深埋长隧洞斜井混凝土运输方案研究

姚 勇 强，莫 文，梁 仁 强，凌 旋

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

目前国内大量的水利工程、交通工程、铁路工程中有大量的深埋长隧洞[1-3]，受条件限制，大量采用斜井作为施工通道。为保证工程施工进度、施工质量及施工安全，有必要对斜井中混凝土运输方式进行研究。深埋长隧洞在只能布置斜井的情况下，混凝土运输一般采用溜槽、混凝土泵送、有轨提升车和打垂直投料孔等方式[4-5]。本文将以滇中引水工程中最长的香炉山隧洞为例，根据实际情况对斜井混凝土运输方式进行研究和探讨。

1 工程概况

滇中引水是解决云南滇中地区严重缺水的特大型跨流域调水工程，是云南省可持续发展的战略性基础工程，滇中引水工程的输水工程总长约664.236 km。香炉山隧洞长62.596 km，是滇中引水工程中最长的深埋隧洞，采用TBM法与钻爆法相结合的开挖方案，全断面需进行二次衬砌。开挖与衬砌平行作业，衬砌工程量大，施工强度要求高。香炉山隧洞混凝土衬砌运输通道为进出口及施工支洞，其中香炉山隧洞1-1，2，3，3-1，4，5号施工支洞为斜井(见表1)，斜井倾角为14.3°～27.0°，香炉山隧洞约一半的混凝土需通过斜井运输。

表1 香炉山隧洞斜井施工支洞工程特性Tab.1 Characteristics of construction adit of inclined shaft in Xianglushan tunnel

与滇中引水工程类似，同在云南省的牛栏江-滇池补水工程大部分也为隧洞，共设有30条施工支洞，其中22条为斜井，斜井倾角21°～24°，高差46～240 m。设计阶段均采用提升机运输混凝土。工程开工后部分标段因开挖进度滞后，留给混凝土浇筑的工期减少，为抢工期，混凝土浇筑强度加大，提升机难以满足强度要求，实施中改用溜槽配合垂直投料孔。

为保证工程施工进度，减少后期变更，有必要针对滇中引水控制性工程——香炉山隧洞的混凝土在斜井中的输送方式进行研究。

2 斜井混凝土运输多方案比较研究

深埋隧洞在只能布置斜井的情况下，混凝土运输一般采用溜槽、混凝土泵送、有轨提升车和打垂直投料孔4种方式。4种方式的优缺点如下：① 有轨提升车运输混凝土可以采用搅拌罐运输，运输中对混凝土质量最有保障；主要缺点是运输速度较慢，需要占用开挖出渣用的提升机，运输成本较高。② 混凝土泵送的优点是混凝土输送强度有保障，混凝土质量较有保障；主要缺点是向下输送时容易堵管，需合理布设管路，长距离输送(约860～1 430 m)需采用多台混凝土泵接力。③ 溜槽输送混凝土的优点主要是输送连续性好，费用较低；主要缺点是混凝土骨料容易分离，混凝土质量保障难度稍大，坡度较缓时可能溜不动。④ 布置垂直投料孔的优点是混凝土运输速度快，并可缩短混凝土运距；主要缺点是首先需有合适的地形条件并进行钻孔，其次是高差太大的投料孔缓降措施设置困难，国内高差大于150 m的投料孔成功经验较少[6-7]。

香炉山隧洞斜井高差均在300 m以上，最深的达494 m，设投料孔方案明显难度过大，因此主要考虑采用有轨提升车、溜槽、混凝土泵送方案通过斜井运输混凝土。

2.1 斜井提升机方案

2.1.1方案研究

采用提升机需重点考虑的问题是按所需的混凝土浇筑强度设计提升机的提升能力和运行速度，定制合适的混凝土运输罐，并选用到井底后与主洞水平运输方式恰当的衔接方案。

按规范规定并结合常见提升机实例，一般提升机单罐运输混凝土6 m3，千米长的斜井提升机单趟运输时间18～20 min；对于千米长的斜井，单台提升机能满足18 m3/h的浇筑强度。一般施工支洞受尺寸限制，最多只能布置2线提升机，对于因施工进度要求需要混凝土浇筑高峰强度大于36 m3/h的隧洞，提升机方案不能满足进度要求。

2.1.2工程实例

斜井提升机运输混凝土一般根据需要的混凝土量运输强度配置混凝土罐，并可定制带有搅拌功能的混凝土罐，以保证混凝土长途运输的质量。例如东北某引水隧洞支洞长1 160.86 m[6]，坡度25.19%，成洞尺寸为5.5 m×5.5 m(宽×高)，主洞衬砌混凝土运输采用轨道提升机；支洞按照4轨双线布置，轨道间距90 cm，提升机及轨道车主要参数如下。

(1) 矿井提升机。支洞外设置两套JK-2.5×2.2型矿井提升机，该设备功率400 kW；卷筒直径2.5 m；卷筒宽度2.2 m；钢丝绳直径31 mm；最大静张力90 kN；最大牵引力250 kN。

(2) 轨道混凝土罐车。定制轨道式混凝土罐车自重4 t，容积9 m3，有效容积6 m3，罐体与行走轮间用链条连接，下行时依靠自重带动罐体转动，保证混凝土的工作性不受影响。卸料时，在主支洞交叉口处外接电源驱动罐车上已安装的电机带动罐体旋转卸料。

(3) 运行参数。矿井提升机下放运输罐车速度控制在2.5 m/s，提升速度控制在3.5 m/s。

2.2 溜槽方案

2.2.1方案研究

采用溜槽输送混凝土在斜井角度大于20°的情况下有较多成功案例，而角度小于20°的实施经验较少。采用溜槽输送混凝土需重点考虑的问题主要有：① 合理设计溜槽断面；② 选择合适的溜槽材料，必要时可选用搪瓷面溜槽以降低溜槽阻力；③ 优化混凝土配比，增加混凝土的流动性，必要时采用小级配混凝土。

缓坡溜槽能否实施需要通过试验确定，除改善溜槽表面光滑度外，主要措施是优化混凝土配比增加混凝土流动性和混凝土的抗离析能力。

对于坡度缓于20°的斜井，在采用溜槽方案时往往会出现混凝土滞留的情况，实际施工时每间隔100～300 m需采用振动或人工辅助措施。

2.2.2工程实例

国内水利工程采用溜槽输送混凝土较常见，但多数采用溜槽浇筑混凝土的工程坡度较陡，一般都在30°～45°。公路铁路工程中对于30°以下采用溜槽输送混凝土的应用较多，例如龙厦铁路的重点控制工程——象山隧道。隧道左线总长15 898 m，右线总长15 917 m，隧洞的2号、3号、4号施工支洞为斜井，斜井倾角分别为22.00°，23.08°，23.04°，长度分别为508.17，905.65，894.28 m。斜井需运输混凝土约22万m3，原设计混凝土运输方式为轨道提升机牵引混凝土罐车运输，施工中改用溜槽运输混凝土。

从象山隧道3号斜井施工经验来看，长845 m的溜槽运输混凝土的强度约14 m3/h。象山隧道衬砌采用的是二级配混凝土(小石5～16 mm，中石16～31.5 mm)，施工中存在的问题主要有：① 由于采用普通钢板加工制作的溜槽自身有一定的摩擦阻力，在混凝土的运输过程中水泥浆往往会沿下溜部位粘满溜槽的底部和部分槽壁，时间长容易造成堵塞现象；② 混凝土在下溜过程中，经过长时间长距离的流动，会出现较小的离析；③ 施工中因混凝土停留时间过长，出现坍落度损失过大在集料仓加水的现象。

2.3 混凝土泵方案

根据香炉山斜井的施工条件，1-1号、3号施工支洞长度为860多米，可以一次输送到井底，其他斜井通过1～2次混凝土泵接力输送也可输送到井底。采用混凝土泵输送需重点考虑的问题是混凝土管道、缓冲弯头及排气阀的设置，以及接力泵的布置位置等；此外施工过程中还需严格控制混凝土的坍落度，严格限制针片状骨料的含量，防止堵管。

国内水利工程采用混凝土向下输送混凝土多数情况高差不大，距离不远，类似公路铁路工程应用较多。例如引青济秦东西线对接工程云顶山隧洞施工时从2号斜井(角度向下16°，斜井长320 m)直接泵送混凝土至主洞浇筑面，最大泵送距离870 m。山西太古高速西山隧道1号斜井倾角为25°，长763 m，选用了1台HBT80泵向下输送混凝土。泵送混凝土布管时通过设置“S”形缓冲弯头等措施防止混凝土离析，管道内放置海绵球配合排气阀等防止堵管的措施。

泵送混凝土是较成熟的技术，远距离输送及混凝土泵接力输送均有较多施工实例，一次泵送超过1 000 m的也有工程实例。例如某机动车地下通道隧道内径为6.0 m，隧道区间段最长的一段长度超过2 300 m[7]，混凝土浇筑通过竖井直接泵送至浇筑面，最大泵送距离1 200 m。

2.4 香炉山隧洞斜井混凝土运输方案比选

分析长度在1 km左右的斜井混凝土运输，在能保证混凝土质量、技术条件允许的条件下溜槽方案最经济，提升机方案其次，泵送方案单价较高。

根据香炉山隧洞施工支洞斜井布置情况，对于角度较陡的香炉山1-1号施工支洞(24.3°)、3号施工支洞(26.0°)、4号施工支洞(27.0°)、5号施工支洞(24.7°)均可考虑采用溜槽输送混凝土。这几条斜井自身的混凝土衬砌可通过溜槽接混凝土泵入仓浇筑，通过这几条洞运输的主洞衬砌混凝土在溜槽末端设集料仓转运至主洞水平运输设备上运输。

香炉山2号施工支洞(17.6°)因坡度稍缓，若采用溜槽输送混凝土，应进行相应试验，特别是长距离输送时可能需调整混凝土级配，甚至采用一级配混凝土，这样又会导致混凝土单价提高，其增加的费用可能超过采用提升机或泵送混凝土增加的费用，应通过技术经济比较后确定。

香炉山3-1号施工支洞(14.3°)自身混凝土衬砌考虑采用混凝土泵直接输送浇筑，支洞尾段考虑采用混凝土泵接力输送。采用溜槽方案时，需考虑增加助力设施。

通过香炉山3-1号施工支洞进行开挖的主洞为TBM段，出渣采用的是皮带机，提升机不用考虑开挖出渣，可考虑采用提升机运输主洞混凝土。

3 斜井混凝土运输方案特性与应用技术

3.1 提升机方案主要技术措施

(1) 混凝土运输能力。提升机方案的关键是提升机的运输能力要能满足施工强度要求，香炉山隧洞要求边开挖边衬砌，对混凝土衬砌的施工强度要求较高。建议采用2台6 m3轨道罐车运输混凝土，需配2台25 t 牵引力的矿井提升机。

6 m3轨道罐车装卸料时间可按7 min考虑，矿井提升机下放运输罐车速度控制在2.5 m/s，提升速度控制在3.5 m/s。以香炉山3-1号施工支洞为例，支洞运输时间约10 min，洞内卸料约7 min；完成卸料后，轨道罐车再经矿井提升机返回至斜井洞口，运输时间约7 min，斜井运输混凝土单循环时间约31 min，2台6 m3轨道罐车约能满足10～12 m3/h的浇筑强度要求。

(2) 主洞内运输。提升机运输方案配套的主洞内混凝土运输宜为有轨方式，可考虑直接在洞底将罐车和提升机脱钩后由牵引车牵引运输至浇筑部位。

(3) 其他技术措施。提升机方案采用混凝土罐车运输，混凝土转运次数少，运输过程中混凝土的坍落度损失不大，不需对混凝土的配比进行特殊调整，运输过程中只需注意运输平稳，避免急停、急转弯等有损混凝土质量的操作。

3.2 溜槽方案主要技术措施

(1) 溜槽加工。溜槽一般可选用4 mm厚的钢板利用卷板机卷制成“U”形，宽度一般为40～50 cm，高度在40 cm左右，斜井倾角较缓时宜适当加高溜槽高度。

(2) 混凝土配合比。长距离溜槽输送混凝土易造成坍落度损失，配合比设计时应适当提高出机口混凝土的坍落度，避免在下料过程中出现堵塞现象，可采取适当增加混凝土的砂率、严控粗骨料超径及针片状含量、适当延长混凝土拌和时间等措施，改善混凝土的和易性和可泵性，提高保水性和黏聚性。

(3) 溜槽混凝土运输质量控制措施。① 对于坡度较陡、高差较大的斜井可在斜井中部每隔50 m高差左右布设缓冲器，斜井底部布置缓冲带和集料仓，以减少混凝土的离析；② 在混凝土下溜前，先采用清水润湿溜管，接着溜放适量的水泥砂浆后再下放混凝土，减缓混凝土离析程度；③ 每次使用溜槽后需及时清洗保养，使用过程中每段溜槽需设专人看护发现堵塞及时处理，经溜槽输送的混凝土需集料后再次搅拌后才能入仓浇筑；④ 主洞远距离工作面混凝土通过溜槽运至洞底后需采用混凝土罐车接料转运的方式，可采用二次高速搅拌，以恢复混凝土的性能。

(4) 缓坡溜槽混凝土运输实践。香炉山2号施工支洞坡度较缓(17.6°)，在2号施工支洞斜井自身衬砌施工中尝试采用溜槽输送。施工中首先采用一般泵送二级配混凝土通过溜槽输送，此时发现存在混凝土流动不畅通、骨料分离等现象，为此进行了配比调整。调整后的混凝土接近一级配，加大了出机口的坍落度，调整后溜槽中的混凝土流动性稳定，流动速度均匀，没有产生混凝土离析现象。随着2号施工支洞衬砌施工进展推进，溜槽输送距离不断加长，在溜槽长度达到600 m以后，出现了流动困难需人工辅助等情况。目前溜槽长度已超过800 m，支洞尾段及通过2号施工支洞运输混凝土的主洞段能否采用继续溜槽输送混凝土尚需研究。

3.3 泵送方案主要技术措施

3.3.1混凝土配合比要求

衬砌混凝土强度等级为 C30，要求混凝土拌和物有良好的可泵性，即在泵送下能顺利通过管道、摩擦阻力小、不离析、不堵塞、黏聚性好，适应远距离泵送。

(1) 水灰比。水灰比对混凝土可泵性影响较大，水灰比过小混凝土的流动阻力大，水灰比过大会使混凝土保水性、黏聚性下降而产生离析引起堵管。根据施工经验兼顾可泵性和混凝土强度要求，水灰比宜控制在0.42～0.45。

(2) 砂率。最佳砂率可提高水泥砂浆的润滑作用，砂率宜在38%～45%。

(3) 坍落度。出拌和系统的机口坍落度宜考虑长距离管道输送中的坍落度损失，使输送管道出口坍落度不低于18 cm。

(4) 粉煤灰。粉煤灰能改善拌和物的和易性，使拌和物具有良好的可泵性。

(5) 外加剂。适当的外加剂可以增加管壁与混凝土的润滑，减少混凝土的离析、泌水等，可增加混凝土的流动性，提高混凝土可泵性。

3.3.2泵管布置

香炉山3-1号施工支洞倾斜角度为14.3°，高差338 m，长度1 432 m。在其自身衬砌施工时需长距离大落差向下输送混凝土，如采用泵送需要解决混凝土泵向下输送易堵管的问题。

用混凝土泵向下输送一般较易出现因混凝土自由降落造成管内出现空洞或因自流使混凝土离析而导致输送管堵塞的现象，因此施工要点在于使混凝土在任何状态下均充满管道并保持连续输送状态，使管中混凝土不分离，不自由降落，无气堵现象产生。混凝土泵管布置要注意以下几点：① 为避免混凝土自由滑落，布置泵管时可选用适当数量的弯管，增加管道内的阻力避免混凝土自由滑落；② 如有必要可在在泵管的出口设置阀门，在停止送料时人工关闭阀门，继续浇注时打开阀门，始终保证泵管里面混凝土的充实饱满连续。在管内出现压缩空气时及时停止输料排气；③ 在泵送过程中，管路会有较大振动，泵管要每隔一段就进行加固，特别是弯道处要加强加固。

3.3.3长距离混凝土的泵送施工要点

(1) 正确安装泵机和泵管，保证管道安装牢固、管路安装通畅和泵管接头处气密性良好。

(2) 混凝土的运输能力应尽量与泵机的泵送能力相匹配，确保泵送的连续性，混凝土泵送应连续进行，尽量避免中间停泵。

(3) 远距离向下泵送混凝土前，先泵送适量水冲洗混凝土泵的料斗、混凝土缸及输送管，将残渣清理干净，湿润管道；清洗管道后再泵送适量的水泥浆润滑管道系统。

(4) 泵送期间，应保证料斗内持续充满混凝土，如果余料太少，易吸入空气，导致堵管。

(5) 泵送过程中当泵送困难、泵的压力突然升高、管路振动幅度变大，应立即停止泵送，检查管路，找出堵塞的管段，拆卸清理。拆除堵塞部位的泵管时，应先解除管内压力，防止堵塞部位卡箍放松后，管内混凝土飞溅伤人。

4 结 语

受地形条件限制，香炉山隧洞6条施工支洞采用斜井。本文根据不同斜井的特点选择了相适应的斜井混凝土运输方案，并提出主要技术措施。由于溜槽运输混凝土相对经济，目前普遍成为斜井混凝土运输中施工单位的首选。但是，当斜井坡度较缓，倾角小于20°时实施困难，倾角小于15°时难于实施，对于需要通过斜井进行大量高强度混凝土运输的工程，布置施工斜井时，应考虑混凝土运输对斜井坡度的要求。