西干渠输水隧洞施工规划

马超刚

(新疆兵团建设集团有限公司 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

1.1 简述

西干渠工程位于新疆准噶尔盆地的西北缘荒漠和半荒漠草原地带，沿线共布置五条无压输水隧洞，属2级建筑物，自东向西编号分别为 1～5号，总长10.02km，直线布置。

隧洞由进口明渠段、渐变段、洞身段和出口消力池、渐变段、出口明渠段组成。隧洞特征见表1。

表1 1～5号输水隧洞特性表

1.2 地形地质条件

西干渠地处区域构造相对简单，新构造活动相对较弱，沿线构造不发育，工程区地震基本烈度为6度和小于6度。五条输水隧洞主要穿越平台和洼地相间的剥蚀起伏地貌单元，地层岩性相同，上覆第三系和第四系地层，其中第三系地层主要为砂岩、泥岩、砂砾岩等。第四系地层主要有砂砾石、砾质砂土、坡积碎石土等。隧洞围岩物理力学特征见表2。

表2 1～5号输水隧洞围岩物理力学特性表

续表

西干渠五条输水隧洞沿线均为新生界第三系的厚层状、层状砂岩、泥岩、砂质泥岩和泥质砂岩等软质岩石，局部夹有团块状泥岩和层状砂岩透镜体。岩石总体表现为弱胶结，干抗压强度小于3MPa，饱和抗压强度小于0.18MPa。泥岩为强膨胀岩体，具有剪切流变性和失水崩解性;而砂岩具有遇水崩解性和胶结差的特点。围岩为Ⅳ～Ⅴ类，其稳定性受含水量、不利节理裂隙结构面和胶结程度的影响较大。成洞条件和稳定性主要受地形地貌、天然含水量、成岩作用的差异及地层的胶结程度等多种因素的控制，其次受少量节理、裂隙及裂隙水的影响。

1.3 气象条件

西干渠工程地处准噶尔盆地西北边缘，属大陆性寒温带及大陆性温带气候。冬季严寒，夏季炎热，昼夜温差较大。工程区域内典型气候特征数值见表3。

表3 工程区典型气候特征数值表

2 输水隧洞施工规划

2.1 施工特点

a.五条隧洞均位于准噶尔盆地西北边缘，附近无人无水无电，建筑材料及所有生产、生活物资由外部提供，施工条件差。

b.当地气候恶劣，每年11月～次年3月进入低温季节，多年年有效施工时间6～7个月，施工期较短。

c.五条隧洞沿线均为新生界第三系的厚层状、层状砂岩、泥岩、砂质泥岩和泥质砂岩等软质岩石，总体表现为弱胶结，围岩为Ⅳ～V类，围岩质量和稳定性差。

2.2 施工布置

五条隧洞沿线地形平坦，场地宽阔。由于隧洞进出口位于地面20～30m以下，施工必须的生产设施(包括场内交通、供电系统、供水系统、照明设施、混凝土生产系统、钢筋加工厂、模板加工厂、水泥、油料、火工材料仓库和堆料场等)、生活设施设置在隧洞进出口、施工支洞上部的阶地平台上。

除5号隧洞较短未设施工支洞，1～4号隧洞施工支洞布置特性见表4。

2.3 施工方案

综合当地施工条件和围岩地质情况，五条隧洞均采取了“短进尺、快支护、紧跟衬砌”综合处理施工方案。

表4 1～4号隧洞施工支洞布置特性表

续表

2.3.1 隧洞开挖

基于对围岩的认识、经验、施工准备等方面的原因，针对不同洞段的地质条件，五条隧洞采取了不同的开挖方式，其中1号隧洞采取了上、下半洞法;2号、5号隧洞为导洞扩挖法;3号、4号隧洞采取了全断面法。原则上不允许爆破，采用风镐、小型挖掘机挖掘装车，自卸车出渣。每循环进尺控制在1～1.25m。

1号隧洞:分上、下断面分层风镐掘进，人工或0.4m3挖掘机装“方圆”自卸车出渣，全断面锚喷支护。上半部每循环进尺1m约需13～15h。

2号、5号隧洞:采用下导洞掘进二次扩挖，煤电钻钻孔，人工装药，导爆管配合导爆索连网，火雷管起爆，光面爆破，紧跟支护。导洞为城门洞形，断面尺寸(宽×高)3m×3m。每一循环工作内容:布孔—钻孔—装药—爆破—通风散烟—支护—出渣—下一循环。

3号、4号隧洞:分进口段、支洞段、出口段三个施工区四个作业面同时施工。采用短进尺、少装药、密布眼、快循环的全断面开挖爆破方案。电动凿岩机钻孔，光面爆破，导爆管分段延时起爆。40B柳工装载机装自卸汽车出渣。

2.3.2 临时支护

根据五条隧洞Ⅳ～Ⅴ类围岩中岩石胶结程度和稳定性的不同，主要采用了适合不同隧洞段围岩的五种支护方案:

对于胶结一般、基本稳定的隧洞洞段，采取素喷混凝土和锚喷挂网支护两种方案:素喷混凝土方案边顶拱喷护C25混凝土厚10cm;锚喷挂网支护方案中边顶拱素喷C25或C20混凝土厚3～5cm，顶部和拱脚以下1m范围内边墙挂 φ8@250mm×250mm网筋，打长2.5m、φ25径向水泥砂浆锚杆，间距 1.0m，喷护厚10cm C25或C20混凝土。

胶结疏松、稳定性差的隧洞洞段，采取轻型钢拱架或钢格栅支护方案:［12.6槽钢或格栅拱架支撑岩壁，格栅拱架由3根φ25钢筋构成，断面为三角形，底宽30cm，宽30cm，高20cm，φ25钢筋纵向连接。每榀拱架间距1m，每榀拱架配7根2.5mφ22径向锚秆，7根φ22固定钢筋，顶部和拱脚以下1m范围内边墙挂φ8@250mm×250mm网筋，喷护C25或C20混凝土厚15～20cm，或挂板模注C20混凝土。

胶结松散、不稳定的洞段，主要采取重型钢拱架管棚法:棚架为φ60×4mm钢管，［12或I16工字钢支撑，［12和［20槽钢纵向连接，每榀工字钢间距0.7～1.0m。开挖支护棚架3～5m后初喷C25混凝土厚3～5cm，顶部和拱脚以下1m范围内边墙挂φ8@250mm×250mm网筋，打长2.5m、φ25径向锚杆，间距1.0m，喷护厚20cm C25或C20混凝土。

这些方案中，重点推行了采用“新奥法”设计施工的锚喷挂网支护型式。

2.3.3 混凝土衬砌

采用先底拱后边顶拱和先边顶拱后底拱两种浇筑程序，跳仓浇筑。由洞外拌和站搅拌或洞外拌和站拌干料，自卸汽车运至洞内(竖井)工作面搅拌机二次加水拌和，拼装式组合钢模板或钢模台车立模，30m3/h或60m3/h混凝土泵不间断连续浇筑。

2.4 施工进度

1号隧洞:1997年10月1日开始隧洞上半洞石方开挖，1999年6月28日隧洞结束衬砌。施工历时21个月(含冬季)，平均月成洞95.2m。

2号隧洞:1997年12月8日出口小导洞(3m×3m)石方掘进，1998年3月5日小导洞贯通，1998年4月20日开始扩洞。平均月进尺110m/月，最大月进尺160m/月。1998年6月22日隧洞仰拱混凝土浇筑，1999年6月29日衬砌完成，1999年9月30日灌浆完毕。

3号隧洞:1997年9月16日主洞开始石方掘进，1998年6月8日隧洞贯通，1998年6月17日隧洞衬砌开始，1999年7月14日衬砌完成。隧洞开挖日最高进尺30m，月最高进尺753m。隧洞衬砌日最高进尺30m，月最高进尺700m。

4号隧洞:1997年8月9日进口开始掘进，1997年10月30日出口进洞，支洞于1998年2月14日开挖，5月1日开挖主洞。1999年3月1日隧洞全线贯通。1999年6月30日隧洞衬砌完成，1999年8月23日回填灌浆完毕。

5号隧洞:1997年10月28日开始导洞石方开挖，1998年3月25日导洞贯通，平均月进尺140m/月，平均日进尺5m/日。扩洞工作于1998年4月1日开始，1998年10月28日完成，8、9、10三个月为施工高峰期，平均月进尺150m/月，最大日进尺10m/日。1998年7月15日隧洞衬砌开始，1999年6月29日隧洞衬砌完成。施工历时20个月(含冬季)，平均月成洞95.2m。回填灌浆从1999年7月10日开始，1999年8月11日结束。

西干渠1～5号隧洞施工进度特性见表5。

表5 1～5号输水隧洞施工进度特性表

3 一般和大塌方处理

施工过程中，五条隧洞先后发生大、中、小塌方197次，塌方数量43746m3。其中规模较大的塌方出现在1号隧洞、2号隧洞及4号隧洞。

3.1 1号隧洞

施工过程中共发生26次中小型塌方，1次特大塌方。1998年4月19日，D6+568～D6+524段发生特大塌方，塌方长度44m，最大高度25m，体积7187m3。1998年6月13日～1998年10月16日1号隧洞针对特大塌方进行了处理，处理方案如下:

a.在原支护基础上，塌方两端D6+568～D6+573和D6+520～D6+524段采取［12槽钢和喷护混凝土加强支护措施，阻止塌方向上、下游相临洞段发展。

b.原则上1～2m长为一段清除上部塌体，拱脚处安装槽钢拱架，方木支撑，钢拱上部安装两层25钢筋，反向浇筑C25混凝土，拱顶处厚度为1.5～2.0m。

c.C25混凝土达到设计强度后，采用［12槽钢和I18工字钢在其上部作扇形支撑。原则上0.5～1.0m支撑一排，再浇筑平均厚1m的C10混凝土。

d.上拱支护完成后，开挖下部塌体。塌体清除后立即安装钢筋混凝土预制柱，间距0.5～1.0m，柱间浇筑C20混凝土，以保证有足够的稳定性，支撑和传递上拱荷载。

e.下部塌方处理了5～10m段后，立即浇筑衬砌混凝土。

f.塌方段衬砌结束且达到设计强度，在地面上开挖两条直径1.5m的竖井至塌方上部空腔，由竖井回填C15轻质混凝土。

3.2 2号隧洞

2号隧洞开挖过程中共发生塌方50多次，最大塌方段发生在1998年8月，H45+320～H45+370段塌方高度6m，1998年10月后进行了处理。1999年3月5日，H45+320～H45+410段再次发生塌方，塌方高度超过12m，1999年4月8日处理完毕。处理方案如下:

a.由塌方两端5m长为一段清除塌体，然后安装I18工字钢拱架，［12槽钢连接固定，反向浇筑C25混凝土，边墙、拱顶处厚度为0.5～1.0m。

b.C25混凝土达到设计强度后，采用［12槽钢和I18工字钢在其上部作纵横向支撑直至岩壁，1.0m支撑一排，围岩面挂φ8@250mm×250mm网筋，喷护C20混凝土厚15cm。

c.塌方段衬砌结束后，由预留孔洞回填C20轻质混凝土。

3.3 4号隧洞

在开挖过程中大、中型塌方26次，其中特大塌方5次。隧洞H13+970～H13+996段发生三次大的塌方，分别发生在1998年2月5日、3月30日、4月30日，最后一次塌方冒顶;支洞与主洞交叉段于1998年9月1日发生大塌方;桩号H14+371～H14+400松散砂岩段于1998年12月14日发生特大塌方。

塌方洞段采取重型钢拱架管棚法通过。开挖采用台阶法，I20工字钢支撑岩壁，［12和［20槽钢纵向连接，每榀工字钢间距0.5～1.0m。棚架为φ114m×4m、φ89m×3.5m、φ60m ×4m、φ50m ×3.5m 钢管，开挖支护3～5m后初喷3～5cm厚 C25混凝土，顶部和边墙挂φ8@250mm×250mm网筋，打长2.5m、φ25径向锚杆，间距1.0m，顶拱喷护厚20cm C25或C20混凝土，边墙浇筑20～50cm厚C25混凝土。

4 原因分析

西干渠五条输水隧洞所处环境恶劣，困难重重，施工前后经历了多次围岩塌方、变形等事件，施工安全、质量、进度、投资得不到有效的保证。仔细考虑主要有以下几方面的原因:

4.1 软岩认识不足

西干渠五条输水隧洞为厚层状、层状砂岩、泥岩、砂质泥岩和泥质砂岩等软质岩石，开工伊始参建各方认为岩性单一、简单，对开挖后出现的砂岩和泥岩互层、团块状泥岩、松散透镜体、泥岩节理、岩体含水量的变化等缺乏足够的重视。施工过程中的变形监测表明，软质围岩的变形前期缓慢，经过一段时间的积聚后会出现突然的变化，隧洞二次塌方基本上多由此造成。

4.2 施工方案不合适

参建各方严重缺乏施工软岩长隧洞的认识和经验，采取了同硬岩隧洞基本一致的常规施工方法。主要表现在受进度、报价方面的影响，隧洞开挖、支护、衬砌的施工程序不匹配，支护、衬砌不及时;开挖采取了强爆破方式，严重扰动了围岩;投标时承包商的报价普遍偏低，支护方案简单且种类多，施工时虽然采取了钢拱架支护方式，但间距偏大，刚度不足，喷护混凝土厚度偏薄;混凝土衬砌采取了先底拱后边顶拱和先边顶拱后底拱两种方案，先底拱后边顶拱衬砌方案不能及时支撑围岩的变形。

4.3 缺少围岩变形监测

招标阶段仅要求承包商承担施工期的常规安全监测。受人员素质、监测设备、数据质量、施工干扰等因素制约，承包商的安全监测流于形式，监测数据对施工起不到有效的指导作用。

4.4 施工管理不到位

由于线长点多，经常发生业主、监理及设计对承包商的施工监管、指导不及时的问题。

面对施工过程中出现的种种问题，业主主要采取了两种措施:ⓐ统一施工方案，重点在于支护方式和隧洞开挖、支护、衬砌的施工程序;ⓑ重新对隧洞支护方案进行招标。这些措施的实施，在施工中后期起到了良好的效果。

5 结论及建议

2000年7月1日西干渠工程正式完工，2001年5月1日～9月12日西干渠工程正式通水，截至2011年10月，西干渠已经过了10年的运行，最大通水流量45m3/s，输水隧洞运行正常，完全实现了设计的预期目标。

通过西干渠五条长距离软岩输水隧洞的三年施工总结，可供今后工程借鉴的经验如下:

a.严格执行“短进尺、弱爆破、快支护、紧跟衬砌”的施工方案。施工前期安排必要的试验洞，通过试验和监测，优化施工程序、方法、设备及进度。

b.结合地形地质条件，适当加密软岩隧洞的支洞数量，以应对施工期出现的不确定地质、施工问题。

c.对于长距离软岩隧洞临时支护项目，在招标文件中宜采取单价承包方式，利于施工期项目的管理。

d.围岩变形监测单独设标，由经验丰富的承包商承担安全监测任务，通过监测数据及时指导隧洞的施工。❋