東山供水工程施工支洞施工方案比選

許志超

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

東山供水工程作為山西省一項跨流域引調(diào)水工程，實現(xiàn)了黃河流域和海河流域連通調(diào)度，補充了晉中地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水。東山供水工程共有隧洞14條，總長度為69.36 km，其中9號隧洞全長22 640 m。9號隧洞進口段采用鉆爆法施工，中間巖石段采用TBM施工，出口采用鉆爆法施工。

2 施工方案說明

9號隧洞原設(shè)計布置施工支洞5條，其中9-1號施工支洞采用斜井式施工，總長101.71 m，平洞段25 m、斜洞段71.71 m、明洞段5 m，設(shè)計坡度為24°。在實施階段，考慮該處地形復雜，地層存在砂層不好成洞，洞口位置需調(diào)整且征地困難等原因，有必要將9-1號施工支洞的設(shè)計開挖方式進一步優(yōu)化，增加豎井施工形式。擬開挖豎井的井筒采用圓形，噴護成型后凈斷面直徑為8.0 m，豎井深度為42.7 m。斜井、豎井剖面見圖 1、圖 2。

圖1 斜井剖面示意圖

3 方案比較

從施工工期、出渣效率、混凝土澆筑、施工安全、投資五個方面，對斜井和豎井兩種開挖方式進行比較，確定最優(yōu)施工方案。

圖2 豎井剖面示意圖

3.1 施工工期比較

9-1號施工支洞原設(shè)計傾角為24°，已達到施工作業(yè)機械的施工條件上限，綜合相關(guān)工程施工作業(yè)經(jīng)驗進度及工作面限制，綜合日進尺1 m/d。9-1號支洞長度斜長為106.1 m，預計用時107 d。

豎井設(shè)計開挖斷面面積為58.1 m2，考慮局部超挖等影響因素，按60 m2進行施工強度計算，每天計劃進尺1.2 m，采用斗容0.3 m3的小型挖掘機進行開挖，局部采用人工開挖以減少超挖。豎井支護工程量為7.7 m3，采用5 m3/h噴射機施工，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，有效生產(chǎn)能力為3.6 m3/h，2.5 h可以完成施工任務(wù)；土釘27根，每根長度為2.5 m，每根土釘安裝時間為10 min，共計需要 270 min，需 4.5 h；掛網(wǎng)需用時 1 h；鋼支撐每榀間距0.8 m，安裝用時3 h；超前錨桿有效控制長度為2.4 m，每2個循環(huán)進行一次施工，采用直徑76 mm熱軋無縫鋼管，長度為3 m，需時15 min，共54根，分攤至兩個循環(huán)，每個循環(huán)計時7 h；即兩個作業(yè)班可以完成施工任務(wù)，可以達到進尺1.2 m/d的進度目標。豎井深度為42.7 m，計劃40 d完成；主支交叉段25 m，計劃用時35 d完成，共計用時75 d就可滿足主洞施工。

3.2 出渣效率比較

3.2.1 斜井方案

由于9-1號支洞及主洞控制區(qū)為土洞和Ⅴ類圍巖；土洞開挖擬采用ZWY 120履帶挖掘扒渣機進行施工，鑒于土洞施工的特殊性及隧洞空間結(jié)構(gòu)尺寸的限制，隧洞出渣存在一定的間歇性，提升機械對出渣效率的影響較小，在此僅對石方洞段運輸進行強度校核。

（1）日最大提升量：Vmax=斷面面積×計劃進尺×松散系數(shù)，經(jīng)計算Vmax=43.5 m3。

（2）一次提升時間：由于斜井長度較短，出渣對卷揚機的提升速度要求較低，加之采用快速卷揚機提升的安全風險較大，提升速度可選20 m/min，同時考慮提升起動時間、停車前后加減速和卸車的影響，提升循環(huán)時間為15 min。

（3）提升容器大小Vc按以下公式計算：

式中：Vc——提升容器的容量，m3；

C——提升不均勻系數(shù)，取1.2；

V——要求的小時出渣量，m3；

Φ——容器充盈系數(shù)，取0.9；

n2——每小時提升次數(shù)；

取每日提升時間為4 h，經(jīng)計算：Vc=3.625 m3?？紤]到隧洞斷面尺寸及洞內(nèi)通風、水、電布置情況，選定MCC 4.0側(cè)卸式礦車負責斜井運輸能夠滿足施工要求。

通過上述計算可得，配備4 m3礦車，在計劃出渣時間4 h內(nèi)可以將渣運出洞外。

3.2.2 豎井方案

采用MG（L）20型龍門吊進行出渣，跨度19 m，最大提升高度137 m，提升速度為7.1 m/min。豎井方案深度為42.7 m，提升按45.7 m考慮，綜合提升起動時間、停車前后加減速和卸車影響，提升循環(huán)時間為13 min。

提升容器大小計算同斜井計算公式，每日提升時間為4 h，充盈系數(shù)取0.95。經(jīng)計算：Vc=2.976 m3，即在日提升時間相同條件下，用較小斗容就能滿足出渣要求。由于豎井斷面尺寸較大，可以選用較大的提升卸料容器，縮短出渣時間，保障工程進度。

通過上述比較，豎井提升卸料時間較斜井運輸短，提升容器選擇范圍廣，進度保障性相對較好。

3.3 混凝土澆筑方案

3.3.1 斜井方案

支洞施工時，在井口設(shè)置混凝土泵車，通過在輸送線路上設(shè)置彎管段，保障斜面混凝土正常泵送；主洞施工時，在主洞與支洞交叉部位設(shè)置溜管豎井，由溜管輸送至主洞混凝土運輸設(shè)備。

采用洞口進料坡面泵送混凝土，避免了重型混凝土運輸機械進洞，降低了安全風險，提高了施工效率。但是輸送混凝土管容易堵塞，清理比較困難；溜管安裝困難，不便檢修；由卷揚機坡面下放泵車等混凝土施工機械進入主洞，操作相對困難。

3.3.2 豎井方案

混凝土拌合料可以通過設(shè)置于井壁上的溜管，直接輸送至相應(yīng)倉位或主洞混凝土運輸設(shè)備。

混凝土輸送簡便快捷，輸送質(zhì)量有保障，輸送效率高；可以避免重型混凝土運輸機械進洞，避免安全風險，施工效率高；輸送過程中混凝土堵塞管路風險??；施工機械通過龍門吊容易吊放進入主洞。但是混凝土輸送管路與其他輔助系統(tǒng)安裝在同一井筒內(nèi)，對安裝加固的要求較高。

3.4 施工安全

3.4.1 斜井方案

斜井出渣采用履帶扒渣機開挖，直接裝礦用三輪車，將渣料運至主洞與支洞交叉部位，然后卸料至礦車，由卷揚機牽引礦車至洞口，再由裝載機裝自卸汽車運至棄渣場。

利用斜井出渣能及時發(fā)現(xiàn)隱患，在坡面上方便采取有效處理措施；同時便于通風、水、電系統(tǒng)安裝，布設(shè)固定和人員的操作。如果發(fā)生突發(fā)事件，便于施工人員逃生。

斜井角度為24°，軌道鋪設(shè)應(yīng)專門設(shè)置軌道防滑設(shè)施，軌道鋪設(shè)完成后，需派專人維護，對施工運輸影響大。洞底在主洞與支洞交叉部位，若設(shè)置礦車停放區(qū)，斜井與平洞交叉區(qū)順接長度加長，增加費用影響運輸效率。

受隧洞斷面空間尺寸限制，作業(yè)人員通行空間小，安全隱患大。加之24°斜坡，施工機械功效降低，不利于施工機械性能的發(fā)揮，不利于施工所需材料的運輸。隧洞若發(fā)生涌水，開挖未支護洞段采取應(yīng)急措施的機動性差，施工影響鉗制因素大。

3.4.2 豎井方案

豎井出渣采用履帶扒渣機開挖，直接裝礦用三輪車，三輪車運至豎井底部的渣斗內(nèi)，然后由豎井龍門吊運至洞頂，由裝載機裝自卸汽車運至棄渣場。

豎井內(nèi)工作空間尺寸大，提升過程中便于觀察周圍環(huán)境，安全隱患??；可設(shè)置垂直電梯，能有效解決人員上下交通問題；也方便了施工材料的運輸。施工中抵御不良地質(zhì)段的可靠性好，若發(fā)生涌水或局部坍塌，可及時采取加固措施和堵塞濾水排水措施。井底設(shè)置渣斗井，渣斗井周圍可以預留一定的空間滿足施工通行要求，提高施工人員安全性。

豎井涉及到的施工設(shè)備和裝備較多，成本較高，對技術(shù)管理水平要求較高；不利于設(shè)備，水管、風管及相關(guān)輔助設(shè)備設(shè)施的固定操作。若發(fā)生機械故障，不便處理；若發(fā)生突發(fā)事件，逃生通道在一定程度上受到限制。

3.5 投資比較

按東山供水工程初設(shè)批復單價測算，斜井方案直接工程費用123.7萬元，豎井方案直接工程費用158.1萬元。豎井方案直接費用略比斜井高，但是豎井運行效率高，單方出渣費用較低，能有效縮短工期，保證工程進度。

4 結(jié)論

東山供水工程施工支洞施工通過方案比較，確定支洞的開挖形式為豎井，該方案在施工中得以成功應(yīng)用，提前32 d完成支洞的施工，為9號隧洞的順利貫通及實現(xiàn)工程供水目標打下了良好的基礎(chǔ)。施工方案的選擇及比較可作為類似工程的參考。