东山供水工程施工支洞施工方案比选

许志超

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概况

东山供水工程作为山西省一项跨流域引调水工程，实现了黄河流域和海河流域连通调度，补充了晋中地区工农业用水。东山供水工程共有隧洞14条，总长度为69.36 km，其中9号隧洞全长22 640 m。9号隧洞进口段采用钻爆法施工，中间岩石段采用TBM施工，出口采用钻爆法施工。

2 施工方案说明

9号隧洞原设计布置施工支洞5条，其中9-1号施工支洞采用斜井式施工，总长101.71 m，平洞段25 m、斜洞段71.71 m、明洞段5 m，设计坡度为24°。在实施阶段，考虑该处地形复杂，地层存在砂层不好成洞，洞口位置需调整且征地困难等原因，有必要将9-1号施工支洞的设计开挖方式进一步优化，增加竖井施工形式。拟开挖竖井的井筒采用圆形，喷护成型后净断面直径为8.0 m，竖井深度为42.7 m。斜井、竖井剖面见图 1、图 2。

图1 斜井剖面示意图

3 方案比较

从施工工期、出渣效率、混凝土浇筑、施工安全、投资五个方面，对斜井和竖井两种开挖方式进行比较，确定最优施工方案。

图2 竖井剖面示意图

3.1 施工工期比较

9-1号施工支洞原设计倾角为24°，已达到施工作业机械的施工条件上限，综合相关工程施工作业经验进度及工作面限制，综合日进尺1 m/d。9-1号支洞长度斜长为106.1 m，预计用时107 d。

竖井设计开挖断面面积为58.1 m2，考虑局部超挖等影响因素，按60 m2进行施工强度计算，每天计划进尺1.2 m，采用斗容0.3 m3的小型挖掘机进行开挖，局部采用人工开挖以减少超挖。竖井支护工程量为7.7 m3，采用5 m3/h喷射机施工，根据以往施工经验，有效生产能力为3.6 m3/h，2.5 h可以完成施工任务；土钉27根，每根长度为2.5 m，每根土钉安装时间为10 min，共计需要 270 min，需 4.5 h；挂网需用时 1 h；钢支撑每榀间距0.8 m，安装用时3 h；超前锚杆有效控制长度为2.4 m，每2个循环进行一次施工，采用直径76 mm热轧无缝钢管，长度为3 m，需时15 min，共54根，分摊至两个循环，每个循环计时7 h；即两个作业班可以完成施工任务，可以达到进尺1.2 m/d的进度目标。竖井深度为42.7 m，计划40 d完成；主支交叉段25 m，计划用时35 d完成，共计用时75 d就可满足主洞施工。

3.2 出渣效率比较

3.2.1 斜井方案

由于9-1号支洞及主洞控制区为土洞和Ⅴ类围岩；土洞开挖拟采用ZWY 120履带挖掘扒渣机进行施工，鉴于土洞施工的特殊性及隧洞空间结构尺寸的限制，隧洞出渣存在一定的间歇性，提升机械对出渣效率的影响较小，在此仅对石方洞段运输进行强度校核。

（1）日最大提升量：Vmax=断面面积×计划进尺×松散系数，经计算Vmax=43.5 m3。

（2）一次提升时间：由于斜井长度较短，出渣对卷扬机的提升速度要求较低，加之采用快速卷扬机提升的安全风险较大，提升速度可选20 m/min，同时考虑提升起动时间、停车前后加减速和卸车的影响，提升循环时间为15 min。

（3）提升容器大小Vc按以下公式计算：

式中：Vc——提升容器的容量，m3；

C——提升不均匀系数，取1.2；

V——要求的小时出渣量，m3；

Φ——容器充盈系数，取0.9；

n2——每小时提升次数；

取每日提升时间为4 h，经计算：Vc=3.625 m3。考虑到隧洞断面尺寸及洞内通风、水、电布置情况，选定MCC 4.0侧卸式矿车负责斜井运输能够满足施工要求。

通过上述计算可得，配备4 m3矿车，在计划出渣时间4 h内可以将渣运出洞外。

3.2.2 竖井方案

采用MG（L）20型龙门吊进行出渣，跨度19 m，最大提升高度137 m，提升速度为7.1 m/min。竖井方案深度为42.7 m，提升按45.7 m考虑，综合提升起动时间、停车前后加减速和卸车影响，提升循环时间为13 min。

提升容器大小计算同斜井计算公式，每日提升时间为4 h，充盈系数取0.95。经计算：Vc=2.976 m3，即在日提升时间相同条件下，用较小斗容就能满足出渣要求。由于竖井断面尺寸较大，可以选用较大的提升卸料容器，缩短出渣时间，保障工程进度。

通过上述比较，竖井提升卸料时间较斜井运输短，提升容器选择范围广，进度保障性相对较好。

3.3 混凝土浇筑方案

3.3.1 斜井方案

支洞施工时，在井口设置混凝土泵车，通过在输送线路上设置弯管段，保障斜面混凝土正常泵送；主洞施工时，在主洞与支洞交叉部位设置溜管竖井，由溜管输送至主洞混凝土运输设备。

采用洞口进料坡面泵送混凝土，避免了重型混凝土运输机械进洞，降低了安全风险，提高了施工效率。但是输送混凝土管容易堵塞，清理比较困难；溜管安装困难，不便检修；由卷扬机坡面下放泵车等混凝土施工机械进入主洞，操作相对困难。

3.3.2 竖井方案

混凝土拌合料可以通过设置于井壁上的溜管，直接输送至相应仓位或主洞混凝土运输设备。

混凝土输送简便快捷，输送质量有保障，输送效率高；可以避免重型混凝土运输机械进洞，避免安全风险，施工效率高；输送过程中混凝土堵塞管路风险小；施工机械通过龙门吊容易吊放进入主洞。但是混凝土输送管路与其他辅助系统安装在同一井筒内，对安装加固的要求较高。

3.4 施工安全

3.4.1 斜井方案

斜井出渣采用履带扒渣机开挖，直接装矿用三轮车，将渣料运至主洞与支洞交叉部位，然后卸料至矿车，由卷扬机牵引矿车至洞口，再由装载机装自卸汽车运至弃渣场。

利用斜井出渣能及时发现隐患，在坡面上方便采取有效处理措施；同时便于通风、水、电系统安装，布设固定和人员的操作。如果发生突发事件，便于施工人员逃生。

斜井角度为24°，轨道铺设应专门设置轨道防滑设施，轨道铺设完成后，需派专人维护，对施工运输影响大。洞底在主洞与支洞交叉部位，若设置矿车停放区，斜井与平洞交叉区顺接长度加长，增加费用影响运输效率。

受隧洞断面空间尺寸限制，作业人员通行空间小，安全隐患大。加之24°斜坡，施工机械功效降低，不利于施工机械性能的发挥，不利于施工所需材料的运输。隧洞若发生涌水，开挖未支护洞段采取应急措施的机动性差，施工影响钳制因素大。

3.4.2 竖井方案

竖井出渣采用履带扒渣机开挖，直接装矿用三轮车，三轮车运至竖井底部的渣斗内，然后由竖井龙门吊运至洞顶，由装载机装自卸汽车运至弃渣场。

竖井内工作空间尺寸大，提升过程中便于观察周围环境，安全隐患小；可设置垂直电梯，能有效解决人员上下交通问题；也方便了施工材料的运输。施工中抵御不良地质段的可靠性好，若发生涌水或局部坍塌，可及时采取加固措施和堵塞滤水排水措施。井底设置渣斗井，渣斗井周围可以预留一定的空间满足施工通行要求，提高施工人员安全性。

竖井涉及到的施工设备和装备较多，成本较高，对技术管理水平要求较高；不利于设备，水管、风管及相关辅助设备设施的固定操作。若发生机械故障，不便处理；若发生突发事件，逃生通道在一定程度上受到限制。

3.5 投资比较

按东山供水工程初设批复单价测算，斜井方案直接工程费用123.7万元，竖井方案直接工程费用158.1万元。竖井方案直接费用略比斜井高，但是竖井运行效率高，单方出渣费用较低，能有效缩短工期，保证工程进度。

4 结论

东山供水工程施工支洞施工通过方案比较，确定支洞的开挖形式为竖井，该方案在施工中得以成功应用，提前32 d完成支洞的施工，为9号隧洞的顺利贯通及实现工程供水目标打下了良好的基础。施工方案的选择及比较可作为类似工程的参考。