

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

溫州市某采用礦山法施工的清水隧洞全長(zhǎng)8 333 m，為特長(zhǎng)距離隧洞，采用雙向單頭掘進(jìn)施工。結(jié)合該工程特點(diǎn)及難點(diǎn)，對(duì)隧洞斷面型式確定、長(zhǎng)距離施工通風(fēng)以及施工運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，最終確定了適合該隧洞的設(shè)計(jì)施工方案，也為今后類(lèi)似工程提供借鑒。

特長(zhǎng)距離；礦山法；輸水隧洞；單頭掘進(jìn)；斷面型式；施工通風(fēng)

1　工程概況

該輸水工程管線設(shè)計(jì)起點(diǎn)位于麗岙鎮(zhèn)規(guī)劃一號(hào)路與新104國(guó)道的交口處，沿途經(jīng)過(guò)仙巖鎮(zhèn)，穿越大羅山，與位于濱海一道的現(xiàn)狀DN1000配水管線連接，管線總長(zhǎng)15.53 km。大羅山隧洞為整個(gè)輸水工程的控制節(jié)點(diǎn)，隧洞進(jìn)洞口位于仙巖街道自力村天王禪寺東北方向約40 m處，出洞口位于天河電站西南約160 m處的三星村，隧洞全長(zhǎng)8 333 m，屬特長(zhǎng)距離隧洞。綜合考慮施工通風(fēng)、排水等因素，隧洞平面采用直線線型，縱斷面采用單坡布置，進(jìn)洞口高程為27 m，出洞口高程為8 m，縱坡0.228%。

隧洞洞身段主要穿越巖層為中～微風(fēng)化流紋斑巖、凝灰?guī)r、安山玢巖及花崗巖，圍巖等級(jí)劃分為Ⅱ～Ⅲ級(jí)；局部穿越斷層破碎帶，含水量較豐富，此段圍巖級(jí)別劃分為Ⅳ級(jí)；洞口段地層為全～弱風(fēng)化花崗巖和流紋斑巖，地質(zhì)條件較差，圍巖級(jí)別劃分為Ⅴ級(jí)。

2　隧洞關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1隧洞斷面型式確定

隧洞橫斷面形狀應(yīng)根據(jù)隧洞的用途、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、襯砌工作條件以及施工方法等因素，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定［1］。目前國(guó)內(nèi)外水工隧洞斷面型式主要有全斷面過(guò)水和明洞+排管布置兩種型式，而全斷面過(guò)水隧洞則又分為有壓隧洞和無(wú)壓隧洞兩種。

結(jié)合隧洞內(nèi)管道的布置方式和隧洞襯砌型式的可能性，根據(jù)該工程實(shí)際情況，對(duì)隧洞不同斷面進(jìn)行研究，擬采用以下三種布置形式：混凝土內(nèi)襯方案、鋼管內(nèi)襯方案和隧洞+排管方案，其中混凝土內(nèi)襯和鋼管內(nèi)襯方案均為全斷面過(guò)水隧洞，斷面布置如圖1所示。

可以看出，相比隧洞+排管布置方案，全斷面過(guò)水隧洞開(kāi)挖斷面小、工程量小、結(jié)構(gòu)受力總體較好，但由于隧洞斷面小且全斷面過(guò)水，其同樣帶來(lái)了水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)營(yíng)檢修困難等一系列問(wèn)題。對(duì)幾種方案綜合分析比選詳見(jiàn)表1。

如表1所示，全斷面過(guò)水隧洞方案雖開(kāi)挖斷面小，投資占有較大優(yōu)勢(shì)，但由于斷面太小，施工難度、運(yùn)營(yíng)階段檢修難度均有所增加。此外，從工藝角度考慮，全斷面過(guò)水隧洞檢修維護(hù)困難，全線無(wú)排水排氣設(shè)施；從其他角度考慮，由于本隧洞為特長(zhǎng)隧洞，全斷面過(guò)水隧洞尚有鋼管應(yīng)力、裂隙水壓力問(wèn)題，為隧洞長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患，且目前國(guó)內(nèi)亦無(wú)如此長(zhǎng)距離全斷面過(guò)水清水隧洞成功實(shí)施的先例。

總體來(lái)說(shuō)，隧洞+排管方案較之全斷面過(guò)水方案具有水質(zhì)安全有保障，利于隧洞結(jié)構(gòu)安全、耐久和便于運(yùn)營(yíng)、維護(hù)及檢修等優(yōu)點(diǎn)。最終隧洞斷面采用隧洞+排管的布置型式。

2.2長(zhǎng)距離施工通風(fēng)方案

特長(zhǎng)距離隧洞施工通風(fēng)為隧洞施工的關(guān)鍵技術(shù)。該隧洞穿越大羅山景區(qū)，山勢(shì)較高，如設(shè)豎向通風(fēng)孔，平均孔深約380 m；超深豎向通風(fēng)孔施工風(fēng)險(xiǎn)高，施工、出渣難度均較大，故不考慮設(shè)置豎向通風(fēng)孔；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及各方溝通協(xié)調(diào)，受多方因素限制，該隧洞又無(wú)設(shè)置施工支洞的條件，如此單頭掘進(jìn)通風(fēng)長(zhǎng)度將達(dá)到4 166.5 m，施工通風(fēng)排煙難度極大，而通風(fēng)排煙對(duì)隧洞開(kāi)挖的質(zhì)量、安全及進(jìn)度影響很大，需予以重視。

圖1　隧洞三種布置型式

表1　隧洞方案綜合比選表

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已建特長(zhǎng)隧洞施工通風(fēng)技術(shù)資料的調(diào)查分析［2-4］，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)單頭超長(zhǎng)距離掘進(jìn)已有不少案例，見(jiàn)表2。

結(jié)合類(lèi)似工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)該隧洞特點(diǎn)，長(zhǎng)距離施工通風(fēng)具體設(shè)計(jì)如下。

2.2.1通風(fēng)方式

隧洞開(kāi)挖施工通風(fēng)以多級(jí)接力，壓入、抽出混合式通風(fēng)方式為主，對(duì)于單頭長(zhǎng)度1 000 m以下的隧洞段以壓入式通風(fēng)為主。

表2　特長(zhǎng)隧洞通風(fēng)案例表

2.2.2通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

隧洞施工過(guò)程中，由于鉆眼、爆破、裝碴、噴射混凝土以及開(kāi)挖時(shí)地層釋放出的有害氣體等因素，使得隧洞里空氣污濁，嚴(yán)重影響人體的健康。因此，必須向洞內(nèi)及時(shí)供給新鮮空氣，排除有害氣體，降低粉塵濃度，使隧洞內(nèi)施工作業(yè)段的空氣必須符合下列衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：

（1）洞內(nèi)氧氣含量按體積計(jì)不低于20%，洞內(nèi)溫度不宜高于28℃；

（2）有害氣體濃度，一氧化碳一般情況下不大于30 mg/m3，特殊情況下施工人員進(jìn)入工作面時(shí)可為100 mg/m3，但工作時(shí)間不得超過(guò)30 min；二氧化碳按體積計(jì)不得大于0.5%；氮氧化合物（換算成NO2）質(zhì)量濃度不得超過(guò)5 mg/m3。

（3）粉塵濃度。游離二氧化硅濃度在10%以上的粉塵，其濃度不得大于2 mg/m3；游離二氧化硅濃度在10%以下的粉塵，其濃度不得大于10 mg/m3；游離二氧化硅濃度在10%以下的水泥粉塵，其濃度不得大于6mg/m3。

（4）人均供應(yīng)新鮮空氣不應(yīng)少于3 m3/min，柴油設(shè)備需要新鮮空氣不少于3 m3/min·kW。

2.2.3風(fēng)量、風(fēng)壓計(jì)算

通風(fēng)阻力包括摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力在風(fēng)流的全部流程內(nèi)存在，局部阻力發(fā)生在管道斷面變化處，如拐彎、分支及風(fēng)流受到其他阻礙的地方。為保證將所需風(fēng)量送到工作面，并在出風(fēng)口保持一定風(fēng)速，通風(fēng)機(jī)應(yīng)有足夠的風(fēng)壓以克服管道系統(tǒng)阻力。

該工程單頭掘進(jìn)最大長(zhǎng)度為4 166.5 m，開(kāi)挖斷面約33.4 m2，考慮管道百米漏風(fēng)率1.5%，計(jì)算出風(fēng)機(jī)供風(fēng)量應(yīng)不小于2 506 m3/min。綜合考慮當(dāng)前市場(chǎng)上的軸流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的性能，壓入式風(fēng)管采用直徑1.0 m的塑料風(fēng)管，選擇BD-II-6-No14型軸流式風(fēng)機(jī)，高效風(fēng)量為42.8 m3/s，功率2×45 kW，全風(fēng)壓2 035 Pa，噪聲小于38 dB。

此外，為加快通風(fēng)散煙速度，除了設(shè)置提供新鮮空氣的壓入式風(fēng)機(jī)外，還需設(shè)置排煙的吸出式風(fēng)機(jī)，吸出式風(fēng)機(jī)計(jì)算風(fēng)量為173 m3/min，考慮管道百米漏風(fēng)率1.5%，風(fēng)機(jī)風(fēng)量應(yīng)不小于274 m3/min，吸出風(fēng)管直徑為0.8 m。

2.2.4風(fēng)管與風(fēng)機(jī)布置

為保證通風(fēng)效果，風(fēng)管末端盡量接近工作面，同時(shí)考慮避免爆破飛石砸壞通風(fēng)設(shè)施，風(fēng)管末端距開(kāi)挖工作面約30 m。吊掛風(fēng)管應(yīng)做到平、直、穩(wěn)、緊，風(fēng)管轉(zhuǎn)彎半徑不小于風(fēng)管直徑的3倍。

該隧洞施工通風(fēng)最長(zhǎng)線路達(dá)4 166.5 m，需每隔400～500 m串聯(lián)一臺(tái)11 kW軸流式風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

爆破后先關(guān)停壓入式風(fēng)機(jī)，炮煙采用吸出式通風(fēng)，以迅速排除工作面有害氣體，恢復(fù)循環(huán)作業(yè)，然后再采取壓入式通風(fēng)，不斷向洞內(nèi)供應(yīng)新鮮空氣。同時(shí)應(yīng)做好施工監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)日常的有害氣體濃度，根據(jù)濃度調(diào)整風(fēng)量，合理供風(fēng)。

2.2.5輔助降塵措施

開(kāi)挖中采用濕式鑿巖，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可降低約80%的巖粉，在施工過(guò)程中維持水壓穩(wěn)定、水量充足，操作規(guī)范，遵循先開(kāi)水后開(kāi)風(fēng)，先關(guān)風(fēng)后關(guān)水的步驟，爆破后采用灑水降塵，沖洗巖壁，保證做好濕式裝巖。噴混凝土?xí)r采用濕噴，達(dá)到減少粉塵含量。

無(wú)水巖層地段在距掌子面一定距離設(shè)置幾道水幕，水幕降塵器放在邊拱上，爆破前10 min打開(kāi)水幕開(kāi)關(guān)。一般在距工作面40 m左右位置設(shè)水幕降塵器，水幕降塵器是風(fēng)水混合型水幕降塵器，其作用是使水充分霧化，灑在粉塵上迫使粉塵迅速液化而降落。

根據(jù)以上分析計(jì)算研究，采用混合式通風(fēng)方式并輔以降塵措施，可以解決該隧洞長(zhǎng)距離單頭掘進(jìn)施工通風(fēng)問(wèn)題。

2.3長(zhǎng)距離施工運(yùn)輸方案

隧洞的出渣方法分為有軌運(yùn)輸和無(wú)軌運(yùn)輸兩種，由于該隧洞單頭掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)4 166.5 m，根據(jù)國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)，超過(guò)3 km的隧洞采用無(wú)軌運(yùn)輸?shù)某鲈椒ǎL(fēng)排煙將無(wú)法采用機(jī)械通風(fēng)解決，因此為保證工作面有足夠的新鮮空氣，降低施工通風(fēng)的難度，綜合考慮本工程采用有軌運(yùn)輸?shù)某鲈椒ā?/p>

洞碴主要采用STB-50L型耙碴機(jī)和ST25-A型25 m3梭式礦車(chē)配合出碴。在隧洞掌子面，人工操作耙碴機(jī)把爆破的巖石石碴裝至梭車(chē)，采用蓄電式電機(jī)車(chē)牽引出洞，在主洞進(jìn)出口設(shè)臨時(shí)棄渣場(chǎng)集中卸碴，再由自卸汽車(chē)經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)棄碴至棄碴場(chǎng)堆放。出碴運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵是：選擇裝運(yùn)配套的機(jī)械設(shè)備，布置合理的會(huì)讓線路，組織有序的調(diào)車(chē)作業(yè)，保障有力的軌道維護(hù)，才能確保洞內(nèi)運(yùn)輸忙而不亂，有條不紊。

為提高出碴效率，洞內(nèi)擬間隔800 m設(shè)置有軌運(yùn)輸錯(cuò)車(chē)道，該工程洞挖控制工期工作面（單工作面長(zhǎng)度為4.17 km）配備2臺(tái)STB-50L型耙碴機(jī)和6臺(tái)ST25-A型梭式礦車(chē)，分別編號(hào)為1#車(chē)、2#車(chē)、3#車(chē)、4#車(chē)、5#車(chē)和6#車(chē)，出碴方式為：若1#車(chē)在掌子面裝碴，那么2#車(chē)就在3 200 m處的會(huì)車(chē)道等待，3#車(chē)就在2 400 m處的會(huì)車(chē)道等待，4#車(chē)就在1 600 m處的會(huì)車(chē)道等待，5#車(chē)在800 m處的會(huì)車(chē)道等待，還有#6車(chē)主洞口的會(huì)車(chē)道上等待，當(dāng)掌子面的1#車(chē)運(yùn)碴出來(lái)行至3 200 m處的會(huì)車(chē)道時(shí)，在此?？康?#車(chē)開(kāi)往掌子面開(kāi)始裝碴，其他車(chē)依次順序進(jìn)洞；當(dāng)l#車(chē)運(yùn)碴至主洞口處，6#車(chē)開(kāi)始往掌子面前進(jìn)，進(jìn)至800 m會(huì)車(chē)道進(jìn)行等待，這樣循環(huán)，以確保洞內(nèi)運(yùn)輸組織合理有序，出渣效率可極大提高。

3　結(jié)語(yǔ)

本文依托溫州大羅山隧洞實(shí)際工程，對(duì)特長(zhǎng)距離小斷面礦山法輸水隧洞設(shè)計(jì)施工中關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于采用礦山法實(shí)施的特長(zhǎng)距離清水輸水隧洞，采用隧洞+排管的布置形式，有利于水質(zhì)安全保障以及運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和檢修；

（2）長(zhǎng)距離小斷面礦山法隧洞施工通風(fēng)為隧洞施工關(guān)鍵問(wèn)題，經(jīng)計(jì)算分析研究，采用多級(jí)接力、壓入、抽出混合式通風(fēng)方式并輔以降塵措施，可以解決長(zhǎng)距離單頭掘進(jìn)施工通風(fēng)問(wèn)題。

（3）受施工通風(fēng)制約，長(zhǎng)距離礦山法隧洞需采用有軌運(yùn)輸出渣，通過(guò)設(shè)置有軌運(yùn)輸錯(cuò)車(chē)道，合理安排組織，可極大提高出渣效率。

［1］SL 279-2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］劉立平，劉衛(wèi)東，李小偉.特長(zhǎng)隧道鉆爆法施工通風(fēng)技術(shù)探討與研究［J］.城市建設(shè)理論研究:電子版，2011（19）.

［3］陳健勇.高原小斷面長(zhǎng)隧獨(dú)頭施工通風(fēng)綜合措施效果評(píng)價(jià)［J］.鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保，2002（29）:161-162.

［4］陳鵬.長(zhǎng)隧道鉆爆法施工通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004（增）:230-235.

U455

B

1009-7716（2016）06-0325-04

2016-03-07

王志（1983-），男，河南南陽(yáng)人，碩士，工程師，主要從事隧道、巖土等地下工程設(shè)計(jì)工作。