連續性多螺旋型隧道施工開挖石渣豎井溜渣抄道運送方法

向 建，殷本林，王 峻，王再強

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

0 引 言

我國大型水電工程多處于西部高山峽谷地區，且多為高壩，樞紐上下游的水位差極大，連接樞紐上下游的交通道路越來越多采用隧道的結構布置形式，交通隧道上下游高差可達數百米，甚至上千米，其優點在于隧道不僅可通過在山體內的延綿爬升消化高差形成的陡坡，還可避免在地表修建道路對山坡坡面、植被環境造成破壞及形成地質災害，是一種對環境保護以及道路安全較為有利的道路結構布置形式。隨著水電工程開發向西部的拓展，在高山峭壁地形條件下，水電站的水位落差將更大，某些巨型工程上下游的高差甚至高達2 000 m以上[1]，相對應的連接樞紐上下游交通的道路高差也將更大，給交通道路的設計與建造帶來了進一步的挑戰。

隨著公路建設技術的發展，螺旋型展線交通隧道結構布置形式出現，這種形式的隧道可理解為“地下盤山隧道”，即在山體內隧道通過螺旋型展線的逐步上升，解決交通道路起止點的高差與距離之間的矛盾，可實現大高差起止點的平滑連接[2]。目前，國內興建的螺旋型隧道有四川的雅西高速公路的干海子隧道[3]和鐵寨子1號隧道[4]，以全程固定的2.97%的坡度，完成326.79 m的爬升；建(個)元高速公路咪的村隧道[5]左幅長3 903.62 m，右幅長4 003.62 m，隧道通過螺旋展線實現118.14 m高差的爬升；新晉高速公路[6]三層螺旋隧道橋群位于南太行山，海拔高度500～1 280 m，全長28 km，共有9個隧道，實現了780 m高差的爬升；延崇高速公路的金家莊特長螺旋隧道[7]左幅長4 228 m，右幅長4 104 m，通過螺旋展線實現了112 m高差的爬升。

螺旋型展線的交通隧道布置形式無疑對位于高山峽谷地區、河流上下游大高差水位的水電工程，提供了一種可行的樞紐上下游交通道路布置的解決方案。特別是采用連續性的多螺旋型隧道形式，可解決更大高差的道路連接問題。螺旋型展線交通隧道具有以下優點：

(1)縱坡平滑。隧道建設受到地形、地質等條件的限制，利用自然展線或長大隧道都無法克服線路控制點間的高差時，螺旋隧道能根據地質構造情況，靈活設計隧道的曲率和坡度，可消除復雜地形地貌的不良影響，在工程應用上有較強的優越性。

(2)彎道平順。螺旋隧道具有更好的線形條件和滿足線形指標的潛能，區別于一般的直線形隧道，螺旋隧道呈弧形走向，規避了盤山道路曲率小、急轉彎多，采用U形、S形、C形、V形或Z形等多種形式，解決了復雜彎道等線形不暢的問題。

(3)環境友好。由于螺旋型隧道位于山體內部，與山腰線道路相比，不僅可避免地表開挖造成的植被破環[8]，還可避免地表邊坡損傷所造成山體滑坡、泥石流等地質災害的風險。在雪山上，還可避免雪線的升高等問題[9]。

(4)運行穩定。交通隧道的運行相較于地表腰線公路還具有結構安全，不易受山體落石、滑坡、山洪、泥石流、雪崩等外界因素影響而造成的交通堵塞與癱瘓等優點。

1 連續性多螺旋型隧道施工

1.1 施工方法

在巖體內的隧道建造過程中，一般采用鉆爆法與TBM法施工。鉆爆法是采用鉆孔爆破的方式在隧道掌子面進行破巖，通過裝載機、扒渣機等設備將爆破后的石渣運送到水平運輸設備上，再由水平運輸設備將石渣運到隧道之外[10]。而TBM法施工則是采用TBM在掌子面通過刀盤刀具全斷面破巖掘進，并通過皮帶機將石渣運送至隧道之外[11]。螺旋型隧道展線是長距離連續彎曲的，目前更適合采用鉆爆法施工。雖然目前已有部分工程采用了TBM法進行彎曲隧道施工的實例[12]，但TBM法施工長距離螺旋形隧道尚在探索過程中。螺旋型隧道的施工除了面臨直線隧道施工的問題外，還存在施工測量放線通視條件差、通風排煙更加不暢等問題。

隧道施工時，掌子面開挖石渣的水平運輸通常采用不同動力的車輛運輸、皮帶機運輸、有軌車輛運輸等方式將石渣運至隧道外。而螺旋型隧道施工的石渣外運受施工布置特點的影響，運距通常會更長，成本也會更高。

1.2 隧道施工進尺與石渣運輸量的動態關系

在一般情況下，石渣的動態運輸距離與隧道的動態作業循壞進尺成正比關系，隧道開挖的長度越長，則運渣距離越遠。假定在長度為L′的區段隧道單工作面作業中，第j個開挖作業循環進尺長度為Lj，隧道的斷面面積為Sj，在該隧道段的作業循環次數為n(j=1，2，3，…，n)。在此隧道區間內，運出各作業進尺段石渣的累計運距L，可通過下式計算得出，即

L=L1+(L1+L2)+…+(L1+L2+…+Lj)+…+(L1+L2+…+Lj+Lj+1+…+Ln-1+Ln)

(1)

隧道第j個開挖作業循環進尺所運出的石渣體積

Vj=SjLj

(2)

如隧道各開挖循環進尺相等，假定其進尺長度為L0時，即Lj=L0，n=L/L0，則

L=L0(1+2+……+n)=L0(1+n)n/2=0.5L(1+L/L0)

(3)

在分析運輸成本時，通常可采用運輸的“噸·公里”與其“耗費單價”的概念做成本分析。假定石渣單位體積的質量為ρ，若隧道斷面面積為常數S0，即Sj=S0時，在長度為L的隧道區段內，其石渣運輸的“噸·公里”用M表示，則

M=ρVjL

(4)

即

M=(ρS0L0)L=(ρS0L0)[0.5L(1+L/L0)]=0.5ρS0L0L(1+L/L0)

(5)

2 連續性多螺旋型隧道石渣運輸豎井溜渣抄道法

在螺旋型隧道的施工中，由于在地表布置交通道路與施工便道不可避免地對地質及生態環境產生擾動，造成對山體、植被、雪線等破壞，且難以恢復。為了發揮螺旋型隧道可避免地表盤山路開挖山體表面邊坡的優點，在施工時宜盡量減少或避免在地表設置施工支洞及相應的地表施工通道，然而卻會帶來隧道開挖作業面較少，開挖出渣運距遠，施工工期長等問題。本文提出的螺旋隧道施工新方法是，采用在螺旋型隧道施工過程中的適當時間及適當空間設置溜渣豎井[13]，并利用豎井溜渣的方式實現縮短出渣運距，達到縮短施工時間、減小工序干擾、降低施工成本的目的。

2.1 溜渣豎井的布置與豎井的溜渣方式

由于螺旋型隧道展線為立體曲線，上下隧道存有設計高差，在其展線水平投影的交匯處設置溜渣豎井，可將高層隧道內的施工開挖石渣通過豎井溜至低層隧道。這種抄近道的方式，可減少螺旋型隧道展線中閉環曲線段的運輸距離，同時也可騰出其他工序的作業空間，減少隧道石渣運輸與其他工序的干擾。連續型的螺旋隧道則依照以上原則連續布置多個溜渣豎井，可相應縮短多段水平運距，騰出多段非運輸工序的并行作業空間，從而縮短工程整體工期。需要強調的是，設置溜渣豎井位置應遵循在隧道展線水平投影交匯點附近布置的原則，由此豎井才可短距離穿透與貫通上下層隧道，成為該區間石渣運輸的最短通道。

連續型螺旋隧道施工中，在設置溜渣豎井的情況下，由原來的從掌子面采用車輛將石渣直接運送到洞口外的過程，改變為以下作業過程：①在掌子面，采用裝載機將爆破形成的洞渣裝至運輸車輛上；②運輸車輛將石渣經隧道非閉合段運至豎井井口；③車輛將石渣從豎井口卸渣，石渣經過豎井溜渣至豎井井底的下層隧道，此過程即是抄近道的過程，省去了隧道閉環型弧線長度的運輸距離；④裝載機在豎井井底將洞渣裝至車輛；⑤車輛將石渣運至再下一層的豎井洞口卸渣，如此循環直至運出隧道外。

連續螺旋型隧道平面展線、立體展線分別見圖1。圖1中，連續螺旋型隧道展線形成n個立體交叉點，展線在第i處立體交叉的水平投影交叉點，從立體上看為上下2個點，Di表示第i號豎井在低高程隧道的交叉點，Ui表示第i號豎井在高高程隧道的交叉點，i為交叉點的序號，為1，2，3，…，n。

圖1 連續螺旋型隧道示意

用直線連接點Di與點Ui，則該直線即為所設置溜渣豎井的軸線，其直線線段長度則為豎井深度，可用Hi表示，其值為隧道縱坡坡度與長度的乘積。

螺旋型隧道展線中閉環曲線長度越長，則縮短的車輛運輸距離越長。因此，在設計布置隧道展線時，宜盡可能減少非閉環路徑的長度。交通道路的縱坡通常小于4%，如果某溜渣豎井的深度為100 m，且假定道路縱坡為連續坡度，則螺旋型隧道展線中閉環曲線長度至少為2.5 km，通過多段豎井溜渣所縮短車輛運輸的總運距則更長。

2.2 溜渣豎井施工

在水電站工程引水發電系統的豎井與斜井施工中，通常采用反井鉆機施工技術，即在上平洞內安設反井鉆機，先鉆導孔至下平洞，再利用導孔將鉆桿從上平洞的孔口伸至下平洞，在導孔孔底安裝擴挖鉆頭后，自下而上擴挖成溜渣井；而后采用鉆爆法自上而下將豎井擴挖至設計斷面，鉆爆出的石渣通過溜渣井溜至下平洞；再在下平洞隧洞將開挖石渣運出[14]。為了避免堵井，也有在反井鉆機反擴成溜渣井后，再用人工爆破擴大溜渣井的斷面面積。此方法避免了正井法開挖施工中繁雜低效的垂直起吊石渣過程，提高了豎井施工的開挖效率[15]。目前，國內豎井或陡斜井采用反井鉆機進行施工，每延米豎井綜合施工效率可達1.5～2.5 m/d，具有工期短、施工效率高、對周邊環境影響小等優點。在具體施工過程中，需要根據不同的地質情況、鉆孔直徑、爆破參數等因素進行合理的施工方案設計和實施，同時需注意安全措施的落實。

需要說明的是，在水電工程引水發電洞的豎井施工中，其直徑為引水發電洞的設計直徑；而螺旋型隧道施工所設置的溜渣豎井，其直徑需根據施工時采用的車輛的卸渣流量、石渣塊徑大小、石渣對井壁沖擊力以及對工作空間要求等因素而確定。溜渣豎井深度則取決于隧道展線的閉環長度、隧道道路縱坡坡度等因素。

螺旋型交通隧道施工的溜渣豎井，施工方法與上述方法相同，但工序則穿插于施工過程中，隧道施工與溜渣豎井施工是相互交融、互為前提的關系。

2.3 隧道施工出渣與豎井溜渣的工序關系

由于溜渣豎井是服務于螺旋型隧道開挖施工的，豎井長度雖相對隧道較短，但其施工則受到隧道施工進程的約束。形成溜渣豎井施工的條件是在螺旋型隧道開挖至展線形成閉環后方可進行豎井的施工；而溜渣豎井施工完成后才可進行溜渣，從而實現石渣運輸抄近道縮短運距。在施工中豎井越早形成，對隧道開挖石渣運輸的作用越大。工序間銜接的緊密程度直接影響縮短運距的長短與經濟效益的大小極其重要。根據圖1，連續螺旋型與溜渣豎井的施工主要工序關系為：

(1)開挖從點Ai-1至點Di隧道段，即將隧道開挖至第i號溜渣豎井底部，此段隧道展線為非閉合曲線。

(2)開挖從點Di至點Ui隧道段，即將隧道開挖至第i號溜渣豎井頂部，此段隧道展線為閉合環線。

(3)開挖從點Ui至點Ai隧道段，同時段施工第i號豎井，點Ai的位置決定于第i號豎井施工完畢時的時點。點Ai的以后的隧道洞挖石渣可通過第i號豎井溜渣，實現抄近道縮短運距。

(4)在連續螺旋形隧道的施工中，根據以上所述，從點Ai的到點Ai+1隧道段的施工與上所述工序關系相同，后續工序亦與此同理。

連續性螺旋型隧道施工采用豎井溜渣法施工時，盡管通過抄近道縮短了石渣運輸的運距，節省了運輸成本，然而卻增加了豎井的建造成本及渣料二次裝運成本。只有在縮短運距的效益大于上述成本時，才具有技術經濟價值。

2.4 石渣運距與豎井施工的動態關系

連續性螺旋型隧道開挖石渣的運輸過程中，已開挖出的隧道實際上就是后續隧道開挖的運渣通道，在設置溜渣豎井進行溜渣抄近道的情況下，運輸車輛可不經過螺旋型閉環曲線段的隧道，以每個閉環曲線段的隧道為單元，可將整個隧道劃分成n個單元區段。第i段的長度，即點Ai-1到點Ai的距離為Li；n個閉環的連續性螺旋型隧道的總長為L0，即點A0到An的距離，則

L0=L1+L2+L3+…+Li+…+Ln

(6)

需要特別指出的是，在各個豎井未施工完成前，尚未形成溜渣的條件，該段隧道開挖石渣的運輸距離無法通過豎井溜渣的方式縮短，如圖1所示的點Ai-1到點Ai段的隧道，其開挖的石渣無法通過第i號豎井溜渣抄近道縮短運距，該運距可表示為Li，此段隧道根據作業方式及形態可分為以下3段：

(1)第一段為初始段。隧道從起始點施工到i號豎井的底部坐標點的距離，即圖中點Ai-1到點Di的距離，將此距離表示為Li1。

(2)第二段為環形段，隧道從i號豎井的底部坐標點到對應的豎井頂部坐標點的距離，其隧道展線為水平投影交叉的環線，即圖中點Di到Ui的環線距離，其長度為Li2，第i號豎井并不能形成第i段隧道開挖石渣的溜渣條件，只能為此后隧道的隧道開挖的洞渣提供溜渣抄道的條件，即i號豎井只能為第i+1段至第n段提供溜渣條件。

(3)第三段為完成段。隧道從i號豎井的頂部坐標點到隧道開挖繼續進行到特定點的距離，該特定點根據隧道施工時間與豎井施工時間相同的隧道進尺而定，即點Ui到Ai的距離，其長度為Li3。

從圖1可知，隧道的第i段長度Li=Li1+Li2+Li3。而通過第i號豎井的石渣省去的運距則為第i段閉合曲線的長度Li2。螺旋隧道道路縱坡坡度可用α表示，假定螺旋隧道的閉環弧線段道路的縱坡坡度α為定值。螺旋隧道閉環弧線段長度Li2，豎井深Hi，縱坡坡度α的關系可表達為α=Hi/Li2，則采用豎井溜渣施工方法所減少的水平運輸總距離Li2=Hi/α，隧道開挖石渣可通過第i號豎井的方量Vi=S0(L0-L1-L2-…-Li)。通過第i號豎井溜渣所節省運輸石渣的噸公里數為

Mi=ρViLi2

(7)

在具有n個閉環曲線的連續螺旋型隧道施工中，通過n個豎井溜渣所節省運輸石渣的總噸公里數為

M=ρS0L12(L0-L1)+ρS0L22(L0-L1-L2)+…+ρS0L2(L0-L1-L2-…-Li)+…-ρS0Ln2(L0-L1-L2-…-Li-…-Ln)

(8)

也可表達為

M=ρS0(H1/α)(L0-L1)+ρS0(H2/α)(L0-L1-L2)+…+ρS0(Hi/α)(L0-L1-L2-…-Li)+…-ρS0(Hi/α)(L0-L1-L2-…-Li-…-Ln)

(9)

2.5 石渣運輸的成本計算

為計算方便，假設隧道單位方量開挖石渣的運費為C1元/(t·km)；單位深度豎井施工的成本為C2元/m；Hi為第i號豎井的深度；L0為隧道總長度；L為減少的運距；Vi為隧道施工第i段進尺的石渣方量；Si為隧道施工第i段的斷面面積；M為石渣運輸的累計噸公里數；P1為減少運距的成本；P2為建造豎井增加的成本；P為運距減少與額外增加的施工成本之差。連續性螺旋隧道施工的n個溜渣豎井累計深度為H。計算公式如下

H=H1+H2+…+Hi+…+Hn

(10)

P=P1-P2

(11)

P1=C1M；P2=C2H

(12)

P=C1M-C2(H1+H2+…+Hi+…+Hn)

(13)

當P=0時，為成本平衡點，但因在環形段不進行運渣作業，騰出的隧道環形段的作業空間，可進行諸如隧道襯砌等其他工序的施工，可加快隧道整體施工的速度，豎井溜渣方案仍具有意義。

3 結 語

螺旋型隧道是解決山區大高差水電工程樞紐聯系上下游交通的較好方案，具有不損傷地表邊坡巖體及破環植被，保護生態環境等明顯優勢，連續性螺旋型隧道可解決更大高差的連接工程樞紐上下游交通的問題。

在螺旋型隧道環形展線水平投影交叉點布置豎井溜渣方法，可實現石渣的抄道運輸，縮短施工出渣的運距。同時，可騰出環形段隧道作業面，減少石渣運輸與其他作業的工序干擾，合理穿插進行開挖后續工序作業，加快隧道的施工速度，技術經濟效益更加明顯。溜渣豎井的施工是與螺旋型隧道施工相隨相伴的，其工序的動態銜接程度關系到運渣成本。

螺旋型隧道豎井溜渣法的實施，需增加建造豎井的額外成本投入，通過本文所列計算公式可分析節省的運輸成本與溜渣豎井建造成本的臨界平衡點。隧道環形閉合部分的展線越長，節省的運輸成本越多。在隧道展線的設計布置中，宜盡量減少非閉環路徑的長度，增加閉環路徑。布置豎井對于螺旋線隧洞的延伸功能也具有顯著的作用，如施工臨時設施(風水電)、皮帶機系統等，可有效節約相關成本投入。