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长距离小断面引水隧洞的施工设计实践应

用

中铁十六局集团小浪底引黄工程 徐永

内容摘要：小断面、长距离隧洞是各类隧洞中施工难度较大的，引水隧洞工程实践、介绍

了小断面、长距离引水隧洞的施工措施，为同类引水隧洞工程提供了可借鉴的经验。

关键词：“小断面”，“长距离”，“引水隧洞”，“施工”。

一、概述

山西省小浪底引黄工程主要由取水口、输水线路（包括管道和隧洞及泵站）、尾部调节水库等组成，为II等中型工程。于2012年开工，目前未具备通水条件。隧洞全长59.6km。设计流量为20m/s，灌溉面积为63.58万亩。主要纵坡为1/3000（除取水口至高压泵站处）。隧洞断面形式为城门洞形,设计断面为宽*高为3.8m*5m。洞内水流 为无压隧洞。洞身段大部分在完整花岗岩体中，围岩类别基本为Ⅰ-Ⅱ类，断层破碎带段是Ⅲ~Ⅴ类围岩,成洞条件较好；底板及拱墙全环现浇 30cm~40cm 砼。洞顶上覆基岩厚度 13~250m，山顶地形起伏不平。洞身段有进、出口，若干个斜井、一个施工盾构竖井，共计 13 个工作面，其中竖井深分别为 68m，控制长度为5.5km。为本工程施工难点，控制着整个工程的进度。

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二、国内小断面长隧洞施工情况

小断面长距离隧洞是各类隧洞中施工难度较大的，“小”是指机械化程度较高的施工机械如多臂钻、装载机、自卸汽车等不能进洞作业，只能采取以人工为主的方法开挖，“长”是对通风、供电、排水和运距相对而言，同样比较长的距离，对于洞径较大，开挖、装碴、通风和运碴设备都比较方便的隧洞，不称其为长，但对于洞径较小、主要靠人工作业的隧洞，就可认为是长隧洞了。目前检索查到的小断面隧洞施工情况如下表所示：

表 1 国内小断面隧洞施工情况 序号 名称 断面尺寸（m） 长度（km） 开挖、出碴、通风方式 工期（年） 1 马栏河输

水隧洞 2.1×2.0 11.49 砂泥岩、较破碎，装岩机、 轨道电瓶机车牵引矿车 4 年 2 浮山供水

引水隧洞 2.2×3.035 黄土、砂砾石、较破碎、

汽车自卸车、轨道电瓶机车 牵引矿车 3 山西中部引

黄输水隧洞 2.5*3 384.5 高原海拔 3000m，装岩机、 轨道电瓶机车牵引矿车

例如马栏河引水隧洞（开挖断面 2.5×2.4m），其开挖、钻孔、通风、供电、支洞布置、

排水、照明等值得借鉴。2m 以下开挖断面还未有工程实例，单工作面掘进长度 1.6km 也极少，目前市场上最小型号电瓶机车的型号为 XK2.5-4/48-2A，自重 2.5T，3.5kw，长 2.3m，宽 0.92m，高 1.55m，1.8×1.8m 隧洞可以满足运输需要，并可配套蟹斗式装岩机或铲斗式装岩机，基本满足小断面隧洞的施工需要。装岩机工作的最小宽度不得小于 2.5m，采用小断面隧洞方案无法采用机械装碴，只能采用人工装碴。因此，对于本工程隧洞施工难度较大，现有断面型式只能采用人工开挖、装碴，机械运输的方式。

三、本工程隧洞的设计与施工

由于引水流量较小，并受工程总投资控制，隧洞断面尺寸按照足最小施工断面设计，

开挖洞径为 4.9×5.95m 的城门洞型，以人工为主的施工方法，采用人工手风钻钻孔，光面爆破，自备柴油发电机供电，人工装渣、人工胶轮架子车出渣的办法进行施工，依据已有地形条件，由于受工程投资控制结合施工交通布置有限的工作面，全线仅布置斜井较少。由于国内缺乏对这种长距离小型输水隧洞的合理工期的认识，类似工程较少，其工期的分析确定缺乏可供借鉴的资料，同时受工程工期的要求，初步设计阶段控制工期为 3 年。鉴于工程的特殊性和困难程度，为保证隧洞施工中通风、排烟、除尘和机械施工有稳定可靠的电力保证，在国家发改委核定概算中调整并增加隧洞施工的网电工程、轨道工程等投资。隧洞工程于 2012年开始开挖，本工程输水隧洞其断面较小，对于小断面隧洞，现行预算定额只按工程量计价，对施工难度、施工附加工作量考虑较少，很难反映实际施工情况，每延米造价严重偏低，生产效益很差。最大单掘进长度仍达 3.6km，由于断面小对爆破的制约作用，每一循环施工仅 1.0~2.0m，随着进尺的延伸，出渣、通风、排烟、水管、高压电缆、低压电缆、照明灯具等，明显受到隧洞断面的限制，造成通风时不能出渣，出渣时不能通风，洞内空气质量很差，每循环作业时间也在加长，施工期的安全生产也难以得到保证，隧洞施工表现出断面越小开挖条件越差，施工难度大、施工附加工作量也加大，进度和工期的矛盾严重。

随着进尺加深每循环作业时间还将进一步增长，按该方案实施，单工作面最大长度 3.8km，则仅开挖就需要工期 62 个月，严重制约本工程的实施。针对本隧洞小洞径、长距离的特点，为保证按期完工，合理采用小型机械运输出碴，提高掘进进度，满足通风要求。尽可能采用挖装一体机等机械化施工、合理增加主洞错车段落控制范围、通过增加施工支洞已达到增加工作面减少每个工作面的控制长度。提高工作效率。将原有土洞盾构段长度经过多方论证，将部分段落改为人工开挖施工。这样，工期可控制为3 年，按期完工。增加支洞数量后投资由一定的增加，但不会太大，但是工期大大的缩短，。经经济分析，提前完工后的财务收益完全可弥补增加的投资。

四、盾构段落部分改为人工开挖后的施工

盾构段落部分改为人工开挖后，隧洞采用全断面开挖，有人工配合挖装一体机进行。出渣运输方式采用农用汽车无轨运输。运输至指定弃渣场。 1．通风散烟

本项目通风散烟采用吸出式与气垫密封式排烟方式。采用轴流式通风机 YBT－62 型，

风机功率 22kw，供风量240m/min，风压 680~3,200Pa，选用风管为塑料柔性风管。塑料风管采用法兰连接，解决接头气密性差、阻力大等问题，100m 漏风量控制在不超过 10%。风管布置在隧洞开挖附加断面上。为加快排烟时间，在距工作面 400~500m 处的吸风管上串联一台 11kw 风机，开挖、喷浆时依次开启各风机，待粉尘达到该风机位置时，关闭此台风机，尽快排出工作面的粉尘烟雾。实施时在串连风机前安装 3m 长刚性风筒并设可调

节开口的补风口解决了供风问题。当隧洞掘进到 800ｍ以上时，采用吸出式与气垫密封式排烟大约需要 20min，每个循环可节约时间分别为 130min、100min 和 40min。加快了工程进度。设计按循环散烟时间 40min 控制开挖作业进尺。

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2．超前预支护作业

个别段落地质条件较差，需采用超前小导管等预支护措施方能保证施工安全，小导管

设置在拱部180°范围，按照环向间距0.3m/环，每根长度为3.5m，纵向每2m设置一环。每个作业面上可布置2-3台风钻，钻孔进尺每分钟 1.5m~2m，钻孔深度控制不超过3.5m，钻孔进尺控制在 2m，两台钻机同时作业时间按 80%同时工作考虑，则钻孔作业时间需 38min。注浆机布置2台，2台同时进行注浆作业，每根小导管的注浆时间平均为5分钟（包含调卸设备时间）则注浆时间为65min。进尺应与循环时间协调才能取得最佳掘进效率，小断面隧洞通常采用短进尺、多循环的工作方式。考虑正常情况下每班作业时间取 8 小时，