引漢濟渭輸配水干線工程南干線段隧洞鉆爆法和盾構法方案比選

尚小軍 付曼蓉

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

引漢濟渭工程從調水區漢江干流和支流子午河上分別修建水源工程黃金峽水利樞紐和三河口水利樞紐，通過穿越秦嶺山脈的輸水隧洞調水至關中周至縣境內的黃池溝。

引漢濟渭輸配水干線工程從關中配水節點黃池溝起，供水對象為關中地區渭河兩岸的西安市、咸陽市、渭南市、楊凌區4個重點城市和所轄的13個縣級城市和2個工業園區以及西咸新區的5個新城。輸配水干線工程由黃池溝配水樞紐、南干線、過渭干線、渭北東分干線、渭北西支線、渭北北支線及黑河金盆水庫連接洞組成。南干線承擔西安、渭南兩個重點城市和戶縣、灃西新城、灃東新城、長安、臨潼及華縣等的輸水任務，線路全長175.72km，始端設計流量43m3/s。

南干線采用無壓流輸水為主，壓力流輸水為輔的方案。全線采用全封閉方式輸水，其中箱涵工程40.37km，管道工程21.95km，隧洞工程99.78km（16座），倒虹吸工程27座，渡槽工程3座，管橋工程1座。

2 南干線工程地質條件及評價

2.1 地形地貌

沿線主要經過中低山、洪積（扇）平原、河谷階地、黃土臺塬四個地貌類型。

2.2 地層巖性

由太古界太華群、前震旦系寬坪群變質巖、燕山期花崗巖、第三系沉積巖及第四系松散堆積層組成。

2.3 地質構造

主要發育于中低山中，主要構造形跡有褶皺、斷層和裂隙三類。

2.4 水文地質條件及物理地質現象

（1）水文地質條件

工程區內的地下水分為基巖裂隙水和第四系孔隙潛水。基巖裂隙水主要賦存于沿線的基巖中，第四系孔隙潛水主要賦存于沿線洪積平原、河谷階地及黃土臺塬的第四系松散堆積層中。地下水位埋深一般低于設計建筑物底部，僅在跨河建筑物、土質隧洞部分地段高于建筑物，對建筑物有一定的影響。

（2）物理地質現象

不良物理地質現象主要有崩塌、滑坡及黃土沖溝、落水洞。崩塌主要發育于秦嶺中低山較陡斜坡中，而線路在此段基本以隧洞形式通過，對線路影響不大；滑坡主要分布于秦嶺中低山及黃土塬邊緣，除1#、2#處對建筑物有影響外，其余滑坡對建筑物均無影響；黃土沖溝及落水洞對建筑物無影響。

2.5 隧洞工程地質問題評價（見表1）

表1 南干線無壓流方案各隧洞存在的主要工程地質問題

3 南干線段隧洞鉆爆法和盾構法方案比選

黃池溝～子午水廠段隧洞設計流量分為43m3/s和23m3/s，共8條隧洞，總長33.25m。洞室以巖石為主，地下水位一般低于洞底高程，橫斷面采用圓拱直墻形。

子午水廠～南馬水廠段隧洞設計流量分為 14.5m3/s和5.9m3/s，共8條隧洞，總長66.53km，結合地質條件和地下水位埋深情況，13#、14#隧洞采用馬蹄形斷面，9#、10#、11#、12#、15#、16#若隧洞采用盾構法則用圓形斷面，若采用鉆爆法則用馬蹄形斷面。

1#、4#、7#、8#隧洞圍巖主要為花崗巖和二云石英片巖，為巖石洞段，采用鉆爆法施工；2#、3#、5#、6#、13#、14#隧洞為黃土隧洞，長度不超過2km，采用常規的土洞施工方法；9#～12#、15#、16#隧洞為黃土或砂質粘土隧洞，隧洞長度除9#、16#隧洞外，其余隧洞均超過8km，最長隧洞為12#隧洞，長度32.449km，六條隧洞最大埋深均超過100m，且地下水位均高于洞頂，最高達75m，因此，對9#～12#、15#、16#隧洞進行鉆爆法和盾構法方案比選。

3.1 鉆爆法施工

（1）施工支洞布置

本著減少支洞數量節約投資的原則，根據地形地質條件，10#、11#、12#、15#隧洞分別布置施工支洞2、2、9、1座。施工支洞斷面尺寸為6.0m×5.0m，圓拱直墻形斷面。

（2）巖石洞段施工

①開挖施工

隧洞開挖前先進行出口邊坡開挖、支護，邊坡開挖采用潛孔鉆配手風鉆鉆爆破孔、人工裝藥自上而下梯段爆破開挖。隧洞采用光面爆破法開挖。

②支護

隧洞開挖后應立即進行支護。在遇到嚴重風化的圍巖或遇到斷層破碎帶時采用及時掛網噴砼或鋼拱架支護，必要時進行超前錨桿或超前灌漿進行加固。

③施工通風

進出口工區采用單機壓入式通風。支洞工區進入正洞后需向兩邊開挖，洞口處設置一臺軸流風機，用三通管及風量調節閥為兩個作業面調節供風。為保證通風效果，在洞底處設置一臺射流風機，風管使用1.0m直徑柔性管道。

④施工供電

考慮到低壓長距離供電時，電壓下降過大，可將10kV高壓電纜引入洞內，在洞內適當地點設置變壓器降至400/230V使用。洞內沿程照明及風機用電設專用變壓器。

⑤施工排水

出口向上游方向開挖的順坡工段，沿洞底一側開挖0.4m×0.4m排水溝，自流排水。從進口和支洞向下游方向開挖的逆坡工段，每隔200m在洞底一側開挖1個2m3集水井，每個井設置1臺水泵進行不間斷抽排。

⑥襯砌

隧洞開挖完成后，采用模板臺車完成洞身混凝土澆筑。混凝土運輸均采用6m3混凝土攪拌運輸車運輸，混凝土入倉采用混凝土泵送。底板混凝土澆筑部位采用平板式混凝土振搗器，采用人工灑水養護。

⑦隧洞灌漿

回填灌漿在隧洞襯砌完成后進行，采用填壓式灌漿法。固結灌漿在每段回填灌漿結束后進行，用手風鉆在預埋灌漿管中鉆孔，灌漿采用移動式施工臺架，注漿設備選用帶自動記錄儀的灌漿泵。

表2 鉆爆法和盾構法方案比較表

⑧不良地質情況的處理

在勘探預報有可能出現的集中涌水段，采用超前鉆孔預注漿的方法進行封堵。在隧洞圍巖周圍形成止水層，最終達到切斷通道、封堵水路、固結圍巖的目的。此方法適用于一般出現在斷層、破碎帶或節理裂隙發育洞段的線狀滲水，涌水壓力不高，但涌水面大，出水量多的洞段。

對于突然發生的集中涌水段，須在離事故突發點一定安全距離處設置止漿墻，止漿墻采用素混凝土現場澆注，并要和周圍巖體連接牢固。

⑨土方洞段施工

根據地質情況，土洞有水段地下水高于洞頂，成洞條件差，需要在洞軸線兩側打降水井排水。

3.2 盾構法施工

（1）盾構機選型

盾構機按開挖模式可分為敞開式與密閉式兩種。敞開式適用于地層條件簡單、自主性好且無地下水的地層；密閉式適用于地層變化復雜、自立條件差、地下水較豐富的地層。根據本工程隧洞工程地質及水文情況和工程特點，選用密閉式盾構機。密閉式盾構機又分為泥水式和土壓式兩類。泥水平衡式盾構機較適應于較粗顆粒地層及水壓較高的地層，通過泥漿在砂土地層形成泥膜，以保持開挖面的穩定；土壓平衡式盾構機較適應于粉細顆粒地層，切削的渣土易獲得塑性流動性和不透水性。隧洞圍土的組成大部分為黃土和壤土，屬細顆粒地層，故宜選用土壓平衡式盾構機。

根據各隧洞的長度及相互位置,初步考慮9#、10#隧洞采用1臺盾構機,從10#隧洞出口向9#隧洞進口方向掘進,掘進長度13.49km,隧洞內徑4.3m,管片厚度0.35m,刀盤直徑5m,開挖直徑5.28m；11#隧洞選用1臺盾構機，從出口向進口方向掘進，掘進長度9.24km,隧洞內徑4.3m,管片厚度0.35m,刀盤直徑5m,開挖直徑5.28m；12#隧洞選用2臺盾構機，1臺從進口向下游方向掘進,掘進長度9.02km,隧洞內徑3.6m,管片厚度0.35m,刀盤直徑D=4.3m,開挖直徑4.58m,另1臺從出口向上游方向掘進，掘進長度23.35km，隧洞內徑3m,管片厚度0.35m,刀盤直徑D=3.7m,開挖直徑3.98m;15#、16#隧洞選用1臺盾構機,從16#隧洞出口向15#隧洞進口方向掘進,掘進長度10.55km,隧洞內徑3m,管片厚度0.35m,刀盤直徑3.7m,開挖直徑3.98m。

（2）盾構機安裝調試

洞外場地比較開闊，盾構機組裝在洞外進行，可減少在洞內設組裝洞，減少施工難度和工程量。主機等部件運至安裝場地，采用龍門吊進行組裝，組裝完成后進行刀盤、后配套以及輔助設備等的安裝，并與主機聯合調試好后，才能準備掘進。

施工前采用鉆爆法開挖進洞，以便于設備調整、定位及首發掘進。主機和后配套組裝調試完成，從始發洞開始掘進。安裝后部出渣用連續皮帶機，進行盾構機和連續皮帶機的聯合調試，調試結束后，可開始試掘進。

（3）主洞開挖

開挖施工程序為：洞口清理→洞臉支護→鉆爆法開挖步進洞→洞外盾構機及其后配套組裝→掘進機步進→開始掘進施工→全洞貫通→盾構機拆除。

在掘進施工時，液壓馬達驅動刀盤旋轉，同時啟動盾構機推進油缸，將盾構機向前推進，刀盤持續旋轉，切削下來的渣土充滿泥土倉，此時開動螺旋輸送機將切削下來的渣土排送到皮帶輸送帶上，將渣土轉載于出渣設備上。

（4）施工通風

在洞口布置壓入式通風機，進行壓入式通風，洞內每約1.5km設置通風機進行加壓。風管使用柔性管道。

（5）施工供電

施工期供電采用高壓電纜入洞，高壓電纜末端接至盾構機后配套上自帶變壓器一側，通過它向盾構機及其后配套供電。皮帶機、洞內沿程照明及風機用電設專用變壓器，在高壓電纜上安裝進口三通頭引接。為確保隧道通風、排水及照明用電，洞外設柴油發電機組，在電網意外停電時應急使用。

（6）出渣方式

出渣采用有軌運輸運行方式，渣土通過盾構機傳輸膠帶送至礦車出渣，每列由電瓶車牽引梭礦車出渣至洞外，再由2m3裝載機配10t自卸汽車轉渣至棄渣場。

（7）管片拼裝

盾構機掘進一環距離后，通過管片拼裝機通縫或錯縫拼裝襯砌管片。為了給盾構機換刀密封，需要2km～3km設置豎井或者支洞。南干線 9#、10#、11#、12#、15#、16#隧洞鉆爆法與盾構法方案比選情況見表2。

經過分析比較，南干線 9#、10#、11#、12#、15#、16#隧洞宜采用盾構法施工。陜西水利

[1]王文成.引漢濟渭輸配水干線工程項目建議書[R].陜西省水利電力勘測設計研究院，2014.

[2]張鳳祥.盾構隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.