小浪底引黃工程2號(hào)隧洞土洞段施工方案比較

郝滿倉(cāng)

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

山西省小浪底引黃工程位于山西省運(yùn)城市，工程總體走勢(shì)為東南-西北向，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程庫(kù)區(qū)向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程。

山西省小浪底引黃工程任務(wù)是解決運(yùn)城市的鹽湖區(qū)、聞喜縣、絳縣、夏縣、垣曲縣五縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及城鎮(zhèn)生活、生態(tài)用水問(wèn)題。

工程由引水干線、灌區(qū)工程、工業(yè)和城鎮(zhèn)供水工程組成。引水干線主要建筑物包括輸水線路、進(jìn)水塔、地下泵站、調(diào)蓄水庫(kù)、連通洞和末端出水池。輸水線路布置有2條隧洞和1座箱涵。1號(hào)隧洞布置在進(jìn)水塔和地下泵站之間，樁號(hào)0+000~5+948，全長(zhǎng)5.948 km，為圓形有壓洞，洞徑4.5 m，縱坡1/3000。2號(hào)隧洞布置在地下泵站出水口至箱涵進(jìn)口，為無(wú)壓洞，全長(zhǎng)53.16 km，縱坡1/3000。隧洞出口至末端出水池間布置箱涵，樁號(hào)59+593.59~59+627.59，長(zhǎng)34 m，底坡1/3000，橫斷面為馬蹄形漸變至矩形。

2號(hào)隧洞樁號(hào)6+435.91~47+480.0段為巖石洞段，長(zhǎng)41.04 km，斷面采用城門(mén)洞形。樁號(hào)47+480.0~59+593.59段為土洞段，長(zhǎng)12.11 km，斷面形式根據(jù)開(kāi)挖方法的不同而采用圓形或馬蹄形。

土洞段隧洞埋深10～120 m，其中上游段5.25 km（樁號(hào)47+480~52+730）為砂礫石或含砂礫石土洞段，同時(shí)2.40 km（樁號(hào)47+480~49+880）位于地下水位以下15～90 m；下游段6.86 km（樁號(hào)52+730~59+594）為低液限黏土洞段，位于地下水位以上。

2 土洞段施工方案

根據(jù)目前施工水平，土洞段施工方法有兩種：人工開(kāi)挖法施工和盾構(gòu)法施工。

人工開(kāi)挖法施工的隧洞斷面為馬蹄形，頂拱半徑2.2 m，底拱和側(cè)底拱半徑4.4 m，盾構(gòu)機(jī)滑行段的頂拱半徑3 m，底拱和側(cè)底拱半徑6 m。一次噴錨支護(hù)厚0.15m，二次鋼筋混凝土襯砌厚0.40 m。

盾構(gòu)法施工的隧洞斷面為圓形，內(nèi)徑4.52 m，采用4+1四邊形管片襯砌，管片厚度為0.35 m，管片外壁與開(kāi)挖洞壁之間間隙0.12 m，隧洞開(kāi)挖斷面直徑為5.46 m。

經(jīng)多次調(diào)研以及專(zhuān)家咨詢，進(jìn)一步了解盾構(gòu)機(jī)的性能和掘進(jìn)技術(shù)，同時(shí)考慮工期要求，對(duì)該土洞段施工方案做了進(jìn)一步比較，提出三個(gè)方案，分述如下：

2.1 方案一：一臺(tái)可轉(zhuǎn)換模式盾構(gòu)機(jī)施工方案

該方案為初步設(shè)計(jì)階段擬定方案。隧洞末端1.09 km洞段因地層為濕陷性黃土采用人工開(kāi)挖，其余11.02 km洞段采用一臺(tái)可轉(zhuǎn)換模式的盾構(gòu)機(jī)施工。

盾構(gòu)機(jī)由隧洞出口進(jìn)洞，樁號(hào)52+730~58+500長(zhǎng)5.77 km低液限黏土洞段采用土壓平衡模式盾構(gòu)法施工，在樁號(hào)52+730處設(shè)檢修洞室，在檢修洞室處進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換；樁號(hào)47+480~52+730長(zhǎng)5.25 km混合卵石土夾級(jí)配不良砂層洞段（部分洞段洞頂以上最大水頭90 m）采用泥水平衡模式盾構(gòu)法施工，在樁號(hào)52+730處設(shè)15號(hào)排泥管路支洞，洞外設(shè)泥漿處理系統(tǒng)。在土巖分界線的巖石洞段樁號(hào)47+480處設(shè)拆卸洞室及14號(hào)施工支洞，盾構(gòu)機(jī)在拆卸洞室解體后沿主洞運(yùn)輸出洞。管片預(yù)制廠集中布置在隧洞出口，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)出渣及全線管片運(yùn)輸均由隧洞出口礦車(chē)平洞運(yùn)輸完成。

隧洞末端1.09 km人工開(kāi)挖洞段，在樁號(hào)58+850處設(shè)一條施工支洞，長(zhǎng)50 m。該洞段開(kāi)挖為3個(gè)工作面，每個(gè)工作面控制長(zhǎng)度平均為400 m左右，按綜合進(jìn)尺40 m/月計(jì)算，該人工開(kāi)挖洞段需要10個(gè)月挖通，從進(jìn)度上能滿足盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞時(shí)間的要求。方案一的平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 方案一平面布置示意圖

2.2 方案二：人工開(kāi)挖加一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)施工方案

樁號(hào)47+480~52+730洞段，洞長(zhǎng)5.25 km，地層主要為混合卵石土夾級(jí)配不良砂層，且部分洞段的地下水位較高，人工開(kāi)挖十分困難；而樁號(hào)52+730~59+594洞段，洞長(zhǎng)6.86 km，地層主要為低液限黏土，且全部位于地下水位以上，便于人工開(kāi)挖施工。

因此，樁號(hào)47+480~52+730洞段，采用一臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工。在樁號(hào)52+730設(shè)置一直徑15 m、深62 m的圓形豎井，作為盾構(gòu)機(jī)始發(fā)井，14號(hào)施工支洞處仍設(shè)置拆卸洞室。在始發(fā)井附近布置泥漿處理系統(tǒng)和管片預(yù)制廠。盾構(gòu)機(jī)排泥管道布設(shè)及管片運(yùn)輸均通過(guò)始發(fā)井完成。

樁號(hào)52+730~59+594洞段，采用人工開(kāi)挖，需設(shè)置3條施工支洞（其中15號(hào)施工支洞移位重新布設(shè)），在樁號(hào)53+850處設(shè)15號(hào)支洞，洞長(zhǎng)264 m，傾角19.3°；在樁號(hào)55+670處設(shè)16號(hào)支洞，洞長(zhǎng)376 m，傾角8.5°；在樁號(hào)57+667處設(shè)17號(hào)支洞，洞長(zhǎng)338 m，傾角9.5°。該段隧洞共設(shè)7個(gè)工作面，每個(gè)工作面控制洞長(zhǎng)為0.8~1.1 km（不含支洞長(zhǎng)度）。

2.3 方案三：兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)施工方案

根據(jù)工程地質(zhì)條件和盾構(gòu)機(jī)的類(lèi)型及其適應(yīng)性，本方案擬采用兩臺(tái)不同模式的盾構(gòu)機(jī)施工，即泥水平衡盾構(gòu)機(jī)和土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

在樁號(hào)47+480~52+730洞段，采用一臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工（同方案二的該段施工方案），掘進(jìn)長(zhǎng)度5.25 km。在樁號(hào)52+730設(shè)置一直徑15 m、深62 m的圓形豎井，作為盾構(gòu)機(jī)始發(fā)井，14號(hào)施工支洞仍設(shè)置拆卸洞室。在始發(fā)井附近布置泥漿處理系統(tǒng)。盾構(gòu)機(jī)排泥管道布設(shè)及管片運(yùn)輸均通過(guò)始發(fā)井完成。

樁號(hào)58+500~59+594洞段，末端長(zhǎng)1.09 km，因地層為濕陷性黃土采用人工開(kāi)挖（開(kāi)挖方法同方案一）。樁號(hào)52+730~58+500洞段采用一臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，掘進(jìn)長(zhǎng)度5.77 km。盾構(gòu)機(jī)由隧洞出口進(jìn)洞，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)井作為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的接收井，取消15號(hào)施工支洞。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的出渣及管片運(yùn)輸均由平洞運(yùn)輸完成。

統(tǒng)一在隧洞出口布置管片預(yù)制廠。

3 土洞段施工方案比較

各施工方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表1，從比較表中可知：

方案一施工安全，但工期相對(duì)比較緊張。

方案二人工開(kāi)挖段施工比較靈活，但施工期間可能存在不可預(yù)見(jiàn)的地質(zhì)問(wèn)題；控制工期的人工開(kāi)挖段施工工期比方案一縮短工期7個(gè)月（人工開(kāi)挖成洞月進(jìn)尺按40 m考慮），工程投資比方案一減少2 173萬(wàn)元。

方案三施工安全，不需要可轉(zhuǎn)換模式的盾構(gòu)機(jī)，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單和成熟，施工速度快，工期比方案一縮短14個(gè)月，但工程投資增加3 799萬(wàn)元。

從施工安全考慮，在工期滿足要求的情況下，還是采用方案一比較合適。

表1 小浪底引黃工程土洞段施工方案比較表

4 結(jié)語(yǔ)

從以上分析比較可知，工程施工方案的選取，不能僅從工程投資或施工工期單方面考慮，應(yīng)從施工安全、工程投資、施工工期等方面綜合分析研究后選取。