神木县城供水工程输水隧洞施工方案优化

王占平

(陕西省神木县建设工程质量安全监督站,陕西神木 719300)

1 工程概况

神木县城供水工程为神木县重点建设项目,工程设计从瑶镇水库引水,经神木县城新建水厂后进入城区供水管网,设计引水量为3×104t/d。该工程由输水隧洞和供水压力管道两部分组成,设计建设工期三年半。输水隧洞进口位于瑶镇水库前池,出口位于麻家塔乡阿鸡漫村,全长22.368 km,均为无压洞。横断面形式为现浇混凝土城门洞形,宽×高=1.8m×2.4 m,衬砌材料为现浇C20混凝土,衬砌厚度0.3m。输水隧洞沿线布设施工竖井21眼,深度25 m～178 m,累计深度2 254 m。施工竖井为圆形,直径2.6 m,衬砌材料为现浇C15混凝土,衬砌厚度0.3m。

2 存在问题

该工程从2005年11月开工以来,陆续出现了许多因工程地质和水文地质引发的问题,主要为:

(1)进口段岩层断层(600 m):本工程地处毛乌素沙漠南缘,上覆地貌平坦,掩盖了下覆基岩的起伏,出现了支沟岩面低于主河床岩面不为人所意料的地质变化,致使在隧洞进口段K0+262 m处施工中出现岩层断层,经地质补勘,隧洞K0+262～K0+855 m处洞身位于砂层,不具备原设计方案的成洞条件,该段被迫停止施工。

(2)竖井涌水量过大,用常规方法无法降水。该工程设计时按常规做了工程地质勘探,未做局部及区域水文地质工作。由于未能在项目实施前对局部及区域水文地质情况充分掌握,致使设计方案在施工中遇到障碍而无法实施。17眼竖井相继出现同样的问题,其中 2#、3#、4#、5#、11#、12#、16#、17#、19#等 9眼为砂层地段;13#、14#、15#为土层段,6#、7#、8#、9#、10#为岩层段。

(3)4#～5#竖井间隧洞施工方案存在隐患。4#～5#竖井之间隧洞穿越河沟古河床,目前探明洞顶以上围岩最小厚度为4.8 m,且为松散破碎岩层,施工时目前给出的方案为人工弱爆破开挖,超前钻探、超前支护。业主担心,该段隧洞施工过程中可能会发生意料不到的冒顶、透水等较为严重的安全事故。

3 施工方案难点

(1)竖井的布置位置、数量、断面大小如何选择来满足工程需要。

(2)竖井流沙段、土层段、基岩强风化带止水方案、开挖、支护参数等选定。

(3)进口600 m流沙段施工方案选择。

(4)原设计4#和5#竖井之间薄岩柱段安全可靠的施工方案确定。

(5)平洞砂、泥岩段爆破及地层止水方案。

(6)如何确保施工工期及控制建设投资。

4 各施工方案思路

4.1 方案1—大竖井+扩大断面矿山法平洞施工

充分利用已经施工完成的4个小竖井(1#、18#、20#、21#),将剩余小竖井取消,重新布设6个增大内径的竖井[1](增大1#～6#),基本按3.0 km一个竖井布设,新增大竖井开挖断面直径为6.0 m,净空为4.5 m左右,共计10个竖井,竖井支护结构:初支20 cm(拱架+锚网喷C20混凝土),二衬为50 cm左右的钢筋混凝土。开挖断面为:流沙段2.9 m×3.5 m;薄岩柱段 2.6 m×3.1 m;一般地段(3.1～3.3)m×(3.1～3.3)m,直墙半圆形;支护建议为:初支10 cm～25 cm,二衬25 cm～30 cm。增大竖井的目的是因为竖井施工比较困难,减少竖井数量可以减小施工难度;考虑到工期、施工安全和通风,增大每个竖井中的平洞施工段,需要加大平洞断面[2],可以使用较大施工机械,从而加快施工进度,提高施工安全度。

4.2 方案2—小竖井+小断面矿山法平洞施工

充分利用已经施工完成的4个小竖井(1#、18#、20#、21#)保证进出口段正常施工,为了降低竖井施工费用,将剩余未开挖完成的小竖井减半,基本按2.0 km布设一个小竖井[3],并对小竖井的开挖尺寸进行调整,未开挖部分断面由原来的直径3.2 m调整为3.4 m,支护参数调整为初支20 cm(拱架+锚网喷C20混凝土),二衬为20 cm左右的钢筋混凝土;重新布设3个竖井新2#、新3#、新5#及保留原来的7#、9#、11#、13#、15#、17#竖井,共计 13 个小竖井。平洞施工根据围岩情况对部分区段的坡度、结构断面尺寸进行调整,开挖断面为:流沙段2.9 m×3.5 m;薄岩柱段及一般地段为2.6 m×3.1 m,直墙半圆形;支护建议为:初支 10 cm～25 cm,二衬25 cm～30 cm。减少竖井的目的是因为竖井施工比较困难,减少竖井数量可以减小施工难度,节省部分投资。

4.3 方案3—大竖井+扩大断面盾构和矿山法平洞施工

盾构施工里程K0+000～K4+800,共4 800 m,盾构断面内径净空2.44m,管片C40钢筋混凝土25 cm厚,矿山法施工里程为K4+800～K22+368,共17 568 m,充分利用已经施工完毕的3个小竖井(18#、20#、21#)保证出口段施工,将剩余未完成的新5#小竖井保留,并继续开挖完成,其余小竖井取消。重新布设6个增大内径的竖井(增大 1#～6#),共计10个竖井,基本按3.0 km布设一个大竖井,大竖井的开挖直径为6.0 m,净空为4.5 m左右,支护参数同方案1,根据冻结要求[4]和结构受力要求。平洞施工根据围岩情况及盾构需要对部分区段的坡度、结构断面尺寸进行调整,开挖断面及支护参数同方案1一般地段,使用盾构的目的是确保隧洞早日建成,确保流沙段和薄岩柱段的施工安全,同时可以提高线路标高50 m左右,相应减小竖井深度,减小施工难度,加快施工进度。

4.4 方案4—小竖井+小断面盾构和矿山法平洞施工

盾构施工里程为K0+000～K4+800,共4 800 m,盾构断面内径净空2.44m,管片C40钢筋混凝土25 cm厚,矿山法施工里程为K4+800～K22+368,共 17 568 m,充分利用已经施工完毕的3个小竖井(18#、20#、21#),将目前尚未施工完成的小竖井 6#、8#、10#、12#、14#、16#继续施工完成,其余竖井取消,基本按2.0 km布设一个小竖井,小竖井的开挖直径为3.4m,建议支护参数同方案2;考虑到刀盘、刀具检修和施工供电需要,盾构施工需要增设2个工作井,因此增加了2个大工作井,工作井开挖尺寸为6.0 m,净空为4.5 m左右,共计11个竖井。平洞施工根据盾构需要及围岩情况对部分区段的坡度、结构断面尺寸进行调整,结构断面调整同方案2一般地段。使用盾构的目的是确保隧洞早日建成,确保流沙段和薄岩柱段的施工安全[5],同时可以提高线路标高50 m左右,相应减小竖井深度,减小施工难度,加快施工进度。

4.5 方案5—小竖井21个+小断面矿山法平洞施工

充分利用已经施工的21个小竖井(1#～21#)保证整个隧洞的建设工期,前期投资合理利用,将剩余的17个未完成的竖井采取合理的措施施工完毕,对未完工的小竖井的开挖尺寸进行调整,未开挖部分断面由原来的直径3.2 m调整为3.4 m,支护参数调整为初支20 cm(拱架+锚网喷C20混凝土),二衬为20 cm左右的钢筋混凝土。平洞施工根据围岩情况对部分区段的坡度、结构断面尺寸进行调整,开挖断面同方案2,直墙半圆形,支护为:初支10 cm～25 cm,二衬 25 cm～30 cm。

5 5种方案造价和工期比较

不同方案造价比较见表1,表2。

6 结 论

综合大、小竖井的结构尺寸及现场地质条件,注浆施工不能确保一次就能成功,因此造价与工期存在不确定因素,而且注浆的薄弱环节可能导致施工人员在开挖时出现突然涌水、涌砂,导致人员伤亡事故,而冻结法虽然造价稍高,但基本不会出现失败和安全事故。因此竖井采用冻结法通过流沙、土层、强风化基岩段。同时考虑出渣及平洞施工安全、通风、工期以及安全的法律强制性规定,竖井须考虑应急折返梯、通风条件、排水条件、尤其是提升系统的规程等,竖井必须加大断面才能满足要求,因此竖井优化施工方案为:大断面冻结法。

目前隧洞的施工断面偏小,在突发涌水事故时,抢险及逃生都很困难,而且工期也没有保证,无法使用机械出渣,通风、排水等十分困难、安全隐患较多,平洞断面应适当加大,但同时考虑投资控制,因此优化平洞施工方案为:部分区段扩大断面矿山法施工。

表1 不同方案造价比较表

表2 倒排工期进度计划表

[1] 关玉祥.巨厚表土层大直径立井井筒冻结法施工技术[J].山东煤炭科技,2009,6(1):72-73.

[2] 孟胜宾.深圳地铁沙世区间矿山法隧道特殊地段施工技术[J].山东交通科技,2008,8(2):36-37.

[3] 江军.立井井筒深厚冻结表土段快速施工实践[J].建井技术,2008,29(6):8-9.

[4] 鲍永亮,郑七振,唐建忠.地铁隧道旁通道冻结法施工监测分析[J].铁道工程学报,2009,(3):93-95,109.

[5] 吕舒,陈海尤.广州地铁三号线矿山法防水板施工技术[J].四川建材,2006,32(1):98-100.