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.云南省調水中心，云南 昆明 650051；2.云南省水利水電勘測設計研究院，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，圍繞區域水資源配置、防洪減災、水生態環境修復與保護等功能，以水資源緊缺、水生態脆弱和水環境惡化等地區為重點的大型河湖水系連通工程正處于規劃興建高峰期。跨區域進行水資源配置，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，建設過程中呈現出穿越復雜地層、掘進困難、擠占混凝土襯砌工期，施工通道布設局限、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量和提高進度成為了長隧洞施工控制的關鍵環節。

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運次數少者為佳。根據國內外已建成的大型引調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、礦業通道等長隧洞施工經驗，目前長隧洞混凝土運輸方式是在分析施工安全性和進度需求，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]；而施工通道布設局限的長隧洞卻盡可能利用通風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，建設期業主組織參建各方通過方案比選、現場試驗、施工優化，選用的斜井開敞式溜槽運輸與主洞罐車轉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)作為跨區域、跨流域的長距離引水項目，滇池水污染防治的關鍵性措施，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，工程建設與運行成效備受關注。

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，施工異常艱難,深埋長隧洞的安全、質量及進度控制成為了本工程建設管理的關鍵要點。

2 研究背景

牛欄江工程建設期間，參建各方面臨和攻克了許多技術難題。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，地質條件復雜、不可預見的地質災害頻發，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，施工通道因布設條件差，共設施工斜井33條，80%為深長斜井，從支洞進口到最遠工作面大部分超過1 500 m，典型施工支洞布設及施工參數見表1。隨著長隧洞的開挖掘進，頻繁遭遇塌方冒頂、涌水、突泥等不良地質現象，施工異常艱難，有的掌子面涌水量高達6 000 m3/h，有的掌子面一次塌方形成的泥石流方量達到13 000 m3，掘進施工異常艱難，導致開挖及支護工期嚴重滯后。在既定通水總工期目標不變的壓力下，長隧洞施工作為控制性工程，由于開挖及支護完成工期嚴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度控制的關鍵環節及施工技術研究的重點。

表1 長隧洞典型施工支洞布設及施工參數表

3 深長斜井混凝土輸送方案比選

3.1 原設計混凝土運輸方案

前期設計工作中，施工斜井、主洞內均考慮采用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設一錯車道，主洞混凝土澆筑計劃進尺為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，斜井運輸強度不能達到前設計指標，更不能滿足現場實際要求，加之處理洞內不良地質災害，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量與進度目標。

3.3 混凝土輸送方案比選

調查國內外已建水利及隧道工程關于豎井投料、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。

比選認為①絞車提升方案，軌道布設占用大部分通道，施工干擾大，提升重量重，安全管理風險高，提升進度慢等劣勢，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皮帶凹槽吸附水泥漿，嚴重影響混凝土可泵性，經常堵管。為避免皮帶抖動加劇導致混凝土離析而放慢皮帶機輸送速度，遠不能滿足進度要求，而且17°條件下運行的皮帶機容易發生飛車事故，試驗失敗。③新設豎井涉及征地、新建拌和站和輸電線路布設事項，協調難，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運相結合的運輸方案。

4 深長斜井溜槽混凝土運輸試驗與優化

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

4.1 深長斜井溜槽運輸方案改進措施

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

(1)溜槽加工及安裝質量控制措施。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，適當提高出機口混凝土的坍落度，避免在下料過程中出現堵塞現象。出機混凝土的坍落度控制指標見表3。

表3 溜槽混凝土塌落度控制指標

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，按適當提高出機口混凝土的坍落度，適當增加混凝土的砂率(人工砂，細度模數2.4～2.8)，嚴控粗骨料超徑及針片狀含量，適當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，進行了混凝土配合比的試驗并優化。結合典型洞段的地形及水文地質條件，選定相應的施工配合比如表4。

4.2 溜槽混凝土運輸質量控制措施

(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。

(4)主洞遠距離工作面采用泵送接力送料方式的，首先對輸送泵進行壓水試驗再分別用水、水泥漿、砂漿進行潤管作業，盡可能避免了堵管現象發生。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行現場巡邏查看，以便及時對堵塞部位進行疏通。

5 效果評價

根據襯砌初期試驗經驗，通過施工改進，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，解決了原設計混凝土運輸與材料運輸互相干擾，制約進度的問題，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，提高溜槽制作與安裝質量，有效解決混凝土下滑堵塞，外溢現象，保證混凝土的穩定持續輸送；②通過混凝土配合比生產性試驗，改良混凝土和易性，可有效減緩混凝土離析現象，保證混凝土質量，經質量評定輸水線路混凝土襯砌分部工程的優秀率平均為80%；③斜井溜槽輸送與主洞采用混凝土攪拌車轉運或多級泵接力的聯動方式，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度達480 m，有效節約了施工工期；④有效利用出渣斜井布設溜槽，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，加快了進度、節約了投資。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計中也就此參照推薦了斜井布設及混凝土運輸方案。

6 展 望

牛欄江工程從規劃、設計、施工到建成僅用了5 a，投運以來，已向昆明市滇池生態補水25 億m3，經安全監測和技術鑒定，工程運行總體穩定，工程的投運創造了顯著的生態補水效益和城市應急供水、提升城市水生態環境質量等社會效益。

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，施工中也結合現場條件有所優化，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,并在準備前期做相應的分析與試驗。

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