引漢濟(jì)渭二期工程南干線3#輸水隧洞施工方案分析

劉 媛，馬清瑞

（1.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001；2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

引漢濟(jì)渭二期輸配水工程是引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，工程起點(diǎn)位于秦嶺輸水隧洞出口黃池溝，輸水范圍西至楊凌，東到渭南市華州區(qū)，北到富平，南至西安市鄠邑區(qū)，工程區(qū)東西長約163 km，南北寬約84 km。工程由黃池溝配水樞紐、南干線、北干線及相應(yīng)的支線工程組成，屬Ⅰ等大（1）型工程。

南干線3#隧洞位于西安市長安區(qū)境內(nèi)，隧洞全長8.18km，以明流隧洞方式穿越少陵塬，隧洞進(jìn)口位于潏河?xùn)|岸長安區(qū)杜曲鎮(zhèn)牛家灣村附近，出口位于浐河西岸長安區(qū)鳴犢鎮(zhèn)友聯(lián)村南側(cè)。設(shè)計(jì)流量18 m3/s，設(shè)計(jì)比降1/2500。

3# 隧洞上覆圍巖厚度 5.5～147 m，巖性為14○-1、16○-1 風(fēng)積黃土狀土夾古土壤，局部洞段為14○-2中粗砂，屬Ⅴ類圍巖，堅(jiān)固系數(shù)f=0.3～0.5，地下水位高于洞頂4 m～40.7 m，飽和度大于80%，屬飽和黃土隧洞。

2 施工方案

飽和黃土隧洞，由于長期受地下水浸潤，土體的穩(wěn)定性極差，開挖后毛洞不能自穩(wěn)，容易發(fā)生墻角流土、邊墻側(cè)移、頂拱坍塌等現(xiàn)象，破壞嚴(yán)重時(shí)，可造成隧洞頂部塌方、冒頂?shù)仁鹿?。因此飽水黃土隧洞施工難度極大，必須選擇合適的施工方案。本工程對(duì)3#隧洞采用常規(guī)法和采用盾構(gòu)法兩種方案進(jìn)行了綜合分析比較。

2.1 常規(guī)法施工方案

常規(guī)法以人工施工為主，輔以機(jī)械施工，遵循 “管超前、少擾動(dòng)、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、嚴(yán)治水、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測”的原則進(jìn)行施工。隧洞斷面采用圓拱直墻式，成洞尺寸為3.6 m×4.6 m（Q=18 m3/s），全斷面一次開挖成形，垂直掌子面掘進(jìn)，現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土襯砌，鋼模臺(tái)車澆筑，混凝土采用攪拌車運(yùn)輸，泵送入倉，振搗器振搗。為增加施工作業(yè)面及出渣要求，布置豎井一座，深125 m。

2.2 盾構(gòu)法施工方案

盾構(gòu)法施工，隧洞斷面采用圓形，內(nèi)徑4.4 m，采用管片拼裝式襯砌，管片厚度35 cm，管片環(huán)寬1.2 m，管片采用C50高強(qiáng)防水鋼筋砼。為滿足施工期通風(fēng)及檢修需要，布置豎井一座，深125 m。

盾構(gòu)機(jī)的選型是盾構(gòu)法隧洞能否安全、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、快速的建成的關(guān)鍵，一般可選用泥水盾構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)。地層滲透系數(shù)是盾構(gòu)選型的重要因素，當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)小于10-7cm/s時(shí)，可選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)系數(shù)在10-7cm/s和10-4cm/s之間時(shí)，既可選用土壓平衡盾構(gòu)也可選用泥水盾構(gòu)；當(dāng)滲透系數(shù)大于10-4cm/s時(shí)，宜選用泥水平衡盾構(gòu)。3#隧洞地層滲透系數(shù)小，約為2×10-7m/s，適合選用土壓平衡盾構(gòu)。根據(jù)地層的顆粒級(jí)配進(jìn)行選型，土壓平衡盾構(gòu)主要適用于粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土、粉砂層等粘性土層的施工；泥水平衡盾構(gòu)主要適用于礫石、粗砂區(qū)。3#隧洞黃土細(xì)顆粒含量多，宜選用土壓平衡盾構(gòu)，因此3#隧洞選用1臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

3#隧洞施工方案如下：盾構(gòu)機(jī)在隧洞出口進(jìn)行組裝、調(diào)試后，向上游方向掘進(jìn)至隧洞進(jìn)口，在進(jìn)口完成拆卸。為滿足盾構(gòu)檢修及更換密封止水等要求，在隧洞中部設(shè)置檢修豎井，同時(shí)作為施工通風(fēng)井。在盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)，進(jìn)行管片的拼裝和同步注漿工作以保證管片與圍巖之間密實(shí)。隧洞開挖渣料采用皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸至洞外后，采用自卸汽車運(yùn)輸至渣場。隧洞采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方式，在洞外放置風(fēng)機(jī)將新鮮空氣送至洞口，然后利用高強(qiáng)度風(fēng)管將新鮮空氣送至盾構(gòu)隧道機(jī)尾部。

3 施工方案比較

1）工程質(zhì)量

常規(guī)法施工采用人工或機(jī)械開挖，超欠挖控制難度大，且飽水黃土掌子面發(fā)生塌坍幾率大，含水地層現(xiàn)澆襯砌施工質(zhì)量難以保證，防排水施工質(zhì)量控制難度高。盾構(gòu)法施工對(duì)圍巖擾動(dòng)小，開挖斷面超挖量固定，周邊回填注漿易控制，且襯砌管片采用工廠化預(yù)制，機(jī)械化拼裝，襯砌質(zhì)量防水等級(jí)和質(zhì)量等級(jí)要求高，洞壁完整光滑美觀。

2）施工風(fēng)險(xiǎn)

常規(guī)法以人工施工為主，施工方法靈活，施工技術(shù)成熟，但當(dāng)洞室處在地下水位以下時(shí)，土的力學(xué)指標(biāo)嚴(yán)重降低，常規(guī)法開挖后易發(fā)生坍塌、冒頂?shù)仁鹿?，成洞困難，安全性差，施工降水是確保工程安全的關(guān)鍵。工程實(shí)踐表明，飽和隧洞施工降水效果較差，且部分地段降水措施難以實(shí)施，施工安全無法保證。陜西洛惠渠五號(hào)洞，巖性為Q1飽和黃土，因埋深大，地下水位高，土質(zhì)水穩(wěn)性很差，施工非常困難，自解放前至上世紀(jì)末，多次傳統(tǒng)方法施工屢遭失敗，直至2000年末采用簡易盾構(gòu)法施工才實(shí)現(xiàn)貫通。

盾構(gòu)法施工機(jī)械化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，施工人員數(shù)量少；隧洞掘進(jìn)、支護(hù)、襯砌等工藝均在盾殼的保護(hù)下進(jìn)行，減少了安全事故，避免了人員的傷亡，掘進(jìn)時(shí)，良好的集塵裝置、供風(fēng)系統(tǒng)以及封閉的操作室，使施工人員有了可靠的作業(yè)環(huán)境和安全保障

3）施工工期

常規(guī)法施工進(jìn)度受施工單位組織管理、作業(yè)能力以及地層條件限制較大，長距離小斷面飽水黃土地層開挖出渣工序繁瑣，作業(yè)效率低。根據(jù)地質(zhì)條件及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，初擬常規(guī)法施工月平均進(jìn)尺為50 m/月，施工總工期51個(gè)月。但常規(guī)法施工，受前期降排水效果及不良地質(zhì)洞段制約較大，實(shí)際施工進(jìn)度并不能準(zhǔn)確預(yù)估。

盾構(gòu)法施工自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，受地下水影響小，在相對(duì)單一地層施工進(jìn)度變化不大，工期可控。根據(jù)西安地鐵盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，初擬盾構(gòu)法月平均進(jìn)尺為300 m/月，由于盾構(gòu)機(jī)制造、運(yùn)輸、安裝、調(diào)試等施工準(zhǔn)備期較長，3#隧洞盾構(gòu)法施工總工期51個(gè)月。其中，盾構(gòu)機(jī)招標(biāo)、制造及運(yùn)輸12個(gè)月，組裝調(diào)試4個(gè)月，盾構(gòu)掘進(jìn)工期28個(gè)月，檢修2個(gè)月，拆卸2個(gè)月，工程收尾3個(gè)月。

4）工程投資

從投資上看：常規(guī)法施工直接投資約為22370萬元，單米投資約為2.73萬元。而盾構(gòu)法施工施工直接投資約為31197萬元，單米投資約為3.82萬元。若單純從工程造價(jià)角度考慮，運(yùn)用常規(guī)法施工要比采用盾構(gòu)法施工經(jīng)濟(jì)。但常規(guī)法施工，施工降排水費(fèi)用較高，后期排水費(fèi)用不好準(zhǔn)確估算，對(duì)不良地質(zhì)洞段工程處理費(fèi)用及不可預(yù)見的其他成本無法估計(jì)，工程實(shí)際投資與預(yù)算相差甚遠(yuǎn)。盾構(gòu)法造價(jià)相對(duì)較高，但3#隧洞長度超過8 km，盾構(gòu)可一次攤銷，且只要造價(jià)確定后，基本無變更，工程造價(jià)容易控制。

5）施工安全環(huán)保

常規(guī)法施工對(duì)圍巖影響大，安全程度較差，噪音大，粉塵多且施工產(chǎn)生的廢氣、廢水較盾構(gòu)法多；盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)配備有齊全的超前探測設(shè)備、灌漿封堵、大功率排水設(shè)備、初期支護(hù)施工設(shè)備，洞室環(huán)境較好，安全性較好。

3#隧洞兩種施工方案綜合比較見表1。

表1 南干線3#隧洞常規(guī)法與盾構(gòu)法綜合比較表

4 結(jié)語

南干線3#黃土隧洞埋深大，地下水位高，屬飽和黃土隧洞，采用常規(guī)法施工，施工降排水難度大，降水效果難以估算，施工安全、施工進(jìn)度、施工質(zhì)量均無法保障。盾構(gòu)法施工機(jī)械化程度高，對(duì)周圍環(huán)境影響小、施工快速優(yōu)質(zhì)高效、安全環(huán)保。綜上所述，南干線3#隧洞采用盾構(gòu)法施工是較優(yōu)的施工方案。