向 建，殷本林，王 峻，王再強(qiáng)

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

0 引 言

我國大型水電工程多處于西部高山峽谷地區(qū)，且多為高壩，樞紐上下游的水位差極大，連接樞紐上下游的交通道路越來越多采用隧道的結(jié)構(gòu)布置形式，交通隧道上下游高差可達(dá)數(shù)百米，甚至上千米，其優(yōu)點(diǎn)在于隧道不僅可通過在山體內(nèi)的延綿爬升消化高差形成的陡坡，還可避免在地表修建道路對山坡坡面、植被環(huán)境造成破壞及形成地質(zhì)災(zāi)害，是一種對環(huán)境保護(hù)以及道路安全較為有利的道路結(jié)構(gòu)布置形式。隨著水電工程開發(fā)向西部的拓展，在高山峭壁地形條件下，水電站的水位落差將更大，某些巨型工程上下游的高差甚至高達(dá)2 000 m以上[1]，相對應(yīng)的連接樞紐上下游交通的道路高差也將更大，給交通道路的設(shè)計(jì)與建造帶來了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。

隨著公路建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，螺旋型展線交通隧道結(jié)構(gòu)布置形式出現(xiàn)，這種形式的隧道可理解為“地下盤山隧道”，即在山體內(nèi)隧道通過螺旋型展線的逐步上升，解決交通道路起止點(diǎn)的高差與距離之間的矛盾，可實(shí)現(xiàn)大高差起止點(diǎn)的平滑連接[2]。目前，國內(nèi)興建的螺旋型隧道有四川的雅西高速公路的干海子隧道[3]和鐵寨子1號(hào)隧道[4]，以全程固定的2.97%的坡度，完成326.79 m的爬升；建(個(gè))元高速公路咪的村隧道[5]左幅長3 903.62 m，右幅長4 003.62 m，隧道通過螺旋展線實(shí)現(xiàn)118.14 m高差的爬升；新晉高速公路[6]三層螺旋隧道橋群位于南太行山，海拔高度500～1 280 m，全長28 km，共有9個(gè)隧道，實(shí)現(xiàn)了780 m高差的爬升；延崇高速公路的金家莊特長螺旋隧道[7]左幅長4 228 m，右幅長4 104 m，通過螺旋展線實(shí)現(xiàn)了112 m高差的爬升。

螺旋型展線的交通隧道布置形式無疑對位于高山峽谷地區(qū)、河流上下游大高差水位的水電工程，提供了一種可行的樞紐上下游交通道路布置的解決方案。特別是采用連續(xù)性的多螺旋型隧道形式，可解決更大高差的道路連接問題。螺旋型展線交通隧道具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)縱坡平滑。隧道建設(shè)受到地形、地質(zhì)等條件的限制，利用自然展線或長大隧道都無法克服線路控制點(diǎn)間的高差時(shí)，螺旋隧道能根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造情況，靈活設(shè)計(jì)隧道的曲率和坡度，可消除復(fù)雜地形地貌的不良影響，在工程應(yīng)用上有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

(2)彎道平順。螺旋隧道具有更好的線形條件和滿足線形指標(biāo)的潛能，區(qū)別于一般的直線形隧道，螺旋隧道呈弧形走向，規(guī)避了盤山道路曲率小、急轉(zhuǎn)彎多，采用U形、S形、C形、V形或Z形等多種形式，解決了復(fù)雜彎道等線形不暢的問題。

(3)環(huán)境友好。由于螺旋型隧道位于山體內(nèi)部，與山腰線道路相比，不僅可避免地表開挖造成的植被破環(huán)[8]，還可避免地表邊坡?lián)p傷所造成山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。在雪山上，還可避免雪線的升高等問題[9]。

(4)運(yùn)行穩(wěn)定。交通隧道的運(yùn)行相較于地表腰線公路還具有結(jié)構(gòu)安全，不易受山體落石、滑坡、山洪、泥石流、雪崩等外界因素影響而造成的交通堵塞與癱瘓等優(yōu)點(diǎn)。

1 連續(xù)性多螺旋型隧道施工

1.1 施工方法

在巖體內(nèi)的隧道建造過程中，一般采用鉆爆法與TBM法施工。鉆爆法是采用鉆孔爆破的方式在隧道掌子面進(jìn)行破巖，通過裝載機(jī)、扒渣機(jī)等設(shè)備將爆破后的石渣運(yùn)送到水平運(yùn)輸設(shè)備上，再由水平運(yùn)輸設(shè)備將石渣運(yùn)到隧道之外[10]。而TBM法施工則是采用TBM在掌子面通過刀盤刀具全斷面破巖掘進(jìn)，并通過皮帶機(jī)將石渣運(yùn)送至隧道之外[11]。螺旋型隧道展線是長距離連續(xù)彎曲的，目前更適合采用鉆爆法施工。雖然目前已有部分工程采用了TBM法進(jìn)行彎曲隧道施工的實(shí)例[12]，但TBM法施工長距離螺旋形隧道尚在探索過程中。螺旋型隧道的施工除了面臨直線隧道施工的問題外，還存在施工測量放線通視條件差、通風(fēng)排煙更加不暢等問題。

隧道施工時(shí)，掌子面開挖石渣的水平運(yùn)輸通常采用不同動(dòng)力的車輛運(yùn)輸、皮帶機(jī)運(yùn)輸、有軌車輛運(yùn)輸?shù)确绞綄⑹\(yùn)至隧道外。而螺旋型隧道施工的石渣外運(yùn)受施工布置特點(diǎn)的影響，運(yùn)距通常會(huì)更長，成本也會(huì)更高。

1.2 隧道施工進(jìn)尺與石渣運(yùn)輸量的動(dòng)態(tài)關(guān)系

在一般情況下，石渣的動(dòng)態(tài)運(yùn)輸距離與隧道的動(dòng)態(tài)作業(yè)循壞進(jìn)尺成正比關(guān)系，隧道開挖的長度越長，則運(yùn)渣距離越遠(yuǎn)。假定在長度為L′的區(qū)段隧道單工作面作業(yè)中，第j個(gè)開挖作業(yè)循環(huán)進(jìn)尺長度為Lj，隧道的斷面面積為Sj，在該隧道段的作業(yè)循環(huán)次數(shù)為n(j=1，2，3，…，n)。在此隧道區(qū)間內(nèi)，運(yùn)出各作業(yè)進(jìn)尺段石渣的累計(jì)運(yùn)距L，可通過下式計(jì)算得出，即

L=L1+(L1+L2)+…+(L1+L2+…+Lj)+…+(L1+L2+…+Lj+Lj+1+…+Ln-1+Ln)

(1)

隧道第j個(gè)開挖作業(yè)循環(huán)進(jìn)尺所運(yùn)出的石渣體積

Vj=SjLj

(2)

如隧道各開挖循環(huán)進(jìn)尺相等，假定其進(jìn)尺長度為L0時(shí)，即Lj=L0，n=L/L0，則

L=L0(1+2+……+n)=L0(1+n)n/2=0.5L(1+L/L0)

(3)

在分析運(yùn)輸成本時(shí)，通?？刹捎眠\(yùn)輸?shù)摹皣崱す铩迸c其“耗費(fèi)單價(jià)”的概念做成本分析。假定石渣單位體積的質(zhì)量為ρ，若隧道斷面面積為常數(shù)S0，即Sj=S0時(shí)，在長度為L的隧道區(qū)段內(nèi)，其石渣運(yùn)輸?shù)摹皣崱す铩庇肕表示，則

M=ρVjL

(4)

即

M=(ρS0L0)L=(ρS0L0)[0.5L(1+L/L0)]=0.5ρS0L0L(1+L/L0)

(5)

2 連續(xù)性多螺旋型隧道石渣運(yùn)輸豎井溜渣抄道法

在螺旋型隧道的施工中，由于在地表布置交通道路與施工便道不可避免地對地質(zhì)及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生擾動(dòng)，造成對山體、植被、雪線等破壞，且難以恢復(fù)。為了發(fā)揮螺旋型隧道可避免地表盤山路開挖山體表面邊坡的優(yōu)點(diǎn)，在施工時(shí)宜盡量減少或避免在地表設(shè)置施工支洞及相應(yīng)的地表施工通道，然而卻會(huì)帶來隧道開挖作業(yè)面較少，開挖出渣運(yùn)距遠(yuǎn)，施工工期長等問題。本文提出的螺旋隧道施工新方法是，采用在螺旋型隧道施工過程中的適當(dāng)時(shí)間及適當(dāng)空間設(shè)置溜渣豎井[13]，并利用豎井溜渣的方式實(shí)現(xiàn)縮短出渣運(yùn)距，達(dá)到縮短施工時(shí)間、減小工序干擾、降低施工成本的目的。

2.1 溜渣豎井的布置與豎井的溜渣方式

由于螺旋型隧道展線為立體曲線，上下隧道存有設(shè)計(jì)高差，在其展線水平投影的交匯處設(shè)置溜渣豎井，可將高層隧道內(nèi)的施工開挖石渣通過豎井溜至低層隧道。這種抄近道的方式，可減少螺旋型隧道展線中閉環(huán)曲線段的運(yùn)輸距離，同時(shí)也可騰出其他工序的作業(yè)空間，減少隧道石渣運(yùn)輸與其他工序的干擾。連續(xù)型的螺旋隧道則依照以上原則連續(xù)布置多個(gè)溜渣豎井，可相應(yīng)縮短多段水平運(yùn)距，騰出多段非運(yùn)輸工序的并行作業(yè)空間，從而縮短工程整體工期。需要強(qiáng)調(diào)的是，設(shè)置溜渣豎井位置應(yīng)遵循在隧道展線水平投影交匯點(diǎn)附近布置的原則，由此豎井才可短距離穿透與貫通上下層隧道，成為該區(qū)間石渣運(yùn)輸?shù)淖疃掏ǖ馈?/p>

連續(xù)型螺旋隧道施工中，在設(shè)置溜渣豎井的情況下，由原來的從掌子面采用車輛將石渣直接運(yùn)送到洞口外的過程，改變?yōu)橐韵伦鳂I(yè)過程：①在掌子面，采用裝載機(jī)將爆破形成的洞渣裝至運(yùn)輸車輛上；②運(yùn)輸車輛將石渣經(jīng)隧道非閉合段運(yùn)至豎井井口；③車輛將石渣從豎井口卸渣，石渣經(jīng)過豎井溜渣至豎井井底的下層隧道，此過程即是抄近道的過程，省去了隧道閉環(huán)型弧線長度的運(yùn)輸距離；④裝載機(jī)在豎井井底將洞渣裝至車輛；⑤車輛將石渣運(yùn)至再下一層的豎井洞口卸渣，如此循環(huán)直至運(yùn)出隧道外。

連續(xù)螺旋型隧道平面展線、立體展線分別見圖1。圖1中，連續(xù)螺旋型隧道展線形成n個(gè)立體交叉點(diǎn)，展線在第i處立體交叉的水平投影交叉點(diǎn)，從立體上看為上下2個(gè)點(diǎn)，Di表示第i號(hào)豎井在低高程隧道的交叉點(diǎn)，Ui表示第i號(hào)豎井在高高程隧道的交叉點(diǎn)，i為交叉點(diǎn)的序號(hào)，為1，2，3，…，n。

圖1 連續(xù)螺旋型隧道示意

用直線連接點(diǎn)Di與點(diǎn)Ui，則該直線即為所設(shè)置溜渣豎井的軸線，其直線線段長度則為豎井深度，可用Hi表示，其值為隧道縱坡坡度與長度的乘積。

螺旋型隧道展線中閉環(huán)曲線長度越長，則縮短的車輛運(yùn)輸距離越長。因此，在設(shè)計(jì)布置隧道展線時(shí)，宜盡可能減少非閉環(huán)路徑的長度。交通道路的縱坡通常小于4%，如果某溜渣豎井的深度為100 m，且假定道路縱坡為連續(xù)坡度，則螺旋型隧道展線中閉環(huán)曲線長度至少為2.5 km，通過多段豎井溜渣所縮短車輛運(yùn)輸?shù)目傔\(yùn)距則更長。

2.2 溜渣豎井施工

在水電站工程引水發(fā)電系統(tǒng)的豎井與斜井施工中，通常采用反井鉆機(jī)施工技術(shù)，即在上平洞內(nèi)安設(shè)反井鉆機(jī)，先鉆導(dǎo)孔至下平洞，再利用導(dǎo)孔將鉆桿從上平洞的孔口伸至下平洞，在導(dǎo)孔孔底安裝擴(kuò)挖鉆頭后，自下而上擴(kuò)挖成溜渣井；而后采用鉆爆法自上而下將豎井?dāng)U挖至設(shè)計(jì)斷面，鉆爆出的石渣通過溜渣井溜至下平洞；再在下平洞隧洞將開挖石渣運(yùn)出[14]。為了避免堵井，也有在反井鉆機(jī)反擴(kuò)成溜渣井后，再用人工爆破擴(kuò)大溜渣井的斷面面積。此方法避免了正井法開挖施工中繁雜低效的垂直起吊石渣過程，提高了豎井施工的開挖效率[15]。目前，國內(nèi)豎井或陡斜井采用反井鉆機(jī)進(jìn)行施工，每延米豎井綜合施工效率可達(dá)1.5～2.5 m/d，具有工期短、施工效率高、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。在具體施工過程中，需要根據(jù)不同的地質(zhì)情況、鉆孔直徑、爆破參數(shù)等因素進(jìn)行合理的施工方案設(shè)計(jì)和實(shí)施，同時(shí)需注意安全措施的落實(shí)。

需要說明的是，在水電工程引水發(fā)電洞的豎井施工中，其直徑為引水發(fā)電洞的設(shè)計(jì)直徑；而螺旋型隧道施工所設(shè)置的溜渣豎井，其直徑需根據(jù)施工時(shí)采用的車輛的卸渣流量、石渣塊徑大小、石渣對井壁沖擊力以及對工作空間要求等因素而確定。溜渣豎井深度則取決于隧道展線的閉環(huán)長度、隧道道路縱坡坡度等因素。

螺旋型交通隧道施工的溜渣豎井，施工方法與上述方法相同，但工序則穿插于施工過程中，隧道施工與溜渣豎井施工是相互交融、互為前提的關(guān)系。

2.3 隧道施工出渣與豎井溜渣的工序關(guān)系

由于溜渣豎井是服務(wù)于螺旋型隧道開挖施工的，豎井長度雖相對隧道較短，但其施工則受到隧道施工進(jìn)程的約束。形成溜渣豎井施工的條件是在螺旋型隧道開挖至展線形成閉環(huán)后方可進(jìn)行豎井的施工；而溜渣豎井施工完成后才可進(jìn)行溜渣，從而實(shí)現(xiàn)石渣運(yùn)輸抄近道縮短運(yùn)距。在施工中豎井越早形成，對隧道開挖石渣運(yùn)輸?shù)淖饔迷酱?。工序間銜接的緊密程度直接影響縮短運(yùn)距的長短與經(jīng)濟(jì)效益的大小極其重要。根據(jù)圖1，連續(xù)螺旋型與溜渣豎井的施工主要工序關(guān)系為：

(1)開挖從點(diǎn)Ai-1至點(diǎn)Di隧道段，即將隧道開挖至第i號(hào)溜渣豎井底部，此段隧道展線為非閉合曲線。

(2)開挖從點(diǎn)Di至點(diǎn)Ui隧道段，即將隧道開挖至第i號(hào)溜渣豎井頂部，此段隧道展線為閉合環(huán)線。

(3)開挖從點(diǎn)Ui至點(diǎn)Ai隧道段，同時(shí)段施工第i號(hào)豎井，點(diǎn)Ai的位置決定于第i號(hào)豎井施工完畢時(shí)的時(shí)點(diǎn)。點(diǎn)Ai的以后的隧道洞挖石渣可通過第i號(hào)豎井溜渣，實(shí)現(xiàn)抄近道縮短運(yùn)距。

(4)在連續(xù)螺旋形隧道的施工中，根據(jù)以上所述，從點(diǎn)Ai的到點(diǎn)Ai+1隧道段的施工與上所述工序關(guān)系相同，后續(xù)工序亦與此同理。

連續(xù)性螺旋型隧道施工采用豎井溜渣法施工時(shí)，盡管通過抄近道縮短了石渣運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)距，節(jié)省了運(yùn)輸成本，然而卻增加了豎井的建造成本及渣料二次裝運(yùn)成本。只有在縮短運(yùn)距的效益大于上述成本時(shí)，才具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.4 石渣運(yùn)距與豎井施工的動(dòng)態(tài)關(guān)系

連續(xù)性螺旋型隧道開挖石渣的運(yùn)輸過程中，已開挖出的隧道實(shí)際上就是后續(xù)隧道開挖的運(yùn)渣通道，在設(shè)置溜渣豎井進(jìn)行溜渣抄近道的情況下，運(yùn)輸車輛可不經(jīng)過螺旋型閉環(huán)曲線段的隧道，以每個(gè)閉環(huán)曲線段的隧道為單元，可將整個(gè)隧道劃分成n個(gè)單元區(qū)段。第i段的長度，即點(diǎn)Ai-1到點(diǎn)Ai的距離為Li；n個(gè)閉環(huán)的連續(xù)性螺旋型隧道的總長為L0，即點(diǎn)A0到An的距離，則

L0=L1+L2+L3+…+Li+…+Ln

(6)

需要特別指出的是，在各個(gè)豎井未施工完成前，尚未形成溜渣的條件，該段隧道開挖石渣的運(yùn)輸距離無法通過豎井溜渣的方式縮短，如圖1所示的點(diǎn)Ai-1到點(diǎn)Ai段的隧道，其開挖的石渣無法通過第i號(hào)豎井溜渣抄近道縮短運(yùn)距，該運(yùn)距可表示為Li，此段隧道根據(jù)作業(yè)方式及形態(tài)可分為以下3段：

(1)第一段為初始段。隧道從起始點(diǎn)施工到i號(hào)豎井的底部坐標(biāo)點(diǎn)的距離，即圖中點(diǎn)Ai-1到點(diǎn)Di的距離，將此距離表示為Li1。

(2)第二段為環(huán)形段，隧道從i號(hào)豎井的底部坐標(biāo)點(diǎn)到對應(yīng)的豎井頂部坐標(biāo)點(diǎn)的距離，其隧道展線為水平投影交叉的環(huán)線，即圖中點(diǎn)Di到Ui的環(huán)線距離，其長度為Li2，第i號(hào)豎井并不能形成第i段隧道開挖石渣的溜渣條件，只能為此后隧道的隧道開挖的洞渣提供溜渣抄道的條件，即i號(hào)豎井只能為第i+1段至第n段提供溜渣條件。

(3)第三段為完成段。隧道從i號(hào)豎井的頂部坐標(biāo)點(diǎn)到隧道開挖繼續(xù)進(jìn)行到特定點(diǎn)的距離，該特定點(diǎn)根據(jù)隧道施工時(shí)間與豎井施工時(shí)間相同的隧道進(jìn)尺而定，即點(diǎn)Ui到Ai的距離，其長度為Li3。

從圖1可知，隧道的第i段長度Li=Li1+Li2+Li3。而通過第i號(hào)豎井的石渣省去的運(yùn)距則為第i段閉合曲線的長度Li2。螺旋隧道道路縱坡坡度可用α表示，假定螺旋隧道的閉環(huán)弧線段道路的縱坡坡度α為定值。螺旋隧道閉環(huán)弧線段長度Li2，豎井深Hi，縱坡坡度α的關(guān)系可表達(dá)為α=Hi/Li2，則采用豎井溜渣施工方法所減少的水平運(yùn)輸總距離Li2=Hi/α，隧道開挖石渣可通過第i號(hào)豎井的方量Vi=S0(L0-L1-L2-…-Li)。通過第i號(hào)豎井溜渣所節(jié)省運(yùn)輸石渣的噸公里數(shù)為

Mi=ρViLi2

(7)

在具有n個(gè)閉環(huán)曲線的連續(xù)螺旋型隧道施工中，通過n個(gè)豎井溜渣所節(jié)省運(yùn)輸石渣的總噸公里數(shù)為

M=ρS0L12(L0-L1)+ρS0L22(L0-L1-L2)+…+ρS0L2(L0-L1-L2-…-Li)+…-ρS0Ln2(L0-L1-L2-…-Li-…-Ln)

(8)

也可表達(dá)為

M=ρS0(H1/α)(L0-L1)+ρS0(H2/α)(L0-L1-L2)+…+ρS0(Hi/α)(L0-L1-L2-…-Li)+…-ρS0(Hi/α)(L0-L1-L2-…-Li-…-Ln)

(9)

2.5 石渣運(yùn)輸?shù)某杀居?jì)算

為計(jì)算方便，假設(shè)隧道單位方量開挖石渣的運(yùn)費(fèi)為C1元/(t·km)；單位深度豎井施工的成本為C2元/m；Hi為第i號(hào)豎井的深度；L0為隧道總長度；L為減少的運(yùn)距；Vi為隧道施工第i段進(jìn)尺的石渣方量；Si為隧道施工第i段的斷面面積；M為石渣運(yùn)輸?shù)睦塾?jì)噸公里數(shù)；P1為減少運(yùn)距的成本；P2為建造豎井增加的成本；P為運(yùn)距減少與額外增加的施工成本之差。連續(xù)性螺旋隧道施工的n個(gè)溜渣豎井累計(jì)深度為H。計(jì)算公式如下

H=H1+H2+…+Hi+…+Hn

(10)

P=P1-P2

(11)

P1=C1M；P2=C2H

(12)

P=C1M-C2(H1+H2+…+Hi+…+Hn)

(13)

當(dāng)P=0時(shí)，為成本平衡點(diǎn)，但因在環(huán)形段不進(jìn)行運(yùn)渣作業(yè)，騰出的隧道環(huán)形段的作業(yè)空間，可進(jìn)行諸如隧道襯砌等其他工序的施工，可加快隧道整體施工的速度，豎井溜渣方案仍具有意義。

3 結(jié) 語

螺旋型隧道是解決山區(qū)大高差水電工程樞紐聯(lián)系上下游交通的較好方案，具有不損傷地表邊坡巖體及破環(huán)植被，保護(hù)生態(tài)環(huán)境等明顯優(yōu)勢，連續(xù)性螺旋型隧道可解決更大高差的連接工程樞紐上下游交通的問題。

在螺旋型隧道環(huán)形展線水平投影交叉點(diǎn)布置豎井溜渣方法，可實(shí)現(xiàn)石渣的抄道運(yùn)輸，縮短施工出渣的運(yùn)距。同時(shí)，可騰出環(huán)形段隧道作業(yè)面，減少石渣運(yùn)輸與其他作業(yè)的工序干擾，合理穿插進(jìn)行開挖后續(xù)工序作業(yè)，加快隧道的施工速度，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。溜渣豎井的施工是與螺旋型隧道施工相隨相伴的，其工序的動(dòng)態(tài)銜接程度關(guān)系到運(yùn)渣成本。

螺旋型隧道豎井溜渣法的實(shí)施，需增加建造豎井的額外成本投入，通過本文所列計(jì)算公式可分析節(jié)省的運(yùn)輸成本與溜渣豎井建造成本的臨界平衡點(diǎn)。隧道環(huán)形閉合部分的展線越長，節(jié)省的運(yùn)輸成本越多。在隧道展線的設(shè)計(jì)布置中，宜盡量減少非閉環(huán)路徑的長度，增加閉環(huán)路徑。布置豎井對于螺旋線隧洞的延伸功能也具有顯著的作用，如施工臨時(shí)設(shè)施(風(fēng)水電)、皮帶機(jī)系統(tǒng)等，可有效節(jié)約相關(guān)成本投入。