曾军伟
中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳?550081
摘 要：山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，本工程干线自天桥水电站库区取水，供水范围包括四市十六县，规划年供水6.02亿立方米。本文通过对隧洞长、断面小、坡度大、工期紧等特点进行分析，阐述了施工过程中技术研究、管控、优化，解决了施工难题，确保项目进度、质量、安全可控，提高了公司声誉，打开了市场，并取得了良好经济效益。
关键词：长斜井；长主洞；难点与对策
1 引言
随着我国水利建设事业的高速发展，特长隧道越来越多，为达到安全、通风、快速生产的目的，从主洞两侧开挖施工支洞开辟更多的工作面成了长隧道施工最常采用的方法。从设计而言，受到隧道沿线地形、投资等的局限，施工支洞往往会设计为斜井或竖井，从而在施工过程中，大坡度斜井给洞内运输、排水及后期混凝土衬砌带来了较大的施工困难。为此，需要不断从理论到实践，结合施工经验、设计要求，以及工程所属区域的特点，不断研究，充分利用新材料，新工艺，总结出应对小断面大坡度长斜井支洞及长主洞施工的策略，降低施工安全隐患，提高施工效率。
2 概述
山西省中部引黄工程07标段 是山西省中部引黄工程建设中一项重要的工程，工期35个月，由四条施工支洞承担主洞全长15.81km施工任务，支洞为城门洞型，衬砌后净宽3.65m，高3.2m，为小断面隧道，且均为长斜井，14#~17#支洞长度分别为491.30m、761.77m、885.44m、672.42m，设计坡比分别为15.40%、24.61%、33.00%、41.97%。主洞为城门洞型，衬砌后净宽4.0m，高5.0m，设计坡比为1/3000。
3 主要难点分析
（1）如何快速出渣，保证工程进度。支洞断面小，无法使用双滚筒矿井提升机（2JK系列），而支洞使用单滚筒矿井提升机（JK系列）的理论出渣速度比双滚筒矿井提升机运输效率慢1倍，且3条有轨运输支洞平均长度达到770m，出渣速度慢将导致主洞掌子面洞渣堆积，如何快速出渣、保证施工进度成为本工程的施工难点之一。
（2）设备运行时如何保证人员安全和通信畅通。支洞矿用提升机的使用，虽然解决了斜井运输的难题，但由于施工支洞断面小、坡度大、距离长，如何防止断绳、飞车事故的发生，成为本工程施工安全控制难点。
（3）隧洞长，施工通风难度大。本工程相邻两支洞的间距平均约长达4km，施工支洞与主洞高差平均达230m，给施工通风带来极大的困难。
（4）主支洞高差大，抽排水难度大。支洞与主洞高差平均达230m，导致抽排水难度大。
4 施工对策
4.1 施工进度方面
3条施工支洞坡度较大，全部采用有轨运输（见表1）；综合考虑成本、施工难度、施工布置、主洞坡度等因素，主洞采用扒渣机出渣可大大较少烟尘、尾气的产生。
表1 矿井提升机基本参数及尺寸
因施工条件无法大幅加快支洞出渣速度，采用在交叉段设置堆渣中转系统成为最合适的方法之一，交叉段临时堆渣场需满足主洞1.5循环进尺洞渣（松方）的堆存，按主洞Ⅲ类围岩2.5m/循环进尺计，需堆存的松渣方量约为24.606×2.5×1.5×1.6=147.636m3（24.606为Ⅲ类围岩开挖断面面积，1.6为松散系数），为此，在交叉段开挖尺寸为15×3.5×3m（长×宽×高）的下拉槽堆渣，矿车停靠在下拉槽内，自卸汽车将掌子面洞渣运输至交叉段后卸入下拉槽内，再由扒渣机装入矿车内，通过矿井提升机将侧卸式矿车提升至洞外卸渣平台，采用侧卸的方式将洞渣卸至卸渣平台下方的自卸汽车内，自卸汽车将洞渣转运至渣场。（见图1）
图1 交叉段转运示意图
由于在主支交叉段设置有下拉槽堆渣，因此斜井支洞、主洞出渣系统一分为二，各自独立，使得施工支洞不再是制约主洞出渣进度的瓶颈，主洞能够在最短时间将掌子面洞渣运至“渣场”，使掌子面最快时间具备后续施工条件，很好的解决了支主洞出渣速度不匹配的难题。
4.2 施工安全方面
4.2.1 监控线路
为确保操作人员全程掌控侧卸式矿车运行情况，需在洞内外安装监控摄像头，洞内摄像头平均按200m/个布置，三叉口转渣场布置一个，洞外摄像头布置在洞口附近。
4.2.2 一坡三档
在洞外停车位置、洞口靠下位置、斜坡段末端位置分别设置阻车器，俗称“一坡三挡”，“一坡三挡”是来自《2014煤矿安全规程》第三百七十条规定。
上述挡车装置必须经常关闭，放车时方准打开。兼作行驶人车的倾斜井巷，在提升人员时，倾斜井巷中的挡车装置和跑车防护装置必须是常开状态，并可靠地锁住。当装载机、挖掘机、自卸汽车、扒渣机等大型设备需要进出隧道时，需临时拆除挡车装置，之后再重新安装上。
“一坡三档”就是为保证轨道运输安全，用以防止发生跑车事故而使用的预防和防止手段。包括防跑车装置与跑车防护装置。
4.2.3 通信联络
（1）手机通信
利用现代通信技术，让移动电话设施进洞，移动信号发射器可至少覆盖3km的范围，因此只需在交叉段安装一台信号基站即可满足单个施工支洞以及控制主洞段的通信联络。
（2）固定电话
出于移动设施一旦出现故障应急需要，并且出于通信成本考虑，在提升机操作室、主支交叉段、上下游掌子面附近各安装1台内线固定电话（安装后使用完全免费，可实现4台电话间任意通话）。
（3）电铃
为满足洞外矿井提升机操作人员与洞内施工人员更加简单、便捷的通讯联系，在矿井提升机操作室和主支洞交叉段各安装1个电铃，电铃用于洞内人员通过不同的打铃次数示意洞外提升机操作人员控制矿车的提升、下降、停止，而固定电话和手机主要用于更复杂的通话联系使用。
（4）对讲机
在“短距离”通信方面，使用携带方便、操作简单、音质清晰、价格便宜、持久耐用、可保 证5km范围内的无线通信对讲机，对于方便洞内经常联络的各工作面间带班人员、测量员十分必要。
（5）报警联动控制器
由于洞内开挖爆破产生的烟雾、粉尘、噪音重，洞内环境又比较复杂，依靠以上通信设施进行联络往往会受到影响，且开挖风险又比较突出；因此，当一个开挖面突发涌水、突泥、塌方、有毒有害气体、爆炸等重大情况时，如何能让另一个工作面人员迅速得到有关信息并进行撤离或采取其他措施，同时让洞口值班人员也能得到报警信息，就需要一个一呼多应的报警联动装置。报警联动器主要由继电器、电路板、按钮、变压器、报警喇叭、联线（普通网线）组成，具有元器件购买方便、报警联动器原理简单、成本不高等优点。报警联动器悬挂在距开挖面50 m处，并随开挖掘进及时跟进。
4.3 施工通风方面
斜井作为唯一通道为主洞通风，斜井与主洞几乎成直角。2个工作面爆破产生的烟雾、粉尘等较多，并且洞内自卸汽车、扒渣机扒渣产生大量的粉尘和油烟，洞内环境污染严重，并且隧道头通风距离长、主洞的新风和污风均由单一斜井进出等因素影响。 本工程采用压入式通风能将新鲜空气直接输送至工作面，有利于工作面施工，但污浊空气将流经整个已开挖隧道。需采用大功率、大流量风机，大管径风袋等措施。
根据《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL 378-2007）第11.2.4和11.2.5条规定，计算得出在两个工作面同时出渣时所需风量最大，达到158838m3/h。考虑主洞长距离漏风等，选择功率为75×2kW对旋式通风机，最大流量为200000m3/h，工作效率83%。支洞风袋选用φ1m的正压风管，主洞风袋选用φ0.8m的正压风管。
由于隧道距离较长，存在风量、风压损失，因此在进入主洞后需进行接力通风。第一台接力风机一般在进入主洞后的50m左右，之后的接力风机一般在600~800m间隔接力，接力风机为37×2kW，并且与上一级风机末端风袋保持5cm左右的间距。若完全进行对接，会造成上一级风机风袋负压而被吸瘪；若间隔距离过大，会导致风力损失过大，并且会吸入大量的废气。（设备表见表2）
表2 单个施工支洞及其主洞段通风设备表
4.4 施工抽排水方面
本工程隧道埋深较大，Ⅴ类围岩洞段岩体破碎，围岩极不稳定；在断层带可能产生突水、突泥现象，并有遇到溶洞的可能，目前15#支洞控制主洞段日最大涌水量达到600m3，该支洞与主洞高程相差达176m，对于水泵扬程要求很高。
4.4.1 主洞抽排水
根据洞内渗水、涌水实际情况，主洞内每隔500m左右开挖一口集水井，集水井之间开挖排水沟，使集水井周边涌水、渗水流入集水井内。掌子面附近设不少于1个小型集水坑（便于水泵抽水），用小型潜水泵抽至最近集水井内，然后通过水泵一级一级抽排至交叉段主集水井（可储备75m3积水）。
4.4.2 支洞抽排水
支洞与主洞高差较大，交叉段配备的水泵功率为110kW，扬程200m，流量86m3/h，水泵按照计算量双倍进行配备，即1套抽排、1套检修及备用。特别是主集水井处110kW大功率水泵，该处水泵承担着主洞内所有积水的抽排工作，一旦水泵损坏，可能导致主洞内积水过多造成无法施工，甚至影响整个主洞安全。
由于水泵扬程较高，为防止停电造成水流倒流破坏水泵，出水管安装逆止阀及闸阀各一个。水泵供电线路必须连接柴油发电机，以便在停电时使用。（设备见表3）
表3 单个施工支洞及其主洞段抽排水设备表
5 效益分析
5.1 技术和社会效益
5.1.1 加快施工进度
主洞采用常规的无轨运输，通过在主支交叉段斜井末端设置下拉槽作为“临时堆渣场”，将支主洞出渣系统一分为二，各自独立，使得施工支洞不再是制约主洞出渣进度的瓶颈。该方案与主洞采用有轨运输相比，优势在于上下游能够同时出渣，且主洞能够在最短时间内将掌子面移交给下一循环作业，主洞运输能力不受限于支洞的运输能力，从而节省了开挖循环作业时间，加快了工程进度。主洞III、IV、V类围岩月开挖支护进尺最高达到了165m、132m、86m，满足工程进度要求，得到了业主、监理单位的高度认可，为山西中部引黄工程的早日通水起到了积极作用。
5.1.2 操作简单、易于掌握、机动灵活
主洞汽车无轨运输，操作技术简便，易于作业人员掌握；且汽车出渣较有轨出渣易于维护，更机动灵活，能适应各类围岩基础，施工组织与调度相对简单，作业班组乐于接受。
5.1.3 施工安全性高
施工安全是困扰斜井快速施工的重要影响因素，在本工程斜井的施工中，采用矿井提升机+侧卸式矿车+履带式扒渣机配套方案，辅以阻车器、摄像头、固定电话、电铃、瓦斯检测仪等安全设施，并实行特种设备持证上岗的原则，就很好解决了安全问题。
5.2 经济效益
5.2.1 支洞采用无、有轨运输成本对比
采用斜井时，16#斜井支洞采用33%坡度，总长885m。若16#支洞以平洞方式，按照9%坡度进入主洞，则支洞长度需要2919m，全段平均按照造价4500元/m计算，则需增加造价915.3万元，施工当中运输距离也随之加大，风水管线也相应增长，且工期上无法满足主洞工期要求。
5.2.2主洞采用无、有轨运输成本对比
无轨运输与有轨运输比较，减少了以下费用：侧卸式矿车、蓄电池牵引机车、轨道及其附属安装维护、充电房；增加了以下费用：扒渣机、扒渣机二次转运、风机功率。（见表4、表5）
表4 主洞有轨运输投资表
由上表得出，三条斜井支洞，采用主洞无轨+支洞有轨结合的运输方式，节省成本共计361.74万元。
6 结语
通过对小断面大坡度长斜井支洞及长主洞难点的分析，制定的对策，目前15#施工支洞主洞控制段下游已顺利贯通，质量、安全、工期均处于可控状态，这进一步证明了对策的适用性，形成了《小断面大坡度长斜井隧洞开挖施工工法》，其技术成果在山西省中部引黄工程、山西省小浪底引黄工程、贵州夹岩水利毕大I标得到先后使用。
参考文献：
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[3]王志进. 雪峰山特长铁路隧道白沙斜井主要难点与对策[J]. 河南：隧道建设，2011， 31(2)： 246-251