穿黃隧洞工程開挖施工技術(shù)應(yīng)用分析

周鳳才，朱海亞，史福全

（1.南水北調(diào)東線穿黃工程北區(qū)建管局，山東聊城 252000；2.中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066）

1 工程概況

南水北調(diào)東線穿黃隧洞工程屬國家重點(diǎn)工程，位于山東省東阿縣位山村和東平縣解山村之間。隧洞上方筑有黃河大堤，洞頂距黃河水面約70 m，在樁號(hào)6+750部位發(fā)育有F5斷層，直通黃河底部，該部位巖層厚度為38.53 m，僅為開挖洞徑4倍左右。隧洞穿越巖層構(gòu)造發(fā)育，共有斷層13條，產(chǎn)狀多為北東走向，陡傾角，寬度在0.5～3.0 m之間，均通向黃河底部。圍巖以Ⅳ類圍巖為主，圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，探洞開挖期間發(fā)生過大量滲水、涌水，水量達(dá)到200 m3/h。隧洞按100 m3/s進(jìn)行設(shè)計(jì)，為有壓圓形隧洞，開挖洞徑8.9～9.5 m，洞長585.38 m。隧洞包括南岸豎井、過河平洞、北岸斜井及進(jìn)、出口埋管，其中豎井段實(shí)長82.25 m、平洞段實(shí)長307.17 m、斜井段實(shí)長166.03 m（角度20°）。

2 方案簡述

穿黃隧洞工程埋深淺、地質(zhì)條件復(fù)雜、斜洞段工程坡度20°，并位于黃河大堤底下，因此面臨如何確保開挖施工安全、施工中鉆機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)及出渣方式三大難題。經(jīng)過反復(fù)論證，中國水利水電第五工程局有限公司提出采取車載自制鉆機(jī)平臺(tái)鉆孔分上、下層錯(cuò)臺(tái)階兩次開挖成型的施工方法，如圖1所示。出渣方式采用JTK1.8×1.6礦用絞車+平板臺(tái)車+自卸汽車出渣。

3 鉆機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)

結(jié)合隧洞開挖斷面及爆破開挖施工方法，鉆機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)構(gòu)成斜洞段工程的施工難點(diǎn)。經(jīng)綜合考慮，按照開挖斷面結(jié)構(gòu)尺寸自制伸縮型車載鉆機(jī)平臺(tái)兩層，利用出渣系統(tǒng)行走進(jìn)行斜洞段工程爆破孔鉆孔施工，底部墊渣50～100 cm便于平板臺(tái)車行走。待到平洞后將鉆機(jī)平臺(tái)加高一層，直接利用汽車在平洞內(nèi)行走進(jìn)行鉆孔施工。如圖2所示。

4 炮孔布置及爆破參數(shù)選擇

4.1 炮孔布置

結(jié)合穿黃隧洞工程實(shí)際情況，炮孔布置如圖3所示。

4.2 爆破參數(shù)選擇

4.2.1 上臺(tái)階開挖

（1）炮孔直徑：d＝42 mm。

（2）炮孔深度：L＝1.65 m。

（3）炮孔數(shù)目：N＝84。

（4）單位炸藥消耗量：q＝14/30.46+0.8＝1.26 kg/m3。

（5）每循環(huán)炸藥總量：Q＝qSLη，η為炮孔利用率，一般為0.8～0.95,本設(shè)計(jì)取0.9。Q＝qSLη＝56.99 kg。

4.2.2 下臺(tái)階開挖

（1）炮孔直徑：d＝42 mm。

（2）炮孔深度：L＝1.65 m。

（3）炮孔數(shù)目：N＝71。

（4）單位炸藥消耗量：q＝14/32.58+0.8＝1.23 kg/m3。

（5）每循環(huán)炸藥總量：Q＝qSLη，η為炮孔利用率，一般為0.8～0.95,本設(shè)計(jì)取0.9。Q＝qSLη＝59.51 kg。

4.2.3 周邊爆破孔藥量計(jì)算

（1）最小抵抗線：W＝7～20 d，炮孔直徑42 mm。本工程最小抵抗線取70 cm。

（2）炮孔間距：a＝（0.6～0.8）W，本工程炮孔間距取50 cm。

（3）根據(jù)“4.2.1上臺(tái)階開挖”及“4.2.2下臺(tái)階開挖”爆破藥量計(jì)算得知，上臺(tái)階爆破單位炸藥消耗量1.26 kg/m3和下臺(tái)階單位炸藥消耗量1.23 kg/m3。

（4）周邊孔平均炸藥用量：上臺(tái)階：qp＝awlp(0.5～0.9)q＝0.36～0.65 kg，本工程取0.45kg。下臺(tái)階：qp＝awlp（0.5～0.9）q＝0.36～0.64 kg，本工程取0.50 kg。

4.2.4 輔助孔平均炸藥用量

（1）底板孔。上臺(tái)階底板孔設(shè)計(jì)14個(gè)，底板孔炸藥量：qf＝（1.1～1.2）Q/N。本工程設(shè)計(jì)取0.75kg/孔。下臺(tái)階無底板孔。

（2）輔助孔。輔助孔平均藥量qn＝〔Q-（qcutNcut+ qpNp+qfNf)〕/〔N-（Ncut+Np+Nf）〕。上臺(tái)階輔助孔平均藥量：qn＝0.98 kg，下臺(tái)階輔助孔平均藥量：qn＝1.14 kg。

（3）崩落孔。崩落孔裝藥量按炮孔裝藥系數(shù)η＝0.7～0.75計(jì)算。故崩落孔上臺(tái)階藥量 0.68～0.74 kg，本工程取0.70 kg；下臺(tái)階藥量0.78～0.86 kg，本工程取0.80 kg。

5 出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合穿黃隧洞施工特點(diǎn)，綜合考慮既適用斜洞段工程也適用平洞段工程出渣，經(jīng)過反復(fù)研究采取JTK1.8×1.6型15 t礦用絞車+平板臺(tái)車+自卸汽車出渣，利用挖掘機(jī)裝渣的方式進(jìn)行裝渣，如圖4所示。待開挖渣料運(yùn)出洞外后，直接運(yùn)至棄料場，既可避免2次倒運(yùn)，節(jié)約成本，同時(shí)提高了出渣效率。

6 開挖效果分析

（1）結(jié)合大堤觀測單位對(duì)黃河大堤進(jìn)行爆破震動(dòng)觀測試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度未超過1 cm/s。實(shí)測的振動(dòng)波形具有典型的爆破震動(dòng)特性，波幅衰減較快，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，一般為0.5 s左右。其中，施工區(qū)靠近振源40 m處振動(dòng)速度相對(duì)較大，水平向和豎直向最大值達(dá)到3.6 cm/s左右，但未超過安全震速，說明為有效減小爆破震動(dòng)，可確保黃河大堤安全。

（2）對(duì)多點(diǎn)位移、收斂變形及錨桿應(yīng)力觀測數(shù)據(jù)采集與分析如下：位移最大變化為0.093 mm，收斂變形最大為0.314 mm，錨桿應(yīng)力最大變化為4.961 MPa，均在合理的變化范圍內(nèi)，說明確保了隧洞本身的安全。

（3）對(duì)爆破后塊石粒徑、爆后堆渣、爆破面平整度、預(yù)裂孔殘留半孔等分析如下：爆破后塊石粒徑適中，爆堆均勻。邊坡預(yù)裂面平整度經(jīng)現(xiàn)場測量均在± 15 cm之內(nèi)，半孔率達(dá)85%以上，殘留預(yù)裂孔分布均勻，孔壁無明顯的爆震裂隙；底部沒有難以挖掘的殘留巖埂，說明爆破效果良好。

（4）對(duì)效率分析如下：采用車載鉆機(jī)平臺(tái)節(jié)省了鉆機(jī)平臺(tái)搭設(shè)時(shí)間，主要靠礦用絞車或自卸汽車自身行走，節(jié)約時(shí)間約2～3 h。同時(shí)，采取上述出渣方式避免了洞外2次倒運(yùn)時(shí)間，相比較而言節(jié)約1～2 h。共計(jì)效率可提高3～5 h。

7 結(jié)語

通過文中開挖施工技術(shù)在南水北調(diào)東線穿黃隧洞工程中的應(yīng)用，不僅可確保黃河大堤、隧洞本身的安全，同時(shí)確保了開挖效果，提高了開挖效率，為穿黃隧洞施工創(chuàng)造了安全與社會(huì)效益，也為穿黃隧洞的順利貫通提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)可在以后類似工程中推廣應(yīng)用。