引洮供水二期工程总干渠23号隧洞施工方案研究

刘峻嘉 吴建东

(1.甘肃省水务投资有限责任公司，甘肃 兰州 730000;2.甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

引洮供水二期工程是国务院确定的全国172项节水供水重大水利工程之一，从洮河流域调水到严重干旱缺水的甘肃省中部干旱地区[1]。总干渠设计引水流量20m3/s，加大引水流量为22.52m3/s。2030年二期工程供水量为3.13亿m3，受水区总人口达到267.76万，新增灌溉面积29.2万亩。输水渠(管)线工程中，隧洞长度占渠线长的64.57%，所占比例较大，尤其是总干渠隧洞占比高达94.02%。隧洞设计横断面多按施工控制断面设计，单洞长度超过3km的长隧洞有32座，超过10km的特长隧洞有2座，分别是总干渠16号马河隧洞和23号东正川隧洞，其中23号东正川隧洞长10461.45m，穿越黄土低中山丘陵区及华家岭中山区，存在施工支洞布置紧张、施工通风和出渣难度大等问题，是整个工程中控制总工期的关键项目之一。

2 开挖掘进方案优选

东正川23号隧洞(桩号38+327.54～48+788.99)穿越黄土低中山丘陵区及华家岭中山区，进口位于关川河流域的东正川，途经汪家曲、华家岭，止于油坊沟，全长10461.45m。围岩埋深较大，最大埋深约338m，沿线沟谷虽有布置施工支洞的条件，但存在较大困难，若布置施工支洞，则支洞类型要么为竖井和深长斜井，要么为施工长平洞，致使小断面隧洞施工通风、出渣等难度增大。

2.1 分段地质条件

b.38+460～40+672N2l粉砂质泥岩洞段：长2.21km，隧洞穿越黄土丘陵区山梁，埋深40～215m。洞身围岩为粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩，属极软岩，围岩为互层状结构，产状平缓，无地下水。初步分类洞身围岩为Ⅴ类，围岩极不稳定。

c.40+672～48+788.99γ4花岗岩洞段：长8.12km，约占23号隧洞全长的78%，隧洞穿越华家岭，埋深24～340m，洞身围岩为γ4花岗岩，中粗粒结构，块状构造，岩石单轴饱和抗压强度37.9～73.5MPa，属中硬岩～坚硬岩；岩体中裂隙较为发育，裂隙间距0.2～0.5m不等；岩体中发育有数条小断层，断层破碎带宽0.6～2.5m，内为断层角砾岩、压碎岩及糜棱岩。其中地表41+272(洞身41+348附近)处发育有华家岭—通渭断裂(F11断层)，上盘为γ4花岗岩，下盘为N2粉砂质泥岩、γ4花岗岩，断层破碎带宽2～5m，上盘影响带宽5～15m，下盘影响带宽3～5m，上盘花岗岩体中有地下水渗出。岩体中有地下水活动，地下水的矿化度0.74g/L，水质好，对普通混凝土不具腐蚀性。经初步分类隧洞围岩多为Ⅱ类、Ⅲ类。开挖中部分洞段有线状流水，F11断层及其上盘的花岗岩体中有可能发生涌水，在桩号40+672前后的N2l粉砂质泥岩与γ4花岗岩接触部位有可能发生涌水。该洞段通过华家岭，围岩为花岗岩，岩质坚硬，隧洞最大埋深338m，根据岩石强度应力之比进行岩爆判断，有发生轻微岩爆的可能性，对施工影响较小。

d.23号隧洞出口段：位于油坊沟左岸坡，为花岗岩石质岸坡，坡度30°，自然边坡稳定。

e.23号隧洞Ⅴ类围岩洞段：集中分布于进口段2344.46m内，进口段为粉质壤土，洞身围岩多为粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩，属极软岩，洞身围岩类别为Ⅴ类，围岩极不稳定，开挖时需及时支护，加强衬砌，一般采用钻爆法施工；其余洞段岩性为花岗岩，岩质均一，岩石单轴饱和抗压强度约37.9～73.5MPa，洞身围岩多为Ⅱ类、Ⅲ类，有适用于全断面双护盾掘进机施工的地质条件。

2.2 开挖掘进方案比选

东正川23号隧洞洞线岩性复杂且相互交错分布，以Ⅱ类、Ⅲ类硬岩为主。考虑到小断面、特长隧洞在高原缺氧环境下的实施难度，结合隧洞分段地质条件，设计优选硬岩TBM工法和钻爆法进行对比分析(见表1)。

表1 硬岩TBM工法与钻爆法技术经济比选成果

2.3 TBM工法优缺点

优点：TBM工法先进，一次成洞对围岩扰动小，成洞快，工期短，施工安全有保障。

缺点：投资高，国内可供选择的经验丰富的队伍少，受外汇汇率变化影响大，要求施工管理技术水平高[6]。

2.4 钻爆法优缺点

优点：投资低，对地质条件适应性强，可供选择的有成熟施工经验施工队伍较多，便于相互协作，施工工厂要求标准低。

缺点：进度较慢，工期较长，爆破作业对围岩扰动较大，施工安全保障性较差。根据东正川23号隧洞洞长、设计断面、围岩情况和施工支洞条件等条件,考虑到TBM工法投资偏大，需较高技术水平的工人和必要的检修力量，外在风险较高，同时受其他长隧洞工期的影响，该方案虽可实现工期提前，但经济效益不明显。而常规钻爆法投资低，可供选择的施工队伍较多，施工工厂要求标准低，施工装备简单，通用性强，与其他长隧洞工期相比滞后负面作用小，23号隧洞优选常规钻爆方案。

3 施工支洞布置与断面设计

3.1 施工支洞布置

经对总干渠、干渠及供水管线各主要工程项目进行钻爆法施工单项工期分析，东正川23号隧洞是影响工程总工期的关键项目之一。根据选定的施工方案、出渣方式、施工期通风及供电设施的布置，并结合永久管理运行要求，对23号隧洞施工辅助支洞进行合理规划及典型设计。总干渠东正川23号隧洞施工支洞布置见图1。

图1 东正川23号隧洞施工支洞布置示意图(单位：mm)

3.2 施工支洞断面

各支洞设计断面结合洞内作业程序、支护、出渣方式等，按双工作面控制、双连接设计。总干渠23号长隧洞施工支洞除1号通风竖井为圆形断面外，其他支洞均为城门洞形断面型式，并在其进口及主、支交叉洞段设加强洞段，加强洞段均采用C25钢筋混凝土进行衬砌。依据出渣方式设计以下几种尺寸断面，即：施工平支洞无轨出渣横断面2.88m×3.37m(B×H)；斜井绞车出渣断面4.15m×3.95m(B×H)；斜井皮带机出渣断面3.75m×3.95m(B×H)；竖井绞车出渣断面D=3m。干渠隧洞施工平洞出渣断面2.70m×2.98m(B×H)；斜井绞车出渣断面3.55m×3.29m(B×H)。

4 隧洞施工支护及出渣

4.1 施工支护

Ⅱ、Ⅲ类围岩一次支护方式为：围岩段顶拱、侧墙素C20混凝土厚度50mm，Ⅲ类围岩段顶拱、侧墙喷C20混凝土厚100mm，且在顶拱180°范围内混凝土喷层中部设φ6.5×200mm×200mm钢筋网，局部围岩破碎带紧贴岩面在顶拱及侧墙范围内布设6～8根φ20、长度2.5m或φ18、长度2.0m随机锚杆。进口加强段及主、支交叉洞段二次衬砌采用全断面现浇C25混凝土。

Ⅳ、Ⅴ类围岩一次支护方式为：顶拱、侧墙喷C20混凝土厚100mm、150mm，顶拱180°范围内混凝土喷层中部设φ6.5×200mm×200mm钢筋网，顶拱及侧墙范围内布设6～8根φ20、长度2.5m或φ18、长度2.0m的系统锚杆。Ⅳ类围岩进出口加强洞段及Ⅴ类围岩段紧贴岩面架布设Ⅰ12或Ⅰ14@0.65～1.0m底拱不封闭钢拱架。进口加强段及主、支交叉洞段二次衬砌采用全断面现浇C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚300～400mm。二衬结束后，在隧洞顶拱120°范围内进行回填灌浆。

4.2 施工出渣

地下工程隧洞开挖出渣方式通常有无轨运输和有轨运输两种。同一隧洞当洞内出渣运距为0.5km时，采用无轨、有轨不同出渣方式所得每方渣料洞内装运直接费用依次为18.94元/m3、21.55元/m3，无轨出渣方式较为经济；同理，运距1km时的每方渣料洞内装运直接费用依次为22.42元/m3、22.11元/m3，两种出渣方式基本相当；运距1.5km时的每方渣料洞内装运直接费用依次为25.64元/m3、22.68元/m3，有轨出渣方式较为经济。考虑到东正川23号隧洞工程单工作面平均控制主洞长度既有2km以上的，也有1km以下的，确定隧洞出渣采用无轨方式为主、有轨方式为辅的方案。其车道断面见图2。

图2 出渣车道断面示意图(单位：mm)

5 结 语

长隧洞施工方案的选择极其复杂，其受地质条件、征地环保、施工管理技术水平和工程投资等诸多因素的影响。本文充分考虑到引洮供水二期总干渠东正川23号长隧洞施工布置受限、断面小、隧洞特长和高原缺氧作业环境等因素，优选地质适宜性强、施工技术难度小、工程投资省的钻爆法方案，并合理布置了施工支洞和确定了施工支护和出渣方案，确保隧洞工程高效优质的施工建设。该施工方案可为高原缺氧环境下小断面、特长隧洞科学施工提供一定的借鉴和参考。