南干线3#输水隧洞施工方案分析

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［摘要］引汉济渭二期南干线3#隧洞穿越黄土台塬区，围岩岩性为黄土状土夹古土壤，地下水位高于洞顶，围岩稳定性差，自稳时间短，施工难度较大，因此该段隧洞施工方法选择十分重要。通过对常规法和盾构法两种施工方案进行比较分析，提出采用盾构法施工较安全、快速、经济。

［关键词］黄土隧洞；常规法；盾构法；施工方案

1工程概况

引汉济渭二期输配水工程是引汉济渭工程的重要组成部分，工程起点位于秦岭输水隧洞出口黄池沟，输水范围西至杨凌，东到渭南市华州区，北到富平，南至西安市鄠邑区，工程区东西长约163km，南北宽约84km。工程由黄池沟配水枢纽、南干线、北干线及相应的支线工程组成，属Ⅰ等大（1）型工程。南干线3#隧洞位于西安市长安区境内，隧洞全长8.18km，以明流隧洞方式穿越少陵塬，隧洞进口位于潏河东岸长安区杜曲镇牛家湾村附近，出口位于浐河西岸长安区鸣犊镇友联村南侧。设计流量18m3/s，设计比降1/2500。3#隧洞上覆围岩厚度5.5～147m，岩性为輥輲訛-1、輥輴訛-1风积黄土状土夹古土壤，局部洞段为輥輲訛-2中粗砂，属Ⅴ类围岩，坚固系数f=0.3～0.5，地下水位高于洞顶4m～40.7m，饱和度大于80%，属饱和黄土隧洞。

2施工方案

饱和黄土隧洞，由于长期受地下水浸润，土体的稳定性极差，开挖后毛洞不能自稳，容易发生墙角流土、边墙侧移、顶拱坍塌等现象，破坏严重时，可造成隧洞顶部塌方、冒顶等事故。因此饱水黄土隧洞施工难度极大，必须选择合适的施工方案。本工程对3#隧洞采用常规法和采用盾构法两种方案进行了综合分析比较。

2.1常规法施工方案

常规法以人工施工为主，辅以机械施工，遵循“管超前、少扰动、严注浆、短进尺、严治水、强支护、紧封闭、勤量测”的原则进行施工。隧洞断面采用圆拱直墙式，成洞尺寸为3.6m×4.6m（Q=18m3/s），全断面一次开挖成形，垂直掌子面掘进，现浇C30钢筋混凝土衬砌，钢模台车浇筑，混凝土采用搅拌车运输，泵送入仓，振捣器振捣。为增加施工作业面及出渣要求，布置竖井一座，深125m。

2.2盾构法施工方案

盾构法施工，隧洞断面采用圆形，内径4.4m，采用管片拼装式衬砌，管片厚度35cm，管片环宽1.2m，管片采用C50高强防水钢筋砼。为满足施工期通风及检修需要，布置竖井一座，深125m。盾构机的选型是盾构法隧洞能否安全、环保、优质、经济、快速的建成的关键，一般可选用泥水盾构与土压平衡盾构。地层渗透系数是盾构选型的重要因素，当地层渗透系数小于10-7cm/s时，可选用土压平衡盾构；当系数在10-7cm/s和10-4cm/s之间时，既可选用土压平衡盾构也可选用泥水盾构；当渗透系数大于10-4cm/s时，宜选用泥水平衡盾构。3#隧洞地层渗透系数小，约为2×10-7m/s，适合选用土压平衡盾构。根据地层的颗粒级配进行选型，土压平衡盾构主要适用于粉土、粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等粘性土层的施工；泥水平衡盾构主要适用于砾石、粗砂区。3#隧洞黄土细颗粒含量多，宜选用土压平衡盾构，因此3#隧洞选用1台土压平衡盾构机进行施工。3#隧洞施工方案如下：盾构机在隧洞出口进行组装、调试后，向上游方向掘进至隧洞进口，在进口完成拆卸。

为满足盾构检修及更换密封止水等要求，在隧洞中部设置检修竖井，同时作为施工通风井。在盾构推进的同时，进行管片的拼装和同步注浆工作以保证管片与围岩之间密实。隧洞开挖渣料采用皮带运输机运输至洞外后，采用自卸汽车运输至渣场。隧洞采用独头压入式通风方式，在洞外放置风机将新鲜空气送至洞口，然后利用高强度风管将新鲜空气送至盾构隧道机尾部。

3施工方案比较

1）工程质量

常规法施工采用人工或机械开挖，超欠挖控制难度大，且饱水黄土掌子面发生塌坍几率大，含水地层现浇衬砌施工质量难以保证，防排水施工质量控制难度高。盾构法施工对围岩扰动小，开挖断面超挖量固定，周边回填注浆易控制，且衬砌管片采用工厂化预制，机械化拼装，衬砌质量防水等级和质量等级要求高，洞壁完整光滑美观。

2）施工风险

常规法以人工施工为主，施工方法灵活，施工技术成熟，但当洞室处在地下水位以下时，土的力学指标严重降低，常规法开挖后易发生坍塌、冒顶等事故，成洞困难，安全性差，施工降水是确保工程安全的关键。工程实践表明，饱和隧洞施工降水效果较差，且部分地段降水措施难以实施，施工安全无法保证。陕西洛惠渠五号洞，岩性为Q1饱和黄土，因埋深大，地下水位高，土质水稳性很差，施工非常困难，自解放前至上世纪末，多次传统方法施工屡遭失败，直至2000年末采用简易盾构法施工才实现贯通。盾构法施工机械化程度高，劳动强度低，施工人员数量少；隧洞掘进、支护、衬砌等工艺均在盾壳的保护下进行，减少了安全事故，避免了人员的伤亡，掘进时，良好的集尘装置、供风系统以及封闭的操作室，使施工人员有了可靠的作业环境和安全保障

3）施工工期

常规法施工进度受施工单位组织管理、作业能力以及地层条件限制较大，长距离小断面饱水黄土地层开挖出渣工序繁琐，作业效率低。根据地质条件及相关工程经验，初拟常规法施工月平均进尺为50m/月，施工总工期51个月。但常规法施工，受前期降排水效果及不良地质洞段制约较大，实际施工进度并不能准确预估。盾构法施工自动化程度高，劳动强度低，受地下水影响小，在相对单一地层施工进度变化不大，工期可控。根据西安地铁盾构施工经验，初拟盾构法月平均进尺为300m/月，由于盾构机制造、运输、安装、调试等施工准备期较长，3#隧洞盾构法施工总工期51个月。其中，盾构机招标、制造及运输12个月，组装调试4个月，盾构掘进工期28个月，检修2个月，拆卸2个月，工程收尾3个月。

4）工程投资

从投资上看：常规法施工直接投资约为22370万元，单米投资约为2.73万元。而盾构法施工施工直接投资约为31197万元，单米投资约为3.82万元。若单纯从工程造价角度考虑，运用常规法施工要比采用盾构法施工经济。但常规法施工，施工降排水费用较高，后期排水费用不好准确估算，对不良地质洞段工程处理费用及不可预见的其他成本无法估计，工程实际投资与预算相差甚远。盾构法造价相对较高，但3#隧洞长度超过8km，盾构可一次摊销，且只要造价确定后，基本无变更，工程造价容易控制。

5）施工安全环保

常规法施工对围岩影响大，安全程度较差，噪音大，粉尘多且施工产生的废气、废水较盾构法多；盾构掘进机配备有齐全的超前探测设备、灌浆封堵、大功率排水设备、初期支护施工设备，洞室环境较好，安全性较好。

4结语

南干线3#黄土隧洞埋深大，地下水位高，属饱和黄土隧洞，采用常规法施工，施工降排水难度大，降水效果难以估算，施工安全、施工进度、施工质量均无法保障。盾构法施工机械化程度高，对周围环境影响小、施工快速优质高效、安全环保。综上所述，南干线3#隧洞采用盾构法施工是较优的施工方案。

参考文献

[1]刘祖典．西北黄土的物理与力学性质的初步分析[M]．黄土资料，1956，(1)：27-30．

[2]刘国华.大伙房输水工程TBM施工方法研究[J].水利水电，2008，26(3):4.

[3]陕西省引汉济渭二期工程可行性研究报告[R].西安.陕西省水利电力勘测设计研究院，2018.1.

作者:刘媛 马清瑞 单位:陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西省引汉济渭工程建设有限公司