高原黃土地區(qū)水工隧洞開挖施工工藝探討

張恩山 李仕春

【摘要】本文結(jié)合高原黃土地區(qū)水工隧道開挖的工程實(shí)例，通過對隧道開挖的幾種施工方法進(jìn)行試驗(yàn)對比，得出了處在黃土高原腹地，黃土狀土結(jié)構(gòu)疏松、孔隙大、成洞條件差、開挖后自穩(wěn)性差、極易坍塌等特殊地質(zhì)條件下進(jìn)行隧洞開挖的最優(yōu)開挖施工工藝，旨在提供此類地質(zhì)條件下掘進(jìn)機(jī)的使用及同類工程施工參考，保證隧洞施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度。

【關(guān)鍵詞】黃土高原；水工隧道；施工工藝

1、工程概況

甘肅省引洮供水工程是甘肅省半個(gè)多世紀(jì)的圓夢工程、責(zé)任工程、民生工程，也是水利部27項(xiàng)重點(diǎn)工程和全國172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程項(xiàng)目之一。

引洮供水二期工程四干渠第7標(biāo)段工程，項(xiàng)目起始樁號為3+620，終點(diǎn)樁號為7+247，標(biāo)段總長3627m，設(shè)計(jì)流量7.10m3/s，設(shè)計(jì)縱坡1/1800。標(biāo)段主要建筑物為隧洞、暗渠、節(jié)制分水閘、排洪涵洞等主體工程和金結(jié)安裝、機(jī)電設(shè)備安裝及臨時(shí)工程。其中四干渠1#隧洞（3+620～5+555）長1935m，四干渠2#隧洞（5+597～7+247）長1650m，隧洞總長3585m；暗渠為1#暗渠（5+555～5+582）長27m；1#節(jié)制分水閘（1支渠分水口）（5+582～5+597）長15m。另有橫向建筑物排洪涵洞1座（樁號5+570.3）。

2、工程地質(zhì)

第7標(biāo)段1#、2#隧洞所在區(qū)域?yàn)殡]渭新生代凹陷盆地，黃土廣泛覆蓋于受侵蝕切割的新生代新近系地層之上，新近系地層厚度一般大于100m。1#隧洞洞身埋深107～140米，2#隧洞洞身埋深50～208米。

1#隧洞出口段以東南方向斜穿黃土丘陵，其隧洞出口位于柯垴河灣溝北西側(cè)（見圖2-1），邊坡陡峭，上部為plQ31黃土狀土，顏色較雜，以淺黃色、褐黃色為主，夾有黃色、灰綠色條帶，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，土質(zhì)不均；隧洞出口段下部巖性為新近系上新統(tǒng)臨夏組（N2l3）磚紅色砂礫巖，局部砂質(zhì)泥巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，部分泥鈣質(zhì)膠結(jié)，成巖程度低，屬軟巖，遇水易軟化，產(chǎn)狀平緩，層間結(jié)合差。屬極不穩(wěn)定Ⅴ類圍巖。

2#隧洞進(jìn)口位于柯垴河灣溝南東側(cè)，為洪積臺地，邊坡較1#隧洞出口平緩，進(jìn)口段125米范圍內(nèi)為plQ31黃土狀土，夾條帶狀粗砂層、碎石透鏡體，洞身圍巖結(jié)構(gòu)疏松，孔隙大。屬極不穩(wěn)定Ⅴ2類圍巖，成洞條件差，開挖后無自穩(wěn)性、極易坍塌。隧洞大部分處于地下水位以下，圍巖為飽和土，水質(zhì)差，對混凝土具硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕性。

3、隧洞開挖施工工藝比選，施工進(jìn)度分析

3.1 1#隧洞出口段挖掘機(jī)開挖

1#隧洞出口段為磚紅色砂礫巖，局部砂質(zhì)泥巖，2011年11月1日至12月27日采用KX161—3SZ型挖掘機(jī)與挖掘機(jī)帶破碎錘配合開鑿（見圖3-1）人工風(fēng)鎬修邊進(jìn)行開挖。經(jīng)57天開挖進(jìn)度統(tǒng)計(jì)，日平均進(jìn)尺僅為1.50m（見圖3-2）。

3.2 1#隧洞出口段鉆爆法開挖

由于隧洞圍巖較硬，采用挖掘機(jī)開挖風(fēng)鎬修邊費(fèi)時(shí)費(fèi)力，開挖進(jìn)度緩慢，無法完成建設(shè)單位的施工進(jìn)度指標(biāo)。為加快施工進(jìn)度，12月28日改機(jī)械開挖為鉆爆法施工，經(jīng)過20天的爆破開挖，爆破效果不佳（見圖3-3），日平均進(jìn)尺僅為1.69m（見圖3-4），開挖速度仍不理想。

3.3 2#隧洞進(jìn)口段挖掘裝載機(jī)開挖

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，2#隧洞進(jìn)口段工程洞口125m為土洞，圍巖為黃土狀土，局部夾條帶狀粗砂層、碎石透鏡體；進(jìn)洞125m以后為強(qiáng)風(fēng)化磚紅色砂礫巖，局部砂質(zhì)泥巖。施工前期，洞口段采用XE215C型挖掘機(jī)進(jìn)行開挖，施工進(jìn)度緩慢不能滿足要求，為了尋求能提高隧洞開挖速度的施工工藝，項(xiàng)目部又調(diào)進(jìn)了WY-80L型挖掘裝載機(jī)，于2015年11月17日進(jìn)洞施工。經(jīng)施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)分析，土洞挖掘裝載機(jī)開挖12天統(tǒng)計(jì)，日平均進(jìn)尺為3.36m（見圖3-5）；風(fēng)化基巖挖掘裝載機(jī)開挖41天統(tǒng)計(jì)，日平均進(jìn)尺為1.96m（見圖3-6）。圍巖進(jìn)入風(fēng)化基巖后，巖石膠結(jié)致密，開挖難度加大，挖掘裝載機(jī)開挖難以保證進(jìn)度要求。

3.4不同圍巖、不同設(shè)備開挖進(jìn)度對比分析

建設(shè)單位下達(dá)的開挖任務(wù)指標(biāo)：2015年度1#、2#隧洞月進(jìn)尺各80 m；2016年度 1#、2#隧洞月進(jìn)尺分別為120m、110 m。為了完成建設(shè)單位下達(dá)的開挖任務(wù)指標(biāo)，需對前期開挖進(jìn)度緩慢的原因進(jìn)行對比分析，以便采取應(yīng)對措施。

3.4.1 1#隧洞出口段不同開挖施工工藝進(jìn)度對比分析

1#隧洞出口段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化磚紅色砂礫巖、砂質(zhì)泥巖，前期采用挖掘機(jī)開挖日平均進(jìn)尺為1.50m，采用鉆爆法開挖日平均進(jìn)尺為1.69m（見表3-1），2015年11月份完成開挖46.0 m，12月份完成開挖46.5 m。鉆爆法施工略比挖掘機(jī)開挖速度快一些，但施工進(jìn)度遠(yuǎn)不能滿足建設(shè)單位進(jìn)度指標(biāo)要求，急需采取措施，改進(jìn)開挖施工工藝，加快施工進(jìn)度。

3.4.2 2#隧洞進(jìn)口段不同開挖施工工藝進(jìn)度對比分析

采用挖掘裝載機(jī)開挖土洞，日平均進(jìn)尺為3.36m；采用挖掘裝載機(jī)開挖強(qiáng)風(fēng)化基巖，日平均進(jìn)尺為1.96m（見表3-2）。2015年報(bào)11月份完成開挖97.5 m，12月份完成開挖62.5 m。挖掘裝載機(jī)開挖略比挖掘機(jī)速度快，但施工進(jìn)度難以保證完成建設(shè)單位進(jìn)度指標(biāo)要求；隨著隧洞加深，基巖結(jié)構(gòu)加密，硬度加大，采用挖掘裝載機(jī)開挖無法完成施工進(jìn)度要求，需改進(jìn)開挖施工工藝，加快施工進(jìn)度?？傊?，隧洞圍巖較硬，韌性強(qiáng)，隧洞開挖機(jī)械設(shè)備及鉆爆法施工均無法適宜該項(xiàng)目隧洞地質(zhì)特征。

4、開展隧洞開挖施工工藝研究

4.1 組織隧洞開挖施工工藝研究

黃土高原地區(qū)的地層分布特征、巖性特性等與南方有差異，且無開挖施工經(jīng)驗(yàn)可談。為加快隧洞開挖速度，確保完成業(yè)主下達(dá)的開挖任務(wù)指標(biāo)，施工過程中項(xiàng)目部組織有關(guān)技術(shù)人員開展隧洞開挖施工工藝研究，統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，該項(xiàng)目采用挖掘機(jī)、挖掘裝載機(jī)開挖難度大，鉆爆法施工爆破效果差，必須選擇新的開挖施工工藝。

4.2 開挖工藝選擇

項(xiàng)目部組成考察組到山西、山東、新疆等地施工現(xiàn)場和施工設(shè)備銷售商進(jìn)行考察。經(jīng)實(shí)地考察、調(diào)研，結(jié)合本標(biāo)段隧洞圍巖特性，考察組認(rèn)為：采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作為項(xiàng)目部首選的隧洞開挖施工設(shè)備。項(xiàng)目部將考察情況及項(xiàng)目部對該項(xiàng)目今后隧洞開挖施工方案報(bào)公司領(lǐng)導(dǎo)決策，經(jīng)公司專家組分析研究，決定先購置1臺掘進(jìn)機(jī)用于本標(biāo)段隧洞開挖施工。

4.3 掘進(jìn)機(jī)使用效果

2016年1月16日，新購掘進(jìn)機(jī)達(dá)到施工現(xiàn)場，先用于1#隧洞出口的開挖施工（見圖4-1），經(jīng)過半個(gè)月掘進(jìn)施工，累計(jì)完成進(jìn)尺85.5 m，日平均進(jìn)尺5.7 m（見表4-1），并在后續(xù)的施工中該工作面始終保持每月160 m左右的掘進(jìn)速度。2016年5月4日，項(xiàng)目部又再購置第2臺掘進(jìn)機(jī)，用于2#隧洞進(jìn)口的開挖施工，直至隧道貫通，每月施工進(jìn)尺在152～172 m之間。施工進(jìn)度名列通渭現(xiàn)場辦管轄30個(gè)標(biāo)段中的前茅，項(xiàng)目施工工期有望大大縮短。

5、結(jié)語

近年來隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略和中部崛起戰(zhàn)略的實(shí)施，各級政府加大了水利工程投資，特別是引水工程的建設(shè)，以解決由于干旱缺水、氣候變化、供水和引水工程滯后對加快社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民脫貧致富的制約。西北地區(qū)為黃土高原，在黃土地區(qū)修建水工隧道明顯區(qū)別于山嶺隧道和南方土質(zhì)隧道，需考慮黃土其自身的物理力學(xué)特點(diǎn)。國內(nèi)對大斷面黃土隧道圍巖與初期支護(hù)、形變規(guī)律、理論基礎(chǔ)和其他一些工程特性的隧道工程施工還未形成成熟工法，現(xiàn)階段大部分黃土隧道仍采用傳統(tǒng)的施工方法，施工工序繁雜，工程進(jìn)度緩慢，特別是淺埋、軟弱地段黃土隧道施工更是隧道施工中的一大技術(shù)難題。

甘肅省引洮供水二期工程四干渠第七標(biāo)段工程在實(shí)施階段創(chuàng)新性的采用掘進(jìn)機(jī)施工工藝，在黃土狀土結(jié)構(gòu)疏松、孔隙大、成洞條件差、開挖后自穩(wěn)性差、極易坍塌等特殊地質(zhì)條件下的隧洞項(xiàng)目施工中的成功應(yīng)用，對今后類似隧洞工程開挖具有一定的推廣意義。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 周小賓.大跨富水黃土隧道的工程特性與施工技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

作者簡介：張恩山（1964-），男，高級工程師、一級建造師，大學(xué)本科；從事水利水電工程施工。