楊照明 張金承 周垂富

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊 830000;2.吉林省水利水電工程局 長春 130000)

1 工程概況

新疆阿拉山口供水與生態(tài)建設(shè)工程是解決阿拉山口口岸水資源嚴(yán)重匱乏的引水工程,主要由取水樞紐、引水線路 (包括管道和隧洞)、尾部調(diào)節(jié)水庫等組成,工程2006年7月正式開工,2009年10月試運(yùn)行通水。

引水隧洞是該工程的關(guān)鍵控制工程,全長14.346km,設(shè)計(jì)開挖斷面2.5m×2.5m,城門洞型,洞身段基本在較完整的花崗巖體中,采用鉆爆法施工;受地形條件限制,已有工作面的平均控制長度1279m,其中吉林省水電工程局承擔(dān)的2#豎井段單工作面控制長度達(dá)1620km,豎井深108m,為本工程施工難點(diǎn),控制著整個(gè)工程的進(jìn)度。

2 本工程隧洞的設(shè)計(jì)和改進(jìn)

小斷面長距離隧洞是各類隧洞中施工難度較大的,“小”是指機(jī)械化程度較高的施工機(jī)械不能進(jìn)洞作業(yè),只能采取以人工為主的方法開挖;“長”是對(duì)通風(fēng)、供電、排水和運(yùn)距相對(duì)而言;同樣比較長的距離,對(duì)于洞徑較大的,不稱其為長,但對(duì)于洞徑較小、主要靠人工作業(yè)的隧洞,就可認(rèn)為是長隧洞。

目前長距離、小斷面引水隧洞中,2m×2m以下開挖斷面還未有工程實(shí)例,單工作面掘進(jìn)長度1.6km也極少,在阿拉山口供水工程前期的設(shè)計(jì)階段,受工程總投資控制,隧洞斷面尺寸按照滿足最小施工斷面設(shè)計(jì),開挖洞徑為1.8×1.8m的城門洞型,施工主要以人工為主,目前市場上最小型號(hào)電瓶機(jī)車的型號(hào)為XK2.5-4/48-2A,自重2.5t,3.5k W,長2.3m,寬0.92m,高1.55m,可以滿足運(yùn)輸需要。原設(shè)計(jì)洞徑不具備機(jī)械施工條件,只能采用人工裝碴,機(jī)械運(yùn)輸?shù)姆绞?。初步設(shè)計(jì)階段控制工期為三年。

隧洞于2005年開始進(jìn)行試驗(yàn)性開挖,由于小斷面施工中對(duì)爆破的鉗制作用,每一循環(huán)施工僅1.1～1.2m,隨著進(jìn)尺的延伸,出渣、通風(fēng)排煙明顯受到隧洞斷面的限制,通風(fēng)管直徑一般不小于0.5m,否則,單位長度的風(fēng)壓損失較大,送風(fēng)的距離就短,運(yùn)輸車與通風(fēng)管的間隔太近,通風(fēng)管容易被尖狀物劃破,加之洞內(nèi)還需要布供水管、高壓電纜、低壓電纜、照明燈具等,造成通風(fēng)時(shí)不能出渣,出渣時(shí)不能通風(fēng),洞內(nèi)空氣質(zhì)量很差,每循環(huán)作業(yè)時(shí)間也在拉長,施工期的安全生產(chǎn)也不易得不到保證,隧洞施工表現(xiàn)出斷面越小開挖條件越差,施工難度大、施工附加工作量也加大,進(jìn)度和工期的矛盾日益嚴(yán)重,經(jīng)測算,僅開挖需工期57個(gè)月。

根據(jù)實(shí)際情況,為保證按期完工,經(jīng)過專題論證,設(shè)計(jì)變更將洞徑擴(kuò)大為2.5m×2.5m,以盡可能采用機(jī)械化施工,提高工作效率,且更能滿足實(shí)施灌漿和噴護(hù)的空間要求,有利于實(shí)施連續(xù)通風(fēng)、實(shí)施灌漿、襯砌、噴錨支護(hù)等施工。

隧洞工程于2006年正式開工,實(shí)踐證明,擴(kuò)大洞徑后,每一循環(huán)進(jìn)尺增加到1.4～1.5m,出渣設(shè)備、通風(fēng)排煙管、供電、排水及供風(fēng)管路在斷面內(nèi)可合理布置,基本滿足施工期的安全生產(chǎn)需要,隧洞總開挖工期28個(gè)月,比原設(shè)計(jì)洞徑的理論工期減少了29個(gè)月。擴(kuò)大洞徑后,洞挖工程量增加,投資有一定增加,經(jīng)過經(jīng)濟(jì)分析,提前完工后的財(cái)務(wù)收益完全可彌補(bǔ)增加的投資。

3 隧洞施工

3.1 整體施工方案

隧洞施工采用全斷面開挖,機(jī)械出渣。用0.2m3裝巖機(jī)裝斗車,水平運(yùn)輸采用2.5t電瓶車牽引至井底,垂直運(yùn)輸以礦用絞車提升自制罐籠,罐籠四角采用4根導(dǎo)向繩固定,提升高度40～108m,豎井出渣在井外直接裝自卸汽車,平洞出渣在洞外裝載機(jī)裝自卸汽車,運(yùn)輸至指定棄渣場。

為保證洞壁懸掛通風(fēng)筒、滿足牽引車運(yùn)輸寬度及另一側(cè)行人避車安全的要求,軌道中心線偏移隧洞中心線150mm。

3.2 主要施工方法

3.2.1 鉆爆開挖方案

根據(jù)不同的圍巖類別采用不同的施工方法見表1。

表1 隧洞開挖施工方案表

3.2.2 進(jìn)尺的確定

合理的進(jìn)尺是隧洞掘進(jìn)作業(yè)的重要參數(shù),按照規(guī)范要求通常選用的循環(huán)進(jìn)尺為隧洞開挖寬度的0.6倍左右,本工程隧洞開挖寬度為2.5m,進(jìn)尺為1.5m,鉆孔可取1.7m,該深度處于鉆機(jī)的最佳深度范圍。進(jìn)尺與循環(huán)時(shí)間協(xié)調(diào)才能取得最佳掘進(jìn)效率,本工程為小斷面隧洞,因此采用短進(jìn)尺、多循環(huán)的工作方式。

3.2.3 爆破設(shè)計(jì)

表2 隧洞爆破施工參數(shù)匯總表

合理的爆破參數(shù)是本工程隧洞快速開挖的關(guān)鍵,根據(jù)理論計(jì)算分析,采用中心直孔掏槽布置方式,周邊布置輔助孔,外輪廓線布置周邊孔,整個(gè)斷面共布置鉆孔34個(gè),光面爆破,隧洞爆破施工參數(shù)(見表2)。

表2隧洞石方開挖的爆破參數(shù),系根據(jù)理論計(jì)算結(jié)合實(shí)際爆破效果反復(fù)進(jìn)行爆破試驗(yàn)總結(jié)的參數(shù),實(shí)際施工時(shí)按照監(jiān)理最終批復(fù)的爆破試驗(yàn)成果,作為施工控制參數(shù)。

3.2.4 通風(fēng)散煙

通風(fēng)問題往往成為小斷面長隧洞能否實(shí)現(xiàn)快速施工的關(guān)鍵,根據(jù)已有施工經(jīng)驗(yàn),施工洞、井內(nèi)的最低風(fēng)速不小于0.15m/s,工作面附近的最小風(fēng)速不低于0.25m/s,隧洞、豎井工作面最大風(fēng)速為4m/s。通風(fēng)主要考慮施工作業(yè)人員所需風(fēng)量、爆破散煙所需風(fēng)量等,經(jīng)計(jì)算分析,洞內(nèi)通風(fēng)量不小于45m3/min。

為了安全施工需要,有利于實(shí)施連續(xù)通風(fēng),采用壓入式供風(fēng)方式,由于洞徑尺寸限制,洞內(nèi)牽引車行走需要,并與通風(fēng)桶需保持20cm的安全距離,最大限度布置直徑大的供風(fēng)管,以滿足工作面所需風(fēng)量。

本工程采用性能較好、供風(fēng)距離較長的對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī) YBT-62型,風(fēng)機(jī)功率22×2k W,供風(fēng)量240m3/min,風(fēng)壓3200～680Pa,選用風(fēng)管為塑料柔性風(fēng)管,懸掛在隧洞一側(cè)墻上。洞挖進(jìn)尺300m以內(nèi)時(shí),僅開一級(jí)風(fēng)機(jī),300～500m時(shí),僅開二級(jí)風(fēng)機(jī),進(jìn)尺超過500m時(shí)兩級(jí)風(fēng)機(jī)全部打開,當(dāng)隧洞掘進(jìn)到700m以上時(shí),供風(fēng)的沿程損失太大,送至工作面的風(fēng)量很小,此時(shí)采取串聯(lián)11kw的軸流風(fēng)機(jī),每隔300m左右設(shè)一臺(tái),由于各段的風(fēng)壓損失已由接力式的風(fēng)機(jī)補(bǔ)償,這種供風(fēng)方式也不受洞長的限制。

在本工程實(shí)踐中,還總結(jié)出了長距離混合式分散供風(fēng)方式。距工作面50m始終布置一臺(tái)吸風(fēng)機(jī),邊開挖邊往工作面移,爆破后首先開啟該風(fēng)機(jī),先往外吸,煙塵經(jīng)硬質(zhì)風(fēng)管吸出200m外,約20min后,關(guān)閉該風(fēng)機(jī);然后開啟供風(fēng)的所有風(fēng)機(jī),從洞口將新鮮空氣吹入,使工作面的空氣較新鮮,一般60min可完成排煙工作,工作面200m范圍內(nèi)空氣質(zhì)量滿足工人安全施工需要。為了安全起見,每次爆破后洞內(nèi)風(fēng)機(jī)的開啟按鈕均在井上控制。每次通風(fēng)結(jié)束,工人下井作業(yè)時(shí),專職安全員首先攜帶有害氣體檢測儀檢查,若空氣質(zhì)量不合格繼續(xù)通風(fēng),直至滿足要求為止。

3.2.5 出渣作業(yè)一次爆破有效進(jìn)尺為1.4～1.5m,方量為 7.96～8.53m3,折合松方約 12.18～13.05m3。采用2.5t的電瓶車牽引礦車出渣,正常情況下每班出渣作業(yè)時(shí)間為5～6h。

本工程洞內(nèi)采用有軌出渣,輕軌600mm,在洞內(nèi)鋪設(shè)單線,每隔300m設(shè)一斗車編組站(大避車道位置),每隔100m設(shè)一移車器(小避車道位置);裝渣采用0.2m3風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī),采用0.5m3斗車十二輛,牽引機(jī)車采用二臺(tái)2.5t電瓶車,一臺(tái)用于工作面至編組站的斗車的牽引工作,一臺(tái)用于編組站至豎井提升機(jī)受料斗處斗車的牽引工作。

平時(shí)一臺(tái)電瓶車停放于豎井地下卸渣站處,另一臺(tái)電瓶車和十二輛空斗車均停放于斗車編組站處,出渣開始時(shí)由編組站處一臺(tái)電瓶車推動(dòng)兩臺(tái)空斗車,向工作面方向推進(jìn),行進(jìn)至移車器時(shí)將一臺(tái)斗車推入移車器,另一臺(tái)由電瓶車推至裝巖機(jī)后開始裝巖,裝巖完畢后則電瓶車將其牽引至斗車編組站處,同時(shí)人工將移車器內(nèi)的空斗車推至工作面開始裝巖;牽引重車的電瓶車把斗車牽引至編組站的靠近豎井處的岔口后,推入斗車編組站,并把從編組站遠(yuǎn)離豎井的岔口人工推出的一臺(tái)空斗車,向工作面方向推進(jìn),至移車器后將空車移出,電瓶車前進(jìn)至工作面處牽引重車,如此循環(huán);當(dāng)編組站處的重車滿六輛時(shí),由豎井處的電瓶車牽引至豎井卸渣站,提升至地面。

3.2.6 輔助作業(yè)及支護(hù)時(shí)間

手持風(fēng)鉆進(jìn)出工作面時(shí)間約 20min;準(zhǔn)備、清孔、裝藥時(shí)間為60min;爆破時(shí)間為10min;通風(fēng)散煙時(shí)間為60min;出渣前的工作面清理、集渣、危巖安全處理等項(xiàng)工作約20min。綜合考慮正常情況下每循環(huán)作業(yè)時(shí)間取10.1～11.9h,一天按2.38～2.0班計(jì)算。

3.2.7 施工供電

施工用電分為洞外供電、洞內(nèi)供電兩類,洞外用電分為生活用電(辦公區(qū)、生活區(qū))、生產(chǎn)用電(空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)、加工廠、砼拌和機(jī)、電焊機(jī)、機(jī)修等);洞內(nèi)用電主要指電瓶車充電、照明等。

(1)洞外供電。電源引自博州地方電網(wǎng)阿拉山口110kV變電所,供電電壓等級(jí)為35kV和10kV,35kV送電線路至2#豎井箱式變電站,10k V送電線路由2#豎井箱式變電站至2#豎井315kVA變壓器。

(2)洞內(nèi)供電。洞內(nèi)400V低壓輸電線路進(jìn)洞,主干線采用90mm2銅芯膠套電纜,據(jù)用電負(fù)荷理論計(jì)算供電距離為1200m,本工程實(shí)際供電距離最長為1700m,我們將大功率的用電設(shè)備如空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)布置在井口,洞內(nèi)照明或動(dòng)力電距離長,若電壓降過大,采用電容補(bǔ)償器就地補(bǔ)償,盡量避免洞內(nèi)同時(shí)啟動(dòng)多臺(tái)用電設(shè)備,根據(jù)實(shí)際用電負(fù)荷計(jì)算達(dá)到理論供電距離后,設(shè)專職人員跟蹤隨著進(jìn)尺的達(dá)到,經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn),該項(xiàng)措施可滿足施工要求。

3.2.8 施工排水

根據(jù)地質(zhì)條件,隧洞開挖過程中局部地段涌水量豐富,尤其是受地形限制,豎井均布置在溝內(nèi),施工期降雨入滲、開挖作業(yè)面層間滯水等需要盡快排出。隧洞設(shè)計(jì)坡度1‰,對(duì)于開挖面向上游的可以自流排水,匯集至豎井底部集中抽排;對(duì)于開挖面向下游的只能分段匯集,利用開挖碴料圍堵,分段抽排,出水點(diǎn)集中部位采用橡膠軟管導(dǎo)水。

4 結(jié)語

在長距離、小洞徑斷面施工中,爆破夾制作用大,炮眼利用率低,嚴(yán)重影響施工進(jìn)尺,超挖工作量也相對(duì)較大,需要認(rèn)真研究合理的掏槽方式、施工循環(huán)進(jìn)尺、炸藥單耗等,并根據(jù)具體情況研究長距離通風(fēng)、供電方式等,以確保施工安全,在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

1 水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范[S].SL/47-94

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

3 錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].GB50086-2001