山西省中部引黃工程施工21標(biāo)隧洞開(kāi)挖及支護(hù)方案的優(yōu)化

史三鎖　杜志軍

(內(nèi)蒙古黃河工程局股份有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特　010070)

山西省中部引黃工程施工21標(biāo)隧洞開(kāi)挖及支護(hù)方案的優(yōu)化

史三鎖杜志軍

(內(nèi)蒙古黃河工程局股份有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特010070)

【摘要】本文在對(duì)山西省中部引黃工程施工21標(biāo)隧洞開(kāi)挖及支護(hù)施工方案進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比的基礎(chǔ)上，闡述了隧洞掘進(jìn)工程在隧洞爆破參數(shù)選擇、出渣運(yùn)輸方式及噴射混凝土方案選擇上的重要性。

【關(guān)鍵詞】隧洞開(kāi)挖； 支護(hù)； 方案優(yōu)化； 對(duì)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(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程，該工程干線自天橋水電站庫(kù)區(qū)取水，供水范圍包括四市十六個(gè)縣(市/區(qū))，涉及忻州市保德縣，呂梁市興縣、臨縣、離石、柳林、中陽(yáng)、石樓、交口、孝義、汾陽(yáng)九個(gè)縣(市/區(qū))，臨汾市隰縣、蒲縣、大寧、汾西四個(gè)縣，晉中市靈石、介休兩個(gè)縣(市)。規(guī)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(zhì)

東干汾孝介支線引水線路從孝義市西部土石山區(qū)經(jīng)過(guò)，沿線地面地形起伏較大，河流及沖溝發(fā)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(zhèn)隧洞出口最低高程918m，相對(duì)高差約329m。

沿線出露的地層巖性為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、峰峰組灰?guī)r、泥灰?guī)r；石炭系本溪組、太原組砂頁(yè)巖、鋁土巖、山西式鐵礦、灰?guī)r、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(xué)性質(zhì)試驗(yàn)見(jiàn)表1。

該線路段斷裂構(gòu)造不發(fā)育，總體上為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀N40°～55°E/SE∠8°～12°。受褶皺構(gòu)造影響，局部產(chǎn)生變化。巖體中主要發(fā)育兩組節(jié)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(xué)性質(zhì)試驗(yàn)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(qū)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(jiàn)圖1，炮孔布置參數(shù)見(jiàn)表3。布孔說(shuō)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(biāo)準(zhǔn)炮孔布置圖且不堵塞炮孔，施工時(shí)根據(jù)圍巖類別和掌子面圍巖情況及時(shí)調(diào)整參數(shù)。

初期支護(hù)采用C20噴射混凝土聯(lián)合鋼拱架及鋼筋網(wǎng)(Ⅴ類圍巖)，噴射混凝土選用傳統(tǒng)的純水泥混凝土，配合比見(jiàn)表2。

圖1　炮孔布置

設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)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(shù)

出渣方案對(duì)于1號(hào)施工支洞和2號(hào)施工支洞采用有軌出渣，3號(hào)施工支洞和出口段采用無(wú)軌出渣方案，有軌出渣采用21kN提升絞車配合側(cè)卸式礦斗車，絞車技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。由于施工初期隧洞進(jìn)尺較淺，該出渣方案的缺點(diǎn)還沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)，平均每排炮出渣耗時(shí)3～3.5h,但是當(dāng)各支洞開(kāi)挖進(jìn)尺超過(guò)200m后，該出渣方式就遭遇難堪，效率明顯低下，影響到開(kāi)挖掘進(jìn)的總體安排。

表4　21kN礦用提升絞車技術(shù)參數(shù)

3優(yōu)化后施工方案

根據(jù)初期施工中遇到的各種問(wèn)題，項(xiàng)目部施工技術(shù)人員進(jìn)行了詳細(xì)分析和總結(jié)，大膽提出以下施工方案進(jìn)行探索，并取得了成功。支護(hù)采用摻粉煤灰的混凝土，噴射混凝土配合比見(jiàn)表5。

出渣采用45kN礦用提升絞車配合平板臺(tái)車，45kN礦用提升絞車技術(shù)參數(shù)如表6所列。

爆破開(kāi)挖時(shí)炮孔布置采用楔形9°掏槽，炮孔堵塞采用當(dāng)?shù)貎?chǔ)量豐富的低液限黏土，堵塞長(zhǎng)度不少于50cm，每循環(huán)裝藥量由50kg減少為38kg，炮孔布置見(jiàn)圖2，炮孔布置參數(shù)見(jiàn)表7。炮孔布置根據(jù)圍巖類別和掌子面巖石情況適時(shí)調(diào)整，該方案經(jīng)過(guò)近2000m的開(kāi)挖作業(yè)試驗(yàn)取得了比較好的爆破效果，并節(jié)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(shù)參數(shù)

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

炮孔名稱Ⅱ、Ⅲ類圍巖Ⅳ、Ⅴ類圍巖數(shù)量/個(gè)長(zhǎng)度/m數(shù)量/個(gè)長(zhǎng)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(jì)53個(gè),分五段爆破53個(gè),分五段爆破

通過(guò)試驗(yàn)研究，認(rèn)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(shí)，粉煤灰噴射混凝土中加入早強(qiáng)劑硫酸鈉，可以增大各期強(qiáng)度，且可以提高混凝土的流動(dòng)性。粉煤灰也可以減弱噴射混凝土中由速凝劑帶來(lái)的強(qiáng)度損失，高摻量粉煤灰噴射混凝土強(qiáng)度甚至超過(guò)普通混凝土的強(qiáng)度，這為解決目前噴射混凝土中廣泛存在的因速凝劑導(dǎo)致強(qiáng)度損失的問(wèn)題提供了新的思路。

4方案前后對(duì)比

通過(guò)方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的目標(biāo)，具體詳見(jiàn)表8，主要材料及設(shè)備購(gòu)買價(jià)格見(jiàn)表9。

表8　方案前后費(fèi)用對(duì)比

表9　主要材料及設(shè)備購(gòu)買價(jià)格

通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)初始施工方案的炸藥單耗為1.21kg/m3,優(yōu)化后炸藥單耗降低到0.88kg/m3。炸藥單耗降低后該工程節(jié)約成本約(1.21-0.88)×9.66×23.77=75.77萬(wàn)元(石方開(kāi)挖總量 23.77萬(wàn)m3),同時(shí)減少CO、NO、NO2、N2O3、HCL、H2S等有毒氣體排放及熱量散發(fā)，對(duì)環(huán)境保護(hù)也是一種巨大貢獻(xiàn)。而且通過(guò)優(yōu)化噴射混凝土配合比，混凝土成本也大幅下降。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)上述方案進(jìn)行優(yōu)化及對(duì)比分析充分說(shuō)明隧洞爆破參數(shù)選擇、出渣運(yùn)輸及噴射混凝土方案的選擇至關(guān)重要，既關(guān)乎到施工企業(yè)的成本，又關(guān)乎到施工安全和社會(huì)和諧穩(wěn)定。優(yōu)化后的施工方案很值得在山西省乃至全國(guó)類似隧道工程中推廣應(yīng)用。

中圖分類號(hào)：TV554

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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