西干渠輸水隧洞施工規劃

馬超剛

(新疆兵團建設集團有限公司 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

1.1 簡述

西干渠工程位于新疆準噶爾盆地的西北緣荒漠和半荒漠草原地帶，沿線共布置五條無壓輸水隧洞，屬2級建筑物，自東向西編號分別為 1～5號，總長10.02km，直線布置。

隧洞由進口明渠段、漸變段、洞身段和出口消力池、漸變段、出口明渠段組成。隧洞特征見表1。

表1 1～5號輸水隧洞特性表

1.2 地形地質條件

西干渠地處區域構造相對簡單，新構造活動相對較弱，沿線構造不發育，工程區地震基本烈度為6度和小于6度。五條輸水隧洞主要穿越平臺和洼地相間的剝蝕起伏地貌單元，地層巖性相同，上覆第三系和第四系地層，其中第三系地層主要為砂巖、泥巖、砂礫巖等。第四系地層主要有砂礫石、礫質砂土、坡積碎石土等。隧洞圍巖物理力學特征見表2。

表2 1～5號輸水隧洞圍巖物理力學特性表

續表

西干渠五條輸水隧洞沿線均為新生界第三系的厚層狀、層狀砂巖、泥巖、砂質泥巖和泥質砂巖等軟質巖石，局部夾有團塊狀泥巖和層狀砂巖透鏡體。巖石總體表現為弱膠結，干抗壓強度小于3MPa，飽和抗壓強度小于0.18MPa。泥巖為強膨脹巖體，具有剪切流變性和失水崩解性;而砂巖具有遇水崩解性和膠結差的特點。圍巖為Ⅳ～Ⅴ類，其穩定性受含水量、不利節理裂隙結構面和膠結程度的影響較大。成洞條件和穩定性主要受地形地貌、天然含水量、成巖作用的差異及地層的膠結程度等多種因素的控制，其次受少量節理、裂隙及裂隙水的影響。

1.3 氣象條件

西干渠工程地處準噶爾盆地西北邊緣，屬大陸性寒溫帶及大陸性溫帶氣候。冬季嚴寒，夏季炎熱，晝夜溫差較大。工程區域內典型氣候特征數值見表3。

表3 工程區典型氣候特征數值表

2 輸水隧洞施工規劃

2.1 施工特點

a.五條隧洞均位于準噶爾盆地西北邊緣，附近無人無水無電，建筑材料及所有生產、生活物資由外部提供，施工條件差。

b.當地氣候惡劣，每年11月～次年3月進入低溫季節，多年年有效施工時間6～7個月，施工期較短。

c.五條隧洞沿線均為新生界第三系的厚層狀、層狀砂巖、泥巖、砂質泥巖和泥質砂巖等軟質巖石，總體表現為弱膠結，圍巖為Ⅳ～V類，圍巖質量和穩定性差。

2.2 施工布置

五條隧洞沿線地形平坦，場地寬闊。由于隧洞進出口位于地面20～30m以下，施工必須的生產設施(包括場內交通、供電系統、供水系統、照明設施、混凝土生產系統、鋼筋加工廠、模板加工廠、水泥、油料、火工材料倉庫和堆料場等)、生活設施設置在隧洞進出口、施工支洞上部的階地平臺上。

除5號隧洞較短未設施工支洞，1～4號隧洞施工支洞布置特性見表4。

2.3 施工方案

綜合當地施工條件和圍巖地質情況，五條隧洞均采取了“短進尺、快支護、緊跟襯砌”綜合處理施工方案。

表4 1～4號隧洞施工支洞布置特性表

續表

2.3.1 隧洞開挖

基于對圍巖的認識、經驗、施工準備等方面的原因，針對不同洞段的地質條件，五條隧洞采取了不同的開挖方式，其中1號隧洞采取了上、下半洞法;2號、5號隧洞為導洞擴挖法;3號、4號隧洞采取了全斷面法。原則上不允許爆破，采用風鎬、小型挖掘機挖掘裝車，自卸車出渣。每循環進尺控制在1～1.25m。

1號隧洞:分上、下斷面分層風鎬掘進，人工或0.4m3挖掘機裝“方圓”自卸車出渣，全斷面錨噴支護。上半部每循環進尺1m約需13～15h。

2號、5號隧洞:采用下導洞掘進二次擴挖，煤電鉆鉆孔，人工裝藥，導爆管配合導爆索連網，火雷管起爆，光面爆破，緊跟支護。導洞為城門洞形，斷面尺寸(寬×高)3m×3m。每一循環工作內容:布孔—鉆孔—裝藥—爆破—通風散煙—支護—出渣—下一循環。

3號、4號隧洞:分進口段、支洞段、出口段三個施工區四個作業面同時施工。采用短進尺、少裝藥、密布眼、快循環的全斷面開挖爆破方案。電動鑿巖機鉆孔，光面爆破，導爆管分段延時起爆。40B柳工裝載機裝自卸汽車出渣。

2.3.2 臨時支護

根據五條隧洞Ⅳ～Ⅴ類圍巖中巖石膠結程度和穩定性的不同，主要采用了適合不同隧洞段圍巖的五種支護方案:

對于膠結一般、基本穩定的隧洞洞段，采取素噴混凝土和錨噴掛網支護兩種方案:素噴混凝土方案邊頂拱噴護C25混凝土厚10cm;錨噴掛網支護方案中邊頂拱素噴C25或C20混凝土厚3～5cm，頂部和拱腳以下1m范圍內邊墻掛 φ8@250mm×250mm網筋，打長2.5m、φ25徑向水泥砂漿錨桿，間距 1.0m，噴護厚10cm C25或C20混凝土。

膠結疏松、穩定性差的隧洞洞段，采取輕型鋼拱架或鋼格柵支護方案:［12.6槽鋼或格柵拱架支撐巖壁，格柵拱架由3根φ25鋼筋構成，斷面為三角形，底寬30cm，寬30cm，高20cm，φ25鋼筋縱向連接。每榀拱架間距1m，每榀拱架配7根2.5mφ22徑向錨稈，7根φ22固定鋼筋，頂部和拱腳以下1m范圍內邊墻掛φ8@250mm×250mm網筋，噴護C25或C20混凝土厚15～20cm，或掛板模注C20混凝土。

膠結松散、不穩定的洞段，主要采取重型鋼拱架管棚法:棚架為φ60×4mm鋼管，［12或I16工字鋼支撐，［12和［20槽鋼縱向連接，每榀工字鋼間距0.7～1.0m。開挖支護棚架3～5m后初噴C25混凝土厚3～5cm，頂部和拱腳以下1m范圍內邊墻掛φ8@250mm×250mm網筋，打長2.5m、φ25徑向錨桿，間距1.0m，噴護厚20cm C25或C20混凝土。

這些方案中，重點推行了采用“新奧法”設計施工的錨噴掛網支護型式。

2.3.3 混凝土襯砌

采用先底拱后邊頂拱和先邊頂拱后底拱兩種澆筑程序，跳倉澆筑。由洞外拌和站攪拌或洞外拌和站拌干料，自卸汽車運至洞內(豎井)工作面攪拌機二次加水拌和，拼裝式組合鋼模板或鋼模臺車立模，30m3/h或60m3/h混凝土泵不間斷連續澆筑。

2.4 施工進度

1號隧洞:1997年10月1日開始隧洞上半洞石方開挖，1999年6月28日隧洞結束襯砌。施工歷時21個月(含冬季)，平均月成洞95.2m。

2號隧洞:1997年12月8日出口小導洞(3m×3m)石方掘進，1998年3月5日小導洞貫通，1998年4月20日開始擴洞。平均月進尺110m/月，最大月進尺160m/月。1998年6月22日隧洞仰拱混凝土澆筑，1999年6月29日襯砌完成，1999年9月30日灌漿完畢。

3號隧洞:1997年9月16日主洞開始石方掘進，1998年6月8日隧洞貫通，1998年6月17日隧洞襯砌開始，1999年7月14日襯砌完成。隧洞開挖日最高進尺30m，月最高進尺753m。隧洞襯砌日最高進尺30m，月最高進尺700m。

4號隧洞:1997年8月9日進口開始掘進，1997年10月30日出口進洞，支洞于1998年2月14日開挖，5月1日開挖主洞。1999年3月1日隧洞全線貫通。1999年6月30日隧洞襯砌完成，1999年8月23日回填灌漿完畢。

5號隧洞:1997年10月28日開始導洞石方開挖，1998年3月25日導洞貫通，平均月進尺140m/月，平均日進尺5m/日。擴洞工作于1998年4月1日開始，1998年10月28日完成，8、9、10三個月為施工高峰期，平均月進尺150m/月，最大日進尺10m/日。1998年7月15日隧洞襯砌開始，1999年6月29日隧洞襯砌完成。施工歷時20個月(含冬季)，平均月成洞95.2m。回填灌漿從1999年7月10日開始，1999年8月11日結束。

西干渠1～5號隧洞施工進度特性見表5。

表5 1～5號輸水隧洞施工進度特性表

3 一般和大塌方處理

施工過程中，五條隧洞先后發生大、中、小塌方197次，塌方數量43746m3。其中規模較大的塌方出現在1號隧洞、2號隧洞及4號隧洞。

3.1 1號隧洞

施工過程中共發生26次中小型塌方，1次特大塌方。1998年4月19日，D6+568～D6+524段發生特大塌方，塌方長度44m，最大高度25m，體積7187m3。1998年6月13日～1998年10月16日1號隧洞針對特大塌方進行了處理，處理方案如下:

a.在原支護基礎上，塌方兩端D6+568～D6+573和D6+520～D6+524段采取［12槽鋼和噴護混凝土加強支護措施，阻止塌方向上、下游相臨洞段發展。

b.原則上1～2m長為一段清除上部塌體，拱腳處安裝槽鋼拱架，方木支撐，鋼拱上部安裝兩層25鋼筋，反向澆筑C25混凝土，拱頂處厚度為1.5～2.0m。

c.C25混凝土達到設計強度后，采用［12槽鋼和I18工字鋼在其上部作扇形支撐。原則上0.5～1.0m支撐一排，再澆筑平均厚1m的C10混凝土。

d.上拱支護完成后，開挖下部塌體。塌體清除后立即安裝鋼筋混凝土預制柱，間距0.5～1.0m，柱間澆筑C20混凝土，以保證有足夠的穩定性，支撐和傳遞上拱荷載。

e.下部塌方處理了5～10m段后，立即澆筑襯砌混凝土。

f.塌方段襯砌結束且達到設計強度，在地面上開挖兩條直徑1.5m的豎井至塌方上部空腔，由豎井回填C15輕質混凝土。

3.2 2號隧洞

2號隧洞開挖過程中共發生塌方50多次，最大塌方段發生在1998年8月，H45+320～H45+370段塌方高度6m，1998年10月后進行了處理。1999年3月5日，H45+320～H45+410段再次發生塌方，塌方高度超過12m，1999年4月8日處理完畢。處理方案如下:

a.由塌方兩端5m長為一段清除塌體，然后安裝I18工字鋼拱架，［12槽鋼連接固定，反向澆筑C25混凝土，邊墻、拱頂處厚度為0.5～1.0m。

b.C25混凝土達到設計強度后，采用［12槽鋼和I18工字鋼在其上部作縱橫向支撐直至巖壁，1.0m支撐一排，圍巖面掛φ8@250mm×250mm網筋，噴護C20混凝土厚15cm。

c.塌方段襯砌結束后，由預留孔洞回填C20輕質混凝土。

3.3 4號隧洞

在開挖過程中大、中型塌方26次，其中特大塌方5次。隧洞H13+970～H13+996段發生三次大的塌方，分別發生在1998年2月5日、3月30日、4月30日，最后一次塌方冒頂;支洞與主洞交叉段于1998年9月1日發生大塌方;樁號H14+371～H14+400松散砂巖段于1998年12月14日發生特大塌方。

塌方洞段采取重型鋼拱架管棚法通過。開挖采用臺階法，I20工字鋼支撐巖壁，［12和［20槽鋼縱向連接，每榀工字鋼間距0.5～1.0m。棚架為φ114m×4m、φ89m×3.5m、φ60m ×4m、φ50m ×3.5m 鋼管，開挖支護3～5m后初噴3～5cm厚 C25混凝土，頂部和邊墻掛φ8@250mm×250mm網筋，打長2.5m、φ25徑向錨桿，間距1.0m，頂拱噴護厚20cm C25或C20混凝土，邊墻澆筑20～50cm厚C25混凝土。

4 原因分析

西干渠五條輸水隧洞所處環境惡劣，困難重重，施工前后經歷了多次圍巖塌方、變形等事件，施工安全、質量、進度、投資得不到有效的保證。仔細考慮主要有以下幾方面的原因:

4.1 軟巖認識不足

西干渠五條輸水隧洞為厚層狀、層狀砂巖、泥巖、砂質泥巖和泥質砂巖等軟質巖石，開工伊始參建各方認為巖性單一、簡單，對開挖后出現的砂巖和泥巖互層、團塊狀泥巖、松散透鏡體、泥巖節理、巖體含水量的變化等缺乏足夠的重視。施工過程中的變形監測表明，軟質圍巖的變形前期緩慢，經過一段時間的積聚后會出現突然的變化，隧洞二次塌方基本上多由此造成。

4.2 施工方案不合適

參建各方嚴重缺乏施工軟巖長隧洞的認識和經驗，采取了同硬巖隧洞基本一致的常規施工方法。主要表現在受進度、報價方面的影響，隧洞開挖、支護、襯砌的施工程序不匹配，支護、襯砌不及時;開挖采取了強爆破方式，嚴重擾動了圍巖;投標時承包商的報價普遍偏低，支護方案簡單且種類多，施工時雖然采取了鋼拱架支護方式，但間距偏大，剛度不足，噴護混凝土厚度偏薄;混凝土襯砌采取了先底拱后邊頂拱和先邊頂拱后底拱兩種方案，先底拱后邊頂拱襯砌方案不能及時支撐圍巖的變形。

4.3 缺少圍巖變形監測

招標階段僅要求承包商承擔施工期的常規安全監測。受人員素質、監測設備、數據質量、施工干擾等因素制約，承包商的安全監測流于形式，監測數據對施工起不到有效的指導作用。

4.4 施工管理不到位

由于線長點多，經常發生業主、監理及設計對承包商的施工監管、指導不及時的問題。

面對施工過程中出現的種種問題，業主主要采取了兩種措施:?統一施工方案，重點在于支護方式和隧洞開挖、支護、襯砌的施工程序;?重新對隧洞支護方案進行招標。這些措施的實施，在施工中后期起到了良好的效果。

5 結論及建議

2000年7月1日西干渠工程正式完工，2001年5月1日～9月12日西干渠工程正式通水，截至2011年10月，西干渠已經過了10年的運行，最大通水流量45m3/s，輸水隧洞運行正常，完全實現了設計的預期目標。

通過西干渠五條長距離軟巖輸水隧洞的三年施工總結，可供今后工程借鑒的經驗如下:

a.嚴格執行“短進尺、弱爆破、快支護、緊跟襯砌”的施工方案。施工前期安排必要的試驗洞，通過試驗和監測，優化施工程序、方法、設備及進度。

b.結合地形地質條件，適當加密軟巖隧洞的支洞數量，以應對施工期出現的不確定地質、施工問題。

c.對于長距離軟巖隧洞臨時支護項目，在招標文件中宜采取單價承包方式，利于施工期項目的管理。

d.圍巖變形監測單獨設標，由經驗豐富的承包商承擔安全監測任務，通過監測數據及時指導隧洞的施工。?