山西省中部引黃工程施工21標隧洞開挖及支護方案的優化

史三鎖　杜志軍

(內蒙古黃河工程局股份有限公司， 內蒙古 呼和浩特　010070)

山西省中部引黃工程施工21標隧洞開挖及支護方案的優化

史三鎖杜志軍

(內蒙古黃河工程局股份有限公司， 內蒙古 呼和浩特010070)

【摘要】本文在對山西省中部引黃工程施工21標隧洞開挖及支護施工方案進行優化對比的基礎上，闡述了隧洞掘進工程在隧洞爆破參數選擇、出渣運輸方式及噴射混凝土方案選擇上的重要性。

【關鍵詞】隧洞開挖； 支護； 方案優化； 對比分析

1工程概述

1.1總體概況

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規劃”大水網建設中一項重要的工程，該工程干線自天橋水電站庫區取水，供水范圍包括四市十六個縣(市/區)，涉及忻州市保德縣，呂梁市興縣、臨縣、離石、柳林、中陽、石樓、交口、孝義、汾陽九個縣(市/區)，臨汾市隰縣、蒲縣、大寧、汾西四個縣，晉中市靈石、介休兩個縣(市)。規劃年供水6.02億m3。中部引黃工程包括取水工程和輸水工程。

1.2工程地質

東干汾孝介支線引水線路從孝義市西部土石山區經過，沿線地面地形起伏較大，河流及沖溝發育，較大的河流為孝河，河谷寬約260m，河床高程913m；較大的沖溝有大王溝、石槽溝等，沿線山頂最高高程為1247m，下堡鎮隧洞出口最低高程918m，相對高差約329m。

沿線出露的地層巖性為奧陶系中統上馬家溝組、峰峰組灰巖、泥灰巖；石炭系本溪組、太原組砂頁巖、鋁土巖、山西式鐵礦、灰巖、煤層；上第三系、第四系低液限黏土、卵石混合土。巖石物理力學性質試驗見表1。

該線路段斷裂構造不發育，總體上為單斜巖層，巖層產狀N40°～55°E/SE∠8°～12°。受褶皺構造影響，局部產生變化。巖體中主要發育兩組節理裂隙： N80°～90°E/SE∠72°～79°、N36°～45°W/NE∠78°～82°。

表1　鉆孔巖石物理力學性質試驗成果匯總

沿線地下水主要為碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、松散巖類孔隙潛水。前10km洞段隧洞位于區域巖溶地下水位以上，后5km洞段位于碎屑巖類裂隙地下水位以下。

2初始施工方案

施工初期，采用了鉆爆法施工方案，炮孔布置見圖1，炮孔布置參數見表3。布孔說明： 周邊孔間距40～50cm；輔助孔間距70cm；主爆孔間距85cm；掏槽孔間距90cm，圖1為標準炮孔布置圖且不堵塞炮孔，施工時根據圍巖類別和掌子面圍巖情況及時調整參數。

初期支護采用C20噴射混凝土聯合鋼拱架及鋼筋網(Ⅴ類圍巖)，噴射混凝土選用傳統的純水泥混凝土，配合比見表2。

圖1　炮孔布置

設計強度等級水膠比砂率/%速凝劑摻量/%材 料 用 量/(kg/m3)水水泥砂碎石(5～15mm)速凝劑施工工藝C200.50515.021543074671621.50干 噴

表3　炮孔布置參數

出渣方案對于1號施工支洞和2號施工支洞采用有軌出渣，3號施工支洞和出口段采用無軌出渣方案，有軌出渣采用21kN提升絞車配合側卸式礦斗車，絞車技術參數見表4。由于施工初期隧洞進尺較淺，該出渣方案的缺點還沒有顯現出來，平均每排炮出渣耗時3～3.5h,但是當各支洞開挖進尺超過200m后，該出渣方式就遭遇難堪，效率明顯低下，影響到開挖掘進的總體安排。

表4　21kN礦用提升絞車技術參數

3優化后施工方案

根據初期施工中遇到的各種問題，項目部施工技術人員進行了詳細分析和總結，大膽提出以下施工方案進行探索，并取得了成功。支護采用摻粉煤灰的混凝土，噴射混凝土配合比見表5。

出渣采用45kN礦用提升絞車配合平板臺車，45kN礦用提升絞車技術參數如表6所列。

爆破開挖時炮孔布置采用楔形9°掏槽，炮孔堵塞采用當地儲量豐富的低液限黏土，堵塞長度不少于50cm，每循環裝藥量由50kg減少為38kg，炮孔布置見圖2，炮孔布置參數見表7。炮孔布置根據圍巖類別和掌子面巖石情況適時調整，該方案經過近2000m的開挖作業試驗取得了比較好的爆破效果，并節省了大量施工成本。

表5　摻粉煤灰噴射混凝土配合比

表6　45kN礦用提升絞車技術參數

圖2　炮孔布置注　該炮孔布置圖炮孔堵塞長度不小于50cm，各孔間距較圖1做合理調整。

炮孔名稱Ⅱ、Ⅲ類圍巖Ⅳ、Ⅴ類圍巖數量/個長度/m數量/個長度/m掏槽孔63.262.7主爆孔83.182.5輔助孔123.0112.5周邊孔203.0222.5底 孔73.062.5合 計53個,分五段爆破53個,分五段爆破

通過試驗研究，認為粉煤灰的加入，既可以大幅度減少水泥的用量，又可以減少速凝劑的用量，是一種雙贏的舉措。同時，粉煤灰噴射混凝土中加入早強劑硫酸鈉，可以增大各期強度，且可以提高混凝土的流動性。粉煤灰也可以減弱噴射混凝土中由速凝劑帶來的強度損失，高摻量粉煤灰噴射混凝土強度甚至超過普通混凝土的強度，這為解決目前噴射混凝土中廣泛存在的因速凝劑導致強度損失的問題提供了新的思路。

4方案前后對比

通過方案優化，實現了技術上可行、經濟上合理的目標，具體詳見表8，主要材料及設備購買價格見表9。

表8　方案前后費用對比

表9　主要材料及設備購買價格

通過比較，發現初始施工方案的炸藥單耗為1.21kg/m3,優化后炸藥單耗降低到0.88kg/m3。炸藥單耗降低后該工程節約成本約(1.21-0.88)×9.66×23.77=75.77萬元(石方開挖總量 23.77萬m3),同時減少CO、NO、NO2、N2O3、HCL、H2S等有毒氣體排放及熱量散發，對環境保護也是一種巨大貢獻。而且通過優化噴射混凝土配合比，混凝土成本也大幅下降。

5結論

通過對上述方案進行優化及對比分析充分說明隧洞爆破參數選擇、出渣運輸及噴射混凝土方案的選擇至關重要，既關乎到施工企業的成本，又關乎到施工安全和社會和諧穩定。優化后的施工方案很值得在山西省乃至全國類似隧道工程中推廣應用。

中圖分類號：TV554

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774(2015)04-0008-04

Optimization of central Shanxi Yellow River Diversion Project
construction 21 bid tunnel excavation and support plan

SHI Sansuo, DU Zhijun

(InnerMongoliaYellowRiverEngineeringBureauCo.,Ltd.,Hohhot010070,China)

Abstract：In the paper, Central Shanxi Yellow River Diversion Project construction 21 bid tunnel excavation and support plan is optimized and compared. On the basis, the importance of tunnel excavation project in tunnel blasting parameter selection, slag transportation mode and shotcrete plan selection is described.

Key words：tunnel excavation; support; plan optimization; comparative analysis