引汉济渭输配水干线工程南干线段隧洞钻爆法和盾构法方案比选

尚小军 付曼蓉

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 工程概况

引汉济渭工程从调水区汉江干流和支流子午河上分别修建水源工程黄金峡水利枢纽和三河口水利枢纽，通过穿越秦岭山脉的输水隧洞调水至关中周至县境内的黄池沟。

引汉济渭输配水干线工程从关中配水节点黄池沟起，供水对象为关中地区渭河两岸的西安市、咸阳市、渭南市、杨凌区4个重点城市和所辖的13个县级城市和2个工业园区以及西咸新区的5个新城。输配水干线工程由黄池沟配水枢纽、南干线、过渭干线、渭北东分干线、渭北西支线、渭北北支线及黑河金盆水库连接洞组成。南干线承担西安、渭南两个重点城市和户县、沣西新城、沣东新城、长安、临潼及华县等的输水任务，线路全长175.72km，始端设计流量43m3/s。

南干线采用无压流输水为主，压力流输水为辅的方案。全线采用全封闭方式输水，其中箱涵工程40.37km，管道工程21.95km，隧洞工程99.78km（16座），倒虹吸工程27座，渡槽工程3座，管桥工程1座。

2 南干线工程地质条件及评价

2.1 地形地貌

沿线主要经过中低山、洪积（扇）平原、河谷阶地、黄土台塬四个地貌类型。

2.2 地层岩性

由太古界太华群、前震旦系宽坪群变质岩、燕山期花岗岩、第三系沉积岩及第四系松散堆积层组成。

2.3 地质构造

主要发育于中低山中，主要构造形迹有褶皱、断层和裂隙三类。

2.4 水文地质条件及物理地质现象

（1）水文地质条件

工程区内的地下水分为基岩裂隙水和第四系孔隙潜水。基岩裂隙水主要赋存于沿线的基岩中，第四系孔隙潜水主要赋存于沿线洪积平原、河谷阶地及黄土台塬的第四系松散堆积层中。地下水位埋深一般低于设计建筑物底部，仅在跨河建筑物、土质隧洞部分地段高于建筑物，对建筑物有一定的影响。

（2）物理地质现象

不良物理地质现象主要有崩塌、滑坡及黄土冲沟、落水洞。崩塌主要发育于秦岭中低山较陡斜坡中，而线路在此段基本以隧洞形式通过，对线路影响不大；滑坡主要分布于秦岭中低山及黄土塬边缘，除1#、2#处对建筑物有影响外，其余滑坡对建筑物均无影响；黄土冲沟及落水洞对建筑物无影响。

2.5 隧洞工程地质问题评价（见表1）

表1 南干线无压流方案各隧洞存在的主要工程地质问题

3 南干线段隧洞钻爆法和盾构法方案比选

黄池沟～子午水厂段隧洞设计流量分为43m3/s和23m3/s，共8条隧洞，总长33.25m。洞室以岩石为主，地下水位一般低于洞底高程，横断面采用圆拱直墙形。

子午水厂～南马水厂段隧洞设计流量分为 14.5m3/s和5.9m3/s，共8条隧洞，总长66.53km，结合地质条件和地下水位埋深情况，13#、14#隧洞采用马蹄形断面，9#、10#、11#、12#、15#、16#若隧洞采用盾构法则用圆形断面，若采用钻爆法则用马蹄形断面。

1#、4#、7#、8#隧洞围岩主要为花岗岩和二云石英片岩，为岩石洞段，采用钻爆法施工；2#、3#、5#、6#、13#、14#隧洞为黄土隧洞，长度不超过2km，采用常规的土洞施工方法；9#～12#、15#、16#隧洞为黄土或砂质粘土隧洞，隧洞长度除9#、16#隧洞外，其余隧洞均超过8km，最长隧洞为12#隧洞，长度32.449km，六条隧洞最大埋深均超过100m，且地下水位均高于洞顶，最高达75m，因此，对9#～12#、15#、16#隧洞进行钻爆法和盾构法方案比选。

3.1 钻爆法施工

（1）施工支洞布置

本着减少支洞数量节约投资的原则，根据地形地质条件，10#、11#、12#、15#隧洞分别布置施工支洞2、2、9、1座。施工支洞断面尺寸为6.0m×5.0m，圆拱直墙形断面。

（2）岩石洞段施工

①开挖施工

隧洞开挖前先进行出口边坡开挖、支护，边坡开挖采用潜孔钻配手风钻钻爆破孔、人工装药自上而下梯段爆破开挖。隧洞采用光面爆破法开挖。

②支护

隧洞开挖后应立即进行支护。在遇到严重风化的围岩或遇到断层破碎带时采用及时挂网喷砼或钢拱架支护，必要时进行超前锚杆或超前灌浆进行加固。

③施工通风

进出口工区采用单机压入式通风。支洞工区进入正洞后需向两边开挖，洞口处设置一台轴流风机，用三通管及风量调节阀为两个作业面调节供风。为保证通风效果，在洞底处设置一台射流风机，风管使用1.0m直径柔性管道。

④施工供电

考虑到低压长距离供电时，电压下降过大，可将10kV高压电缆引入洞内，在洞内适当地点设置变压器降至400/230V使用。洞内沿程照明及风机用电设专用变压器。

⑤施工排水

出口向上游方向开挖的顺坡工段，沿洞底一侧开挖0.4m×0.4m排水沟，自流排水。从进口和支洞向下游方向开挖的逆坡工段，每隔200m在洞底一侧开挖1个2m3集水井，每个井设置1台水泵进行不间断抽排。

⑥衬砌

隧洞开挖完成后，采用模板台车完成洞身混凝土浇筑。混凝土运输均采用6m3混凝土搅拌运输车运输，混凝土入仓采用混凝土泵送。底板混凝土浇筑部位采用平板式混凝土振捣器，采用人工洒水养护。

⑦隧洞灌浆

回填灌浆在隧洞衬砌完成后进行，采用填压式灌浆法。固结灌浆在每段回填灌浆结束后进行，用手风钻在预埋灌浆管中钻孔，灌浆采用移动式施工台架，注浆设备选用带自动记录仪的灌浆泵。

表2 钻爆法和盾构法方案比较表

⑧不良地质情况的处理

在勘探预报有可能出现的集中涌水段，采用超前钻孔预注浆的方法进行封堵。在隧洞围岩周围形成止水层，最终达到切断通道、封堵水路、固结围岩的目的。此方法适用于一般出现在断层、破碎带或节理裂隙发育洞段的线状渗水，涌水压力不高，但涌水面大，出水量多的洞段。

对于突然发生的集中涌水段，须在离事故突发点一定安全距离处设置止浆墙，止浆墙采用素混凝土现场浇注，并要和周围岩体连接牢固。

⑨土方洞段施工

根据地质情况，土洞有水段地下水高于洞顶，成洞条件差，需要在洞轴线两侧打降水井排水。

3.2 盾构法施工

（1）盾构机选型

盾构机按开挖模式可分为敞开式与密闭式两种。敞开式适用于地层条件简单、自主性好且无地下水的地层；密闭式适用于地层变化复杂、自立条件差、地下水较丰富的地层。根据本工程隧洞工程地质及水文情况和工程特点，选用密闭式盾构机。密闭式盾构机又分为泥水式和土压式两类。泥水平衡式盾构机较适应于较粗颗粒地层及水压较高的地层，通过泥浆在砂土地层形成泥膜，以保持开挖面的稳定；土压平衡式盾构机较适应于粉细颗粒地层，切削的渣土易获得塑性流动性和不透水性。隧洞围土的组成大部分为黄土和壤土，属细颗粒地层，故宜选用土压平衡式盾构机。

根据各隧洞的长度及相互位置,初步考虑9#、10#隧洞采用1台盾构机,从10#隧洞出口向9#隧洞进口方向掘进,掘进长度13.49km,隧洞内径4.3m,管片厚度0.35m,刀盘直径5m,开挖直径5.28m；11#隧洞选用1台盾构机，从出口向进口方向掘进，掘进长度9.24km,隧洞内径4.3m,管片厚度0.35m,刀盘直径5m,开挖直径5.28m；12#隧洞选用2台盾构机，1台从进口向下游方向掘进,掘进长度9.02km,隧洞内径3.6m,管片厚度0.35m,刀盘直径D=4.3m,开挖直径4.58m,另1台从出口向上游方向掘进，掘进长度23.35km，隧洞内径3m,管片厚度0.35m,刀盘直径D=3.7m,开挖直径3.98m;15#、16#隧洞选用1台盾构机,从16#隧洞出口向15#隧洞进口方向掘进,掘进长度10.55km,隧洞内径3m,管片厚度0.35m,刀盘直径3.7m,开挖直径3.98m。

（2）盾构机安装调试

洞外场地比较开阔，盾构机组装在洞外进行，可减少在洞内设组装洞，减少施工难度和工程量。主机等部件运至安装场地，采用龙门吊进行组装，组装完成后进行刀盘、后配套以及辅助设备等的安装，并与主机联合调试好后，才能准备掘进。

施工前采用钻爆法开挖进洞，以便于设备调整、定位及首发掘进。主机和后配套组装调试完成，从始发洞开始掘进。安装后部出渣用连续皮带机，进行盾构机和连续皮带机的联合调试，调试结束后，可开始试掘进。

（3）主洞开挖

开挖施工程序为：洞口清理→洞脸支护→钻爆法开挖步进洞→洞外盾构机及其后配套组装→掘进机步进→开始掘进施工→全洞贯通→盾构机拆除。

在掘进施工时，液压马达驱动刀盘旋转，同时启动盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，刀盘持续旋转，切削下来的渣土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送带上，将渣土转载于出渣设备上。

（4）施工通风

在洞口布置压入式通风机，进行压入式通风，洞内每约1.5km设置通风机进行加压。风管使用柔性管道。

（5）施工供电

施工期供电采用高压电缆入洞，高压电缆末端接至盾构机后配套上自带变压器一侧，通过它向盾构机及其后配套供电。皮带机、洞内沿程照明及风机用电设专用变压器，在高压电缆上安装进口三通头引接。为确保隧道通风、排水及照明用电，洞外设柴油发电机组，在电网意外停电时应急使用。

（6）出渣方式

出渣采用有轨运输运行方式，渣土通过盾构机传输胶带送至矿车出渣，每列由电瓶车牵引梭矿车出渣至洞外，再由2m3装载机配10t自卸汽车转渣至弃渣场。

（7）管片拼装

盾构机掘进一环距离后，通过管片拼装机通缝或错缝拼装衬砌管片。为了给盾构机换刀密封，需要2km～3km设置竖井或者支洞。南干线 9#、10#、11#、12#、15#、16#隧洞钻爆法与盾构法方案比选情况见表2。

经过分析比较，南干线 9#、10#、11#、12#、15#、16#隧洞宜采用盾构法施工。陕西水利

[1]王文成.引汉济渭输配水干线工程项目建议书[R].陕西省水利电力勘测设计研究院，2014.

[2]张凤祥.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.