水利工程深斜井施工中物料組織布置問題的解決對策

何志敏

(中鐵五局集團第五工程有限責任公司，云南 昆明 650500)

受山嶺重丘影響，長距離引調(diào)水工程隧洞深埋施工支洞被迫設置為斜井。隧洞施工管理靠工序循環(huán)卡控，出渣作為隧洞施工關鍵控制性工序直接制約著掘進進度，而隧洞除開挖外全部工序均受物流組織影響。水利工程深斜井在斷面小及坡度陡的雙重約束下，支洞特別是洞口、支洞與主洞三岔口成為了運輸瓶頸，物料組織布置是施工組織的關鍵。目前國內(nèi)施工企業(yè)的布置方法存在各種局限，布置方法不系統(tǒng)，致使洞內(nèi)停工待料現(xiàn)象時有發(fā)生。基于大理Ⅱ段2標4號斜井施工支洞三維模型，采用空間換時間的理念對斜井支洞的主要物料組織進行布置，提供了一套系統(tǒng)的解決方案。

1 大理Ⅱ段2標4號斜井概況

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎工程，工程建成投入運行后可以從根本上解決滇中區(qū)的水資源短缺問題，具有顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。滇中引水工程受水區(qū)包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪及紅河的35個縣(市、區(qū))，總面積3.69萬km2；工程多年平均引水量34.03億m3，屬大型水利工程。工程由石鼓水源及輸水總干渠組成。大理Ⅱ段總干渠線路位于瀾滄江、金沙江與紅河水系分水嶺地帶，地勢為西高東低，主要山脈和水系在祥云以西呈北西向展布、以東呈近南北向展布，輸水總干渠起點為大理市長育村，末點為祥云縣萬家，全長104.071km，設計引水流量135～120m3/s，渠首水面高程1986.00m，渠末水面高程1956.00m，總水頭30m，全線平均底坡0.29‰。受水區(qū)有賓川牛井、大理市、彌渡彌城、巍山南詔、祥云祥城、祥云下莊、永勝縣太陽平山。大理Ⅱ段施工2標位于大理州大理市、賓川縣境內(nèi)，輸水隧洞包含海東隧洞4號施工支洞至海東隧洞出口控制段10.930km(DLⅡ14+355.000～DLⅡ25+285.431)、獅子山隧洞進口控制段3.083km(DLⅡ25+801.348～DLⅡ28+885)。

海東隧洞4號施工支洞位于賓川縣境內(nèi)，支洞長度647.7m，坡度22.36°，高差256.228m；斷面采用城門洞形，斷面尺寸為6.5m×6m(寬×高)，施工典型斷面如圖1所示。控制主洞段長3.541km(DLⅡ14+355.000～DLⅡ17+896.000)，主洞典型斷面如圖2所示。

圖1 海東隧洞4號支洞斷面圖

圖2 海東隧洞典型斷面圖

2 深斜井物料組織存在的問題

2.1 物料運輸量大

基于洞內(nèi)施工工藝及圍巖的實際，施工運輸通道高度繁忙，需要進洞的有鋼軌、高壓風管、高壓水管、高壓電纜、施工供電設備、漿液輸送管、混凝土、鋼筋、模板、輸送泵、運輸車輛、施工機械、水泵、通風風管及通風設備、民爆物品、工字鋼、超前小導管、超前管棚以及施工作業(yè)人員等；需要出洞的有洞渣、排水、模板、施工設備、待修車輛及設備、測量及超前預報等儀器設備以及管理人員等。雙向物流運輸交通十分繁忙。

2.2 受斷面小及縱坡大約束

為了選擇最佳進尺和實用斷面，經(jīng)過設計比選，滇中引水選用了6.5m×6m的成型斷面。主洞斷面遠大于支洞斷面，出渣量、支護材料等運輸量大，支洞通道擁擠；加之支洞縱坡為41.1%，設備自有動力無法行走，只能通過重力或者絞車實現(xiàn)。

2.3 運輸時間平行空間約束

進入主洞后分上下游施工，上下游的開挖、支護、襯砌、灌漿及抽排水等工序均可能平行交叉作業(yè)；物料組織在洞口及斜井腳狹小的空間同時進料、卸料，交叉干擾較為嚴重。由于施工強度高，為了施工的便捷和快速，運輸工作存在連續(xù)、集中、不規(guī)則、無規(guī)律、裝卸費時等問題。

2.4 斜井有軌運輸?shù)膮?shù)選取

一些有軌運輸參數(shù)的選取適應性較差。其一是有軌運輸提升機提升的運輸速度按照礦用《單繩纏繞式礦井提升機》(GB/T 20961—2018)規(guī)范，最大速度可以達到7m/s；而依據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》(SL 378—2007)，卷揚機的提升速度要求是不宜大于2m/s，沒有提升機的相關參數(shù)，因此應選用《單繩纏繞式礦井提升機》(GB/T 20961—2018)相關參數(shù)。其二是斜井腳的平洞段設置，斜井及主洞全部采用有軌運輸時，應在斜井腳設置不小于30m的平洞段。設置平洞段的目的一是用來切換洞內(nèi)電瓶車主洞運輸與提升機運輸調(diào)度車場地；二是滿足有軌運輸支洞與主洞轉彎半徑要求。滇中引水采用的是斜井有軌+主洞無軌相結合的運輸方式，設置30m平洞段導致物料運輸集中，不利于組織物料運輸。

2.5 國內(nèi)外尚無成熟的系統(tǒng)經(jīng)驗可借鑒

海東隧洞4號施工支洞斷面小6.5m×6m(寬×高)、下傾坡陡41%縱坡、高差大-256.228m，主洞9.46m×9.46m的斷面大，每延米99.78m3，是一個典型的縮頸約束；按照2420日歷天總工期目標，要求海東隧洞4號施工支洞控制主洞段日進尺須達到6m/d(兩個面)，約合718m3/d(實方按20%超挖計)，進料、出渣、施工補給、人員交通等物流組織任務繁重；受主要工序平行交叉作業(yè)制約，開挖支護、襯砌及灌漿三大主要隧洞工程施工工序無恒定規(guī)律，卻須平行交叉作業(yè)，相互交叉干擾大。在結構尺寸、進度峰值及主要工序平行交叉三個因素同時作用制約下的高效集約運輸方式，國內(nèi)外尚無可借鑒的經(jīng)驗。

3 解決深斜井施工中物料組織布置問題的主要原則及方法

基于隧洞掘進進度的需要，采用空間換時間的思路，按照化順序作業(yè)為平行作業(yè)、運輸相對獨立、降低干擾、錯面錯位立交、節(jié)能減排、緊湊有序的原則，系統(tǒng)整體布置深斜井施工物料組織設施。具體方法如下。

3.1 集約化管理

受斜井寬度制約，運輸繁忙的影響，采用敞口溜槽混凝土自溜運輸技術，充分利用斜井坡度、混凝土自重、橫斷面結構型式，采用定型溜槽結合集料緩沖倉的方式，實現(xiàn)混凝土連續(xù)、及時恒定的運輸，解決了斜井混凝土罐車運輸量小、速度慢、安全風險大、能耗大等問題，避免了混凝土運輸與洞內(nèi)出渣的干擾，提高了斜井混凝土的運輸速度，保障了混凝土襯砌的施工質(zhì)量，同時也節(jié)省了混凝土運輸時間，加快了施工進度。

受洞內(nèi)出渣日進尺需要，經(jīng)運能測算需配置8m3側卸料斗。與之配套軌道42kg/m，軌距900mm，為了最大程度地壓縮斜井同平面的占用寬度，通過模擬雙股道絞車的運行過程，將兩股道中心間距壓縮至1.5m,在滿足《單繩纏繞式礦井提升機》(GB/T 20961—2018)斜井段錯車位置安排拉開40cm距離外其余部位按礦斗間零距離布置，大大提升了斜井坡道凈斷面的利用率。

受主洞工序相互干擾及運輸?shù)南拗疲磧?nèi)灌漿作業(yè)區(qū)域制漿嚴重影響平行工序作業(yè)。灌漿工程施工全部采用集中制漿站制濃漿，經(jīng)高壓灌漿泵逐級加壓，管路輸送至作業(yè)面稀釋至設計配合比的方式進行，極大地減少了作業(yè)區(qū)域空間占有量，便利了其他工序的作業(yè)。

3.2 空間錯位時間平行

洞口及斜井腳是斜井施工的運輸瓶頸，為了減少工序間干擾、提高運輸效率、加快作業(yè)循環(huán)，采用了空間錯位、工序時間平行的全空間立體布置。洞口卸料采用倒渣區(qū)下沉、無軌運輸?shù)孛妗⒂熊夁\輸?shù)厣系目臻g立交方式；洞口采用外部混凝土無軌到溜槽接口、中段二三項料及主材門吊裝卸、洞臉位置無軌設備通道的空間錯位、工序時間平行的布置方式；斜井腳由支洞至主洞也采用前段混凝土泵送分流上下游、中段門吊裝卸二三項料及主材、后段料斗裝渣的空間錯面、工序時間平行布置方式。

3.3 空間換時間

隧洞特別是深斜井隧洞施工主要受物料運輸制約，而斜井施工主要受斜井的出渣運能限制。為了壓縮出渣時間，加快工序循環(huán)，按照洞內(nèi)設置渣倉，將掌子面的渣料在短時間內(nèi)以無軌機動靈活的運輸方式運至渣倉，再采用裝載機裝至斜井料斗，連續(xù)不間斷地運輸至洞外。通過洞內(nèi)無軌運輸速度大于斜井有軌運輸?shù)臅r間差，加快掌子面的出渣速度，在壓縮工序時間的同時保證了斜井出渣連續(xù)性，確保了運能和絞車的利用率。

4 深斜井施工中物料組織布置問題的解決對策

基于隧洞掘進進度的需要，按照空間換時間的理念設置渣倉調(diào)蓄渣料運輸。采用雙卷筒礦用《單繩纏繞式礦井提升機》(GB/T 20961—2018 )規(guī)定的運輸速度，結合運能計算結果，對深斜井的提升機設備進行選型。

4.1 洞口下沉式立交卸料系統(tǒng)布置

采用地上有軌側卸料斗卸料、地面層施工機械無軌車輛自由通行、倒渣系統(tǒng)下沉的三層互通立交運輸系統(tǒng)，確保洞口物流組織相對獨立分行，互不干擾高速快捷的運行方案，同時確保洞口文明施工整潔干凈，通過渣料臨時存儲調(diào)蓄達到渣料運輸?shù)倪B續(xù)性。具體布置見圖3。

圖3 下沉式卸料系統(tǒng)布置

4.2 洞口物料組織布置

洞口物料采用混凝土溜槽運輸；通風、高壓風、排水、高壓水、水泥漿液采用管道運輸；高壓電、動力電、照明采用電纜輸送；渣料運輸、水泵、二三項料、鋼材、半成品等采用雙股道與箕斗或平板車，結合門吊裝卸有軌運輸；設置人員采用梯步專屬通道；無軌設備采用鋼絲繩牽引進出的總布局。具體布置見圖4。

圖4 洞口物料組織布置

為了充分利用支洞寬度，達到最大運能，具體參數(shù)布置如下：橫斷面布置上，溜槽加檢修通道建議不大于1m；兩股道間距：礦斗錯車處，礦斗間距不大于0.2m，其余區(qū)段可考慮礦斗間零間距布置；人行步道寬度不大于1m；管路總寬不大于0.6m；門吊一側立柱與同側軌道間距離不小于3.7m。軸線方向上門吊距洞臉間距不大于5m；混凝土進料口在結合最佳溜槽坡度前提下，總長不應大于40m；施工通風風機進風口距洞臉不得小于30m。具體布置見圖5。

圖5 洞口物料組織布置細部圖

4.3 支洞內(nèi)布置

洞內(nèi)物料運輸組織按照集約、分區(qū)、分行、順暢的布置原則進行。按照圖6所示編號對應物料通道分別為：①混凝土運輸溜槽；②2×φ1500通風管；③照明供電電纜；④高壓供電電纜；⑤φ108高壓供水水管；⑥φ48水泥漿液輸送管；⑦φ200高壓風管(可兼做應急排水管)；⑧φ200排水管；⑨φ300排水管；物料運輸軌道；物料與人員共軌軌道；無軌設備下放通道(可臨時占用)；人行步道。

圖6 洞內(nèi)物料運輸系統(tǒng)布置

4.4 支洞與主洞三岔口物料組織布置

按照空間換時間的理念在主洞上下游分別設置渣倉調(diào)蓄渣料運輸，壓縮出渣工序時間，實現(xiàn)出渣部分時間與其他工序的平行作業(yè)；采用斜井腳設置門吊和有軌坡道實現(xiàn)出渣與其他物料運輸與裝卸的立交錯面運行，降低干擾，加快運轉速度和效率；斜井腳設置混凝土集料倉及混凝土輸送泵，實現(xiàn)上下游分流及空間錯位運輸；支洞對面設置滿足要求的洞內(nèi)沉淀池及排水泵站。具體布置如圖7所示。

圖7 支洞與主洞三岔口物料組織布置

5 結 語

當前國內(nèi)外對深斜井施工的布置和物料組織，特別是系統(tǒng)的物料運輸布置沒有成熟經(jīng)驗可以借鑒，受深斜井的約束，施工進度遲緩嚴重制約了建設項目的及時運營。通過總結國內(nèi)深斜井類似施工經(jīng)驗，并不斷探討和實踐，優(yōu)化了斜井施工工藝、提高了施工功效，為深斜井水利施工項目提供了強有力的施工技術保障。