楊軍超，邵北濤，呂毓敏

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710024）

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程是陜西省內(nèi)的南水北調(diào)工程,從漢江干流黃金峽、支流三河口取水,通過秦嶺隧洞輸水至渭河支流黑河金盆水庫右岸黃池溝,再供關(guān)中渭河沿岸城鎮(zhèn)、工業(yè)園用水。引漢濟(jì)渭二期工程是輸配水工程的骨干工程,由黃池溝配水樞紐、南干線黃池溝至灞河分水口段、北干線黃池溝至涇河新城分水口段組成。白鹿塬隧洞是南干線的關(guān)鍵性工程,隧洞全長(zhǎng)9388 m,設(shè)計(jì)流量18 m3/s,設(shè)計(jì)比降1/3000,埋深140 m～ 300 m,樁號(hào)90+994 m～100+382 m,隧洞進(jìn)口位于浐河?xùn)|岸,長(zhǎng)安區(qū)鳴犢鎮(zhèn)獅村三村東側(cè),出口位于灞河西岸,灞橋區(qū)灞凌鄉(xiāng)寇家村北側(cè)。隧洞沿線設(shè)置五處圓弧轉(zhuǎn)彎段,其余線路端直。為滿足施工過程中檢修及通風(fēng)需要,在隧洞中部設(shè)置一條施工檢修及通風(fēng)支洞。

2 工程水文地質(zhì)條件

隧洞穿越白鹿塬,上部為Q3～Q1風(fēng)積、風(fēng)洪積地層,洞身為新近系泥巖夾砂巖,局部礫巖,IV類圍巖長(zhǎng)度1980 m,約占21.09%；V類圍巖7408 m,約占78.91%。隧洞位于地下水位以下,地下水埋深高出洞室120 m～200 m,進(jìn)口段黃土塬邊沖溝發(fā)育,溝坎陡立,斜坡穩(wěn)定性較差,開挖前應(yīng)做好防護(hù)及防排水措施。出口段洞身在暴雨和地震綜合作用下,會(huì)達(dá)到極限欠穩(wěn)定狀態(tài),可能會(huì)復(fù)活, 需采取適當(dāng)?shù)拇胧┘庸毯头雷o(hù)。

采用綜合方法預(yù)測(cè),隧洞可能發(fā)生的正常總涌水量為4941 m3/d,可能發(fā)生的最大總涌水量為9882 m3/d。樁號(hào)90+994 m～91+259 m段滲透系數(shù)建議值1.3×10-3cm/s,樁號(hào)91+259 m～92+809 m段為4.28×10-3cm/s,樁號(hào)92+809 m～93+939 m 段為7.5×10-4cm/s,樁號(hào)93+939 m～100+382 m段為4.0×10-6cm/s；泥巖黏粒含量介于25.6%～40.8%,平均34.1%；砂巖黏粒含量介于20.3%～34.1%,平均26.49%。

3 施工方案擬定

白鹿塬隧洞通過地層圍巖地質(zhì)較差,水位最大高于洞頂200 m,新近系泥巖飽和度81.6%～99.7%,處于飽和狀態(tài)。泥巖、砂巖成巖作用差,成洞條件極差,穩(wěn)定性極差,容易產(chǎn)生塌方、邊墻滑動(dòng)、墻腳流砂泥、底板鼓出等變形破壞現(xiàn)象,施工難度極大,施工風(fēng)險(xiǎn)高,隧洞能否如期貫通也制約著調(diào)水工程效益的發(fā)揮。因此,需要合理選擇施工方案。本文對(duì)白鹿塬隧洞采用全線常規(guī)法、全線盾構(gòu)法、盾構(gòu)法+常規(guī)法接應(yīng)聯(lián)合施工方案進(jìn)行綜合分析比較。

3.1 全線常規(guī)法施工方案

白鹿塬隧洞采用全線常規(guī)法施工的斷面型式為圓拱直墻型,斷面尺寸3.6 m（寬）×4.6 m（高）,布置1 條斷面尺寸5.2 m（寬）×6.0 m（高）的圓拱直墻型支洞,支洞長(zhǎng)2230 m,位于樁號(hào)95+009 m處,距隧洞進(jìn)口4055 m,距出口5333 m,比降-8.39%。隧洞泥砂巖隧洞洞身開挖采用液壓反鏟挖掘機(jī)直接施工,巖石隧洞采用鉆爆法施工,手風(fēng)鉆鉆孔爆破,自卸汽車出渣；二次襯砌采用鋼模臺(tái)車澆筑；隧洞用電電源規(guī)劃由附近已建10kV線路引接；通過桿上變接至隧洞進(jìn)出口,在洞口設(shè)置變壓器使用；隧洞最長(zhǎng)施工通風(fēng)距離為5333 m,分別在隧洞進(jìn)、出口、支洞口處布置軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓入式通風(fēng)。

常規(guī)法二次襯砌很難及時(shí)跟進(jìn),長(zhǎng)時(shí)間的初支暴露進(jìn)一步加大了施工風(fēng)險(xiǎn)。為降低施工風(fēng)險(xiǎn),開挖支護(hù)采取如下措施：

（1）初期開挖支護(hù)采用“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的方式,洞身開挖成形后,斷面采用鋼拱架支護(hù),及時(shí)掛網(wǎng)噴砼,必要時(shí)在頂拱范圍內(nèi)增加鋼制管棚加固,IV、V類圍巖頂部均采用Φ42小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。

（2）IV類圍巖初期支護(hù)采用錨噴網(wǎng)、全斷面工12型鋼拱架間距1.0 m,全斷面噴C20混凝土厚度15 cm,拱墻設(shè)Φ22全螺紋砂漿錨桿,拱墻掛φ8 鋼筋網(wǎng)；V類圍巖初期支護(hù)采用錨噴網(wǎng)、全斷面工12型鋼拱架間距0.6 m,全斷面噴C20混凝土厚度18 cm,拱墻設(shè)Φ22全螺紋砂漿錨桿,拱墻掛φ8鋼筋網(wǎng)；二襯采用40 cm～45 cm厚的C30 鋼筋混凝土。

（3）加強(qiáng)地表及洞內(nèi)的監(jiān)控量測(cè),做好應(yīng)急預(yù)案,必要時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行帷幕灌漿加固。

常規(guī)法施工分別從隧洞進(jìn)、出口及支洞進(jìn)入主洞上下游施工,單個(gè)工作面控制段長(zhǎng)度2347 m。初擬支洞月平均開挖進(jìn)尺160 m/月,主洞月平均開挖進(jìn)尺90 m/月,主洞砼襯砌進(jìn)尺140 m/月,施工準(zhǔn)備期2 個(gè)月,施工支洞施工工期14 個(gè)月,進(jìn)入主洞后隧洞開挖工期21 個(gè)月,襯砌及灌漿工期17個(gè)月,總工期54 個(gè)月。

該方案工程總投資 41150 萬元,其中建筑工程投資29628 萬元,占投資的72%；施工臨時(shí)工程費(fèi)11522 萬元,占投資的28 %。

3.2 全線盾構(gòu)法施工方案

盾構(gòu)機(jī)可以穿越各種復(fù)雜水文地質(zhì)特性的地層,從單一土層到復(fù)合地層不斷延伸,有廣泛的地層適用范圍。具有安全性好,自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、施工速度快,因噪音、振動(dòng)引起的環(huán)境影響小；工廠化預(yù)制襯砌管片,質(zhì)量有保證；穿越地面建筑群和地下管線密集的區(qū)域時(shí),周圍可不受施工影響；對(duì)于地質(zhì)復(fù)雜、水量大、圍巖軟弱的地層可確保施工安全等優(yōu)點(diǎn)。并從地質(zhì)條件、設(shè)備運(yùn)輸及場(chǎng)地條件、隧道坡度和轉(zhuǎn)彎半徑等進(jìn)行分析,白鹿塬隧洞適宜采用盾構(gòu)法施工。

盾構(gòu)機(jī)的選型對(duì)確保施工安全可靠及盾構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要,是根據(jù)工程地質(zhì)、土質(zhì)顆粒大小及組成、土層透水性,以及水文地質(zhì)條件,選擇能保持開挖面穩(wěn)定的機(jī)型。目前盾構(gòu)機(jī)主要分為土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)和硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）三種,每種盾構(gòu)有各自的特點(diǎn)和適用地層[1]。泥水盾構(gòu)比較適用于河底、江底等高水壓條件下的礫石粗砂等地層的隧洞施工,施工場(chǎng)地較大,費(fèi)用較高；土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)于粉土、粉砂層等黏性土壤及軟巖等地層的隧洞施工,施工場(chǎng)地較小,費(fèi)用較低,但在硬巖地層中掘進(jìn)效率低、刀具及換刀成本高。白鹿塬隧洞地層條件復(fù)雜,土層及巖層交錯(cuò)出現(xiàn),埋深和地下水水頭高度均為目前國內(nèi)之最,單一功能的盾構(gòu)很難滿足工程施工需要,推薦采用土壓+單護(hù)盾雙模盾構(gòu)機(jī)[2]。不同類型盾構(gòu)機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表1。

表1 不同類型盾構(gòu)機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

白鹿塬隧洞采用1臺(tái)土壓+單護(hù)盾雙模平衡盾構(gòu)施工,開挖斷面為圓形,成洞直徑4.4 m,C40 管片厚度35 cm,管片長(zhǎng)1.5 m。盾構(gòu)的組裝設(shè)置在隧洞進(jìn)口洞外,設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)平臺(tái),平臺(tái)尺寸為70 m×25 m,布置2 臺(tái)履帶吊車吊裝構(gòu)件,安裝調(diào)試完成后從隧洞進(jìn)口進(jìn)入掘進(jìn)施工,出口處設(shè)置拆卸平臺(tái),平臺(tái)尺寸為25 m×25 m。開挖渣料采用皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸,刀盤切削下來的土體通過皮帶運(yùn)送到洞外,再用自卸汽車轉(zhuǎn)運(yùn)至渣場(chǎng)。人員及管片等物料運(yùn)輸采用電瓶車牽引廂式機(jī)車的方式解決。盾構(gòu)機(jī)從進(jìn)口獨(dú)頭掘進(jìn)至隧洞出口,連續(xù)掘進(jìn)距離在泥砂巖地層中較為罕見。為降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn),在隧洞中部設(shè)置檢修支洞,兼做施工通風(fēng)使用,檢修支洞相關(guān)參數(shù)與全線常規(guī)法相同。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),按照10 km獨(dú)頭通風(fēng)進(jìn)行配備,在進(jìn)洞洞口安設(shè)串聯(lián)變頻風(fēng)機(jī),向隧洞內(nèi)壓入式通風(fēng),風(fēng)機(jī)完全可滿足風(fēng)量、風(fēng)壓要求。為盾構(gòu)機(jī)的用電電源由附近變電站架設(shè)20 kV供電專線接至施工供電點(diǎn),20 kV高壓跟隨盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞,洞外設(shè)施采用10 kV供電。預(yù)制管片委托專業(yè)單位提供,提前5 個(gè)月生產(chǎn),施工單位負(fù)責(zé)接收并安裝即可。

根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn),初擬盾構(gòu)機(jī)月平均成洞進(jìn)尺280 m/月。盾構(gòu)機(jī)招標(biāo)、制造及運(yùn)輸8個(gè)月,組裝、調(diào)試4個(gè)月,掘進(jìn)33.5 個(gè)月,中間檢修4個(gè)月,拆卸施工2個(gè)月,施工總工期51.5 個(gè)月。

全線盾構(gòu)法工程總投資 45520萬元,其中建筑工程投資35867萬元,占投資的79%；設(shè)備購置費(fèi)4500萬元,占投資的 10%；施工臨時(shí)工程費(fèi)5153萬元,占投資的11%。

3.3 盾構(gòu)法+常規(guī)法接應(yīng)聯(lián)合施工方案

為了確保施工工期,降低工程投資,提高常規(guī)法施工安全性,同時(shí)減少盾構(gòu)設(shè)備在泥砂巖中長(zhǎng)距離連續(xù)掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn),擬定盾構(gòu)法+常規(guī)法接應(yīng)方案,即進(jìn)口采用盾構(gòu)法,出口采用常規(guī)法接應(yīng)施工,在隧洞中部設(shè)置支洞,以滿足盾構(gòu)檢修和通風(fēng)要求[3]。結(jié)合地質(zhì)條件,盾構(gòu)掘進(jìn)7800 m,常規(guī)法施工1588 m,盾構(gòu)第一掘進(jìn)段長(zhǎng)4055 m,到達(dá)主支洞交叉段進(jìn)行設(shè)備檢修后,再進(jìn)行第二掘進(jìn)段3745 m的施工,施工完成后拆卸機(jī)器,由隧洞進(jìn)口運(yùn)出,斷面型式及支護(hù)參數(shù)同以上兩種方案。

盾構(gòu)段總工期46個(gè)月：盾構(gòu)機(jī)招標(biāo)、制造及運(yùn)輸8個(gè)月,組裝調(diào)試4個(gè)月,盾構(gòu)掘進(jìn)工期29 個(gè)月,中間檢修3個(gè)月,拆卸施工2個(gè)月。

主洞常規(guī)法段總工期40個(gè)月：施工準(zhǔn)備2個(gè)月,開挖施工23個(gè)月,二次襯砌及灌漿15個(gè)月。

聯(lián)合施工方案總投資 43930萬元,其中建筑工程投資33450萬元,占投資的76%；設(shè)備購置費(fèi)4500萬元,占投資的10%；施工臨時(shí)工程費(fèi)5980萬元,占投資的14%。

4 施工方案比選

4.1 施工工期

全線常規(guī)法施工工序多,又受長(zhǎng)距離、小斷面、地質(zhì)情況差等影響,施工效率低、速度慢。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),預(yù)估施工總工期54個(gè)月,易受不良地質(zhì)段處理進(jìn)度影響,實(shí)際工期差距可能較大。

全線盾構(gòu)法施工準(zhǔn)備期較長(zhǎng),主要用于設(shè)備制造和運(yùn)輸安裝,掘進(jìn)機(jī)械化程度高,施工速度快,但對(duì)施工人員素質(zhì)要求高,施工組織要求高,預(yù)估總工期51.5 個(gè)月,工期相對(duì)可控,因適應(yīng)地質(zhì)性較低,實(shí)際工期可能會(huì)有差距。

聯(lián)合施工方案增加了一個(gè)主洞鉆爆施工工作面,總工期最短,較全線常規(guī)法減少8 個(gè)月,較全線盾構(gòu)法減少5.5 個(gè)月,充分利用了常規(guī)法施工靈活、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)及盾構(gòu)法自動(dòng)化程度高、施工速度快、安全性好的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)增加了出口常規(guī)法施工接應(yīng),降低了整個(gè)隧洞工程貫通的工期風(fēng)險(xiǎn),必要時(shí)可以增加盾構(gòu)段或接應(yīng)段施工長(zhǎng)度,以保證貫通日期。

依據(jù)引漢濟(jì)渭工程盡早發(fā)揮工程配水效益的要求,隧洞施工完成后需進(jìn)行灞河分、退水口施工,白鹿塬隧洞要求工期為46個(gè)月。從工期要求分析,推薦采用盾構(gòu)法+常規(guī)法接應(yīng)聯(lián)合施工方案[4]。

4.2 工程投資

隧洞全線常規(guī)法工程投資為41150萬元,每米造價(jià)約為4.38萬元；全線盾構(gòu)法工程投資約為45520萬元,每米造價(jià)約為4.85萬元；聯(lián)合施工方案工程投資為43930萬元,每米造價(jià)約為4.68萬元。全線常規(guī)法造價(jià)最低,但施工不可控因素多,變更多,遭遇不良地質(zhì)段處理及施工降排水費(fèi)用非常高,突破造價(jià)的幾率大,有時(shí)造價(jià)與預(yù)算相差甚遠(yuǎn)；全線盾構(gòu)法造價(jià)相對(duì)較高,但隧洞長(zhǎng)度超過9 km,盾構(gòu)可一次攤銷,變更少,造價(jià)控制較容易；聯(lián)合施工方案投資較全線盾構(gòu)降低1590 萬元,且僅比全線常規(guī)方案提高2780 萬元[5]。

4.3 工程質(zhì)量

隧洞單位工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為優(yōu)良,要求在施工過程中精細(xì)化管理,全過程控制工程質(zhì)量,盡量減少出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。

常規(guī)法施工采用人工結(jié)合機(jī)械開挖,加之隧洞斷面較小,圍巖較破碎,含水量高,易發(fā)生坍塌、失穩(wěn)、突泥突涌水等突發(fā)事件,隧洞爆破質(zhì)量、超欠挖、噴射混凝土厚度、二襯混凝土外觀質(zhì)量很難保證,質(zhì)量通病普遍較多,增加了外觀質(zhì)量消缺處理的難度、成本,質(zhì)量難以保證。

盾構(gòu)法施工自動(dòng)化程度高,開挖斷面固定,一次成型,回填注漿易控制,管片由專業(yè)生產(chǎn)單位預(yù)制生產(chǎn),監(jiān)造監(jiān)理高標(biāo)準(zhǔn)的管控質(zhì)量,可借助信息化技術(shù)管理生產(chǎn),原材料及中間產(chǎn)品生產(chǎn)過程可追溯；施工單位只負(fù)責(zé)管片現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量,既保證了管片生產(chǎn)質(zhì)量,又能保證安裝質(zhì)量。

聯(lián)合施工方案中常規(guī)法施工距離短,加強(qiáng)管控,加大資源投入,施工質(zhì)量跟全線盾構(gòu)法接近。

4.4 施工風(fēng)險(xiǎn)

全線常規(guī)法施工受地質(zhì)條件復(fù)雜影響,需增加開挖輔助措施,施工工序復(fù)雜,洞內(nèi)需要的施工人員多,人身及設(shè)備安全難保證。洞內(nèi)地下水位高于洞頂,圍巖出水量大,排水及水處理工作量大,費(fèi)用高,影響施工進(jìn)度和質(zhì)量。棄渣采用自卸汽車無軌運(yùn)輸,運(yùn)距遠(yuǎn),運(yùn)輸車輛多,施工廢煙較多,嚴(yán)重影響洞內(nèi)空氣質(zhì)量和施工時(shí)間,效率低,工期風(fēng)險(xiǎn)較高。

全線盾構(gòu)法機(jī)械化程度高,施工人員少,效率高,人員及設(shè)備安全性好。施工中排水工作量少,排水費(fèi)用低。存在的風(fēng)險(xiǎn)主要是：受地質(zhì)條件的影響,對(duì)圍巖的適應(yīng)性較差,該隧洞V類圍巖占比太多,雖然在隧洞中部設(shè)置了檢修支洞,在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)約4 km后,進(jìn)行全面的設(shè)備檢修及排查,但長(zhǎng)距離掘進(jìn)過程中的設(shè)備可靠性及設(shè)備卡機(jī)等的處理難度遠(yuǎn)大于常規(guī)法施工,給盾構(gòu)施工帶來風(fēng)險(xiǎn)。

聯(lián)合施工方案在隧洞中部設(shè)置檢修支洞,在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)約4km后,進(jìn)行全面的設(shè)備檢修及排查,后續(xù)掘進(jìn)距離短,為盾構(gòu)后續(xù)順利掘進(jìn)施工創(chuàng)作有利條件。同時(shí)在隧洞出口段增加常規(guī)法施工段,通過常規(guī)法接應(yīng),減少盾構(gòu)掘進(jìn)長(zhǎng)度,從而降低地質(zhì)條件差對(duì)盾構(gòu)設(shè)備可能性風(fēng)險(xiǎn)。出口段常規(guī)法施工風(fēng)險(xiǎn)較大,增加開挖輔助措施,必要時(shí)增加地表降水、帷幕注漿或地表注漿等措施,風(fēng)險(xiǎn)可控。

4.5 環(huán)境影響

全線常規(guī)法施工對(duì)圍巖影響大,噪音、粉塵、排水、施工廢水較多,抽排地下水過多甚至導(dǎo)致施工區(qū)周圍井水水量枯竭,地下水環(huán)境惡化及水土流失較多；施工區(qū)屬于秦嶺山脈范圍,離居民區(qū)近,環(huán)水保要求高,外部協(xié)調(diào)難度大,環(huán)水保壓力大。

全線盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)圍巖影響小,配備有齊全的超前探測(cè)設(shè)備,可提前堵水注漿,施工工作面少,開挖襯砌同步進(jìn)行,抽排水及水處理量大幅降低,水土流失減少,環(huán)水保壓力較小。

聯(lián)合施工方案中常規(guī)法施工長(zhǎng)度僅占隧洞長(zhǎng)度的17%和全線盾構(gòu)法對(duì)周圍環(huán)境所造成的影響接近,環(huán)水保管理壓力也較小。

4.6 方案選取

綜合以上分析比較,白鹿塬隧洞推薦采用盾構(gòu)法+常規(guī)法接應(yīng)的聯(lián)合施工方案,即進(jìn)口采用盾構(gòu)法施工,出口采用常規(guī)法施工接應(yīng)。該方案在施工工期可控的前提下,工程投資較省、質(zhì)量有保證、施工風(fēng)險(xiǎn)低、環(huán)境影響較小。三種施工方案主要特性詳細(xì)對(duì)比見表2。

表2 不同施工方案主要特性對(duì)比表

5 結(jié)語

（1）白鹿塬隧洞洞線長(zhǎng)、埋深大、斷面小、地質(zhì)條件差,地下水豐富、施工難度大,盾構(gòu)法選取了土壓+單護(hù)盾雙模盾構(gòu)機(jī),常規(guī)法增加了開挖輔助設(shè)施,并結(jié)合工程工期、投資、質(zhì)量、風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響比較,最終確定盾構(gòu)法+常規(guī)法接應(yīng)的聯(lián)合施工方案,可為類似工程施工方案的確定提供參考。

（2）土壓+單護(hù)盾雙模盾構(gòu)機(jī)用于白鹿塬隧洞施工,能同時(shí)滿足施工安全性及質(zhì)量,保證工程工期,但仍需要開展雙模式施工轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)研究,推進(jìn)盾構(gòu)掘進(jìn)智能化建設(shè)水平,以提高施工效率,最大程度降低施工風(fēng)險(xiǎn)。