陈志高

(中国铁建股份有限公司 北京 100073)

1 前言

随着我国水利工程的不断发展，埋深较大的特长水工隧洞不断涌现。为确保工期，施工辅助坑道在工程中往往被广泛采用。不同的辅助坑道方案势必造成不同的施工条件、设备投入、安全风险和环境影响，也直接决定了项目的工期、成本。基于此，本文通过对小浪底引黄工程2＃引水隧洞34＋090～47＋430段施工辅助坑道平面位置、纵向坡度、坑道断面、场地条件等方面进行系统优化调整，有效解决了出渣、材料运输难题，节约了施工投入成本、减小了环境影响、降低了施工难度和安全风险。

2 原方案基本情况概述

2.1 坑道布设及断面

(1)小浪底引黄工程2＃隧道34＋090～47＋430段主洞长13.34 km，设计布设 10＃、11＃、12＃、13＃共4条辅助坑道，坑道总长约4.22 km，具体参数见表1。

表1 原方案辅助坑道相关参数

(2)各辅助坑道设计断面均为城门洞形，洞身段断面尺寸为3.65 m×3.2 m，与主洞交叉段断面尺寸为2.5 m×3.2 m。

2.2 工程地质

本工程所处地层主要为黑云斜长片麻岩、大理岩，岩性较硬，稳定性一般，局部可能产生坍塌。隧洞大部分埋深较大，洞址基本位于地下水位以下，施工中有渗水、涌水的可能，局部可能存在突涌水问题。

2.3 施工条件

10＃辅助坑道位于石门乡上富裕村北沟内，洞口地形陡峭，场地高低起伏不平，施工用电需从石门变电站接线，接线距离约5 km，另外需新修便道约2 km；11＃辅助坑道位于闻垣公路南毛峪沟内，施工用电T接困难，需要架设9 km的线路，洞口地形沟谷起伏较大，需新修便道约3 km；12＃辅助坑道位于闻喜县酒务头乡的小山洼村，洞口地形险要，场地狭小，施工用电T接点距离洞口4 km，另外需新修便道约3 km；13＃辅助坑道位于闻喜县酒务头乡下白家沟附近，洞口地形复杂，场地狭窄，施工用电T接点距离洞口3 km，另外需新修便道约2.8 km。坑道洞口对外交通主要为县道闻垣公路和乡间公路，辅助坑道洞口需要修建临时进场道路及弃渣场道路共计约10.8 km。

3 原方案存在的问题分析

3.1 施工成本高

(1)设备配置投入大。原方案辅助坑道均为陡坡有轨运输，仅辅助坑道有轨专用设备一次性投入总计达700万元以上。

(2)大临费用高。新建便道长，原方案需新建便道共计10.8 km，并且土方工程量很大，新建便道初估需投入约600万元；T接供电线路工程量大，总计需架设高压线路约21 km。

(3)运输成本高。所有材料均需通过两次倒运才能到达作业面，特别是砼运输，倒运工序复杂，费时费力，损耗较大、成本较高。

3.2 施工效率低

由于陡坡辅助坑道采用有轨提升方式运输，坑道轨道铺设和维护工作量大，出渣及物流运输、人员升降等工作耗用时间长、功效低，综合开挖进尺指标大约为缓坡隧洞进尺的1/3，如遇突涌水等不良地质，施工效率将更低。

3.3 安全风险高

(1)4个辅助坑道均为有轨陡坡，施工安全风险极大，特别是10＃、11＃斜井，坡长且陡，富水地段施工淹井风险极高，且抢险救援不利。

(2)有轨运输方式，物流及人员升降井安全管控难度大，矿车运行对轨道平顺度和稳定性敏感度高，矿车上下过程中极易发生脱轨事故。

3.4 环境影响大

小浪底引黄2＃隧洞位于中条山自然保护区，植被茂密，环保要求高。原方案4座辅助坑道洞口、弃渣场和新建10.8 km的便道均需征用大量的农田、林地。另外，坑道弃渣、洞室开挖越多对环水保影响就越大。

4 优化方案分析

优化过程以保证工期、减低成本、防范风险作为主要目的，并结合现场实际情况，对10＃、11＃、12＃、13＃辅助坑道洞口位置、斜井纵坡、与主洞交点进行全面系统优化。

(1)辅助坑道断面和坑道纵坡选择

10＃辅助坑道原方案坡度大、坑道长，通过调整相对高差尽量压缩坑道长度。为提高物流效率，辅助坑道计划按双轨布设，断面按4.6 m(宽)×3.8 m(高)优化；根据国内外矿山相关经验，缓坡纵坡最大可到20%[1-2]。12＃、13＃辅助坑道纵坡选择15%，为了提高物流效率，采用改进加强型自卸汽车运输，断面按4.6 m(宽)×5 m(高)优化。

(2)10＃辅助坑道优化方案

10＃辅助坑道仍按陡坡施工，只将洞口位置、断面尺寸、纵坡及长度进行优化。洞口标高由原设计的939 m调整为874 m，坡度由原设计的41.7%调整为47.8%，长度由原设计1 202.6 m调整为926 m，与主洞交汇桩号35＋363，与主洞夹角23.74°，断面按4.6 m(宽)×3.8 m(高)优化。优化后洞口场地较为平整、植被少，距既有道路1.1 m，T接电力电路800 m，距离水源500 m。

(3)12＃辅助坑道优化方案

12＃陡坡辅助坑道优化为缓坡施工，洞口标高由原设计的824 m调整为778 m，坡度由原设计的44.3%调整为15%；考虑12＃坑道所经地层围岩较好，长度由原设计865.7 m调整为1 987.5 m[3]，与主洞交汇桩号40＋423，与主洞夹角4.03°，断面按4.6 m(宽)×5 m(高)优化。洞口场地为河谷台地，距既有道路800 m，T接电力电路1.2 km，距离水源350 m。

(4)13＃辅助坑道优化方案

13＃陡坡辅助坑道优化为缓坡施工，洞口标高由原设计的660 m调整为628 m，坡度由原设计的26.9%调整为15%，长度由原设计711 m调整为982 m，与主洞交汇桩号 45＋637，与主洞夹角30.73°，断面按4.6 m(宽)×5 m(高)优化。洞口场地为开阔荒地，距既有道路1 100 m，T接电力电路900 m，距离水源150 m。

(5)11＃辅助坑道优化方案

11＃辅助坑道洞口位于原有地方铁矿的尾矿库下游，若发生暴雨，极易形成泥石流，安全隐患极大，且11＃辅助坑道坡度大、长度长，施工十分困难。经工期计算，取消11＃辅助坑道。

(6)承担主洞施工任务规划

结合现场实际情况和具体地质条件，优化后的辅助坑道承担的主洞施工任务见表2。

辅助坑道优化前后的主要参数对比情况见表3。

表2 优化前后辅助坑道承担主洞施工任务规划

表3 优化前后总体对比

辅助坑道优化前后平面见图1。

图1 2＃隧洞辅助坑道原设计及优化后平面

5 方案优化后施工工艺及主要设备配置

5.1 基本施工方法

(1)10＃辅助坑道优化后及主洞采用人工钻爆、双轨矿车运输＋主洞汽车运输的综合出渣运输方案[4]。在辅助坑道与主洞交叉口设井底车场[5-6]，主洞每隔200 m设置一调头及错车道，调头及错车道宽10 m、长25 m[7]。

(2)12＃、13＃辅助坑道优化后及主洞采用人工钻爆，加强型自卸汽车出渣运输方案。辅助坑道及主洞每隔200 m设置调头及错车道，调头及错车道宽10 m、长25 m。

5.2 主要设备配置

(1)10＃辅助坑道主要配置2台CAT312D、一台L30装载机、6台南俊4108改进加强型汽车，绞车采用2JK-2.5×1.5/20型双滚筒矿用绞车[8-10]。

(2)12＃、13＃辅助坑道各配置 8台南俊4108改进加强型汽车，2台 CAT312D挖机、2台 ZL50装载机。

6 施工实际效果分析

6.1 社会效应

优化后的辅助坑道方案得到了有关专家和业主的高度认可与肯定，并全面推进了本工程其他标段辅助坑道方案优化工作，较好地取得了“保工期、降成本、防风险、护环境”的综合社会效应。

6.2 工期进度

(1)方案优化前后辅助坑道工期及掘进进尺比较(见表4)[11]。

(2)方案优化前后主洞工期及掘进进尺比较(见表 5)[12]。

表4 优化前后辅助坑道工期及掘进进尺比较

表5 优化前后主洞工期及掘进进尺比较

根据表4～表5中数据可知，原方案11＃辅助坑道和11＃辅助坑道主洞大里程为关键线路，总工期59.9个月；优化后10＃辅助坑道和10＃辅助坑道主洞大里程为关键线路，实际总工期50个月，比原方案要节约9.9个月，因此取消11＃辅助坑道并不影响本工程总工期。

6.3 施工成本

(1)优化前需新建便道10.8 km，优化后只需新建便道2.8 km，减少了便道修建长度，节省了材料运输成本。

(2)优化后每个辅助坑道口距高压线均在1 km左右，总计减少临时电力线路架设长度约18 km。

(3)由于取消11＃辅助坑道，节约了1个洞口的征地及驻地临建费用。

(4)施工工期节约9.9个月，管理费、机械设备费、抽水费、通风费、劳务成本大幅缩减。

(5)有轨陡坡斜井较少，二衬混凝土及钢筋能直接通过汽车运输至施工作业面，避免了二次倒运，节省了材料的倒运费用。

(6)辅助坑道总长度比原方案减少328.4 m，减少成本约260万元。

(7)缩减了1个施工工区，现场管理人员和管理费用得以降低。

(8)无轨辅助坑道断面加大，工程造价有所增加，就工程清单而言，工程造价增加了560万。但综合来看，由于施工难度降低、安全风险减少、坑道长度压缩、施工效率提高及工期的节约，优化后的施工综合成本较原方案降低约2 000多万元。

6.4 安全风险

(1)原方案陡坡有轨辅助坑道有4座，优化后陡坡有轨辅助坑道只有1座，施工期间的安全风险降低。

(2)由于取消了11＃辅助坑道，彻底消除了原有地方铁矿尾矿发生泥石流的风险。

(3)原方案辅助坑道断面小、坡长且陡，施工排水十分困难，特别是发生突涌水后人员逃生和救援不利，安全风险极大。变为缓坡后，降低了隧洞排水难度，人员上下班安全系数大大提高，整个施工期间保持平稳平顺，未发生过安全事故。

6.5 环境影响

(1)方案优化后减少了施工便道的修建长度，节约了临建工程及弃渣场农田、林地征用，减少了对原始地貌的破坏量。

(2)取消1个辅助坑道修建，有利于生态环境修复。

(3)总体减少了开挖弃渣量，有利于环保、水保。

7 结论

小浪底引黄2＃隧洞位于中条山腹地，地形地质条件复杂，隧洞埋深大，辅助坑道优化过程中，在满足总工期的前提条件下，综合考虑洞口条件、道路交通、安全风险、施工成本和环境影响等因素，坚持“因地制宜、系统策划、合理部署”的原则，在实际施工中取得良好的效果，为水工隧洞辅助坑道规划设置提供了参考范例。