引洮供水二期工程總干渠23號(hào)隧洞施工方案研究

劉峻嘉 吳建東

(1.甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

引洮供水二期工程是國(guó)務(wù)院確定的全國(guó)172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，從洮河流域調(diào)水到嚴(yán)重干旱缺水的甘肅省中部干旱地區(qū)[1]?？偢汕O(shè)計(jì)引水流量20m3/s，加大引水流量為22.52m3/s。2030年二期工程供水量為3.13億m3，受水區(qū)總?cè)丝谶_(dá)到267.76萬(wàn)，新增灌溉面積29.2萬(wàn)畝。輸水渠(管)線(xiàn)工程中，隧洞長(zhǎng)度占渠線(xiàn)長(zhǎng)的64.57%，所占比例較大，尤其是總干渠隧洞占比高達(dá)94.02%。隧洞設(shè)計(jì)橫斷面多按施工控制斷面設(shè)計(jì)，單洞長(zhǎng)度超過(guò)3km的長(zhǎng)隧洞有32座，超過(guò)10km的特長(zhǎng)隧洞有2座，分別是總干渠16號(hào)馬河隧洞和23號(hào)東正川隧洞，其中23號(hào)東正川隧洞長(zhǎng)10461.45m，穿越黃土低中山丘陵區(qū)及華家?guī)X中山區(qū)，存在施工支洞布置緊張、施工通風(fēng)和出渣難度大等問(wèn)題，是整個(gè)工程中控制總工期的關(guān)鍵項(xiàng)目之一。

2 開(kāi)挖掘進(jìn)方案優(yōu)選

東正川23號(hào)隧洞(樁號(hào)38+327.54～48+788.99)穿越黃土低中山丘陵區(qū)及華家?guī)X中山區(qū)，進(jìn)口位于關(guān)川河流域的東正川，途經(jīng)汪家曲、華家?guī)X，止于油坊溝，全長(zhǎng)10461.45m。圍巖埋深較大，最大埋深約338m，沿線(xiàn)溝谷雖有布置施工支洞的條件，但存在較大困難，若布置施工支洞，則支洞類(lèi)型要么為豎井和深長(zhǎng)斜井，要么為施工長(zhǎng)平洞，致使小斷面隧洞施工通風(fēng)、出渣等難度增大。

2.1 分段地質(zhì)條件

b.38+460～40+672N2l粉砂質(zhì)泥巖洞段：長(zhǎng)2.21km，隧洞穿越黃土丘陵區(qū)山梁，埋深40～215m。洞身圍巖為粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，屬極軟巖，圍巖為互層狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)狀平緩，無(wú)地下水。初步分類(lèi)洞身圍巖為Ⅴ類(lèi)，圍巖極不穩(wěn)定。

c.40+672～48+788.99γ4花崗巖洞段：長(zhǎng)8.12km，約占23號(hào)隧洞全長(zhǎng)的78%，隧洞穿越華家?guī)X，埋深24～340m，洞身圍巖為γ4花崗巖，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度37.9～73.5MPa，屬中硬巖～堅(jiān)硬巖；巖體中裂隙較為發(fā)育，裂隙間距0.2～0.5m不等；巖體中發(fā)育有數(shù)條小斷層，斷層破碎帶寬0.6～2.5m，內(nèi)為斷層角礫巖、壓碎巖及糜棱巖。其中地表41+272(洞身41+348附近)處發(fā)育有華家?guī)X—通渭斷裂(F11斷層)，上盤(pán)為γ4花崗巖，下盤(pán)為N2粉砂質(zhì)泥巖、γ4花崗巖，斷層破碎帶寬2～5m，上盤(pán)影響帶寬5～15m，下盤(pán)影響帶寬3～5m，上盤(pán)花崗巖體中有地下水滲出。巖體中有地下水活動(dòng)，地下水的礦化度0.74g/L，水質(zhì)好，對(duì)普通混凝土不具腐蝕性。經(jīng)初步分類(lèi)隧洞圍巖多為Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)。開(kāi)挖中部分洞段有線(xiàn)狀流水，F(xiàn)11斷層及其上盤(pán)的花崗巖體中有可能發(fā)生涌水，在樁號(hào)40+672前后的N2l粉砂質(zhì)泥巖與γ4花崗巖接觸部位有可能發(fā)生涌水。該洞段通過(guò)華家?guī)X，圍巖為花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，隧洞最大埋深338m，根據(jù)巖石強(qiáng)度應(yīng)力之比進(jìn)行巖爆判斷，有發(fā)生輕微巖爆的可能性，對(duì)施工影響較小。

d.23號(hào)隧洞出口段：位于油坊溝左岸坡，為花崗巖石質(zhì)岸坡，坡度30°，自然邊坡穩(wěn)定。

e.23號(hào)隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖洞段：集中分布于進(jìn)口段2344.46m內(nèi)，進(jìn)口段為粉質(zhì)壤土，洞身圍巖多為粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，屬極軟巖，洞身圍巖類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)，圍巖極不穩(wěn)定，開(kāi)挖時(shí)需及時(shí)支護(hù)，加強(qiáng)襯砌，一般采用鉆爆法施工；其余洞段巖性為花崗巖，巖質(zhì)均一，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度約37.9～73.5MPa，洞身圍巖多為Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)，有適用于全斷面雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)施工的地質(zhì)條件。

2.2 開(kāi)挖掘進(jìn)方案比選

東正川23號(hào)隧洞洞線(xiàn)巖性復(fù)雜且相互交錯(cuò)分布，以Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)硬巖為主?？紤]到小斷面、特長(zhǎng)隧洞在高原缺氧環(huán)境下的實(shí)施難度，結(jié)合隧洞分段地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)優(yōu)選硬巖TBM工法和鉆爆法進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)表1)。

表1 硬巖TBM工法與鉆爆法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選成果

2.3 TBM工法優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：TBM工法先進(jìn)，一次成洞對(duì)圍巖擾動(dòng)小，成洞快，工期短，施工安全有保障。

缺點(diǎn)：投資高，國(guó)內(nèi)可供選擇的經(jīng)驗(yàn)豐富的隊(duì)伍少，受外匯匯率變化影響大，要求施工管理技術(shù)水平高[6]。

2.4 鉆爆法優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：投資低，對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，可供選擇的有成熟施工經(jīng)驗(yàn)施工隊(duì)伍較多，便于相互協(xié)作，施工工廠(chǎng)要求標(biāo)準(zhǔn)低。

缺點(diǎn)：進(jìn)度較慢，工期較長(zhǎng)，爆破作業(yè)對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，施工安全保障性較差。根據(jù)東正川23號(hào)隧洞洞長(zhǎng)、設(shè)計(jì)斷面、圍巖情況和施工支洞條件等條件,考慮到TBM工法投資偏大，需較高技術(shù)水平的工人和必要的檢修力量，外在風(fēng)險(xiǎn)較高，同時(shí)受其他長(zhǎng)隧洞工期的影響，該方案雖可實(shí)現(xiàn)工期提前，但經(jīng)濟(jì)效益不明顯。而常規(guī)鉆爆法投資低，可供選擇的施工隊(duì)伍較多，施工工廠(chǎng)要求標(biāo)準(zhǔn)低，施工裝備簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，與其他長(zhǎng)隧洞工期相比滯后負(fù)面作用小，23號(hào)隧洞優(yōu)選常規(guī)鉆爆方案。

3 施工支洞布置與斷面設(shè)計(jì)

3.1 施工支洞布置

經(jīng)對(duì)總干渠、干渠及供水管線(xiàn)各主要工程項(xiàng)目進(jìn)行鉆爆法施工單項(xiàng)工期分析，東正川23號(hào)隧洞是影響工程總工期的關(guān)鍵項(xiàng)目之一。根據(jù)選定的施工方案、出渣方式、施工期通風(fēng)及供電設(shè)施的布置，并結(jié)合永久管理運(yùn)行要求，對(duì)23號(hào)隧洞施工輔助支洞進(jìn)行合理規(guī)劃及典型設(shè)計(jì)?？偢汕|正川23號(hào)隧洞施工支洞布置見(jiàn)圖1。

圖1 東正川23號(hào)隧洞施工支洞布置示意圖(單位：mm)

3.2 施工支洞斷面

各支洞設(shè)計(jì)斷面結(jié)合洞內(nèi)作業(yè)程序、支護(hù)、出渣方式等，按雙工作面控制、雙連接設(shè)計(jì)?？偢汕?3號(hào)長(zhǎng)隧洞施工支洞除1號(hào)通風(fēng)豎井為圓形斷面外，其他支洞均為城門(mén)洞形斷面型式，并在其進(jìn)口及主、支交叉洞段設(shè)加強(qiáng)洞段，加強(qiáng)洞段均采用C25鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌。依據(jù)出渣方式設(shè)計(jì)以下幾種尺寸斷面，即：施工平支洞無(wú)軌出渣橫斷面2.88m×3.37m(B×H)；斜井絞車(chē)出渣斷面4.15m×3.95m(B×H)；斜井皮帶機(jī)出渣斷面3.75m×3.95m(B×H)；豎井絞車(chē)出渣斷面D=3m。干渠隧洞施工平洞出渣斷面2.70m×2.98m(B×H)；斜井絞車(chē)出渣斷面3.55m×3.29m(B×H)。

4 隧洞施工支護(hù)及出渣

4.1 施工支護(hù)

Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖一次支護(hù)方式為：圍巖段頂拱、側(cè)墻素C20混凝土厚度50mm，Ⅲ類(lèi)圍巖段頂拱、側(cè)墻噴C20混凝土厚100mm，且在頂拱180°范圍內(nèi)混凝土噴層中部設(shè)φ6.5×200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，局部圍巖破碎帶緊貼巖面在頂拱及側(cè)墻范圍內(nèi)布設(shè)6～8根φ20、長(zhǎng)度2.5m或φ18、長(zhǎng)度2.0m隨機(jī)錨桿。進(jìn)口加強(qiáng)段及主、支交叉洞段二次襯砌采用全斷面現(xiàn)澆C25混凝土。

Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖一次支護(hù)方式為：頂拱、側(cè)墻噴C20混凝土厚100mm、150mm，頂拱180°范圍內(nèi)混凝土噴層中部設(shè)φ6.5×200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，頂拱及側(cè)墻范圍內(nèi)布設(shè)6～8根φ20、長(zhǎng)度2.5m或φ18、長(zhǎng)度2.0m的系統(tǒng)錨桿。Ⅳ類(lèi)圍巖進(jìn)出口加強(qiáng)洞段及Ⅴ類(lèi)圍巖段緊貼巖面架布設(shè)Ⅰ12或Ⅰ14@0.65～1.0m底拱不封閉鋼拱架。進(jìn)口加強(qiáng)段及主、支交叉洞段二次襯砌采用全斷面現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚300～400mm。二襯結(jié)束后，在隧洞頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。

4.2 施工出渣

地下工程隧洞開(kāi)挖出渣方式通常有無(wú)軌運(yùn)輸和有軌運(yùn)輸兩種。同一隧洞當(dāng)洞內(nèi)出渣運(yùn)距為0.5km時(shí)，采用無(wú)軌、有軌不同出渣方式所得每方渣料洞內(nèi)裝運(yùn)直接費(fèi)用依次為18.94元/m3、21.55元/m3，無(wú)軌出渣方式較為經(jīng)濟(jì)；同理，運(yùn)距1km時(shí)的每方渣料洞內(nèi)裝運(yùn)直接費(fèi)用依次為22.42元/m3、22.11元/m3，兩種出渣方式基本相當(dāng)；運(yùn)距1.5km時(shí)的每方渣料洞內(nèi)裝運(yùn)直接費(fèi)用依次為25.64元/m3、22.68元/m3，有軌出渣方式較為經(jīng)濟(jì)。考慮到東正川23號(hào)隧洞工程單工作面平均控制主洞長(zhǎng)度既有2km以上的，也有1km以下的，確定隧洞出渣采用無(wú)軌方式為主、有軌方式為輔的方案。其車(chē)道斷面見(jiàn)圖2。

圖2 出渣車(chē)道斷面示意圖(單位：mm)

5 結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)隧洞施工方案的選擇極其復(fù)雜，其受地質(zhì)條件、征地環(huán)保、施工管理技術(shù)水平和工程投資等諸多因素的影響。本文充分考慮到引洮供水二期總干渠東正川23號(hào)長(zhǎng)隧洞施工布置受限、斷面小、隧洞特長(zhǎng)和高原缺氧作業(yè)環(huán)境等因素，優(yōu)選地質(zhì)適宜性強(qiáng)、施工技術(shù)難度小、工程投資省的鉆爆法方案，并合理布置了施工支洞和確定了施工支護(hù)和出渣方案，確保隧洞工程高效優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè)。該施工方案可為高原缺氧環(huán)境下小斷面、特長(zhǎng)隧洞科學(xué)施工提供一定的借鑒和參考。