引洮二期工程隧洞出碴方案比选

王 军

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，兰州 730030）

引洮二期工程隧洞出碴方案比选

王 军

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，兰州 730030）

出碴方案是影响长距离工程隧洞掘进效率的重要因素，结合引洮二期隧洞工程地质、施工条件，分析了隧洞出碴方式的影响因素，提出了不同出碴方案，并从经济性、环保性、出碴效率等方面进行对比分析。结果：引洮二期隧洞施工推荐采用无轨方式为主、有轨方式为辅的出碴方案。

引洮二期工程；隧洞；出碴方案；支洞布置

随着我国水利建设的不断发展，引水隧洞、海底隧道、高速公路等项目中需要建设大批量不同断面、不同类型的长距离隧洞[1]。目前，隧洞掘进中一般采取TBM掘进技术，该技术集合了挖掘、支护、出碴、通风等施工过程[2-3]。研究表明：出碴方案制约了掘进效率，对于长距离隧道施工时，一般可采用无轨运输方式和有轨运输方式[4]。引洮二期供水工程共有供水管线18条，总长度为174.18 km，设计流量0.05～2.90 m3/s。受地形地貌限制，引水线路纵向建筑物以隧洞为主，隧洞长度占线路总长度的64.82%。引洮二期工程隧洞施工方案较复杂，以该工程为例，对不同出碴方案进行研究，希望能为类似工程施工设计提供参考。

1 施工条件分析

甘肃省引洮供水工程水源取自卓尼县境内的九甸峡水库，该工程覆盖灌溉面积48万亩，设计流量为32.0 m3/s，最大引水流量为36.0 m3/s，年引水总量可达5.5亿m3。二期工程供水范围涉及安定、陇西等8县，设计流量为20.0 m3/s，年引水总量为3.13亿m3，覆盖灌溉面积29万亩，属于大（2）型水利工程，供水渠线总长度为569.3 km。总干渠长度为95.09 km，设计流量7.0～20.0 m3/s；干渠共6条，总长度为254.72 km，设计流量0.95～5.0 m3/s；分干渠有2条，长度为45.25 km，设计流量0.9～1.35 m3/s。

目前，大部分隧洞洞口处于无水、无电、无路状况。部分支洞口位于海拔较高的山梁之上，施工道路维修、维护工程量较大。长隧洞数量多、洞渠比较大且隧洞断面较小，施工通风、出碴难度较大。为保障施工人员安全，需要布置施工辅助支洞，仅总干渠3座特长隧洞（16#、22#洞和34#洞）就需要布置辅助支洞15座，总长度6.09 km，临建费用较高。此外，各洞段浅埋沟道狭窄，沟谷切割较深，支洞口施工场地狭小，施工困难。支洞洞身地质条件较差，绝大部分为Ⅳ～Ⅴ类软岩地段，成洞条件较差，衬砌工程量较大。由于支洞平均长度为406 m，通风较差，采用传统出渣方案进行施工时出碴效率较低。

针对高海拔小断面、特小断面长隧洞的施工作业及工期要求，结合地质及洞线布置成果需要增设部分施工支洞。在施工支洞的选择和规划布置方面基本遵循如下原则：

（1）采用钻爆法施工时，长度在3 km以上或确有特殊需要的隧洞须设置施工支洞。每个掌子面距支洞口的最大距离应小于2 km内；

（2）支洞线宜短，优先考虑洞线地质条件应好、洞脸岩体稳定的平洞，不宜选用竖井做施工支洞，洞口附近应有足够的临时设施和碴场布置场地并满足防洪要求；

（3）支洞高差不宜超过100 m，优先考虑向洞外下坡。平支洞纵坡与坡长限制：有轨小于2%，无轨大于9%、坡长小于150 m；斜井支洞倾角串车提升时小于25°，传送带输送提升应小于15°，井身纵断面不应该存在变坡和转弯；

（4）支洞布置时，平洞与主洞的轴线交角须大于45°，当隧洞断面较小时，支洞轴线应当向主洞开挖工作面倾斜，交叉口水平段长度应大于20 m；竖井支洞布设与主洞净间距为15～20 m。

2 隧洞出碴方式

通常的出碴方式有无轨运输、有轨运输两种，少数采用胶带出碴。施工时应根据隧洞的长度、开挖方法、机具设备、运输量大小、施工进度等确定合理的出碴方案。

2.1 隧洞无轨出碴技术

无轨出碴技术一般适用于较大断面，隧洞高度和宽度应在4.5 m以上，其施工流程见图1。随着低矮窄体电动运输车、拔抓装载机、全液压凿岩台车的发展和应用，无轨出碴技术得到了迅速发展。对于小断面隧洞出碴量少，隧洞强度低，常采用无轨出碴方式。无轨运输设备比较灵活，通用性大，设备利用率高。

当采用无轨运输方式时，隧洞本身作为交通运输通道，隧洞断面设计参照《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）。建筑界限内不得有任何部件侵入；隧道建筑限界基本宽度应符合如下规定：当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设检修道或人行道时，应设不小于25 cm的余宽[5]。隧道内路边沟宽度应小于侧向宽度，并布置于车道两侧。洞内施工期交通运输设计速度小于20 km/h，侧向宽度应不小于25 cm，余宽取25 cm。

2.2 隧洞有轨出碴技术

当洞口距开挖工作面长度大于2 km时，有轨出碴方式较经济，有轨出碴技术示意图见图2。短距离有轨出碴多采用蓄电池式电机车，无废气污染，适应强，较经济，但受电池电量影响；当运输长度大于8 km时，使用内燃机车比较合适；胶带输送机主要在运输量大，在运输距离较长和使用期较长的情况下采用，胶带输送机斜坡运输时最大倾角一般不宜超过16。

图1 无轨出碴施工流程

图2 有轨运输出碴示意图

3 隧洞出碴方案比选

目前，长隧洞施工出碴方案一般采用有轨出碴技术，而短距离隧洞施工无轨出碴方案一次性投资远小于有轨出碴方案，宜采用无轨出碴方案。现从运输能力、施工安全、施工环境等方面对比两种出碴方案的优缺点（见表1）。

表1 两种出碴方案对比

引洮二期总干渠共有7座隧洞布置有施工临时支洞20条，其中16#隧洞7#施工平洞与11#永久下渠通道相结合；干（分干）渠共有17座隧洞布置，设有施工临时支洞21条；供水管线共有3座隧洞布置，设有施工临时支洞4条。根据上述支洞布置原则，经计算得出整个工程施工支洞的控制主洞长度，其中总干渠施工辅助支洞布置情况见表2。

由表2可知，总干渠的支洞数量为20个。故总干渠相应隧洞工程单工作面平均控制主洞的长度为1 267 m，相应的洞内出碴距离为633.5 m。经过分析总干渠、干（分干）渠和供水管线相应隧洞工程单工作面平均控制主洞长度分别约1.3、0.9、0.6 km相应洞内出碴运距均小于1 km。综合井巷专用全液压凿岩台车、轮式或履带式拔碴机和电动运输车的应用，确定本工程隧洞出碴采用无轨开挖方式为主的出碴方案。受地形条件、工程布置和工期制约，部分长隧洞需设施工斜井辅助施工，由施工斜井控制的洞段受坡度限制多采用有轨出碴方式。

表2 引洮二期总干渠施工辅助支洞布置情况

4 引洮二期隧洞出碴方案

4.1 总干渠平洞无轨出碴洞段

主洞土洞段采用人工手持风镐、风铲开挖；主洞岩洞段由人工手持风钻钻孔、人工配合机械装药进行光面爆破。碴料由轮胎刮板式挖斗装载机LWT-80（ZWY-80/18T）装3 t地下矿用自卸汽车经洞内、洞外运输至弃碴场。

4.2 总干渠平洞、施工斜井联合有轨出碴

主洞由CGT500.3轨轮式凿岩台车钻孔、人工配合机械装药进行光面爆破，碴料由ZLZY—80/45G立爪装岩机装S4/SB4小型4 m3梭式矿车由8 t电瓶机车牵引有轨运输至主、支洞交叉处，再经75 kW双筒绞车斜井内提升至井口，洞外运至弃碴场。

4.3 分干渠平洞无轨出碴

主洞土洞段采用人工手持风镐、风铲开挖；主洞岩洞段采用气腿式风钻或人工手持风钻钻孔、人工配合机械装药爆破。碴料由ZLD-20型履带式电动装岩机装1～2 t微型矿用电动运输车至弃碴场。

4.4 分干渠平洞有轨出碴

主洞采用人工手持风钻或支腿凿岩机钻孔、人工配合机械装药进行爆破，碴料由矿用轨移式电动WZG—60型扒碴机装1.1～1.6 m3矿车由5～8 t电瓶机车牵引有轨运输至弃碴场。

4.5 分干渠平洞、施工斜井联合有轨出碴

主洞采用人工手持风钻或支腿凿岩机钻孔、人工配合机械装药进行爆破，碴料由矿用轨移式电动WZG—60型扒碴机装1.1～1.6 m3矿车由5～8 t电瓶机车牵引主洞内有轨运输先至主、支洞交叉口，后经75 kW双筒绞车斜井内平均提升至井口，洞外再运到弃碴场。

5 结语

通过以上分析比较，引洮二期隧洞出碴推荐采用无轨方式为主、有轨方式为辅的出碴方案。总干渠及支洞无轨运输设备选用轮胎刮板式挖斗装载机装碴、车辆选用3 t低矮型地下矿用自卸汽车运输出碴；干渠及管线选用履带式电动装岩机装碴、1～2 t矿用电动运输车运输出碴；有轨运输设备选用斗车或梭车矿车辆编组，电瓶车牵引出碴。希望为今后其他隧洞工程出碴施工设计提供技术指导。

[1] 肖东旭，何辉建.小断面长距离引水隧洞施工技术应用分析[J].水利科技与经济，2015，（1）:104-105.

[2] 吴世勇，周济芳，陈炳瑞，等.锦屏二级水电站引水隧洞TBM开挖方案对岩爆风险影响研究[J].岩石力学与工程学报，2015（4）:728-734.

[3] 林长杰，李光波，苑晓倩.特长隧洞TBM施工组织管理技术的研究与实践[J].水利建设与管理，2011（S1）:61-65.

[4] 卢祖贵.田地水电站利用出碴支洞技改扩容的探讨[J].小水电，2010（4）:39-40.

[5] 胡莉萍.隧洞开挖与混凝土衬砌交叉作业施工方法[J].水电与新能源，2013（2）:15-16.

（责任编辑：周 群）

Comparison and selection of tunnel mucking schemes for Yinzhao 2ndstage Project

WANG Jun

（Water Resources and Hydropower Investigation and Design Institute of Gansu Province,Lanzhou 730030,China）

Mucking scheme is an important factor affecting the boring efficiency of long tunnel.Taking Yinzhao 2nd-stage Project with tunnel construction as example,the author analyzed the factors affecting the mucking modes combined with the geological and construction conditions;put forward several mucking schemes;and compared these schemes in respects of cost,environmental protection and mucking efficiency before the tunnel mucking scheme was recommended with trackless transport as main method and rail transport as auxiliary one.

Yinzhao 2nd-stage Project;tunnel;mucking scheme;arrangement of branch tunnel

U455.92 [

]B [

]1003-1510（2016）02-0064-03

2015-12-21

2016-01-08

王 军（1987-），男，甘肃兰州人，甘肃省水利水电勘测设计研究院助理工程师，学士，主要从事水利工程施工设计工作。