摘要：本文通过日照市沭水东调工程输水隧洞施工支洞的设计，分析提出了隧洞施工支洞设计过程中面临的难点和采取的对策
关键词：雨洪资源调配；沭水东调；施工支洞；支洞底坡；洞口位置
隧洞施工支洞设计是隧洞工程施工组织设计中的关键，施工支洞的合理选择，有助于增加施工工作面，减少施工干扰，改善作业面工作环境，加快工程施工进度。但是由于隧洞沿线地形条件复杂，合理设计施工支洞成为隧洞施工组织设计必须解决的问题。本文结合具有典型性的工程具体设计实践，分析支洞设计中面临的难题，并提出切实有效的解决方案。
沭水东调是《山东省雨洪资源利用一期工程实施方案》（2014～2016年）首批实施项目。日照市沭水东调工程为境内沭河流域和付疃河流域两大水系水资源优化配置工程，为“山东省沂沭河洪水资源利用工程”的先期实施项目，其基本任务是从日照市境内沭河流域三座大中型水库：青峰岭水库、小仕阳水库、峤山水库取水，通过工程措施调水入日照水库，并向向日照市城区供水，以缓解并逐步解决日照市区水资源短缺问题，实现供水区社会、经济和环境的可持续发展。
输水隧洞是沭水东调工程实现跨流域输调水的重要工程措施，也是施工周期最长、工程投资最大的环节。沭水东调工程隧洞，总长18.368km，断面型式为拱形：宽4.1m，直墙高3.3m，半圆拱直径4.1m，中心角为180度。
输水隧洞断面尺寸不大，根据主洞轴线情况和国内现有类似工程的施工经验，本工程隧洞采用钻爆法施工。隧洞总长18.368km，为满足工程进度及施工通风排烟要求，需要在隧洞沿线增设施工支洞。
根据《水工隧洞设计规范》（SL279-2016）规定“隧洞需设置支洞时，支洞的数目及长度应根据沿线地形地质条件、施工方法、对外交通情况、支洞间的隧洞工程量、方便出渣及工期要求。”结合规范规定和工程实践经验，长隧洞施工支洞设计时需要综合考虑隧洞沿线地形地质情况、外部交通条件，还要根据采取的施工方案、分段施工各施工段工作量和进度均衡的具体要求来综合分析、比较后加以确定。
支洞设计工作中不可避免的会面临以下设计难题：
一、如何确地支洞数量
不设置支洞或支洞设置过少，主洞开挖时必然后出现通风不畅、作业面排烟缓慢、洞内控制质量差、出差速度低下、衬砌支护效率不高等问题；而支洞数量设置过多又会增加工程开挖弃渣、大幅增加工程投资。因此支洞数量的选择既要合理控制投资增幅又要最大幅度的减少施工干扰加快施工进度。
根据工程经验,施工支洞间距一般为2～3km，各施工段进度应相对平衡。根据这一要求，本工程输水隧洞18.368km，需要分6～7段，相应施工支洞数量5～6个。根据输水隧洞沿线地形以及附近现有的村落、塘坝等具体条件，经分段布置分析比较，最终施工支洞数量确定为6个。
二、支洞纵断设计
支洞纵断设计内容为：底坡、洞口、主支洞交点、洞轴线、支洞断面。
1、根据底坡坡度的不同，常用施工支洞分为竖井、斜井和平洞三种形式。竖井、斜井和平洞相比，虽然洞身长度较短，开挖、支护工程量较小，但是洞身开挖、出渣、支护难度大、施工进度慢，后期主洞出渣、支护速度低，工期要求较长，同时竖井、斜井施工期安全隐患要多于平洞；此外，工程建成后，平洞亦可作为检修及清淤通道，便于后续管理运用。最终施工支洞采用平洞型式。平洞底坡既要有效控制支洞开挖支护工作量，还需要满足弃渣运输机械行驶坡度要求。根据国内外多年工程经验，施工支洞底坡按9%控制，最大底坡不大于14%。
2、洞口位置选择
考虑到安全文明施工要求，洞口应远离居民区，可以减少施工对居民生活区的影响；有条件时还应远离塘坝、养殖场、种植大棚、经济苗木、耕地等，可以减少施工对现有设施及生产活动的影响。
洞口选址宜选择地势较陡峭的山坡附近，可以减少洞脸开挖工作量；洞口应避免选择覆盖层或风化岩层较厚处，减少洞脸开挖量和洞口段支护工作量。
洞口的位置应选择在隧洞轴线两侧地势较低的一侧，如此可有利于降低支洞底坡坡度，缩短支洞洞长；支洞洞口宜靠近现有交通道路，便于进料和出渣；洞口附近应有布置临时设施的场地条件；洞口附近应有良好的导流、排水条件，避免施工期洪水倒灌进洞对施工造成安全隐患，可有效降低工程导流、排水措施费用。
根据工程经验，洞口应避开冲沟位置，因冲沟处岩层多较为破碎，地质条件不佳，该地层条件下成洞难度大，且成洞后需要加强支护，衬砌、支护投资较高。
3、主支洞交点的选择
主支洞交点的选择直接影响到隧洞各施工段分段情况。交点位置的确定，隧洞主洞各段长度、工作量均能随之确定。不论从规范要求还是施工工期进度的实际需要，主支洞交点的选择都应该围绕着平衡各施工段工作量和进度来进行。
因此在选择主支洞交点前，需要对主洞沿线工程地质情况进行分段统计，针对各段围岩类型及相应的开挖速度，结合拟定的支洞数量，动态分析计算各段施工进度情况，可初步选定主支洞交点位置的大致范围。
除上述分段工作量和进度要求外，主支洞交点的选定还需要考虑到主、支洞轴线交角不宜偏小，以免对锐角侧主洞的出渣造成困难。
4、洞轴线的选择
一般而言，当支洞洞口位置及主支洞交点位置确定后，支洞洞轴线也相应能确定，洞线原则上应采取直线型式。但若遇有下述情况，需进行相应的调整。
支洞底坡过大，不满足机械运输要求，需要增加洞线长度。
支洞洞轴线与主洞轴线交角偏小，需要在主支洞交点位置附近局部调整支洞轴线。
支洞轴线附近局部地层破碎、稳定性较差，如绕行支洞轴线增加幅度有限，可采用绕行方案进行调整，否则应对支洞洞口和主支洞交点进行重新选择后再确定支洞轴线。
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支洞轴线附近地表有水库、塘坝或有山泉出露，且洞身与水库、塘坝间岩层厚度有限时，需要调整洞轴线避开，以免支洞开挖爆破对其产生永久影响。根据类似工程施工反馈情况，支洞乃至主洞轴线经过水库、塘坝，施工时及工程完工后，沿线水库、塘坝易出现水位持续下降乃至干涸的情况，经观测分析，原因主要是隧洞爆破开挖扰动了水库、塘坝底部岩层，破坏了其隔水层，导致或加剧了渗漏情况的出现。
5、支洞断面选择
根据《水工隧洞设计规范》（SL279-2016）规定“5.3.3隧洞横断面的最小尺寸应符合下列要求：1、采用钻爆法施工时，圆形断面的内径不宜小于2.0m；非圆形断面的最小高度不宜小于1.8m，宽度不宜小于1.5m”。除此以外，支洞断面的选择需要根据主洞开挖强度、施工机械及专用设备的净空要求、洞内辅助设施（通风、排水及供水等）所占空间等方面的具体要求来综合选择确定。
本工程采用无轨运输方案出渣，出渣机械采用自卸汽车。根据已建工程经验，无轨运输方案常用的施工支洞断面型式有拱形和马蹄形，考虑到主洞采用拱形断面，支洞断面型式采用拱形：宽4.1m，直墙高3.3m，半圆拱直径4.1m，中心角为180度。
三、开挖渣料处理问题
工程建设需要避免或最大程度的减轻对项目区自然、生态环境的影响，这是项目设计和施工时必须遵守的准则。
隧洞开挖施工客观上必然产生大量的石渣，如此大量的石渣运出隧洞后如何处理是在施工组织设计乃至工程主体设计阶段必须考虑到的问题。 石渣处理方案大致有以下几类：
1、规划统一弃渣场
由于开挖渣料全部外运弃置，此方案需要在设计阶段与建设单位、国土部门充分沟通，并需要调查落实当地土地现状，摸清并落实规划弃渣场的具体位置、弃渣容量及土地类型等情况。
渣场规划时应当考虑弃渣运输及弃渣后渣场对周围环境及村民正常生活、生产的影响。
渣场的弃置方式、堆渣高度、排水及防护设施需要满足相关要求并应完成评估。
此方案弃渣占地多，渣场影响范围大，实施难度大。
2、就近填平废弃坑塘
填平坑塘一方面可以解决渣料弃置问题，同时还可以通过对废弃坑塘的填平并结合后期相应的复垦措施，做到变废为宝，增加耕地面积，造福附近村民的效果。
充分利用工程沿线现有废弃坑塘是在工程主体设计及支洞洞线、洞口位置选择时应当结合考虑的内容。但是，工程区附近坑塘并不一定能满足项目建设弃渣需要，多余开挖渣料仍需征地弃置，项目设计时需要结合渣场选择一并规划设计。
3、渣料二次利用
二次利用是针对满足混凝土粗细骨料质量要求的开挖石渣，进行加工后用于隧洞洞内衬砌支护。此方案可以有效减少最终弃渣量，减少弃渣占地，大大降低弃渣的影响。
一般在隧洞进出口及施工支洞洞口附近设置砂石料加工系统，主支洞开挖出来的渣料运至洞口砂石骨料加工系统附近堆放，作为砂石骨料加工原料。
此方案洞口处需有满足设置砂石加工系统需要的条件场地。同时由于现场加工骨料，应合理安排隧洞开挖和骨料加工工序，做好砂石料加工场原料储备及成品骨料储备，以减轻现场骨料加工对隧洞衬砌支护施工进度的影响。
骨料加工后的剩余料及废料需要规划弃置方案，或就近填平坑塘或外运之规划料场弃置。
对于隧洞沿线场地布置条件良好且洞身开挖石渣质量满足骨料加工要求的项目，应充分论证渣料二次利用方案。
4、渣料运至现有砂石加工场
施工时在隧洞进出口及支洞洞口附近设置临时转运场，洞内开挖石渣运至临时转运场后在利用洞外运输机械运至砂石料加工场。施工单位不再负责石渣的加工。隧洞衬砌支护所需混凝土骨料外购解决。
此方案要由于二次利用方案，一方面可以减少现场设置砂石料加工系统所需的占地，另一方面施工时施工单位不再自行加工骨料，施工工序简化，有利于减少工序干扰，提高施工进度，最后工程所需粗细骨料均有正规骨料加工场购买，骨料进度有保障。最重要的是隧洞弃渣问题解决，项目不需要征地弃渣，项目实现无弃渣。弃渣影响为零。
工程设计阶段应当调查并落实当地砂石料加工场的生产能力和具体位置，确保施工期间渣料能在较短时间内及时外运，保证洞内出渣、工程顺利进展。
5、其他
施工时可以根据当地规划建设项目对于石渣需求情况，并根据工程施工进度条件，考虑利用开挖石渣作为其他建设项目基础填筑材料的可行性。
当然，由于项目设计和实施的时间差异，以及规划项目的不确定性，设计阶段在选择石渣外运用于其他工程时需要慎重。以免后续情况发生变化时，导致项目投资超概、渣料无法处理，项目无法进展的后果。
雨洪资源利用是我省缓解水资源短缺问题的重要战略措施。雨洪资源调配通过跨流域调水可以实现雨洪水资源空间上的再分配，可以有效缓解地区性水资源短缺问题。《山东省雨洪资源利用一期工程实施方案》（2014～2016年）将沂沭河洪水调配东线工程（即沭水东调工程）等三项雨洪资源调配工程作为雨洪资源利用一期工程实施项目，体现了雨洪资源调配工程的重要性。
今后随着当地经济社会的发展，国内各地水资源短缺问题将日益明显，雨洪资源跨流域调配工程将会发挥日益显著的作用，而作为跨流域调水措施的输水隧洞工程也必然会逐步增多。
本文通过沭水东调工程输水隧洞施工支洞的设计工作，分析总结隧洞施工支洞设计中面临的难点和解决思路，以期有助于今后同类型项目的具体设计工作的开展。
作者简介：栾荣章（1979-06），男，汉族，江苏泰州，工程师，在职工程硕士，水利工程施工组织设计及投资编制
论文作者:栾荣章
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/25
标签：隧洞论文; 工程论文; 骨料论文; 轴线论文; 洞洞论文; 洞口论文; 交点论文; 《基层建设》2017年第10期论文;