山西省中部引黄工程施工21标隧洞开挖及支护方案的优化

史三锁　杜志军

(内蒙古黄河工程局股份有限公司， 内蒙古 呼和浩特　010070)

山西省中部引黄工程施工21标隧洞开挖及支护方案的优化

史三锁杜志军

(内蒙古黄河工程局股份有限公司， 内蒙古 呼和浩特010070)

【摘要】本文在对山西省中部引黄工程施工21标隧洞开挖及支护施工方案进行优化对比的基础上，阐述了隧洞掘进工程在隧洞爆破参数选择、出渣运输方式及喷射混凝土方案选择上的重要性。

【关键词】隧洞开挖； 支护； 方案优化； 对比分析

1工程概述

1.1总体概况

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，该工程干线自天桥水电站库区取水，供水范围包括四市十六个县(市/区)，涉及忻州市保德县，吕梁市兴县、临县、离石、柳林、中阳、石楼、交口、孝义、汾阳九个县(市/区)，临汾市隰县、蒲县、大宁、汾西四个县，晋中市灵石、介休两个县(市)。规划年供水6.02亿m3。中部引黄工程包括取水工程和输水工程。

1.2工程地质

东干汾孝介支线引水线路从孝义市西部土石山区经过，沿线地面地形起伏较大，河流及冲沟发育，较大的河流为孝河，河谷宽约260m，河床高程913m；较大的冲沟有大王沟、石槽沟等，沿线山顶最高高程为1247m，下堡镇隧洞出口最低高程918m，相对高差约329m。

沿线出露的地层岩性为奥陶系中统上马家沟组、峰峰组灰岩、泥灰岩；石炭系本溪组、太原组砂页岩、铝土岩、山西式铁矿、灰岩、煤层；上第三系、第四系低液限黏土、卵石混合土。岩石物理力学性质试验见表1。

该线路段断裂构造不发育，总体上为单斜岩层，岩层产状N40°～55°E/SE∠8°～12°。受褶皱构造影响，局部产生变化。岩体中主要发育两组节理裂隙： N80°～90°E/SE∠72°～79°、N36°～45°W/NE∠78°～82°。

表1　钻孔岩石物理力学性质试验成果汇总

沿线地下水主要为碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、松散岩类孔隙潜水。前10km洞段隧洞位于区域岩溶地下水位以上，后5km洞段位于碎屑岩类裂隙地下水位以下。

2初始施工方案

施工初期，采用了钻爆法施工方案，炮孔布置见图1，炮孔布置参数见表3。布孔说明： 周边孔间距40～50cm；辅助孔间距70cm；主爆孔间距85cm；掏槽孔间距90cm，图1为标准炮孔布置图且不堵塞炮孔，施工时根据围岩类别和掌子面围岩情况及时调整参数。

初期支护采用C20喷射混凝土联合钢拱架及钢筋网(Ⅴ类围岩)，喷射混凝土选用传统的纯水泥混凝土，配合比见表2。

图1　炮孔布置

设计强度等级水胶比砂率/%速凝剂掺量/%材 料 用 量/(kg/m3)水水泥砂碎石(5～15mm)速凝剂施工工艺C200.50515.021543074671621.50干 喷

表3　炮孔布置参数

出渣方案对于1号施工支洞和2号施工支洞采用有轨出渣，3号施工支洞和出口段采用无轨出渣方案，有轨出渣采用21kN提升绞车配合侧卸式矿斗车，绞车技术参数见表4。由于施工初期隧洞进尺较浅，该出渣方案的缺点还没有显现出来，平均每排炮出渣耗时3～3.5h,但是当各支洞开挖进尺超过200m后，该出渣方式就遭遇难堪，效率明显低下，影响到开挖掘进的总体安排。

表4　21kN矿用提升绞车技术参数

3优化后施工方案

根据初期施工中遇到的各种问题，项目部施工技术人员进行了详细分析和总结，大胆提出以下施工方案进行探索，并取得了成功。支护采用掺粉煤灰的混凝土，喷射混凝土配合比见表5。

出渣采用45kN矿用提升绞车配合平板台车，45kN矿用提升绞车技术参数如表6所列。

爆破开挖时炮孔布置采用楔形9°掏槽，炮孔堵塞采用当地储量丰富的低液限黏土，堵塞长度不少于50cm，每循环装药量由50kg减少为38kg，炮孔布置见图2，炮孔布置参数见表7。炮孔布置根据围岩类别和掌子面岩石情况适时调整，该方案经过近2000m的开挖作业试验取得了比较好的爆破效果，并节省了大量施工成本。

表5　掺粉煤灰喷射混凝土配合比

表6　45kN矿用提升绞车技术参数

图2　炮孔布置注　该炮孔布置图炮孔堵塞长度不小于50cm，各孔间距较图1做合理调整。

炮孔名称Ⅱ、Ⅲ类围岩Ⅳ、Ⅴ类围岩数量/个长度/m数量/个长度/m掏槽孔63.262.7主爆孔83.182.5辅助孔123.0112.5周边孔203.0222.5底 孔73.062.5合 计53个,分五段爆破53个,分五段爆破

通过试验研究，认为粉煤灰的加入，既可以大幅度减少水泥的用量，又可以减少速凝剂的用量，是一种双赢的举措。同时，粉煤灰喷射混凝土中加入早强剂硫酸钠，可以增大各期强度，且可以提高混凝土的流动性。粉煤灰也可以减弱喷射混凝土中由速凝剂带来的强度损失，高掺量粉煤灰喷射混凝土强度甚至超过普通混凝土的强度，这为解决目前喷射混凝土中广泛存在的因速凝剂导致强度损失的问题提供了新的思路。

4方案前后对比

通过方案优化，实现了技术上可行、经济上合理的目标，具体详见表8，主要材料及设备购买价格见表9。

表8　方案前后费用对比

表9　主要材料及设备购买价格

通过比较，发现初始施工方案的炸药单耗为1.21kg/m3,优化后炸药单耗降低到0.88kg/m3。炸药单耗降低后该工程节约成本约(1.21-0.88)×9.66×23.77=75.77万元(石方开挖总量 23.77万m3),同时减少CO、NO、NO2、N2O3、HCL、H2S等有毒气体排放及热量散发，对环境保护也是一种巨大贡献。而且通过优化喷射混凝土配合比，混凝土成本也大幅下降。

5结论

通过对上述方案进行优化及对比分析充分说明隧洞爆破参数选择、出渣运输及喷射混凝土方案的选择至关重要，既关乎到施工企业的成本，又关乎到施工安全和社会和谐稳定。优化后的施工方案很值得在山西省乃至全国类似隧道工程中推广应用。

中图分类号：TV554

文献标志码：A

文章编号：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