長隧洞深長斜井混凝土運輸方案研究

代艷芳，肖云偉，梅 偉

(1.云南省調(diào)水中心，云南 昆明 650051；2.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650051； 3.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

十二五以來，圍繞區(qū)域水資源配置、防洪減災(zāi)、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保護(hù)等功能，以水資源緊缺、水生態(tài)脆弱和水環(huán)境惡化等地區(qū)為重點的大型河湖水系連通工程正處于規(guī)劃興建高峰期?？鐓^(qū)域進(jìn)行水資源配置，為盡量避免新增征地或因地表開挖造成的水土流失問題、環(huán)境問題，多選用深埋長隧洞形式作為輸水通道。長隧洞作為控制性工程，建設(shè)過程中呈現(xiàn)出穿越復(fù)雜地層、掘進(jìn)困難、擠占混凝土襯砌工期，施工通道布設(shè)局限、混凝土輸送條件受限等難點問題，即研究混凝土運輸方案以保證隧洞混凝土襯砌質(zhì)量和提高進(jìn)度成為了長隧洞施工控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

混凝土運輸工具種類繁多，運輸組合方式亦各有不同，確定方法時以效率高而轉(zhuǎn)運次數(shù)少者為佳。根據(jù)國內(nèi)外已建成的大型引調(diào)水項目如大伙房輸水、萬家寨引黃工程，大型水電站錦屏二級、巴基斯坦阿萊瓦水電站以及類似鐵路長隧道、礦業(yè)通道等長隧洞施工經(jīng)驗，目前長隧洞混凝土運輸方式是在分析施工安全性和進(jìn)度需求，避開并行工序施工干擾的前提下，視施工通道條件比選組合。一般情況下，傾角<15°的緩坡出渣斜井優(yōu)先選用有軌提升、無軌混凝土攪拌車[1,2]、深槽式皮帶機運輸方式[3-5]；傾角>45°陡坡斜井則考慮研制溜管運輸，溜管長度一般<80 m[6-8]；而施工通道布設(shè)局限的長隧洞卻盡可能利用通風(fēng)豎井或新掘溜料豎井運輸混凝土,一般落差<100 m[9,10]。上述方法，都有成功案例，但運輸距離有限，實際運輸能力較小，一般12～18 m3/h。本文中研究的牛欄江-滇池補水工程輸水線路長隧洞布設(shè)豎井條件局限，且大部分埋深>150 m，隧洞斷面25 m2，施工空間狹長，布設(shè)有傾角平均23°，平均長450 m的大坡度長斜井作為施工通道，建設(shè)期業(yè)主組織參建各方通過方案比選、現(xiàn)場試驗、施工優(yōu)化，選用的斜井開敞式溜槽運輸與主洞罐車轉(zhuǎn)運或泵送接力的混凝土運輸方案成功滿足了混凝土襯砌快速澆筑的各項要求，利用如此條件斜井長距離運輸混凝土，國內(nèi)外罕見，可為類似工程提供必要借鑒。

1 工程簡介

牛欄江-滇池補水工程(以下簡稱牛欄江工程)作為跨區(qū)域、跨流域的長距離引水項目，滇池水污染防治的關(guān)鍵性措施，被列為國家172項重大水利工程之一，云南省十二五期間的20項重大工程之首，工程建設(shè)與運行成效備受關(guān)注。

牛欄江工程主要由德澤水庫樞紐水源工程、干河泵站提水工程和輸水線路工程組成，牛欄江江水經(jīng)大型德澤水庫蓄積，通過地下干河泵站提水，由輸水線路自流到盤龍江河道最終匯入滇池，工程多年平均向滇池補水5.66 億m3。工程建設(shè)具有“三高兩難”的特點，其中深埋、高地下水位下的長距離隧洞跨越云南高原喀斯特和沙巖土地貌區(qū)，施工異常艱難,深埋長隧洞的安全、質(zhì)量及進(jìn)度控制成為了本工程建設(shè)管理的關(guān)鍵要點。

2 研究背景

牛欄江工程建設(shè)期間，參建各方面臨和攻克了許多技術(shù)難題。其中，116 km長的輸水線路，90%為隧洞，90%的洞段處于強溶巖發(fā)育的高地下水位(最高205 m)以下，小斷面(開挖斷面25 m2)長隧洞穿越巖溶地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜、不可預(yù)見的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，施工難度大，工期比計劃更為緊迫。最為突出的是長為15.2 km的金奎地隧洞，27.2 km長的大公山隧洞，36.7 km長的大五山隧洞，施工通道因布設(shè)條件差，共設(shè)施工斜井33條，80%為深長斜井，從支洞進(jìn)口到最遠(yuǎn)工作面大部分超過1 500 m，典型施工支洞布設(shè)及施工參數(shù)見表1。隨著長隧洞的開挖掘進(jìn)，頻繁遭遇塌方冒頂、涌水、突泥等不良地質(zhì)現(xiàn)象，施工異常艱難，有的掌子面涌水量高達(dá)6 000 m3/h，有的掌子面一次塌方形成的泥石流方量達(dá)到13 000 m3，掘進(jìn)施工異常艱難，導(dǎo)致開挖及支護(hù)工期嚴(yán)重滯后。在既定通水總工期目標(biāo)不變的壓力下，長隧洞施工作為控制性工程，由于開挖及支護(hù)完成工期嚴(yán)重滯后對混凝土襯砌施工強度的要求不斷提高，高效的斜井混凝土運輸便成為隧洞施工進(jìn)度控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及施工技術(shù)研究的重點。

表1 長隧洞典型施工支洞布設(shè)及施工參數(shù)表

3 深長斜井混凝土輸送方案比選

3.1 原設(shè)計混凝土運輸方案

前期設(shè)計工作中，施工斜井、主洞內(nèi)均考慮采用3 m3/6 m3軌行式混凝土運輸車裝載，由雙筒提升機自斜井牽引至井底車場，再由14 t蓄電池機車牽引至工作面附近轉(zhuǎn)混凝土泵機泵送入倉。施工斜井考慮提升斗車需要，均按四軌雙線布置。主洞有軌運輸一般采用雙軌單線布置，同時考慮每隔300 m設(shè)一錯車道，主洞混凝土澆筑計劃進(jìn)尺為160 m/月。

3.2 施工期存在問題

牛欄江工程90%的長斜井，傾角在23°左右，坡度較緩，隧洞斷面約25 m2，斷面小，大部分高差大于150 m，斜井深長。開挖施工期，為減少斜井的施工干擾，大部分按二軌單線布設(shè)，斜井運輸強度不能達(dá)到前設(shè)計指標(biāo)，更不能滿足現(xiàn)場實際要求，加之處理洞內(nèi)不良地質(zhì)災(zāi)害，造成開挖工期延后，影響隧洞襯砌平均強度需提高到240 m/月甚至更高，總工期要求不變的壓力下，需研究選擇一種高效的混凝土輸送方案，確保隧洞混凝土的質(zhì)量與進(jìn)度目標(biāo)。

3.3 混凝土輸送方案比選

調(diào)查國內(nèi)外已建水利及隧道工程關(guān)于豎井投料、溜槽或溜管下料、皮帶機布料及有軌提升等混凝土運輸技術(shù)的成功案例，類比分析本工程襯砌初期試驗點方案實施效果，開展了方案比選工作。長斜井混凝土運輸方案比選詳見表2。

比選認(rèn)為①絞車提升方案，軌道布設(shè)占用大部分通道，施工干擾大，提升重量重，安全管理風(fēng)險高，提升進(jìn)度慢等劣勢，不能滿足輸送強度要求[14]；②少部分如金奎地隧洞4條支洞傾角在14°～17°，平均埋深150 m的，通過皮帶機實驗出現(xiàn)皮帶凹槽吸附水泥漿，嚴(yán)重影響混凝土可泵性，經(jīng)常堵管。為避免皮帶抖動加劇導(dǎo)致混凝土離析而放慢皮帶機輸送速度，遠(yuǎn)不能滿足進(jìn)度要求，而且17°條件下運行的皮帶機容易發(fā)生飛車事故，試驗失敗。③新設(shè)豎井涉及征地、新建拌和站和輸電線路布設(shè)事項，協(xié)調(diào)難，工期緊而被否定。綜合分析，推薦斜井溜槽輸送混凝土與主洞多泵接力或混凝土攪拌車轉(zhuǎn)運相結(jié)合的運輸方案。

4 深長斜井溜槽混凝土運輸試驗與優(yōu)化

施工階段，長隧洞控制段混凝土襯砌初期，施工單位根據(jù)專題研究意見，就解決深長斜井溜槽混凝土運輸中混凝土離析、混凝土泵送穩(wěn)定性，響應(yīng)工期要求等問題，在施工階段進(jìn)行試驗和優(yōu)化。方案示意如圖1。

4.1 深長斜井溜槽運輸方案改進(jìn)措施

深斜井溜槽混凝土運輸存在混凝土下滑不順暢、槽內(nèi)堵塞、坍落度損失、混凝土離析等影響混凝土澆筑進(jìn)度和質(zhì)量的現(xiàn)象[12,13]，采取了如下改進(jìn)措施：

(1)溜槽加工及安裝質(zhì)量控制措施。溜槽一般選用2～4 mm厚的鋼板切割成長150 cm，寬90～110 cm的長方形，采用自制卷板機卷制或機械模型進(jìn)行靜壓，使其每塊鋼板的底部呈“U”型，溜槽加工后尺寸大多為40×50 cm，R25 cm，斜井傾角較緩的，溜槽適當(dāng)加高。

表2 長斜井混凝土運輸方案比選[1-11]

溜槽安裝時首先避免焊接接頭以保證混凝土高速下溜時盡可能減少跳流外濺和單點摩擦；其次安裝統(tǒng)一坡度，確保溜槽搭接處上摞下焊接光圓順直，搭接長度宜為5～10 cm；再有外部架立穩(wěn)定牢固，有利于混凝土的流速均勻。溜槽制作安裝示意如圖2。

(2)混凝土配合比研究。首先長斜井溜槽輸送混凝土易造成坍落度損失，適當(dāng)提高出機口混凝土的坍落度，避免在下料過程中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。出機混凝土的坍落度控制指標(biāo)見表3。

表3 溜槽混凝土塌落度控制指標(biāo)

圖1 斜井溜槽輸送混凝土方案示意圖

圖2 溜槽制作安裝示意圖

其次，按適當(dāng)提高出機口混凝土的坍落度，適當(dāng)增加混凝土的砂率(人工砂，細(xì)度模數(shù)2.4～2.8)，嚴(yán)控粗骨料超徑及針片狀含量，適當(dāng)延長混凝土拌和時間(不少于120 s)，改善混凝土的和易性和可泵性，提高保水性和黏聚性的原則，進(jìn)行了混凝土配合比的試驗并優(yōu)化。結(jié)合典型洞段的地形及水文地質(zhì)條件，選定相應(yīng)的施工配合比如表4。

4.2 溜槽混凝土運輸質(zhì)量控制措施

(1)高差大于150 m的斜井，在斜井中部每隔130 m斜長(50 m高差)左右布設(shè)了緩沖器，斜井底部布置有緩沖帶和有閘閥的集料倉(1～1.5 m3)，間隔一定距離在溜槽外設(shè)置振動器，以減少混凝土的離析。

表4 典型洞段施工配合比選擇

(2)在混凝土下溜前，先采用清水潤濕溜管，接著溜放不少于1 m3的水泥砂漿后再下放混凝土，可有效減緩混凝土離析程度。

(3)主洞近距離工作面采用無軌水泥罐車接料方式，采用二次高速攪拌，以改善溜槽下料過程中骨料分離影響混凝土的各項性能指標(biāo)。

(4)主洞遠(yuǎn)距離工作面采用泵送接力送料方式的，首先對輸送泵進(jìn)行壓水試驗再分別用水、水泥漿、砂漿進(jìn)行潤管作業(yè)，盡可能避免了堵管現(xiàn)象發(fā)生。接力泵單臺輸送距離控制在300～500 m，單工作面累計接力長度一般不大于1 500 m[15]。

(5)施工過程按150～200 m分段安排工作人員進(jìn)行現(xiàn)場巡邏查看，以便及時對堵塞部位進(jìn)行疏通。

5 效果評價

根據(jù)襯砌初期試驗經(jīng)驗，通過施工改進(jìn)，牛欄江工程輸水線路近30個深長斜井采用溜槽和泵送接力輸送混凝土，解決了原設(shè)計混凝土運輸與材料運輸互相干擾，制約進(jìn)度的問題，確保了長隧洞趕工措施的有效落實，工程按期投運。實踐表明：①高差大于100 m的長斜井溜槽運輸混凝土，可通過圓弧形到U形的體型改進(jìn)，提高溜槽制作與安裝質(zhì)量，有效解決混凝土下滑堵塞，外溢現(xiàn)象，保證混凝土的穩(wěn)定持續(xù)輸送；②通過混凝土配合比生產(chǎn)性試驗，改良混凝土和易性，可有效減緩混凝土離析現(xiàn)象，保證混凝土質(zhì)量，經(jīng)質(zhì)量評定輸水線路混凝土襯砌分部工程的優(yōu)秀率平均為80%；③斜井溜槽輸送與主洞采用混凝土攪拌車轉(zhuǎn)運或多級泵接力的聯(lián)動方式，有效提高了混凝土的輸送保證率，隧洞襯砌強度大幅提升。其中大五山14號支洞單工作面襯砌最高月進(jìn)度達(dá)480 m，有效節(jié)約了施工工期；④有效利用出渣斜井布設(shè)溜槽，相對于軌道提升運輸方式，提高了施工安全性，比較新掘豎井投料方式，加快了進(jìn)度、節(jié)約了投資。工程實踐推薦的斜井溜槽運輸混凝土方式在巴基斯坦阿萊瓦水電站壓力引水隧洞斜洞段襯砌中成功運用，云南在建的滇中引水工程初步設(shè)計中也就此參照推薦了斜井布設(shè)及混凝土運輸方案。

6 展 望

牛欄江工程從規(guī)劃、設(shè)計、施工到建成僅用了5 a，投運以來，已向昆明市滇池生態(tài)補水25 億m3，經(jīng)安全監(jiān)測和技術(shù)鑒定，工程運行總體穩(wěn)定，工程的投運創(chuàng)造了顯著的生態(tài)補水效益和城市應(yīng)急供水、提升城市水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等社會效益。

本工程推薦的長斜井溜槽混凝土運輸方式是在工期緊，施工通道條件受限的前提下研究提出，施工中也結(jié)合現(xiàn)場條件有所優(yōu)化，但針對斜井底部的緩沖裝置受力還缺少必要的理論計算，選擇一項合理的集料裝置解決減緩離析的研究有待深入；采用耐磨有機材料管制作溜槽，快速高質(zhì)量拼裝的選材方式，未有足夠時間研制。就此提出，為類似工程提供參考,并在準(zhǔn)備前期做相應(yīng)的分析與試驗。

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