某特長距離小斷面礦山法輸水隧洞關鍵技術問題研究

王志

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

某特長距離小斷面礦山法輸水隧洞關鍵技術問題研究

王志

（上海市政工程設計研究總院（集團）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8 333 m，為特長距離隧洞，采用雙向單頭掘進施工。結合該工程特點及難點，對隧洞斷面型式確定、長距離施工通風以及施工運輸等關鍵問題進行了研究，最終確定了適合該隧洞的設計施工方案，也為今后類似工程提供借鑒。

特長距離；礦山法；輸水隧洞；單頭掘進；斷面型式；施工通風

1　工程概況

該輸水工程管線設計起點位于麗岙鎮規劃一號路與新104國道的交口處，沿途經過仙巖鎮，穿越大羅山，與位于濱海一道的現狀DN1000配水管線連接，管線總長15.53 km。大羅山隧洞為整個輸水工程的控制節點，隧洞進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8 333 m，屬特長距離隧洞。綜合考慮施工通風、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～微風化流紋斑巖、凝灰巖、安山玢巖及花崗巖，圍巖等級劃分為Ⅱ～Ⅲ級；局部穿越斷層破碎帶，含水量較豐富，此段圍巖級別劃分為Ⅳ級；洞口段地層為全～弱風化花崗巖和流紋斑巖，地質條件較差，圍巖級別劃分為Ⅴ級。

2　隧洞關鍵技術問題

2.1隧洞斷面型式確定

隧洞橫斷面形狀應根據隧洞的用途、工程地質與水文地質、襯砌工作條件以及施工方法等因素，通過技術經濟分析確定［1］。目前國內外水工隧洞斷面型式主要有全斷面過水和明洞+排管布置兩種型式，而全斷面過水隧洞則又分為有壓隧洞和無壓隧洞兩種。

結合隧洞內管道的布置方式和隧洞襯砌型式的可能性，根據該工程實際情況，對隧洞不同斷面進行研究，擬采用以下三種布置形式：混凝土內襯方案、鋼管內襯方案和隧洞+排管方案，其中混凝土內襯和鋼管內襯方案均為全斷面過水隧洞，斷面布置如圖1所示。

可以看出，相比隧洞+排管布置方案，全斷面過水隧洞開挖斷面小、工程量小、結構受力總體較好，但由于隧洞斷面小且全斷面過水，其同樣帶來了水質污染風險、運營檢修困難等一系列問題。對幾種方案綜合分析比選詳見表1。

如表1所示，全斷面過水隧洞方案雖開挖斷面小，投資占有較大優勢，但由于斷面太小，施工難度、運營階段檢修難度均有所增加。此外，從工藝角度考慮，全斷面過水隧洞檢修維護困難，全線無排水排氣設施；從其他角度考慮，由于本隧洞為特長隧洞，全斷面過水隧洞尚有鋼管應力、裂隙水壓力問題，為隧洞長期運營帶來安全隱患，且目前國內亦無如此長距離全斷面過水清水隧洞成功實施的先例。

總體來說，隧洞+排管方案較之全斷面過水方案具有水質安全有保障，利于隧洞結構安全、耐久和便于運營、維護及檢修等優點。最終隧洞斷面采用隧洞+排管的布置型式。

2.2長距離施工通風方案

特長距離隧洞施工通風為隧洞施工的關鍵技術。該隧洞穿越大羅山景區，山勢較高，如設豎向通風孔，平均孔深約380 m；超深豎向通風孔施工風險高，施工、出渣難度均較大，故不考慮設置豎向通風孔；經現場調查及各方溝通協調，受多方因素限制，該隧洞又無設置施工支洞的條件，如此單頭掘進通風長度將達到4 166.5 m，施工通風排煙難度極大，而通風排煙對隧洞開挖的質量、安全及進度影響很大，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

通過對國內已建特長隧洞施工通風技術資料的調查分析［2-4］，發現目前國內單頭超長距離掘進已有不少案例，見表2。

結合類似工程實際經驗，并根據該隧洞特點，長距離施工通風具體設計如下。

2.2.1通風方式

隧洞開挖施工通風以多級接力，壓入、抽出混合式通風方式為主，對于單頭長度1 000 m以下的隧洞段以壓入式通風為主。

表2　特長隧洞通風案例表

2.2.2通風設計標準

隧洞施工過程中，由于鉆眼、爆破、裝碴、噴射混凝土以及開挖時地層釋放出的有害氣體等因素，使得隧洞里空氣污濁，嚴重影響人體的健康。因此，必須向洞內及時供給新鮮空氣，排除有害氣體，降低粉塵濃度，使隧洞內施工作業段的空氣必須符合下列衛生標準：

（1）洞內氧氣含量按體積計不低于20%，洞內溫度不宜高于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入工作面時可為100 mg/m3，但工作時間不得超過30 min；二氧化碳按體積計不得大于0.5%；氮氧化合物（換算成NO2）質量濃度不得超過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）人均供應新鮮空氣不應少于3 m3/min，柴油設備需要新鮮空氣不少于3 m3/min·kW。

2.2.3風量、風壓計算

通風阻力包括摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力在風流的全部流程內存在，局部阻力發生在管道斷面變化處，如拐彎、分支及風流受到其他阻礙的地方。為保證將所需風量送到工作面，并在出風口保持一定風速，通風機應有足夠的風壓以克服管道系統阻力。

該工程單頭掘進最大長度為4 166.5 m，開挖斷面約33.4 m2，考慮管道百米漏風率1.5%，計算出風機供風量應不小于2 506 m3/min。綜合考慮當前市場上的軸流式風機產品的性能，壓入式風管采用直徑1.0 m的塑料風管，選擇BD-II-6-No14型軸流式風機，高效風量為42.8 m3/s，功率2×45 kW，全風壓2 035 Pa，噪聲小于38 dB。

此外，為加快通風散煙速度，除了設置提供新鮮空氣的壓入式風機外，還需設置排煙的吸出式風機，吸出式風機計算風量為173 m3/min，考慮管道百米漏風率1.5%，風機風量應不小于274 m3/min，吸出風管直徑為0.8 m。

2.2.4風管與風機布置

為保證通風效果，風管末端盡量接近工作面，同時考慮避免爆破飛石砸壞通風設施，風管末端距開挖工作面約30 m。吊掛風管應做到平、直、穩、緊，風管轉彎半徑不小于風管直徑的3倍。

該隧洞施工通風最長線路達4 166.5 m，需每隔400～500 m串聯一臺11 kW軸流式風機運行。

爆破后先關停壓入式風機，炮煙采用吸出式通風，以迅速排除工作面有害氣體，恢復循環作業，然后再采取壓入式通風，不斷向洞內供應新鮮空氣。同時應做好施工監測工作，監測日常的有害氣體濃度，根據濃度調整風量，合理供風。

2.2.5輔助降塵措施

開挖中采用濕式鑿巖，根據經驗可降低約80%的巖粉，在施工過程中維持水壓穩定、水量充足，操作規范，遵循先開水后開風，先關風后關水的步驟，爆破后采用灑水降塵，沖洗巖壁，保證做好濕式裝巖。噴混凝土時采用濕噴，達到減少粉塵含量。

無水巖層地段在距掌子面一定距離設置幾道水幕，水幕降塵器放在邊拱上，爆破前10 min打開水幕開關。一般在距工作面40 m左右位置設水幕降塵器，水幕降塵器是風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。

根據以上分析計算研究，采用混合式通風方式并輔以降塵措施，可以解決該隧洞長距離單頭掘進施工通風問題。

2.3長距離施工運輸方案

隧洞的出渣方法分為有軌運輸和無軌運輸兩種，由于該隧洞單頭掘進長度達4 166.5 m，根據國內類似工程的經驗，超過3 km的隧洞采用無軌運輸的出渣方法，通風排煙將無法采用機械通風解決，因此為保證工作面有足夠的新鮮空氣，降低施工通風的難度，綜合考慮本工程采用有軌運輸的出渣方法。

洞碴主要采用STB-50L型耙碴機和ST25-A型25 m3梭式礦車配合出碴。在隧洞掌子面，人工操作耙碴機把爆破的巖石石碴裝至梭車，采用蓄電式電機車牽引出洞，在主洞進出口設臨時棄渣場集中卸碴，再由自卸汽車經轉運棄碴至棄碴場堆放。出碴運輸的關鍵是：選擇裝運配套的機械設備，布置合理的會讓線路，組織有序的調車作業，保障有力的軌道維護，才能確保洞內運輸忙而不亂，有條不紊。

為提高出碴效率，洞內擬間隔800 m設置有軌運輸錯車道，該工程洞挖控制工期工作面（單工作面長度為4.17 km）配備2臺STB-50L型耙碴機和6臺ST25-A型梭式礦車，分別編號為1#車、2#車、3#車、4#車、5#車和6#車，出碴方式為：若1#車在掌子面裝碴，那么2#車就在3 200 m處的會車道等待，3#車就在2 400 m處的會車道等待，4#車就在1 600 m處的會車道等待，5#車在800 m處的會車道等待，還有#6車主洞口的會車道上等待，當掌子面的1#車運碴出來行至3 200 m處的會車道時，在此停靠的2#車開往掌子面開始裝碴，其他車依次順序進洞；當l#車運碴至主洞口處，6#車開始往掌子面前進，進至800 m會車道進行等待，這樣循環，以確保洞內運輸組織合理有序，出渣效率可極大提高。

3　結語

本文依托溫州大羅山隧洞實際工程，對特長距離小斷面礦山法輸水隧洞設計施工中關鍵問題進行研究，主要結論如下：

（1）對于采用礦山法實施的特長距離清水輸水隧洞，采用隧洞+排管的布置形式，有利于水質安全保障以及運營、維護和檢修；

（2）長距離小斷面礦山法隧洞施工通風為隧洞施工關鍵問題，經計算分析研究，采用多級接力、壓入、抽出混合式通風方式并輔以降塵措施，可以解決長距離單頭掘進施工通風問題。

（3）受施工通風制約，長距離礦山法隧洞需采用有軌運輸出渣，通過設置有軌運輸錯車道，合理安排組織，可極大提高出渣效率。

［1］SL 279-2002，水工隧洞設計規范［S］.

［2］劉立平，劉衛東，李小偉.特長隧道鉆爆法施工通風技術探討與研究［J］.城市建設理論研究:電子版，2011（19）.

［3］陳健勇.高原小斷面長隧獨頭施工通風綜合措施效果評價［J］.鐵道勞動安全衛生與環保，2002（29）:161-162.

［4］陳鵬.長隧道鉆爆法施工通風系統設計探討［J］.現代隧道技術，2004（增）:230-235.

U455

B

1009-7716（2016）06-0325-04

2016-03-07

王志（1983-），男，河南南陽人，碩士，工程師，主要從事隧道、巖土等地下工程設計工作。