孫章平

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

引洮供水工程主要是解決甘肅省中部干旱地區(qū)11個(gè)國(guó)家扶貧重點(diǎn)縣城鎮(zhèn)及工業(yè)用水、農(nóng)村人畜飲水、生態(tài)環(huán)境用水問(wèn)題，同時(shí)兼有灌溉、發(fā)電、防洪等綜合利用功能的大型跨流域調(diào)水工程，引洮二期供水范圍為定西市安定區(qū)、隴西縣、通渭縣，白銀市會(huì)寧縣，天水市武山縣、甘谷縣、秦安縣及平?jīng)鍪徐o寧縣4市8個(gè)縣區(qū)97個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)1692個(gè)行政村，供水縣城4個(gè)（通渭、會(huì)寧、秦安、靜寧）。受水區(qū)主要分布在隴西黃土高原西部，總體屬黃土低中山梁峁地貌區(qū)，海拔1400 m～2626 m，相對(duì)高差一般小于300 m。

引洮二期工程建筑物以隧洞為主。總干渠線路全長(zhǎng)95091.45 m，其中隧洞20座，長(zhǎng)度90580.43 m，約占渠線總長(zhǎng)的95%；Ⅴ類(lèi)圍巖主要由新近系粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖和古近系砂巖夾砂礫巖以及前震旦系片麻巖古風(fēng)化殼、斷層破碎帶及影響帶構(gòu)成。Ⅴ類(lèi)圍巖和第四系黃土類(lèi)土隧洞其長(zhǎng)度約占總長(zhǎng)度的85%以上。

Ⅴ類(lèi)圍巖粉砂質(zhì)泥巖洞段主要性質(zhì)為巖性軟弱，屬極軟巖，遇水易軟化崩解，失水干縮，易風(fēng)化，圍巖極不穩(wěn)定，洞頂易坍塌掉塊。黃土狀土隧洞主要性質(zhì)為結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，含水量較高，土體呈可塑狀，地下水位于洞身附近時(shí)，圍巖不能自穩(wěn)。

2 隧洞設(shè)計(jì)和開(kāi)挖原則

對(duì)粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖、礫巖等Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖、極軟巖及黃土隧洞，巖石單軸原狀抗壓強(qiáng)度一般為0.2 MPa～4.9 MPa，黃土狀土干密度一般為1.23 g/cm3～1.62 g/cm3。因力學(xué)強(qiáng)度低，遇水易軟化崩解，自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時(shí)間短，隧洞設(shè)計(jì)采用能較好適應(yīng)圍巖變形和山巖壓力的三心圓拱型斷面[1]。三心圓拱襯砌斷面的輪廓尺寸根據(jù)襯砌軸線與外力作用下的壓力曲線相吻合的原則擬定。受地質(zhì)條件、供水規(guī)模、供水對(duì)象等因素限制，引洮二期總干渠隧洞斷面尺寸相對(duì)較小。如總干渠某隧洞面尺寸為4 m×3.8 m左右，上川輸水渠開(kāi)挖斷面尺寸為2.4 m×2.6 m左右，斷面尺寸只滿(mǎn)足施工條件要求。軟巖隧洞斷面開(kāi)挖見(jiàn)圖1。

圖1 軟巖隧洞開(kāi)挖斷面

本次隧洞支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考以往類(lèi)似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用復(fù)合式的支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)聯(lián)合體系，一次支護(hù)采用新奧法設(shè)計(jì)、二次襯砌采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算以確保隧洞設(shè)計(jì)、施工安全。新奧法設(shè)計(jì)原則是最大限度利用圍巖自承能力，合理確定二次襯砌厚度配筋等參數(shù)，使工程做到經(jīng)濟(jì)合理。隧洞支護(hù)方法為隧洞開(kāi)挖完后及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行噴錨一次支護(hù)，減少?lài)鷰r擾動(dòng)。通過(guò)“勤觀測(cè)”，分析圍巖收斂、變形數(shù)據(jù)規(guī)律，判斷斷面穩(wěn)定性，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，通過(guò)圍巖觀測(cè)數(shù)據(jù)判斷圍巖收斂性，合理確定二次襯砌時(shí)間。

3 隧洞開(kāi)挖方案比選

目前，隧洞開(kāi)挖主要采用的施工方法有鉆爆法、機(jī)械開(kāi)挖法，其中機(jī)械開(kāi)挖法又包括盾構(gòu)機(jī)，掘進(jìn)機(jī)，銑挖機(jī)等施工方法。引洮二期飲水隧洞斷面比較小，不適用掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)等大型機(jī)械施工，且盾構(gòu)機(jī)、挖掘機(jī)造價(jià)高。因此引洮二期隧洞開(kāi)挖方案主要考慮鉆爆法和銑挖法。

3.1 銑挖法施工

銑挖法以銑挖機(jī)為核心，可配合其他機(jī)械，以控制爆破，靜力破碎等方式進(jìn)行隧洞開(kāi)挖的非爆破開(kāi)挖方法[2]。銑挖機(jī)主要有銑挖刀頭、銑挖頭、銑挖機(jī)身、傳輸帶組成。銑挖機(jī)頭可安裝在任何類(lèi)型的液壓挖掘機(jī)上，廣泛應(yīng)用于隧洞開(kāi)挖、渠道銑掘、瀝青混凝土路面銑刨、巖石凍土銑挖等多個(gè)領(lǐng)域。銑挖機(jī)的應(yīng)用為隧道開(kāi)挖提供了一種新的施工方法，特別適用于中低強(qiáng)度、完整性較好巖石。銑挖機(jī)具有掘進(jìn)、開(kāi)挖、出渣一體化的功能，銑挖機(jī)見(jiàn)圖2。

圖2 銑挖機(jī)圖片

銑挖法施工主要特點(diǎn)為：

1）施工效率高：銑挖機(jī)集掘進(jìn)、開(kāi)挖、出渣一體化功能，可連續(xù)作業(yè)，施工效率高。根據(jù)引洮二期隧洞施工經(jīng)驗(yàn)，引洮二期工程軟巖單軸原狀抗壓強(qiáng)度為0.2 MPa～4.9 MPa，在軟巖洞段開(kāi)挖強(qiáng)度可達(dá)到14 m3/h～20 m3/h左右,在黃土洞段可達(dá)到18 m3/h～30 m3/h左右。

2）開(kāi)挖精度高：引洮二期軟巖隧洞采用三心圓斷面，開(kāi)挖尺寸控制比較困難。銑挖機(jī)可精確按照設(shè)計(jì)斷面開(kāi)挖，嚴(yán)格控制超挖，欠挖，降低施工過(guò)程中“寧超勿欠”所引起的材料浪費(fèi)[3]，確保二襯砼厚度，節(jié)約成本。

3）對(duì)圍巖擾動(dòng)?。恒娡跈C(jī)利用銑挖刀頭，平緩開(kāi)挖斷面，巖體受擾動(dòng)小，不引起圍巖及已支護(hù)斷面動(dòng)力響應(yīng)。

4）環(huán)境污染?。恒娡跈C(jī)施工過(guò)程中產(chǎn)生少量灰塵，通過(guò)合理的排風(fēng)措施，減少對(duì)人體危害。

5）施工安全：隧洞開(kāi)挖支護(hù)采用“短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，勤量測(cè)”原則。銑挖機(jī)前臂可連續(xù)進(jìn)尺2 m～3 m，銑挖機(jī)操作人員可在已噴錨支護(hù)斷面下進(jìn)行，減少隧洞開(kāi)挖過(guò)程中掉塊、塌方等造成人員傷亡。

6）機(jī)械化程度高：隧洞開(kāi)挖斷面一般只需要一個(gè)銑挖機(jī)操作員，然后利用小型柴油三輪車(chē)在運(yùn)輸帶后面將洞渣運(yùn)至洞外，機(jī)械化程度高。

7）節(jié)約成本：根據(jù)引洮二期所在地火工品單價(jià)分析,以引洮二期某軟巖隧洞開(kāi)挖單價(jià)比較,銑挖機(jī)開(kāi)挖較鉆爆法施工約低680元/m。

8）適用范圍受限：對(duì)于強(qiáng)度小于等于15 MPa軟巖開(kāi)挖效率高，但對(duì)于15 MPa～30 MPa軟巖效率偏低，開(kāi)挖緩慢。開(kāi)挖過(guò)程中遇到局部圍巖強(qiáng)度為30 MPa左右，開(kāi)挖1.5 m進(jìn)尺，開(kāi)挖時(shí)間約15 h，且銑挖機(jī)刀片磨損嚴(yán)重。

3.2 鉆爆法施工

引洮二期工程隧洞巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖、礫巖等軟巖和極軟巖，為避免開(kāi)挖過(guò)程中圍巖受擾動(dòng)嚴(yán)重，造成中～大塌方，確保開(kāi)挖安全。隧洞采用光面爆破開(kāi)挖。通過(guò)嚴(yán)格控制周邊爆眼方向、間距、裝藥量以及起爆順序，嚴(yán)格按技術(shù)條款要求控制周邊殘孔率，控制超挖、欠挖量，減少周邊及已襯砌圍巖擾動(dòng)，達(dá)到光面爆破效果。爆眼可采用氣腿式鑿巖機(jī)或手持式鑿巖機(jī)打孔，也可采用煤電鉆打孔。對(duì)極軟巖洞段黃土洞段不宜采用全斷面一次開(kāi)挖。注重開(kāi)挖方法的選擇，宜采用上下臺(tái)階法、預(yù)留核心土法及先行導(dǎo)洞法等施工方法，以保證一次支護(hù)的及時(shí)施工。

鉆爆法施工主要特點(diǎn):

1）適用范圍廣：鉆爆法適用于硬巖、軟巖，對(duì)不同強(qiáng)度的巖石均可使用。

2）對(duì)圍巖擾動(dòng)大：據(jù)相關(guān)研究爆炸能以不同的形式釋放，一部分以動(dòng)能的形式誘發(fā)圍巖振動(dòng)，其間巖體應(yīng)變能也會(huì)在開(kāi)挖面通過(guò)近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)相互做功的形式誘發(fā)振動(dòng)，即圍巖振動(dòng)是由爆炸能和巖體應(yīng)變能共同引起[4]。鉆爆法對(duì)圍巖及已支護(hù)斷面擾動(dòng)大。

3）施工效率低：光面爆破法施工，掌子面需要各工種人員多，實(shí)施繁瑣。

4）爆破、開(kāi)挖施工過(guò)程中危險(xiǎn)性因素較多。

5）污染大：爆破過(guò)程中產(chǎn)生濃煙比較多，排煙時(shí)間較長(zhǎng)。

6）斷面尺寸較難控制：引洮二期軟巖隧洞采用三心圓斷面，特別是軟巖隧洞，巖石膠結(jié)力弱，自穩(wěn)能力差，輪廓斷面較難控制，采用鉆爆法容易造成圍巖松動(dòng)，導(dǎo)致隧洞掉塊、塌方。

3.3 方案比選

引洮二期隧洞施工具有以下特點(diǎn)：隧洞斷面小，距離長(zhǎng)，工期要求緊張，軟巖或黃土洞段所占比例大。通過(guò)對(duì)兩種施工方案綜合分析，在軟巖隧洞中采用銑挖法施工，技術(shù)先進(jìn)，施工安全，效率高，施工進(jìn)度大大提高。銑挖法與鉆爆法主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 兩種方案對(duì)比

3.4 銑挖法在施工中遇到的問(wèn)題及解決方法

（1）圍巖中有地下水時(shí)，施工比較困難。主要原因?yàn)閲鷰r滲水，銑挖機(jī)刀頭開(kāi)挖時(shí)，粘結(jié)成泥糊狀；底板泥化，銑挖機(jī)陷入泥中，行走困難。施工中解決辦法：在遇水洞段，采用集水井，加強(qiáng)排水；在滲水集中的位置集中飲水，防止地下水漫排。并在底板泥化洞段，采用干硬性砼硬化底板。

（2）開(kāi)挖過(guò)程中遇巖石破碎段及黃土洞段，特別是粉砂巖，遇水崩解，有掉塊及頂部坍塌現(xiàn)象，有砸中開(kāi)挖機(jī)操作人員現(xiàn)象，造成人員受傷。施工中解決辦法：對(duì)黃土洞段及圍巖極軟或破碎以及富含地下水的特殊洞段采用超前支護(hù)管棚和施工注漿等輔助方法。超前支護(hù)一般采用φ42超前管棚（環(huán)向間距300 mm，L=3000 mm），搭接長(zhǎng)度1 m～1.5 m，必要時(shí)采用φ108超前鋼管管棚（環(huán)向間距350 mm，L=10000 mm），管棚搭接長(zhǎng)度2 m～3 m；開(kāi)挖時(shí)采用上下臺(tái)階法、預(yù)留核心土法等施工方法[2]。開(kāi)挖過(guò)程中采用短進(jìn)尺，一般為一個(gè)循環(huán)，進(jìn)尺一般為1.0 m～1.5 m，及時(shí)噴錨支護(hù)，然后進(jìn)行下一循環(huán)。這樣可保證開(kāi)挖人員在已支護(hù)穩(wěn)定洞段施工。

（3）銑挖機(jī)液壓采用風(fēng)冷式系統(tǒng)，工作時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，銑挖機(jī)刀頭溫度升高，油溫上升，造成液壓管道爆破，銑挖機(jī)頭額定功率下降等現(xiàn)象，施工中合理安排工序，避免連續(xù)工作導(dǎo)致機(jī)器損壞。

（4）引洮二期隧洞斷面普遍偏小，一般采用自卸式柴油農(nóng)用三輪車(chē)運(yùn)輸，加上開(kāi)挖過(guò)程中的粉塵，當(dāng)隧洞較長(zhǎng)時(shí)，洞內(nèi)污染嚴(yán)重，能見(jiàn)度低，施工條件差。施工過(guò)程中加強(qiáng)通風(fēng)、排煙能力，盡可能保持良好的施工環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)引洮二期工程實(shí)踐證明，銑挖法在軟巖（特別是圍巖強(qiáng)度≤15 MPa）和黃土洞段，具有機(jī)械化成度高，隧洞斷面開(kāi)挖精度高，對(duì)圍巖擾動(dòng)小、污染小、施工安全等明顯優(yōu)勢(shì)。銑挖法的運(yùn)用可大大提高施工效率，縮短工期，為工程按時(shí)通水提供有利保障。銑挖法在引洮二期工程的應(yīng)用，可供類(lèi)似隧洞設(shè)計(jì)與施工參考借鑒。