山西省小浪底引黄干线土洞段施工方法

安静华

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原030024）

1 小浪底引黄工程概况

山西省小浪底引黄工程是从垣曲县小浪底水库库区取水，引水至涑水河流域，受水区为运城市的垣曲县、绛县、闻喜县、夏县、盐湖区等五县（区）的工农业及城市生活用水。引水干线全长约59.1km，包括进水口、输水隧洞、提水泵站等建筑物，设计最大引水流量为22m3/s。

引水干线布置有2条隧洞，其中1#隧洞布置在进水塔和扬水泵站之间，为压力隧洞，长5.57km；2#隧洞布置在提水泵站至干线末端的吕庄水库之间，为无压隧洞，长52.77km，其中，岩石洞段长40.89m，土洞段长11.88km，设计输水流量为17.6522m3/s。

2 土洞段地质条件

土洞段地质条件分为两种情况：

桩号47+235～52+475洞段，洞长5.24km，埋深为45～125m，隧洞主要通过地层为第四系全新统洪冲积物和上更新统洪积物，岩性为卵石混合土、级配不良砾、级配不良砂夹低液限黏土、低液限粉土互层，在洞线附近以卵石混合土、级配不良砾、级配不良砂层为主。据钻孔取样室内土工试验资料，其干密度平均值为1.59g/cm3；天然压缩系数av1-2平均值为0.23MPa-1；饱和压缩系数av1-2平均值为0.28mPa-1，多具中等压缩性；饱和压缩模量Es1-2平均值为5.6mPa，多无湿陷性；垂直渗透系数平均值为6.05×10-5cm/s，多具弱透水性；凝聚力平均值为17.5kPa；内摩擦角平均值为17.9°。本段隧洞主要位于地下水位附近或以下，但在上部较厚的黏土层以上存在上层滞水。

桩号52+475～59+115洞段，洞长6.64m，埋深为10～100m，隧洞主要通过地层为第四系中更新统洪积（Q2pl）低液限黏土夹级配不良砂、级配不良砾和卵石混合土。隧洞附近以低液限黏土层为主。据探井取样室内土工试验资料，其干密度平均值为1.58g/cm3；天然压缩系数av1-2平均值为0.10mPa-1，多具中等压缩性；饱和压缩系数av1-2平均值为0.14MPa-1，多具中等压缩性；饱和压缩模量Es1-2平均值为14.3MPa；多无湿陷性；水平渗透系数平均值为4.91×10-5cm/s，垂直渗透系数平均值为6.96×10-5cm/s，多具弱透水性；凝聚力平均值为20.4kPa，内摩擦角平均值为18.5°。本段隧洞主要位于地下水位以上，上部存在上层滞水。

3 土洞段施工方法及断面的确定

根据上述隧洞的地质地层特点的不同，适合该隧洞施工方法一般有人工开挖法和全机械化盾构法。

人工开挖法，本段隧洞总长11.88km，需设置3条施工支洞。隧洞断面采用方便施工的城门洞型，净断面尺寸宽×高为3.8m×5.2m。开挖采用全断面或小台阶一次成洞，并及时进行支护，人工风铲松动，2m3装载机装渣，斜井出渣，洞内出渣采用有轨运输，电瓶机车牵引矿车到井底，再由卷扬机牵引矿车到洞外。一次支护采用钢格栅模筑混凝土加钢筋网，厚150mm，二次衬砌为厚500mm的C25钢筋混凝土。

根据本工程隧洞地质条件，宜选用复合式盾构施工法。5.24km的卵石混合土洞段采用泥水加压盾构工作模式，6.64km低液限黏土洞段采用土压平衡盾构工作模式。隧洞断面根据盾构机的工作原理及结构形式采用圆形断面，净断面为D4.6m，开挖断面为D5.4m，衬砌管片厚度为40cm，混凝土强度等级为C40。隧洞承受的内水压为10m水头（即1kg/cm2）。

盾构法开挖隧洞一个工作循环的工艺过程为：

5.24 km的卵石混合土洞段出渣采用管道将泥浆排出洞外，需设出渣支洞1条；6.64km低液限黏土洞段采用皮带输送机将土渣装入矿车，电瓶机车牵引矿车到洞口外。盾构机完成施工后，在硐室内拆卸后运输出洞，需设拆卸支洞1条。土洞段施工布置见图1。

图1 土洞段施工布置示意图

4 土洞段施工方案比较

盾构法施工的优点是开挖速度快，开挖、出渣、衬砌、灌浆循环作业，具有连续性，且适用于有地下水的环境，月掘进进尺200～600m。本工程采用盾构施工法与人工开挖法相比可以减少施工支洞1条，可减少交通、临时建筑物和施工供水、供电线路等临建工程量，缺点是盾构法掘进单米成本造价高，需拆卸支洞（长354m）和出渣支洞（长240m）2条。盾构机从制造到运抵工地安装开始掘进按14个月考虑，掘进月进尺按400m考虑，掘进时间为29个月，拆卸出洞时间为3个月，总工期为46个月。

人工开挖施工法的优点是相对投资小，施工灵活，施工工艺成熟，缺点是施工面控制洞长较短，施工支洞较多，6.64km低液限黏土洞段，位于地下水位以上，施工条件尚可，而5.24km砂砾石洞段，洞线位于地下水位以下或附近，人工施工相当困难，成洞条件差，施工存在一定风险。盾构法与人工开挖法的技术经济比较见表1。

表1 土洞段盾构法与人工开挖法主要施工技术经济比较表

综上所述，盾构施工法与人工开挖法相比，具有施工技术先进、可靠、风险小等优点，本工程推荐采用复合式盾构施工法。

5 结束语

随着科学技术的不断发展，在软岩或土质地层的全断面机械化地下工程施工中，越来越多的采用盾构法，如泥水加压盾构（又称泥浆盾构，Slurrymachine）、土压平衡盾构（Earth Press Balance，简称 EPB）等。当隧洞穿越岩石和各种土质的混合地层时，采用混合式盾构施工。就本隧洞而言，人工开挖法从工程造价以及施工工期上均略优于盾构施工法，但从施工难度以及整个工程来看，由于该段隧洞部分位于地下水位以下，人工开挖法风险较大，不可预见的因素较多；而盾构施工风险相对较小，施工速度快，但一次性投资较大，设备制造、运输工期较长，因此，对于地质条件复杂的长隧洞来说，施工方法的选择是非常重要的，值得深入研究和探讨。