引水隧洞三岔口平面布置设计与施工稳定性研究

耿 赟 付 虎 李元松 张庆文

（西南林业大学，云南 昆明 650224）

0 引言

在长隧道建设中，往往需要设置斜井、竖井等辅助坑道来辅助施工。辅助坑道起到增加作业面，加快施工进度的作用［1］，并可作为洞内出渣及材料运输的主要通道。在主支洞交叉口位置物流组织复杂，而主支洞交叉口往往地形狭窄，施工运输困难，且三岔口结构稳定性较差，受力复杂，易产生应力集中［2］，故对交叉口的平面布置设计与施工稳定性研究具有重要意义。

张大荣［3］结合宜万铁路齐岳山特长隧道项目，对斜井井底车场施工过程中的轨道布置、卸渣台进行设计优化。靳晓光等［4］利用数值模拟的方法，对深埋交叉隧道进行了数值模拟分析，得出了不同的施工方案下，主隧道交叉处动态施工的围岩稳定性。相关学者结合工程实例，对引水隧洞交叉段进行了支护结构的力学分析，重点研究了钢拱架在初支中的力学特性［5］。

1 工程概况

滇中引水工程龙潭隧洞位于楚雄州禄丰市和武定县境内，全长14.037 km。由于隧道较长，为增加作业面，加快施工进度，同时满足出渣和物料输送要求，在龙潭隧洞中段毛老箐右侧山坡增设斜井龙潭隧洞2#施工支洞，斜井坡度为22°，支洞长度为682 m。

2 井底转渣车场方案比选

2.1 上承式侧洞存渣仓存渣及装载机装渣

根据单日需要出渣的量，上承式侧洞存渣仓需开挖（宽）8.0 m×（高）3.0 m×（深）20 m。最大存渣量7 m×3 m×18 m=378 m³。装载机装渣最大运距30 m，平均每矿斗装载机装渣用时4 min。一次提升10 m³。上承式渣仓平面布置如图1所示。

图1 上承式渣仓平面布置图（单位：m）

2.2 下沉式存渣仓及扒渣机装渣

根据单日需要出渣的量，在下平段开挖（宽）6.5 m×（深）5 m×（长）22 m 的下沉式存渣基坑，最大存渣量为6.5 m×4.6 m×13 m=388.7 m³。扒渣机在渣仓内可根据堆渣量前后移动，平均每矿斗装渣用时3 min。一次提升10 m³。渣仓设置明槽段和盖板区，盖板区长12 m，盖板采用H 型（400 mm×400 mm）钢梁加16 mm 钢板面板。下沉式渣场布置断面如图2所示。

2.3 方案对比分析

2.3.1 从前期投入角度分析。两种渣仓临建投入材料见表1 和表2。从表中可以看出两种渣仓下沉式土方相比上承式少69.357 m³；下沉式投入钢材31.847 t，上承式只需投入12.143 t；下承式投入型材27.090 t，上承式不需投入，下沉式投入C30混凝土268.770 m³，上承式投入喷射混凝土122.184 m³，C30混凝土45 m³。成本估算=69.357×100+（31.847-12.143）×5 000+27.090×5 000+（268.770-45）×450-122.184×600=27.529 万元。下沉式比上承式多投入约26.829万元。

表1 下沉式渣仓临建工程数量

表2 上承式渣仓临建工程数量

2.3.2 从经济和工期角度分析。使用50型侧卸装载机进行施工，每小时耗油13 L，每升按照7.5元计算。每矿斗10 m³需5 min装满，核算成本=13×7.5∕60×5∕10≈0.81 元∕m³。由于侧洞存渣仓存渣要满足堆渣量以及自卸车卸完装载机需要配合收拢，每天还需4 h 工作时间。则每天成本=13×7.5×4=390 元∕天。220 扒渣机（功率50 kW）装渣，电费0.7 元∕度。每矿斗10 m³需3 min 装满，核算成本=50×0.7∕60×3∕10=0.175元∕m³。

上游承担主洞施工任务1 920 m，下游承担主洞施工任务2 063 m，不考虑超挖土方量约37 万m3。按照单个掌子面月进尺90 m 的计划，贯通工期为664 d。

综上所述，下沉式相比上承式节约（0.82-0.17）×370 000+390×664=50.01 万元。绞车按照每天16 h 出渣时间，下沉式每车节约2 min，相比上承式节约370 000∕10×2∕60∕16=78 d的工期。

2.3.3 从施工组织角度分析。上承式装载机装渣占用下平段空间，斜井井底与主洞交叉口属于材料转运、机械运行频繁的地方，装载机装渣与其他施工干扰大、冲突多。反观下沉式扒渣机装渣，不占用空间，盖板区还可通行车辆、堆放材料，安全文明施工得到了保障。

2.4 结果分析

下沉式存渣仓虽然前期投入多，但后期运行方便，不仅能节约费用和工期，而且解决了交叉口的安全文明施工问题。故选择下沉式存渣仓及扒渣机装渣方案进行施工。

3 井底下沉式无轨、有轨立体转换渣场布置总体方案

由于斜井坡度大且距离长，故采用有轨运输，同时设置混凝土溜槽进行混凝土的输送需要，而主洞采用无轨运输。为方便运输体系的转换，需在斜井与正洞交叉处设置转渣车场。而主支洞交叉口位置地形狭窄、物流组织复杂、相互干扰大，为了组织斜井运输与主洞施工同步实施，应对井底车场进行合理布置。

综合考虑不同集渣方式在运输能力、经济性、工序转换及通风排水组织等方面，合理进行井底车场平面布置以适应主洞开挖支护及衬砌施工的要求。井底车场平面布置图如图3 所示。井底下沉式无轨、有轨立体转换渣场布置总体方案如下。

3.1 集渣槽

为确保施工进度，主洞运渣采用自卸车运输至集渣槽，扒渣机装渣，绞车提升运输的方式出渣。为了保证扒渣机出渣效率，存渣采用下沉式存渣，沿轨道中线开槽，槽宽为6.5 m，深5 m（渐变），槽壁采用50 cm 厚钢筋混凝土挡墙支护。集渣槽最大容量为350 m³。为了便于车辆行驶，顶部横担400 mm×400 mmH型钢作为盖板梁，间距0.6 m，再铺设16 mm厚钢板做为面板。

3.2 集水井

为确保施工期间排水畅通，在井底布置集水池，集水池位于集渣槽端头，集水池尺寸：11 m×6.5 m×5 m（长×宽×深），集水井底板采用C20 混凝土，边墙与集渣槽壁支护相同，采用钢筋混凝土进行支护，集水井分两层布置，中间层预埋工字钢作为水泵层，集水井最大容量为160 m³，通过排水管道抽排至洞外。为便于车辆行驶，顶部横担400 mm×400 mmH型钢作为盖板梁，间距0.6 m，再铺设16 mm 厚钢板作为面板，自卸运渣车辆经过集水0井盖板直卸至集渣槽内。

3.3 高压洞室

随着隧洞掘进深度的不断增加，电压逐渐不足，洞内大功率用电设备较多（扒渣机、水泵等）。为便于线路布置及安全文明施工，在井底集水井右侧开小洞作为高压洞室，洞室底部标高高于集水井顶部，高压洞室深4.5 m、宽4.5 m、高5 m。

3.4 龙门吊

为满足井底施工需求，需安装龙门吊，轨道基础宽80 cm，厚50 cm，配筋与集水井壁相同，轨道中线距初支边墙1.0 m。为方便材料运输及水泵调运，龙门吊布置于LT2#0+580.729～LT2#0+621.689。

3.5 溜槽

随着斜井深度的增加，混凝土运输会出现困难，经过多次实践发现，溜槽运输便捷，且不会造成混凝土质量缺陷，溜槽运输最小角度需要不小于13°。因此井底布置混凝土溜槽，在斜井段开始放缓为13°，可将混凝土运送至LT2#0+582.1，接料口底部考虑罐车接料。为确保混凝土运输质量，底部采用罐车自行运转进行二次搅拌。混凝土运输道路宽4.5 m，满足罐车运输要求。

4 交叉口施工数值模拟分析

4.1 计算模型建立

为分析施工后隧洞三岔口的围岩稳定性，需要建立长150 m、宽100 m、高90 m 的数值计算模型，整体计算模型如图4 所示。其中斜井井底车场断面宽B=14.5 m，高H=10.2 m，主洞开挖断面宽B=9.86 m，高H=10.56 m，主支洞夹角为49°。隧道交叉口模型如图5 所示。原始模型共316 188 个节点，494 368 个单元。模型顶部和底部边界限制竖向位移，四周设置法向位移约束，计算荷载应考虑模型上部土压力和围岩自重［6］。隧道开挖顺序为先进行井底车场开挖，主洞从交叉口向两边开挖。单步开挖3 m，下一步开挖时进行上一步的锚杆和初支施工。围岩采用FLAC3D内置mohr-coulomb 本构模型模拟，初支结构采用shell 单元模拟，锚杆采用内置cable结构单元模拟，计算参数见表3。

表3 模型计算参数

图4 整体计算模型

图5 隧道交叉口模型

4.2 结果分析

4.2.1 围岩竖向位移分析。首先，使用切片功能对计算后围岩Z方向位移云图进行切片处理，得到三岔口围岩Z方向位移云图和距三岔口30 m 处主洞围岩Z方向位移云图，如图6、图7 所示。由图6、图7可知，隧道三岔口位置与距三岔口30 m 处主洞的围岩拱顶沉降变形分布规律相似，均为隧道开挖中轴线处的竖向位移变形最大，到两边变形逐渐减小。其次，隧道开挖后，隧道拱顶发生沉降变形，三岔口处变形最大位置为主支洞连接处为7.48 cm，距三岔口30 m 处主洞拱顶沉降变形为4.74 cm，明显小于三岔口位置，说明三岔口位置围岩受车场开挖影响，结构稳定性较差，应针对交叉口区域加强支护。同时，隧道底部产生向上隆起变形，变形量分别为5.53 cm 和3.16 cm，均小于拱顶沉降值，说明施工时最应注意三岔口的挑顶施工。

图6 三岔口围岩Z方向位移云图（单位：m）

图7 距三岔口30 m处主洞围岩Z方向位移云图（单位：m）

4.2.2 围岩周边收敛变形。三岔口围岩X方向位移云图和距三岔口30 m处主洞围岩X方向位移云图如图8、图9所示。由图8、图9可知，X轴正负方向的位移分别对应于隧道两侧的水平偏移，其大小相仿，为收敛变形。与拱顶沉降相比，其影响范围较小，多分布于隧道两侧，收敛变形的最大区域通常位于拱顶下方的拱肩至拱脚段。在三岔口段，由于井底车场土体的开挖，导致隧道两侧存在对称性差异，三岔口右侧收敛变形区域更大，但两侧变形量差别较小，最大变形量为1.99 cm。而三岔口30 m处主洞的收敛变形分布较为对称，主要表现为隧道两侧拱腰、拱脚部位，其最大变形量为1.5 cm。

图8 三岔口围岩X方向位移云图（单位：m）

图9 距三岔口30 m处主洞围岩X方向位移云图（单位：m）

5 现场施工效果

通过合理地对斜井井底车场进行平面布置和使用数值模拟方法确定施工时最不利区域，进而安全快速完成了三岔口施工作业，保证了节点工期完成，并为后续施工提供了物料运输体系转换区域，方便了后续施工的出渣和物料运输，加快了后续施工进度。

6 结论

通过对不同方案进行对比，确定了使用下沉式存渣仓及扒渣机装渣的井底转渣车场方案，提出井底下沉式无轨、有轨立体转换渣场布置总体方案，并确定了施工应关注的区域和工序，得出以下结论。

①在设有大坡度斜井的隧洞施工中，通过设置井底车场，并使用合理渣场设置方案能够解决隧洞施工时物料运输的物流组织问题。

②隧洞三岔口区域结构稳定性较差，竖向位移相较于其他区域更大，位移最大位置在三岔口主支洞连接处，施工时应重点关注三岔口的挑顶施工。

③隧洞不同区域X向变形最大区域均为隧道两侧拱肩至拱脚段，但三岔口区域分布不对称，且变形量相比其他区域更大，应对三岔口区域加强支护。