水利工程深斜井施工中物料组织布置问题的解决对策

2021-02-25何志敏

水利建设与管理 2021年1期

何志敏

(中铁五局集团第五工程有限责任公司，云南昆明 650500)

受山岭重丘影响，长距离引调水工程隧洞深埋施工支洞被迫设置为斜井。隧洞施工管理靠工序循环卡控，出渣作为隧洞施工关键控制性工序直接制约着掘进进度，而隧洞除开挖外全部工序均受物流组织影响。水利工程深斜井在断面小及坡度陡的双重约束下，支洞特别是洞口、支洞与主洞三岔口成为了运输瓶颈，物料组织布置是施工组织的关键。目前国内施工企业的布置方法存在各种局限，布置方法不系统，致使洞内停工待料现象时有发生。基于大理Ⅱ段2标4号斜井施工支洞三维模型，采用空间换时间的理念对斜井支洞的主要物料组织进行布置，提供了一套系统的解决方案。

1 大理Ⅱ段2标4号斜井概况

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，工程建成投入运行后可以从根本上解决滇中区的水资源短缺问题，具有显著的经济、社会和生态效益。滇中引水工程受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪及红河的35个县(市、区)，总面积3.69万km2；工程多年平均引水量34.03亿m3，属大型水利工程。工程由石鼓水源及输水总干渠组成。大理Ⅱ段总干渠线路位于澜沧江、金沙江与红河水系分水岭地带，地势为西高东低，主要山脉和水系在祥云以西呈北西向展布、以东呈近南北向展布，输水总干渠起点为大理市长育村，末点为祥云县万家，全长104.071km，设计引水流量135～120m3/s，渠首水面高程1986.00m，渠末水面高程1956.00m，总水头30m，全线平均底坡0.29‰。受水区有宾川牛井、大理市、弥渡弥城、巍山南诏、祥云祥城、祥云下庄、永胜县太阳平山。大理Ⅱ段施工2标位于大理州大理市、宾川县境内，输水隧洞包含海东隧洞4号施工支洞至海东隧洞出口控制段10.930km(DLⅡ14+355.000～DLⅡ25+285.431)、狮子山隧洞进口控制段3.083km(DLⅡ25+801.348～DLⅡ28+885)。

海东隧洞4号施工支洞位于宾川县境内，支洞长度647.7m，坡度22.36°，高差256.228m；断面采用城门洞形，断面尺寸为6.5m×6m(宽×高)，施工典型断面如图1所示。控制主洞段长3.541km(DLⅡ14+355.000～DLⅡ17+896.000)，主洞典型断面如图2所示。

图1 海东隧洞4号支洞断面图

图2 海东隧洞典型断面图

2 深斜井物料组织存在的问题

2.1 物料运输量大

基于洞内施工工艺及围岩的实际，施工运输通道高度繁忙，需要进洞的有钢轨、高压风管、高压水管、高压电缆、施工供电设备、浆液输送管、混凝土、钢筋、模板、输送泵、运输车辆、施工机械、水泵、通风风管及通风设备、民爆物品、工字钢、超前小导管、超前管棚以及施工作业人员等；需要出洞的有洞渣、排水、模板、施工设备、待修车辆及设备、测量及超前预报等仪器设备以及管理人员等。双向物流运输交通十分繁忙。

2.2 受断面小及纵坡大约束

为了选择最佳进尺和实用断面，经过设计比选，滇中引水选用了6.5m×6m的成型断面。主洞断面远大于支洞断面，出渣量、支护材料等运输量大，支洞通道拥挤；加之支洞纵坡为41.1%，设备自有动力无法行走，只能通过重力或者绞车实现。

2.3 运输时间平行空间约束

进入主洞后分上下游施工，上下游的开挖、支护、衬砌、灌浆及抽排水等工序均可能平行交叉作业；物料组织在洞口及斜井脚狭小的空间同时进料、卸料，交叉干扰较为严重。由于施工强度高，为了施工的便捷和快速，运输工作存在连续、集中、不规则、无规律、装卸费时等问题。

2.4 斜井有轨运输的参数选取

一些有轨运输参数的选取适应性较差。其一是有轨运输提升机提升的运输速度按照矿用《单绳缠绕式矿井提升机》(GB/T 20961—2018)规范，最大速度可以达到7m/s；而依据《水工建筑物地下开挖工程施工规范》(SL 378—2007)，卷扬机的提升速度要求是不宜大于2m/s，没有提升机的相关参数，因此应选用《单绳缠绕式矿井提升机》(GB/T 20961—2018)相关参数。其二是斜井脚的平洞段设置，斜井及主洞全部采用有轨运输时，应在斜井脚设置不小于30m的平洞段。设置平洞段的目的一是用来切换洞内电瓶车主洞运输与提升机运输调度车场地；二是满足有轨运输支洞与主洞转弯半径要求。滇中引水采用的是斜井有轨+主洞无轨相结合的运输方式，设置30m平洞段导致物料运输集中，不利于组织物料运输。

2.5 国内外尚无成熟的系统经验可借鉴

海东隧洞4号施工支洞断面小6.5m×6m(宽×高)、下倾坡陡41%纵坡、高差大-256.228m，主洞9.46m×9.46m的断面大，每延米99.78m3，是一个典型的缩颈约束；按照2420日历天总工期目标，要求海东隧洞4号施工支洞控制主洞段日进尺须达到6m/d(两个面)，约合718m3/d(实方按20%超挖计)，进料、出渣、施工补给、人员交通等物流组织任务繁重；受主要工序平行交叉作业制约，开挖支护、衬砌及灌浆三大主要隧洞工程施工工序无恒定规律，却须平行交叉作业，相互交叉干扰大。在结构尺寸、进度峰值及主要工序平行交叉三个因素同时作用制约下的高效集约运输方式，国内外尚无可借鉴的经验。

3 解决深斜井施工中物料组织布置问题的主要原则及方法

基于隧洞掘进进度的需要，采用空间换时间的思路，按照化顺序作业为平行作业、运输相对独立、降低干扰、错面错位立交、节能减排、紧凑有序的原则，系统整体布置深斜井施工物料组织设施。具体方法如下。

3.1 集约化管理

受斜井宽度制约，运输繁忙的影响，采用敞口溜槽混凝土自溜运输技术，充分利用斜井坡度、混凝土自重、横断面结构型式，采用定型溜槽结合集料缓冲仓的方式，实现混凝土连续、及时恒定的运输，解决了斜井混凝土罐车运输量小、速度慢、安全风险大、能耗大等问题，避免了混凝土运输与洞内出渣的干扰，提高了斜井混凝土的运输速度，保障了混凝土衬砌的施工质量，同时也节省了混凝土运输时间，加快了施工进度。

受洞内出渣日进尺需要，经运能测算需配置8m3侧卸料斗。与之配套轨道42kg/m，轨距900mm，为了最大程度地压缩斜井同平面的占用宽度，通过模拟双股道绞车的运行过程，将两股道中心间距压缩至1.5m,在满足《单绳缠绕式矿井提升机》(GB/T 20961—2018)斜井段错车位置安排拉开40cm距离外其余部位按矿斗间零距离布置，大大提升了斜井坡道净断面的利用率。

受主洞工序相互干扰及运输的限制，洞内灌浆作业区域制浆严重影响平行工序作业。灌浆工程施工全部采用集中制浆站制浓浆，经高压灌浆泵逐级加压，管路输送至作业面稀释至设计配合比的方式进行，极大地减少了作业区域空间占有量，便利了其他工序的作业。

3.2 空间错位时间平行

洞口及斜井脚是斜井施工的运输瓶颈，为了减少工序间干扰、提高运输效率、加快作业循环，采用了空间错位、工序时间平行的全空间立体布置。洞口卸料采用倒渣区下沉、无轨运输地面、有轨运输地上的空间立交方式；洞口采用外部混凝土无轨到溜槽接口、中段二三项料及主材门吊装卸、洞脸位置无轨设备通道的空间错位、工序时间平行的布置方式；斜井脚由支洞至主洞也采用前段混凝土泵送分流上下游、中段门吊装卸二三项料及主材、后段料斗装渣的空间错面、工序时间平行布置方式。

3.3 空间换时间

隧洞特别是深斜井隧洞施工主要受物料运输制约，而斜井施工主要受斜井的出渣运能限制。为了压缩出渣时间，加快工序循环，按照洞内设置渣仓，将掌子面的渣料在短时间内以无轨机动灵活的运输方式运至渣仓，再采用装载机装至斜井料斗，连续不间断地运输至洞外。通过洞内无轨运输速度大于斜井有轨运输的时间差，加快掌子面的出渣速度，在压缩工序时间的同时保证了斜井出渣连续性，确保了运能和绞车的利用率。

4 深斜井施工中物料组织布置问题的解决对策

基于隧洞掘进进度的需要，按照空间换时间的理念设置渣仓调蓄渣料运输。采用双卷筒矿用《单绳缠绕式矿井提升机》(GB/T 20961—2018 )规定的运输速度，结合运能计算结果，对深斜井的提升机设备进行选型。

4.1 洞口下沉式立交卸料系统布置

采用地上有轨侧卸料斗卸料、地面层施工机械无轨车辆自由通行、倒渣系统下沉的三层互通立交运输系统，确保洞口物流组织相对独立分行，互不干扰高速快捷的运行方案，同时确保洞口文明施工整洁干净，通过渣料临时存储调蓄达到渣料运输的连续性。具体布置见图3。

图3 下沉式卸料系统布置

4.2 洞口物料组织布置

洞口物料采用混凝土溜槽运输；通风、高压风、排水、高压水、水泥浆液采用管道运输；高压电、动力电、照明采用电缆输送；渣料运输、水泵、二三项料、钢材、半成品等采用双股道与箕斗或平板车，结合门吊装卸有轨运输；设置人员采用梯步专属通道；无轨设备采用钢丝绳牵引进出的总布局。具体布置见图4。

图4 洞口物料组织布置

为了充分利用支洞宽度，达到最大运能，具体参数布置如下：横断面布置上，溜槽加检修通道建议不大于1m；两股道间距：矿斗错车处，矿斗间距不大于0.2m，其余区段可考虑矿斗间零间距布置；人行步道宽度不大于1m；管路总宽不大于0.6m；门吊一侧立柱与同侧轨道间距离不小于3.7m。轴线方向上门吊距洞脸间距不大于5m；混凝土进料口在结合最佳溜槽坡度前提下，总长不应大于40m；施工通风风机进风口距洞脸不得小于30m。具体布置见图5。

图5 洞口物料组织布置细部图

4.3 支洞内布置

洞内物料运输组织按照集约、分区、分行、顺畅的布置原则进行。按照图6所示编号对应物料通道分别为：①混凝土运输溜槽；②2×φ1500通风管；③照明供电电缆；④高压供电电缆；⑤φ108高压供水水管；⑥φ48水泥浆液输送管；⑦φ200高压风管(可兼做应急排水管)；⑧φ200排水管；⑨φ300排水管；物料运输轨道；物料与人员共轨轨道；无轨设备下放通道(可临时占用)；人行步道。

图6 洞内物料运输系统布置

4.4 支洞与主洞三岔口物料组织布置

按照空间换时间的理念在主洞上下游分别设置渣仓调蓄渣料运输，压缩出渣工序时间，实现出渣部分时间与其他工序的平行作业；采用斜井脚设置门吊和有轨坡道实现出渣与其他物料运输与装卸的立交错面运行，降低干扰，加快运转速度和效率；斜井脚设置混凝土集料仓及混凝土输送泵，实现上下游分流及空间错位运输；支洞对面设置满足要求的洞内沉淀池及排水泵站。具体布置如图7所示。