武汉大学土木建筑工程学院 湖北武汉 430000
摘要：本文主要针对隧洞施工中竖井施工和斜井施工进行对比论证分析。
关键词：隧洞；竖井施工；斜井施工；论证
1前言
湖北省鄂北地区水资源配置工程是从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，向沿线城乡生活、工业和唐东地区农业供水，解决鄂北地区干旱缺水问题的一项大型水资源配置工程。有我单位负责施工唐县~尚市隧洞全长16.55km，隧洞横断面型式为马蹄形，过水断面净宽5.8m，开挖直径为6.8m~7.4m。隧洞上覆岩层厚度20～65m，隧洞埋深浅，围岩的完整性和稳定性差。其中Ⅲ类围岩长5.16km，占31.2%；Ⅳ类围岩长0.74km，占4.5%；Ⅴ类围岩长10.65km，占64.4%。
2原方案设计概况
《实施方案设计报告》中采用施工竖井方案，隧洞沿线共布置6个施工竖井，将隧洞分为7段，每段长度约2.4km。竖井断面为圆形，开挖直径7.2m，衬后直径6.0m，衬砌厚度为60cm。竖井偏离主洞25m，和主洞采用平洞相连。连接平洞衬后断面为6×5m的城门洞型断面。其中2#、4#竖井后期改建为永久的通风竖井，其他几个竖井后期封堵并采用石渣回填至原地面高程。
竖井断面型式、进出口高程、深度等具体情况详见表2.3.1-1。施工竖井与平洞总长408m。
本方案隧洞施工期间人员、设备、洞渣、材料进出均采用竖井起吊设备，隧道通风风管、施工电缆、风水管及排污管等均需布置在竖井内。
3方案优化原因
3.1竖井施工存在的不利因素
（1）本工程是鄂北最紧迫的民生工程，工期保证性要求高，竖井施工工效低
（2）输水隧洞线路长，施工工序复杂、相互干扰大
本标段输水隧洞长度16.55km，洞线长度较长，长隧洞开挖、支护及永久衬砌等施工工序相互交叉，干扰大，竖井施工不利于工序衔接。施工组织的效率面临较大挑战。
（3）地质条件复杂，围岩整体性较差，竖井的运输条件制约了支护施工的及时性
本标段输水隧洞沿线地质条件复杂，沿线穿越地层有含砾粉砂岩、粉砂质泥岩、白云纳长石英片岩、白云纳长片麻岩等。其中含砾粉砂岩和粉砂质泥岩岩石强度低、遇水易软化，开挖后必须及时支护，否则易造成坍塌。
（4）隧洞在桩号170+580处穿越F4断层，存在突水的可能，竖井施工对突发事故的处置存在严重局限性。
（5）竖井施工的提升设备一旦出现故障，整个隧洞将被迫全线停工，人员机械设备大量闲置，已开挖工作面无法及时支护，对工期、安全影响很大。
（6）竖井施工的提升设备长期处于饱和运行状态，设备运行的安全风险较大。
3.2斜井方案的优势
斜井施工能有效提高施工工效，大大提高施工工期的保证率；由于斜井交通运输的便捷性，也大大提升了对突发事故的应急处置能力，对施工安全的保证率大大提高了。尤其是本项目地质条件差，施工工序多，组织复杂，不确定因素多，工期紧张，因此提出斜井方案，有利于提高工作效率、保证工期、降低安全风险。
4优化方案设计
4.1施工斜井布置原则
唐县~尙市隧洞深埋于地表以下，主洞沿线地势较为平缓，施工竖井变更为施工支洞方案后，需先明线开挖降坡至满足进洞条件后、布置施工支洞通至引水隧洞。因此，根据引水隧洞布置特点和施工总布置规划情况，按如下原则进行施工通道布置：
①有利于保证和加快引水隧洞工程的施工工期，并根据施工强度合理布置施工通道数量；
②在不影响永久洞室稳定以及满足进洞条件的前提下，根据施工程序安排，尽量利用地势平坦、高程较低位置布置施工通道，缩短施工通道长度以减少施工支洞工程量；
③施工通道布置需考虑物料施工运输方向，以满足施工高峰期交通运输的需要，确保工程施工均衡、有序进行；
④尽量利用并结合永久渣场地形作为施工通道布置区域。
⑤施工支洞成洞净断面尺寸为6.0m×6.5m（宽×高），最大纵坡原则上控制在12%以内。
4.2工效对比分析
隧洞施工主要施工工序有：开挖支护工序（小导管施工、钻孔、爆破及排烟、出渣、锚喷支护、其他工序）；混凝土衬砌工序等，以1#竖井进行对比分析。见竖井运输效率与斜井运输效率对比表
竖井改为斜井后，洞内装载机直接装渣，不需要通过竖井转运，汽车直接运输至弃渣场。隧洞开挖支护单个工作面每个循环节约7小时。两个工作面一个循环可以节约14小时，可以实现单个工作面一天两个循环，日进尺超过3米，效率提高1倍。
施工支洞衬砌混凝土浇筑正常情况每小时20-30余方，6个小时能浇筑完毕。不影响开挖支护工作同时施工。隧洞衬砌单个工作面每个循环节约7小时。
通过斜井与竖井的工作效率分析，可以发现斜井有明显的进度优势，将竖井改为斜井后，可以保证整个隧洞施工的进度目标。
4.3施工难度对比分析
4.3.1竖井方案施工难度
（1）隧洞施工的施工材料及开挖出渣必须经过施工竖井，相比施工斜井，运输效率降低且运输难度大大增加；
（2）施工期间通风、除尘效果较平洞方案差、时间长；
（3）由于竖井深度深、直径小，所以施工安全隐患大于斜井施工方案；
（4）起吊设备连续高负荷运转状态下的维修成本加大，另外不可预估设备损坏造成的窝工损失增加；
（5）应急事故处理难度大，运行可靠度低。
4.3.2斜井方案施工难度
（1）由于施工通道总长度增加，斜井施工支洞支护工程量增大，施工期拉长；
（2）明挖量、洞挖方量增大，导致弃渣场用地、施工便道增加；
综合对比，斜井施工支洞方案运行可靠度高，施工工序容易安排、施工进度有保障，不用受制于垂直运输设备的正常运行与否，意外事故情况人员、设备容易撤离，安全性高。而竖井方案则在运行可靠度、安全、运输难度、安全性等方面处于劣势。
4.4施工安全对比分析
4.4.1竖井方案安全风险
（1）垂直运输设备风险
竖井作为主洞的运输支洞，承担隧洞全部人员与货物的运输工作，垂直运输设备长时间处于满负荷运行状态，在重载情况下，易出现电机烧毁、钢丝绳断裂、制动系统失灵等情况，发生高处坠落安全事故。
（2）设备及物资运输风险
竖井的断面D=6m，洞内开挖石渣、支护所有材料、设备、衬砌台车及衬砌混凝土全部要通过竖井进行运输，运输量巨大，出现运输能力达不到或运输不及时，洞内支护工序、混凝土供应停顿，增加了运输能力风险。
（3）人员垂直运输风险
根据国家相关安全规程，垂直运输要求做到人与货物分开运输，在狭窄的竖井中，难以布置满足要求的人员垂直运输通道，造成施工人员上下安全风险大。
（4）突发事故下的人员及设备撤离风险
竖井作为唯一通道，一旦主洞开挖过程中发生突水等特殊事故，很难做到人员与设备的第一时间撤离，人员逃生几率小。
4.4.2斜井方案安全风险
（1）在斜井方案中，洞内石渣用运输车直接通过斜井运至弃渣场，不用通过垂直运输设备倒运；其他设备及材料通过斜井自由进出，各施工工序都能及时的开展施工，有力的保证了洞内安全。
（2）施工操作人员及管理人员可以通过施工支洞自由进出洞内作业面，不用考虑垂直运输对人员上下的安全影响。
（3）一旦主洞开挖过程中发生突水等意外事故，洞内施工人员与设备可以做到第一时间撤离，人员及设备安全得到了保证；并且斜井方案可为后期处理突水等意外事故提供比竖井更加便利的条件。
4.5投资对比分析
按照投标阶段单价水平，竖井方案可比工程费用合计约980万元（施工竖井与连接平洞总长408m），6台套竖井提升设备费用及运行费用约509x6=3054万元。（设备采购、安装费167万，人员运行成本150万，电费192万）竖井方案可比总费用4034万元。斜洞方案工程费用合计约5870万元（施工斜洞总长1552m）。斜洞方案费用较竖井方案多5870-4034=1836万元。
5结论
（1）对工程进度和总工期的影响。
根据目前情况调整后的斜井支洞方案将显著提高主洞施工效率，大大提高了工程进度的保证率，对满足工程的进度和工期要求提供了有力的保障。
（2）本次调整后的斜井支洞方案，相比竖井方案更加有效了保证了施工人员及设备的安全，在应对突发情况时，应急处理能力明显增强。
斜井支洞方案进洞口及大部分洞身段地质条件差，因此施工难度也不小，但是斜井方案运行可靠度高，不用受制于竖井提升设备的正常运行与否，施工工效提高，施工人员和设备安全有了更多的保障，增强了突发事故时应急处理能力。
作者简介：
陶俊，男，1983年7月出生，武汉大学土木建筑工程学院。
论文作者:陶俊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/3
标签：竖井论文; 斜井论文; 隧洞论文; 方案论文; 设备论文; 工序论文; 人员论文; 《基层建设》2017年第21期论文;