西干渠輸水隧洞施工規(guī)劃

馬超剛

(新疆兵團(tuán)建設(shè)集團(tuán)有限公司 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

1.1 簡(jiǎn)述

西干渠工程位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地的西北緣荒漠和半荒漠草原地帶，沿線共布置五條無壓輸水隧洞，屬2級(jí)建筑物，自東向西編號(hào)分別為 1～5號(hào)，總長(zhǎng)10.02km，直線布置。

隧洞由進(jìn)口明渠段、漸變段、洞身段和出口消力池、漸變段、出口明渠段組成。隧洞特征見表1。

表1 1～5號(hào)輸水隧洞特性表

1.2 地形地質(zhì)條件

西干渠地處區(qū)域構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，新構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱，沿線構(gòu)造不發(fā)育，工程區(qū)地震基本烈度為6度和小于6度。五條輸水隧洞主要穿越平臺(tái)和洼地相間的剝蝕起伏地貌單元，地層巖性相同，上覆第三系和第四系地層，其中第三系地層主要為砂巖、泥巖、砂礫巖等。第四系地層主要有砂礫石、礫質(zhì)砂土、坡積碎石土等。隧洞圍巖物理力學(xué)特征見表2。

表2 1～5號(hào)輸水隧洞圍巖物理力學(xué)特性表

續(xù)表

西干渠五條輸水隧洞沿線均為新生界第三系的厚層狀、層狀砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖等軟質(zhì)巖石，局部夾有團(tuán)塊狀泥巖和層狀砂巖透鏡體。巖石總體表現(xiàn)為弱膠結(jié)，干抗壓強(qiáng)度小于3MPa，飽和抗壓強(qiáng)度小于0.18MPa。泥巖為強(qiáng)膨脹巖體，具有剪切流變性和失水崩解性;而砂巖具有遇水崩解性和膠結(jié)差的特點(diǎn)。圍巖為Ⅳ～Ⅴ類，其穩(wěn)定性受含水量、不利節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面和膠結(jié)程度的影響較大。成洞條件和穩(wěn)定性主要受地形地貌、天然含水量、成巖作用的差異及地層的膠結(jié)程度等多種因素的控制，其次受少量節(jié)理、裂隙及裂隙水的影響。

1.3 氣象條件

西干渠工程地處準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣，屬大陸性寒溫帶及大陸性溫帶氣候。冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，晝夜溫差較大。工程區(qū)域內(nèi)典型氣候特征數(shù)值見表3。

表3 工程區(qū)典型氣候特征數(shù)值表

2 輸水隧洞施工規(guī)劃

2.1 施工特點(diǎn)

a.五條隧洞均位于準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣，附近無人無水無電，建筑材料及所有生產(chǎn)、生活物資由外部提供，施工條件差。

b.當(dāng)?shù)貧夂驉毫樱磕?1月～次年3月進(jìn)入低溫季節(jié)，多年年有效施工時(shí)間6～7個(gè)月，施工期較短。

c.五條隧洞沿線均為新生界第三系的厚層狀、層狀砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖等軟質(zhì)巖石，總體表現(xiàn)為弱膠結(jié)，圍巖為Ⅳ～V類，圍巖質(zhì)量和穩(wěn)定性差。

2.2 施工布置

五條隧洞沿線地形平坦，場(chǎng)地寬闊。由于隧洞進(jìn)出口位于地面20～30m以下，施工必須的生產(chǎn)設(shè)施(包括場(chǎng)內(nèi)交通、供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、照明設(shè)施、混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)、鋼筋加工廠、模板加工廠、水泥、油料、火工材料倉(cāng)庫(kù)和堆料場(chǎng)等)、生活設(shè)施設(shè)置在隧洞進(jìn)出口、施工支洞上部的階地平臺(tái)上。

除5號(hào)隧洞較短未設(shè)施工支洞，1～4號(hào)隧洞施工支洞布置特性見表4。

2.3 施工方案

綜合當(dāng)?shù)厥┕l件和圍巖地質(zhì)情況，五條隧洞均采取了“短進(jìn)尺、快支護(hù)、緊跟襯砌”綜合處理施工方案。

表4 1～4號(hào)隧洞施工支洞布置特性表

續(xù)表

2.3.1 隧洞開挖

基于對(duì)圍巖的認(rèn)識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、施工準(zhǔn)備等方面的原因，針對(duì)不同洞段的地質(zhì)條件，五條隧洞采取了不同的開挖方式，其中1號(hào)隧洞采取了上、下半洞法;2號(hào)、5號(hào)隧洞為導(dǎo)洞擴(kuò)挖法;3號(hào)、4號(hào)隧洞采取了全斷面法。原則上不允許爆破，采用風(fēng)鎬、小型挖掘機(jī)挖掘裝車，自卸車出渣。每循環(huán)進(jìn)尺控制在1～1.25m。

1號(hào)隧洞:分上、下斷面分層風(fēng)鎬掘進(jìn)，人工或0.4m3挖掘機(jī)裝“方圓”自卸車出渣，全斷面錨噴支護(hù)。上半部每循環(huán)進(jìn)尺1m約需13～15h。

2號(hào)、5號(hào)隧洞:采用下導(dǎo)洞掘進(jìn)二次擴(kuò)挖，煤電鉆鉆孔，人工裝藥，導(dǎo)爆管配合導(dǎo)爆索連網(wǎng)，火雷管起爆，光面爆破，緊跟支護(hù)。導(dǎo)洞為城門洞形，斷面尺寸(寬×高)3m×3m。每一循環(huán)工作內(nèi)容:布孔—鉆孔—裝藥—爆破—通風(fēng)散煙—支護(hù)—出渣—下一循環(huán)。

3號(hào)、4號(hào)隧洞:分進(jìn)口段、支洞段、出口段三個(gè)施工區(qū)四個(gè)作業(yè)面同時(shí)施工。采用短進(jìn)尺、少裝藥、密布眼、快循環(huán)的全斷面開挖爆破方案。電動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，光面爆破，導(dǎo)爆管分段延時(shí)起爆。40B柳工裝載機(jī)裝自卸汽車出渣。

2.3.2 臨時(shí)支護(hù)

根據(jù)五條隧洞Ⅳ～Ⅴ類圍巖中巖石膠結(jié)程度和穩(wěn)定性的不同，主要采用了適合不同隧洞段圍巖的五種支護(hù)方案:

對(duì)于膠結(jié)一般、基本穩(wěn)定的隧洞洞段，采取素噴混凝土和錨噴掛網(wǎng)支護(hù)兩種方案:素噴混凝土方案邊頂拱噴護(hù)C25混凝土厚10cm;錨噴掛網(wǎng)支護(hù)方案中邊頂拱素噴C25或C20混凝土厚3～5cm，頂部和拱腳以下1m范圍內(nèi)邊墻掛 φ8@250mm×250mm網(wǎng)筋，打長(zhǎng)2.5m、φ25徑向水泥砂漿錨桿，間距 1.0m，噴護(hù)厚10cm C25或C20混凝土。

膠結(jié)疏松、穩(wěn)定性差的隧洞洞段，采取輕型鋼拱架或鋼格柵支護(hù)方案:［12.6槽鋼或格柵拱架支撐巖壁，格柵拱架由3根φ25鋼筋構(gòu)成，斷面為三角形，底寬30cm，寬30cm，高20cm，φ25鋼筋縱向連接。每榀拱架間距1m，每榀拱架配7根2.5mφ22徑向錨稈，7根φ22固定鋼筋，頂部和拱腳以下1m范圍內(nèi)邊墻掛φ8@250mm×250mm網(wǎng)筋，噴護(hù)C25或C20混凝土厚15～20cm，或掛板模注C20混凝土。

膠結(jié)松散、不穩(wěn)定的洞段，主要采取重型鋼拱架管棚法:棚架為φ60×4mm鋼管，［12或I16工字鋼支撐，［12和［20槽鋼縱向連接，每榀工字鋼間距0.7～1.0m。開挖支護(hù)棚架3～5m后初噴C25混凝土厚3～5cm，頂部和拱腳以下1m范圍內(nèi)邊墻掛φ8@250mm×250mm網(wǎng)筋，打長(zhǎng)2.5m、φ25徑向錨桿，間距1.0m，噴護(hù)厚20cm C25或C20混凝土。

這些方案中，重點(diǎn)推行了采用“新奧法”設(shè)計(jì)施工的錨噴掛網(wǎng)支護(hù)型式。

2.3.3 混凝土襯砌

采用先底拱后邊頂拱和先邊頂拱后底拱兩種澆筑程序，跳倉(cāng)澆筑。由洞外拌和站攪拌或洞外拌和站拌干料，自卸汽車運(yùn)至洞內(nèi)(豎井)工作面攪拌機(jī)二次加水拌和，拼裝式組合鋼模板或鋼模臺(tái)車立模，30m3/h或60m3/h混凝土泵不間斷連續(xù)澆筑。

2.4 施工進(jìn)度

1號(hào)隧洞:1997年10月1日開始隧洞上半洞石方開挖，1999年6月28日隧洞結(jié)束襯砌。施工歷時(shí)21個(gè)月(含冬季)，平均月成洞95.2m。

2號(hào)隧洞:1997年12月8日出口小導(dǎo)洞(3m×3m)石方掘進(jìn)，1998年3月5日小導(dǎo)洞貫通，1998年4月20日開始擴(kuò)洞。平均月進(jìn)尺110m/月，最大月進(jìn)尺160m/月。1998年6月22日隧洞仰拱混凝土澆筑，1999年6月29日襯砌完成，1999年9月30日灌漿完畢。

3號(hào)隧洞:1997年9月16日主洞開始石方掘進(jìn)，1998年6月8日隧洞貫通，1998年6月17日隧洞襯砌開始，1999年7月14日襯砌完成。隧洞開挖日最高進(jìn)尺30m，月最高進(jìn)尺753m。隧洞襯砌日最高進(jìn)尺30m，月最高進(jìn)尺700m。

4號(hào)隧洞:1997年8月9日進(jìn)口開始掘進(jìn)，1997年10月30日出口進(jìn)洞，支洞于1998年2月14日開挖，5月1日開挖主洞。1999年3月1日隧洞全線貫通。1999年6月30日隧洞襯砌完成，1999年8月23日回填灌漿完畢。

5號(hào)隧洞:1997年10月28日開始導(dǎo)洞石方開挖，1998年3月25日導(dǎo)洞貫通，平均月進(jìn)尺140m/月，平均日進(jìn)尺5m/日。擴(kuò)洞工作于1998年4月1日開始，1998年10月28日完成，8、9、10三個(gè)月為施工高峰期，平均月進(jìn)尺150m/月，最大日進(jìn)尺10m/日。1998年7月15日隧洞襯砌開始，1999年6月29日隧洞襯砌完成。施工歷時(shí)20個(gè)月(含冬季)，平均月成洞95.2m?；靥罟酀{從1999年7月10日開始，1999年8月11日結(jié)束。

西干渠1～5號(hào)隧洞施工進(jìn)度特性見表5。

表5 1～5號(hào)輸水隧洞施工進(jìn)度特性表

3 一般和大塌方處理

施工過程中，五條隧洞先后發(fā)生大、中、小塌方197次，塌方數(shù)量43746m3。其中規(guī)模較大的塌方出現(xiàn)在1號(hào)隧洞、2號(hào)隧洞及4號(hào)隧洞。

3.1 1號(hào)隧洞

施工過程中共發(fā)生26次中小型塌方，1次特大塌方。1998年4月19日，D6+568～D6+524段發(fā)生特大塌方，塌方長(zhǎng)度44m，最大高度25m，體積7187m3。1998年6月13日～1998年10月16日1號(hào)隧洞針對(duì)特大塌方進(jìn)行了處理，處理方案如下:

a.在原支護(hù)基礎(chǔ)上，塌方兩端D6+568～D6+573和D6+520～D6+524段采取［12槽鋼和噴護(hù)混凝土加強(qiáng)支護(hù)措施，阻止塌方向上、下游相臨洞段發(fā)展。

b.原則上1～2m長(zhǎng)為一段清除上部塌體，拱腳處安裝槽鋼拱架，方木支撐，鋼拱上部安裝兩層25鋼筋，反向澆筑C25混凝土，拱頂處厚度為1.5～2.0m。

c.C25混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用［12槽鋼和I18工字鋼在其上部作扇形支撐。原則上0.5～1.0m支撐一排，再澆筑平均厚1m的C10混凝土。

d.上拱支護(hù)完成后，開挖下部塌體。塌體清除后立即安裝鋼筋混凝土預(yù)制柱，間距0.5～1.0m，柱間澆筑C20混凝土，以保證有足夠的穩(wěn)定性，支撐和傳遞上拱荷載。

e.下部塌方處理了5～10m段后，立即澆筑襯砌混凝土。

f.塌方段襯砌結(jié)束且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在地面上開挖兩條直徑1.5m的豎井至塌方上部空腔，由豎井回填C15輕質(zhì)混凝土。

3.2 2號(hào)隧洞

2號(hào)隧洞開挖過程中共發(fā)生塌方50多次，最大塌方段發(fā)生在1998年8月，H45+320～H45+370段塌方高度6m，1998年10月后進(jìn)行了處理。1999年3月5日，H45+320～H45+410段再次發(fā)生塌方，塌方高度超過12m，1999年4月8日處理完畢。處理方案如下:

a.由塌方兩端5m長(zhǎng)為一段清除塌體，然后安裝I18工字鋼拱架，［12槽鋼連接固定，反向澆筑C25混凝土，邊墻、拱頂處厚度為0.5～1.0m。

b.C25混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用［12槽鋼和I18工字鋼在其上部作縱橫向支撐直至巖壁，1.0m支撐一排，圍巖面掛φ8@250mm×250mm網(wǎng)筋，噴護(hù)C20混凝土厚15cm。

c.塌方段襯砌結(jié)束后，由預(yù)留孔洞回填C20輕質(zhì)混凝土。

3.3 4號(hào)隧洞

在開挖過程中大、中型塌方26次，其中特大塌方5次。隧洞H13+970～H13+996段發(fā)生三次大的塌方，分別發(fā)生在1998年2月5日、3月30日、4月30日，最后一次塌方冒頂;支洞與主洞交叉段于1998年9月1日發(fā)生大塌方;樁號(hào)H14+371～H14+400松散砂巖段于1998年12月14日發(fā)生特大塌方。

塌方洞段采取重型鋼拱架管棚法通過。開挖采用臺(tái)階法，I20工字鋼支撐巖壁，［12和［20槽鋼縱向連接，每榀工字鋼間距0.5～1.0m。棚架為φ114m×4m、φ89m×3.5m、φ60m ×4m、φ50m ×3.5m 鋼管，開挖支護(hù)3～5m后初噴3～5cm厚 C25混凝土，頂部和邊墻掛φ8@250mm×250mm網(wǎng)筋，打長(zhǎng)2.5m、φ25徑向錨桿，間距1.0m，頂拱噴護(hù)厚20cm C25或C20混凝土，邊墻澆筑20～50cm厚C25混凝土。

4 原因分析

西干渠五條輸水隧洞所處環(huán)境惡劣，困難重重，施工前后經(jīng)歷了多次圍巖塌方、變形等事件，施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資得不到有效的保證。仔細(xì)考慮主要有以下幾方面的原因:

4.1 軟巖認(rèn)識(shí)不足

西干渠五條輸水隧洞為厚層狀、層狀砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖等軟質(zhì)巖石，開工伊始參建各方認(rèn)為巖性單一、簡(jiǎn)單，對(duì)開挖后出現(xiàn)的砂巖和泥巖互層、團(tuán)塊狀泥巖、松散透鏡體、泥巖節(jié)理、巖體含水量的變化等缺乏足夠的重視。施工過程中的變形監(jiān)測(cè)表明，軟質(zhì)圍巖的變形前期緩慢，經(jīng)過一段時(shí)間的積聚后會(huì)出現(xiàn)突然的變化，隧洞二次塌方基本上多由此造成。

4.2 施工方案不合適

參建各方嚴(yán)重缺乏施工軟巖長(zhǎng)隧洞的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，采取了同硬巖隧洞基本一致的常規(guī)施工方法。主要表現(xiàn)在受進(jìn)度、報(bào)價(jià)方面的影響，隧洞開挖、支護(hù)、襯砌的施工程序不匹配，支護(hù)、襯砌不及時(shí);開挖采取了強(qiáng)爆破方式，嚴(yán)重?cái)_動(dòng)了圍巖;投標(biāo)時(shí)承包商的報(bào)價(jià)普遍偏低，支護(hù)方案簡(jiǎn)單且種類多，施工時(shí)雖然采取了鋼拱架支護(hù)方式，但間距偏大，剛度不足，噴護(hù)混凝土厚度偏薄;混凝土襯砌采取了先底拱后邊頂拱和先邊頂拱后底拱兩種方案，先底拱后邊頂拱襯砌方案不能及時(shí)支撐圍巖的變形。

4.3 缺少圍巖變形監(jiān)測(cè)

招標(biāo)階段僅要求承包商承擔(dān)施工期的常規(guī)安全監(jiān)測(cè)。受人員素質(zhì)、監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)質(zhì)量、施工干擾等因素制約，承包商的安全監(jiān)測(cè)流于形式，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)施工起不到有效的指導(dǎo)作用。

4.4 施工管理不到位

由于線長(zhǎng)點(diǎn)多，經(jīng)常發(fā)生業(yè)主、監(jiān)理及設(shè)計(jì)對(duì)承包商的施工監(jiān)管、指導(dǎo)不及時(shí)的問題。

面對(duì)施工過程中出現(xiàn)的種種問題，業(yè)主主要采取了兩種措施:?統(tǒng)一施工方案，重點(diǎn)在于支護(hù)方式和隧洞開挖、支護(hù)、襯砌的施工程序;?重新對(duì)隧洞支護(hù)方案進(jìn)行招標(biāo)。這些措施的實(shí)施，在施工中后期起到了良好的效果。

5 結(jié)論及建議

2000年7月1日西干渠工程正式完工，2001年5月1日～9月12日西干渠工程正式通水，截至2011年10月，西干渠已經(jīng)過了10年的運(yùn)行，最大通水流量45m3/s，輸水隧洞運(yùn)行正常，完全實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

通過西干渠五條長(zhǎng)距離軟巖輸水隧洞的三年施工總結(jié)，可供今后工程借鑒的經(jīng)驗(yàn)如下:

a.嚴(yán)格執(zhí)行“短進(jìn)尺、弱爆破、快支護(hù)、緊跟襯砌”的施工方案。施工前期安排必要的試驗(yàn)洞，通過試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)，優(yōu)化施工程序、方法、設(shè)備及進(jìn)度。

b.結(jié)合地形地質(zhì)條件，適當(dāng)加密軟巖隧洞的支洞數(shù)量，以應(yīng)對(duì)施工期出現(xiàn)的不確定地質(zhì)、施工問題。

c.對(duì)于長(zhǎng)距離軟巖隧洞臨時(shí)支護(hù)項(xiàng)目，在招標(biāo)文件中宜采取單價(jià)承包方式，利于施工期項(xiàng)目的管理。

d.圍巖變形監(jiān)測(cè)單獨(dú)設(shè)標(biāo)，由經(jīng)驗(yàn)豐富的承包商承擔(dān)安全監(jiān)測(cè)任務(wù)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)指導(dǎo)隧洞的施工。?