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例，通過對隧道開挖的幾種施工方法進行試驗對比，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)條件下掘進機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多世紀的圓夢工程、責任工程、民生工程，也是水利部27項重點工程和全國172項節(jié)水供水重大水利工程項目之一。

引洮供水二期工程四干渠第7標段工程，項目起始樁號為3+620，終點樁號為7+247，標段總長3627m，設(shè)計流量7.10m3/s，設(shè)計縱坡1/1800。標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、機電設(shè)備安裝及臨時工程。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標段1#、2#隧洞所在區(qū)域為隴渭新生代凹陷盆地，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，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腐蝕性。

3、隧洞開挖施工工藝比選，施工進度分析

3.1 1#隧洞出口段挖掘機開挖

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型挖掘機與挖掘機帶破碎錘配合開鑿（見圖3-1）人工風(fēng)鎬修邊進行開挖。經(jīng)57天開挖進度統(tǒng)計，日平均進尺僅為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，采用挖掘機開挖風(fēng)鎬修邊費時費力，開挖進度緩慢，無法完成建設(shè)單位的施工進度指標。為加快施工進度，12月28日改機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），日平均進尺僅為1.69m（見圖3-4），開挖速度仍不理想。

3.3 2#隧洞進口段挖掘裝載機開挖

根據(jù)設(shè)計圖紙，2#隧洞進口段工程洞口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；進洞125m以后為強風(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型挖掘機進行開挖，施工進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，項目部又調(diào)進了WY-80L型挖掘裝載機，于2015年11月17日進洞施工。經(jīng)施工進度統(tǒng)計分析，土洞挖掘裝載機開挖12天統(tǒng)計，日平均進尺為3.36m（見圖3-5）；風(fēng)化基巖挖掘裝載機開挖41天統(tǒng)計，日平均進尺為1.96m（見圖3-6）。圍巖進入風(fēng)化基巖后，巖石膠結(jié)致密，開挖難度加大，挖掘裝載機開挖難以保證進度要求。

3.4不同圍巖、不同設(shè)備開挖進度對比分析

建設(shè)單位下達的開挖任務(wù)指標：2015年度1#、2#隧洞月進尺各80 m；2016年度 1#、2#隧洞月進尺分別為120m、110 m。為了完成建設(shè)單位下達的開挖任務(wù)指標，需對前期開挖進度緩慢的原因進行對比分析，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度對比分析

1#隧洞出口段圍巖為強風(fēng)化—中等風(fēng)化磚紅色砂礫巖、砂質(zhì)泥巖，前期采用挖掘機開挖日平均進尺為1.50m，采用鉆爆法開挖日平均進尺為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開挖速度快一些，但施工進度遠不能滿足建設(shè)單位進度指標要求，急需采取措施，改進開挖施工工藝，加快施工進度。

3.4.2 2#隧洞進口段不同開挖施工工藝進度對比分析

采用挖掘裝載機開挖土洞，日平均進尺為3.36m；采用挖掘裝載機開挖強風(fēng)化基巖，日平均進尺為1.96m（見表3-2）。2015年報11月份完成開挖97.5 m，12月份完成開挖62.5 m。挖掘裝載機開挖略比挖掘機速度快，但施工進度難以保證完成建設(shè)單位進度指標要求；隨著隧洞加深，基巖結(jié)構(gòu)加密，硬度加大，采用挖掘裝載機開挖無法完成施工進度要求，需改進開挖施工工藝，加快施工進度。總之，隧洞圍巖較硬，韌性強，隧洞開挖機械設(shè)備及鉆爆法施工均無法適宜該項目隧洞地質(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)驗可談。為加快隧洞開挖速度，確保完成業(yè)主下達的開挖任務(wù)指標，施工過程中項目部組織有關(guān)技術(shù)人員開展隧洞開挖施工工藝研究，統(tǒng)計分析認為，該項目采用挖掘機、挖掘裝載機開挖難度大，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)備銷售商進行考察。經(jīng)實地考察、調(diào)研，結(jié)合本標段隧洞圍巖特性，考察組認為：采用掘進機掘進作為項目部首選的隧洞開挖施工設(shè)備。項目部將考察情況及項目部對該項目今后隧洞開挖施工方案報公司領(lǐng)導(dǎo)決策，經(jīng)公司專家組分析研究，決定先購置1臺掘進機用于本標段隧洞開挖施工。

4.3 掘進機使用效果

2016年1月16日，新購掘進機達到施工現(xiàn)場，先用于1#隧洞出口的開挖施工（見圖4-1），經(jīng)過半個月掘進施工，累計完成進尺85.5 m，日平均進尺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左右的掘進速度。2016年5月4日，項目部又再購置第2臺掘進機，用于2#隧洞進口的開挖施工，直至隧道貫通，每月施工進尺在152～172 m之間。施工進度名列通渭現(xiàn)場辦管轄30個標段中的前茅，項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。國內(nèi)對大斷面黃土隧道圍巖與初期支護、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段工程在實施階段創(chuàng)新性的采用掘進機施工工藝，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：

[1] 引洮供水二期工程主體工程施工第7標段施工圖紙. 甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，2015.9

[2]甘肅省引洮供水二期骨干工程工程地質(zhì)勘察報告. 甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，2014.6

[3] 劉曉東.西北黃土隧道圍巖物理力學(xué)特性試驗分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2012（6）：353-356.

[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。