千岛湖配水工程输水隧洞群施工进度仿真与优化

2018-05-07张永进吴留伟余建平

中国农村水利水电 2018年4期

肖钰，吴蕾，张永进，吴留伟，余建平

(浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

地下隧洞工程由于施工场所位于地下，且受空间狭窄及进出洞交通等的限制，施工组织与进度安排是其重难点之一。特别是对于由多条隧洞或多个洞段组成的隧洞群，如何合理安排各项施工作业、正确衔接各洞段的施工顺序关系、选择合理的施工方案及相关参数，对于确保工程的顺利实施具有至关重要的作用[1]。

而传统的经验类比法及其人工编排进度的方式由于个人经验差异、认知水平高低以及潜在的工作失误等因素，难以保证结果的准确性和可靠性。此外，若想得到较为精确的、详细的进度计划，工作量较大，而一旦施工方案或施工参数做调整，则需重新编排。为此，基于隧洞群施工进度仿真模型，通过计算机仿真程序实现对隧洞群施工过程的模拟，并详细计算隧洞群施工过程与时间相关的各要素，并由此得到详细的进度计划，已成为隧洞群施工进度计划编制与控制的有效方式[2-4]。

本项研究工作即在相关研究成果的基础上，通过离散事件系统仿真理论的应用，根据杭州市第二水源千岛湖配水工程输水隧洞群的特点，建立隧洞群施工进度仿真模型，并对千岛湖配水工程的施工工期、施工方案及其关键施工参数进行比选、优化，以期为该工程的进度管理与控制提供决策参考依据。鉴于钻爆法具有经济成本较低、地质条件适应性好、洞室断面灵活性强且具有“长洞短打”等优点，经分析研究后千岛湖配水工程输水隧洞群采用钻爆法施工，因此，本项研究工作中的施工进度仿真模型也是基于钻爆法建立的。

1 工程背景与概况

杭州是浙江省的政治、经济、文化中心，也是国际著名的风景旅游城市，对饮用水安全保障水平要求高。但目前杭州市水源结构单一，均属河道型水源，影响水源地水质的因素复杂多样，突发性水污染事件呈频发趋势，且钱塘江水源易受河口咸潮影响，风险较大，严重影响饮用水安全。杭州市通过第二供水水源工程建设以改善饮用水品质、提高供水安全保障水平的要求十分迫切。

杭州市第二水源千岛湖配水工程是关系杭州近千万居民饮水安全、健康及钱塘江水资源科学配置的重大民生工程，对提高杭州等地的饮用水源水质、确保供水安全具有重要意义。

本工程通过输水隧洞、分水口等工程措施，输送千岛湖原水，沿途分配水量至沿线的建德、桐庐、富阳部分区域，并在杭州市配水枢纽——闲林水库分配水量至杭州市主城区、萧山区和余杭区3个方向，实现水位、水量控制，提高杭州及沿线城乡供水水质和保证率，杭州市区形成千岛湖、钱塘江、东苕溪联合供水、互为备用的多水源供水格局，并为实现分质供水打下基础。千岛湖进水口设计流量38.8 m3/s，97%保证率设计年配水量为9.78 亿m3。

本工程为Ⅰ等工程，主要建筑物包括千岛湖进水口、千岛湖～闲林水库输水建筑物、分水口、闲林出口流量控制及调压设施、闲林水库取水口等建筑物。主要建筑物为1级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。千岛湖～闲林水库输水线路全长约113 km，起点金竹牌进水口位于淳安县金竹牌村附近，沿途经淳安县、建德市、桐庐县、富阳市，在杭州市余杭区桦树村接入闲林水库。输水线路沿线布置了32个施工支洞，保留其中16个施工支洞，运行期作为检修交通洞。

输水隧洞设计选择平底圆形断面，衬后洞径为6.7 m。Ⅲ类围岩开挖洞径8. 1 m，采用随机锚杆、挂网喷C30混凝土及C30W6F100钢筋混凝土衬砌进行支护，底部考虑施工期交通及运行期检修交通要求，设2.6 m宽的平台。输水隧洞施工按光面爆破要求进行钻爆设计，以全断面开挖为主，光面爆破。

2 进度计划编制与控制难点及特点

千岛湖配水工程输水隧洞群项目按照传统的钻爆法爆破推进，采用多工作面长洞短打、分段分节的具体方法开挖实施，工作艰巨、任务繁重，涉及施工进度管控方面，面临的施工重点与难点包括以下一些方面。

(1)输水隧洞施工环节众多，相互影响与制约。在洞室施工过程中，测量、钻孔、爆破、排险、支护、出渣、衬砌、灌浆等作业环节依次展开，而各种干扰因素可能对其中的某些环节产生影响，造成工程实施阶段出现不利的状况。

(2)输水隧洞在地形地质条件较差的地段如断层带及浅埋地带开挖施工时须加强围岩保护措施，使得锚喷等初期支护工作量增大，且随着洞室的开挖掘进，支护强度也需要提高，以保证安全的施工环境。

(3)输水隧洞按照循环进尺爆破开挖时会产生大量的石渣，在现场空间有限的情况下，应避免石渣堆积，造成后续活动的施工拥堵，延长洞室开挖持续时间，需要妥善解决洞内运输与快速出渣及洞外堆渣等问题。

(4)千岛湖配水工程是用于向杭州市输送洁净水源，由此对输水隧洞群工程洞内环境、文明施工要求较高。在施工主洞之内的开挖及运输机械原则上不选用带有污染源的设备，需要做好输水隧洞群工程的环境保护及清洗工作，避免二次污染。

(5)千岛湖配水工程工期紧张。为了使千岛湖配水工程早日发挥预期的社会功能与经济效益，有效缓解杭州市饮用水安全与需求现状，应选取合理的施工方案，制定规划输水隧洞群组之间的衔接次序与施工实施顺序。

(6)千岛湖配水工程安全责任重大。溶洞、构造破碎带、岩爆、突涌水等不良地质问题尤为突出，施工安全防范注意事项多、施工风险较大，需要拟定切实有效的应对方法和安全措施，确保施工生产安全。

由上述千岛湖配水工程输水隧洞群施工进度管控的难点与特点可知，合理制定进度计划并优化施工方案对于加快工程建设进度、控制施工风险，力争使千岛湖配水工程早日投入使用具有重大意义。

3 进度计划仿真模型与参数分析

精确模拟隧洞群施工过程、有效计算施工进度的关键在于建立与实际施工过程尽量一致的施工进度仿真模型。即所建立的仿真模型需要与实际施工过程及各项施工环节基本一致，并合理计算各项作业所需要的时间，并确定各类参数的合理数值。本项研究工作中的进度仿真模型及参数取值情况如下。

3.1 进度仿真模型

在本项研究工作中，充分考虑隧洞钻爆法施工的每一项细节及其相互衔接关系，所建立的单条隧洞钻爆法施工CYCLONE实施层模型如图1所示。

通过本模型，实现了隧洞钻爆法开挖过程的施工仿真，将实际施工过程以数字模拟的方式实现，可以精确计算施工中的各项时间，实现对施工进度的仿真。

3.2 相关参数分析

本工程控制工期的关键项目为输水隧洞的施工，隧洞施工方案经综合比较后采用钻爆法施工，通过沿线合理设置多条施工支洞，进行“长洞短打”以有效缩短施工总工期[5]。

本工程施工关键线路为：施工单位进场→施工准备→洞口土石方开挖→支洞洞挖及衬砌等→主洞洞挖→主洞衬砌→主洞灌浆→支洞封堵→工程完工。下面依次对主要工序进度指标进行分析。

图1 单条隧洞钻爆法施工CYCLONE实施层模型

(1)开挖进度指标。

月进尺计算公式：

Lm=LDNc

(1)

式中：Lm为月平均进尺，m/月；L为循环进尺，m；D为每月有效工作天数，取26 d；Nc为日循环次数。

日循环次数Nc计算公式：

(2)

式中：T为开挖爆破作业循环时间。

掘进指标分析必须结合开挖方案，综合考虑钻孔、通风排烟、危石处理、出渣运输及初期支护等工序影响，根据围岩类别不同，按如下几种情况分析：

Ⅰ～Ⅱ类围岩炮孔设计深度为3.8 m，循环进尺按3.5 m考虑，全断面开挖，炮孔N=89孔、S=50 m2。

Ⅲ类围岩炮孔设计深度为2.8 m，循环进尺按2.5 m考虑，全断面开挖，炮孔N=89孔、S=53 m2。

Ⅳ类围岩炮孔设计深度为2.1 m，循环进尺按1.8 m考虑，分步开挖，炮孔N=89孔、S=55 m2。

Ⅴ类围岩炮孔设计深度为1.5 m，循环进尺按1.2 m考虑，分台阶开挖，炮孔N=89孔、S=55 m2。

各类围岩的掘进循环时间分析如表1所示。

根据隧洞开挖断面尺寸、地质情况等，并参考工程区附近区域类似工程施工经验，Ⅰ～Ⅱ类围岩、Ⅲ类围岩进尺分别为3.5、2.5 m，每天2个循环，理想情况下最多可达3个循环；对于Ⅳ～Ⅴ类围岩开挖采用“短进尺、弱爆破、强支护”的施工原则，Ⅳ类围岩洞段开挖，每天2个循环，循环进尺1.8 m；Ⅴ类围岩洞段开挖，每2天3个循环，循环进尺1.2 m。

表1 各类围岩正常施工条件下的循环时间分析表 min

根据有关计算公式及类似工程经验，本工程输水隧洞钻爆法开挖各类围岩爆破作业循环时间如表2所示。

表2 钻爆法开挖循环时间表

(2)喷锚支护工期。为在确保安全的前提下实现快速掘进，在围岩稳定性较好的洞段，仅作初期支护(喷混凝土和随机锚杆)，待掌子面掘进约20 m后，再安排系统支护与开挖平行作业，其系统支护所占用的时间完全可在掘进循环时间内完成。因此初期支护进度与掘进相同；系统支护滞后掌子面约20 m紧跟施工，其进度与掘进同步，基本不占直线工期。

(3)衬砌工期计算指标。主洞衬砌采用钢模台车衬砌，每个衬砌段长度为12 m。根据类似工程经验，每月有效工作25 d，混凝土衬砌循环时间计算如下。

t=t1+t2+t3+t4+t5+t6

(3)

式中：t为每一混凝土循环作业总时间，h；t1为准备时间，h，取2 h；t2为清基冲洗，h，取2 h；t3为测量放样，h，取6 h；t4为台车拆模、就位，h，取10 h；t5为浇筑混凝土时间，h，取10 h；t6为混凝土养护时间，h，取24 h；t7为架设钢筋时间，h，取12 h(可与混凝土初凝养护时间平行作业，不占用直线工期)。

则混凝土循环作业总时间=2+2+6+10+10+24=54(h)。一个循环54 h，每循环进尺12 m，每月工作有效天数按25 d计，每台衬砌台车衬砌月平均进尺约120～150 m，隧洞工期控制段主洞单工作面长约2.5 km(不含施工支洞长度)，为加快施工进度，拟布置2～3台钢模衬砌台车，则工期控制段单工作面合计衬砌进尺每月可达250～300 m。

(4)灌浆工期计算。本工程灌浆主要为回填灌浆和固结灌浆，回填灌浆在衬砌混凝土强度达到70%时开始，大致在拱顶90°～120°范围。根据工序安排，总体上灌浆滞后混凝土衬砌1～2个月后平行进行，衬砌混凝土回填灌浆完成7d后进行固结灌浆，考虑工序转换等因素，隧洞灌浆占直线工期2个月。

(5)支洞封堵工期。根据类似工程经验，施工支洞封堵为1个月，扫尾工作为1个月。

通过以上对施工组织方案的分析，基本获取了隧洞开挖进度仿真模型所需要的参数，满足了进度计算的要求。

4 进度仿真成果与分析

由于本工程进度仿真结果数据体系庞大，本文不便列出详细的成果数据，仅通过对施工总工期、钻爆循环进尺、出渣运输方式比选3个方面总结并分析进度仿真成果。

(1)施工总工期。在既定的施工方案下，按照“长洞短打”、“全面开花”的原则，不考虑政策处理、招投标等不确定性因素，进度仿真理论计算的工期约为40个月，其控制段为画坞口支洞及其控制段。说明现有的施工组织设计方案在施工支洞数量的设置和空间位置的选择上是合理的，满足初步设计阶段批复总工期42个月的要求，控制段与初步施工方案中的控制段一致。

考虑到实际施工过程中的不确定性与相关风险因素的存在，在做好相关地质条件预报与应急预案的前提下，除去政策处理及工程招投标等不可预见因素，千岛湖配水工程输水隧洞群施工工期可以控制在许可的范围内。

(2)循环进尺问题。在既定的施工方案下，Ⅰ～Ⅱ类围岩、Ⅲ类围岩、Ⅳ类围岩、Ⅴ类围岩的钻爆循环进尺分别为3.5、2.5、1.8、1.2 m。基于对目前钻爆法施工最新技术调研，通过优化爆破参数，循环进尺存在进一步提升的空间，各类围岩中的循环进尺分别可实现4.2、3.0、2.0、1.2 m。基于优化后的钻爆循环进尺，在其他参数一致的情况下，不考虑政策处理等不可预见因素的理想情况下，进度仿真理论计算的工期约为39个月。

因此，在千岛湖配水工程输水隧洞施工实践中，可通过现场生产试验，逐步调整与优化钻爆参数，在确保施工安全的前提下，部分洞段可根据实际情况加大在各类围岩中的循环进尺，提高效率，加快施工进度，为工程的早日运行投产创造条件。

(3)出渣运输方式比选。考虑到建成以后的隧洞用于输送千岛湖原水，届时将是杭州市饮用水的主要水源，对施工期及运行期的环保要求较高。

在前期设计阶段，考虑到如果采用自卸汽车出渣，将带入较多的汽车尾气、汽车各部位的漏油等环境污染要素，担心影响隧洞运行时的水质。因此，提出了采用有轨运输的构想[5]。

本项研究从进度仿真角度对有轨运输与无轨运输做了详细对比，经进度仿真计算结果表明，两者在工期上的差别不大，但无轨运输方案在施工过程中灵活度更高，对工期的保证性更强，同时考虑到到有轨运输成本相对较高，且运行管理的工作量较大，对运输轨道的运行管理有更为严格的要求。此外，如果采用天然气汽车或采用新购置的运输车辆，加强管理，采取一定的措施后可大幅降低油烟、漏油等的排放量，且在二衬之前通过高压水等方式对洞内污物进行彻底清洗，可有效减少对运行期水质的影响。因此，在本项目施工工期紧的条件下建议洞内无轨运输出渣方案。