某特长距离小断面矿山法输水隧洞关键技术问题研究

王志

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

某特长距离小断面矿山法输水隧洞关键技术问题研究

王志

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

温州市某采用矿山法施工的清水隧洞全长8 333 m，为特长距离隧洞，采用双向单头掘进施工。结合该工程特点及难点，对隧洞断面型式确定、长距离施工通风以及施工运输等关键问题进行了研究，最终确定了适合该隧洞的设计施工方案，也为今后类似工程提供借鉴。

特长距离；矿山法；输水隧洞；单头掘进；断面型式；施工通风

1　工程概况

该输水工程管线设计起点位于丽岙镇规划一号路与新104国道的交口处，沿途经过仙岩镇，穿越大罗山，与位于滨海一道的现状DN1000配水管线连接，管线总长15.53 km。大罗山隧洞为整个输水工程的控制节点，隧洞进洞口位于仙岩街道自力村天王禅寺东北方向约40 m处，出洞口位于天河电站西南约160 m处的三星村，隧洞全长8 333 m，属特长距离隧洞。综合考虑施工通风、排水等因素，隧洞平面采用直线线型，纵断面采用单坡布置，进洞口高程为27 m，出洞口高程为8 m，纵坡0.228%。

隧洞洞身段主要穿越岩层为中～微风化流纹斑岩、凝灰岩、安山玢岩及花岗岩，围岩等级划分为Ⅱ～Ⅲ级；局部穿越断层破碎带，含水量较丰富，此段围岩级别划分为Ⅳ级；洞口段地层为全～弱风化花岗岩和流纹斑岩，地质条件较差，围岩级别划分为Ⅴ级。

2　隧洞关键技术问题

2.1隧洞断面型式确定

隧洞横断面形状应根据隧洞的用途、工程地质与水文地质、衬砌工作条件以及施工方法等因素，通过技术经济分析确定［1］。目前国内外水工隧洞断面型式主要有全断面过水和明洞+排管布置两种型式，而全断面过水隧洞则又分为有压隧洞和无压隧洞两种。

结合隧洞内管道的布置方式和隧洞衬砌型式的可能性，根据该工程实际情况，对隧洞不同断面进行研究，拟采用以下三种布置形式：混凝土内衬方案、钢管内衬方案和隧洞+排管方案，其中混凝土内衬和钢管内衬方案均为全断面过水隧洞，断面布置如图1所示。

可以看出，相比隧洞+排管布置方案，全断面过水隧洞开挖断面小、工程量小、结构受力总体较好，但由于隧洞断面小且全断面过水，其同样带来了水质污染风险、运营检修困难等一系列问题。对几种方案综合分析比选详见表1。

如表1所示，全断面过水隧洞方案虽开挖断面小，投资占有较大优势，但由于断面太小，施工难度、运营阶段检修难度均有所增加。此外，从工艺角度考虑，全断面过水隧洞检修维护困难，全线无排水排气设施；从其他角度考虑，由于本隧洞为特长隧洞，全断面过水隧洞尚有钢管应力、裂隙水压力问题，为隧洞长期运营带来安全隐患，且目前国内亦无如此长距离全断面过水清水隧洞成功实施的先例。

总体来说，隧洞+排管方案较之全断面过水方案具有水质安全有保障，利于隧洞结构安全、耐久和便于运营、维护及检修等优点。最终隧洞断面采用隧洞+排管的布置型式。

2.2长距离施工通风方案

特长距离隧洞施工通风为隧洞施工的关键技术。该隧洞穿越大罗山景区，山势较高，如设竖向通风孔，平均孔深约380 m；超深竖向通风孔施工风险高，施工、出渣难度均较大，故不考虑设置竖向通风孔；经现场调查及各方沟通协调，受多方因素限制，该隧洞又无设置施工支洞的条件，如此单头掘进通风长度将达到4 166.5 m，施工通风排烟难度极大，而通风排烟对隧洞开挖的质量、安全及进度影响很大，需予以重视。

图1　隧洞三种布置型式

表1　隧洞方案综合比选表

通过对国内已建特长隧洞施工通风技术资料的调查分析［2-4］，发现目前国内单头超长距离掘进已有不少案例，见表2。

结合类似工程实际经验，并根据该隧洞特点，长距离施工通风具体设计如下。

2.2.1通风方式

隧洞开挖施工通风以多级接力，压入、抽出混合式通风方式为主，对于单头长度1 000 m以下的隧洞段以压入式通风为主。

表2　特长隧洞通风案例表

2.2.2通风设计标准

隧洞施工过程中，由于钻眼、爆破、装碴、喷射混凝土以及开挖时地层释放出的有害气体等因素，使得隧洞里空气污浊，严重影响人体的健康。因此，必须向洞内及时供给新鲜空气，排除有害气体，降低粉尘浓度，使隧洞内施工作业段的空气必须符合下列卫生标准：

（1）洞内氧气含量按体积计不低于20%，洞内温度不宜高于28℃；

（2）有害气体浓度，一氧化碳一般情况下不大于30 mg/m3，特殊情况下施工人员进入工作面时可为100 mg/m3，但工作时间不得超过30 min；二氧化碳按体积计不得大于0.5%；氮氧化合物（换算成NO2）质量浓度不得超过5 mg/m3。

（3）粉尘浓度。游离二氧化硅浓度在10%以上的粉尘，其浓度不得大于2 mg/m3；游离二氧化硅浓度在10%以下的粉尘，其浓度不得大于10 mg/m3；游离二氧化硅浓度在10%以下的水泥粉尘，其浓度不得大于6mg/m3。

（4）人均供应新鲜空气不应少于3 m3/min，柴油设备需要新鲜空气不少于3 m3/min·kW。

2.2.3风量、风压计算

通风阻力包括摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力在风流的全部流程内存在，局部阻力发生在管道断面变化处，如拐弯、分支及风流受到其他阻碍的地方。为保证将所需风量送到工作面，并在出风口保持一定风速，通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力。

该工程单头掘进最大长度为4 166.5 m，开挖断面约33.4 m2，考虑管道百米漏风率1.5%，计算出风机供风量应不小于2 506 m3/min。综合考虑当前市场上的轴流式风机产品的性能，压入式风管采用直径1.0 m的塑料风管，选择BD-II-6-No14型轴流式风机，高效风量为42.8 m3/s，功率2×45 kW，全风压2 035 Pa，噪声小于38 dB。

此外，为加快通风散烟速度，除了设置提供新鲜空气的压入式风机外，还需设置排烟的吸出式风机，吸出式风机计算风量为173 m3/min，考虑管道百米漏风率1.5%，风机风量应不小于274 m3/min，吸出风管直径为0.8 m。

2.2.4风管与风机布置

为保证通风效果，风管末端尽量接近工作面，同时考虑避免爆破飞石砸坏通风设施，风管末端距开挖工作面约30 m。吊挂风管应做到平、直、稳、紧，风管转弯半径不小于风管直径的3倍。

该隧洞施工通风最长线路达4 166.5 m，需每隔400～500 m串联一台11 kW轴流式风机运行。

爆破后先关停压入式风机，炮烟采用吸出式通风，以迅速排除工作面有害气体，恢复循环作业，然后再采取压入式通风，不断向洞内供应新鲜空气。同时应做好施工监测工作，监测日常的有害气体浓度，根据浓度调整风量，合理供风。

2.2.5辅助降尘措施

开挖中采用湿式凿岩，根据经验可降低约80%的岩粉，在施工过程中维持水压稳定、水量充足，操作规范，遵循先开水后开风，先关风后关水的步骤，爆破后采用洒水降尘，冲洗岩壁，保证做好湿式装岩。喷混凝土时采用湿喷，达到减少粉尘含量。

无水岩层地段在距掌子面一定距离设置几道水幕，水幕降尘器放在边拱上，爆破前10 min打开水幕开关。一般在距工作面40 m左右位置设水幕降尘器，水幕降尘器是风水混合型水幕降尘器，其作用是使水充分雾化，洒在粉尘上迫使粉尘迅速液化而降落。

根据以上分析计算研究，采用混合式通风方式并辅以降尘措施，可以解决该隧洞长距离单头掘进施工通风问题。

2.3长距离施工运输方案

隧洞的出渣方法分为有轨运输和无轨运输两种，由于该隧洞单头掘进长度达4 166.5 m，根据国内类似工程的经验，超过3 km的隧洞采用无轨运输的出渣方法，通风排烟将无法采用机械通风解决，因此为保证工作面有足够的新鲜空气，降低施工通风的难度，综合考虑本工程采用有轨运输的出渣方法。

洞碴主要采用STB-50L型耙碴机和ST25-A型25 m3梭式矿车配合出碴。在隧洞掌子面，人工操作耙碴机把爆破的岩石石碴装至梭车，采用蓄电式电机车牵引出洞，在主洞进出口设临时弃渣场集中卸碴，再由自卸汽车经转运弃碴至弃碴场堆放。出碴运输的关键是：选择装运配套的机械设备，布置合理的会让线路，组织有序的调车作业，保障有力的轨道维护，才能确保洞内运输忙而不乱，有条不紊。

为提高出碴效率，洞内拟间隔800 m设置有轨运输错车道，该工程洞挖控制工期工作面（单工作面长度为4.17 km）配备2台STB-50L型耙碴机和6台ST25-A型梭式矿车，分别编号为1#车、2#车、3#车、4#车、5#车和6#车，出碴方式为：若1#车在掌子面装碴，那么2#车就在3 200 m处的会车道等待，3#车就在2 400 m处的会车道等待，4#车就在1 600 m处的会车道等待，5#车在800 m处的会车道等待，还有#6车主洞口的会车道上等待，当掌子面的1#车运碴出来行至3 200 m处的会车道时，在此停靠的2#车开往掌子面开始装碴，其他车依次顺序进洞；当l#车运碴至主洞口处，6#车开始往掌子面前进，进至800 m会车道进行等待，这样循环，以确保洞内运输组织合理有序，出渣效率可极大提高。

3　结语

本文依托温州大罗山隧洞实际工程，对特长距离小断面矿山法输水隧洞设计施工中关键问题进行研究，主要结论如下：

（1）对于采用矿山法实施的特长距离清水输水隧洞，采用隧洞+排管的布置形式，有利于水质安全保障以及运营、维护和检修；

（2）长距离小断面矿山法隧洞施工通风为隧洞施工关键问题，经计算分析研究，采用多级接力、压入、抽出混合式通风方式并辅以降尘措施，可以解决长距离单头掘进施工通风问题。

（3）受施工通风制约，长距离矿山法隧洞需采用有轨运输出渣，通过设置有轨运输错车道，合理安排组织，可极大提高出渣效率。

［1］SL 279-2002，水工隧洞设计规范［S］.

［2］刘立平，刘卫东，李小伟.特长隧道钻爆法施工通风技术探讨与研究［J］.城市建设理论研究:电子版，2011（19）.

［3］陈健勇.高原小断面长隧独头施工通风综合措施效果评价［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2002（29）:161-162.

［4］陈鹏.长隧道钻爆法施工通风系统设计探讨［J］.现代隧道技术，2004（增）:230-235.

U455

B

1009-7716（2016）06-0325-04

2016-03-07

王志（1983-），男，河南南阳人，硕士，工程师，主要从事隧道、岩土等地下工程设计工作。