高原黄土地区水工隧洞开挖施工工艺探讨

张恩山 李仕春

【摘要】本文结合高原黄土地区水工隧道开挖的工程实例，通过对隧道开挖的几种施工方法进行试验对比，得出了处在黄土高原腹地，黄土状土结构疏松、孔隙大、成洞条件差、开挖后自稳性差、极易坍塌等特殊地质条件下进行隧洞开挖的最优开挖施工工艺，旨在提供此类地质条件下掘进机的使用及同类工程施工参考，保证隧洞施工的安全、质量、进度。

【关键词】黄土高原；水工隧道；施工工艺

1、工程概况

甘肃省引洮供水工程是甘肃省半个多世纪的圆梦工程、责任工程、民生工程，也是水利部27项重点工程和全国172项节水供水重大水利工程项目之一。

引洮供水二期工程四干渠第7标段工程，项目起始桩号为3+620，终点桩号为7+247，标段总长3627m，设计流量7.10m3/s，设计纵坡1/1800。标段主要建筑物为隧洞、暗渠、节制分水闸、排洪涵洞等主体工程和金结安装、机电设备安装及临时工程。其中四干渠1#隧洞（3+620～5+555）长1935m，四干渠2#隧洞（5+597～7+247）长1650m，隧洞总长3585m；暗渠为1#暗渠（5+555～5+582）长27m；1#节制分水闸（1支渠分水口）（5+582～5+597）长15m。另有横向建筑物排洪涵洞1座（桩号5+570.3）。

2、工程地质

第7標段1#、2#隧洞所在区域为陇渭新生代凹陷盆地，黄土广泛覆盖于受侵蚀切割的新生代新近系地层之上，新近系地层厚度一般大于100m。1#隧洞洞身埋深107～140米，2#隧洞洞身埋深50～208米。

1#隧洞出口段以东南方向斜穿黄土丘陵，其隧洞出口位于柯垴河湾沟北西侧（见图2-1），边坡陡峭，上部为plQ31黄土状土，颜色较杂，以浅黄色、褐黄色为主，夹有黄色、灰绿色条带，结构中密～密实，土质不均；隧洞出口段下部岩性为新近系上新统临夏组（N2l3）砖红色砂砾岩，局部砂质泥岩，以泥质胶结为主，部分泥钙质胶结，成岩程度低，属软岩，遇水易软化，产状平缓，层间结合差。属极不稳定Ⅴ类围岩。

2#隧洞进口位于柯垴河湾沟南东侧，为洪积台地，边坡较1#隧洞出口平缓，进口段125米范围内为plQ31黄土状土，夹条带状粗砂层、碎石透镜体，洞身围岩结构疏松，孔隙大。属极不稳定Ⅴ2类围岩，成洞条件差，开挖后无自稳性、极易坍塌。隧洞大部分处于地下水位以下，围岩为饱和土，水质差，对混凝土具硫酸盐型强腐蚀性。

3、隧洞开挖施工工艺比选，施工进度分析

3.1 1#隧洞出口段挖掘机开挖

1#隧洞出口段为砖红色砂砾岩，局部砂质泥岩，2011年11月1日至12月27日采用KX161—3SZ型挖掘机与挖掘机带破碎锤配合开凿（见图3-1）人工风镐修边进行开挖。经57天开挖进度统计，日平均进尺仅为1.50m（见图3-2）。

3.2 1#隧洞出口段钻爆法开挖

由于隧洞围岩较硬，采用挖掘机开挖风镐修边费时费力，开挖进度缓慢，无法完成建设单位的施工进度指标。为加快施工进度，12月28日改机械开挖为钻爆法施工，经过20天的爆破开挖，爆破效果不佳（见图3-3），日平均进尺仅为1.69m（见图3-4），开挖速度仍不理想。

3.3 2#隧洞进口段挖掘装载机开挖

根据设计图纸，2#隧洞进口段工程洞口125m为土洞，围岩为黄土状土，局部夹条带状粗砂层、碎石透镜体；进洞125m以后为强风化砖红色砂砾岩，局部砂质泥岩。施工前期，洞口段采用XE215C型挖掘机进行开挖，施工进度缓慢不能满足要求，为了寻求能提高隧洞开挖速度的施工工艺，项目部又调进了WY-80L型挖掘装载机，于2015年11月17日进洞施工。经施工进度统计分析，土洞挖掘装载机开挖12天统计，日平均进尺为3.36m（见图3-5）；风化基岩挖掘装载机开挖41天统计，日平均进尺为1.96m（见图3-6）。围岩进入风化基岩后，岩石胶结致密，开挖难度加大，挖掘装载机开挖难以保证进度要求。

3.4不同围岩、不同设备开挖进度对比分析

建设单位下达的开挖任务指标：2015年度1#、2#隧洞月进尺各80 m；2016年度 1#、2#隧洞月进尺分别为120m、110 m。为了完成建设单位下达的开挖任务指标，需对前期开挖进度缓慢的原因进行对比分析，以便采取应对措施。

3.4.1 1#隧洞出口段不同开挖施工工艺进度对比分析

1#隧洞出口段围岩为强风化—中等风化砖红色砂砾岩、砂质泥岩，前期采用挖掘机开挖日平均进尺为1.50m，采用钻爆法开挖日平均进尺为1.69m（见表3-1），2015年11月份完成开挖46.0 m，12月份完成开挖46.5 m。钻爆法施工略比挖掘机开挖速度快一些，但施工进度远不能满足建设单位进度指标要求，急需采取措施，改进开挖施工工艺，加快施工进度。

3.4.2 2#隧洞进口段不同开挖施工工艺进度对比分析

采用挖掘装载机开挖土洞，日平均进尺为3.36m；采用挖掘装载机开挖强风化基岩，日平均进尺为1.96m（见表3-2）。2015年报11月份完成开挖97.5 m，12月份完成开挖62.5 m。挖掘装载机开挖略比挖掘机速度快，但施工进度难以保证完成建设单位进度指标要求；随着隧洞加深，基岩结构加密，硬度加大，采用挖掘装载机开挖无法完成施工进度要求，需改进开挖施工工艺，加快施工进度。总之，隧洞围岩较硬，韧性强，隧洞开挖机械设备及钻爆法施工均无法适宜该项目隧洞地质特征。

4、开展隧洞开挖施工工艺研究

4.1 组织隧洞开挖施工工艺研究

黄土高原地区的地层分布特征、岩性特性等与南方有差异，且无开挖施工经验可谈。为加快隧洞开挖速度，确保完成业主下达的开挖任务指标，施工过程中项目部组织有关技术人员开展隧洞开挖施工工艺研究，统计分析认为，该项目采用挖掘机、挖掘装载机开挖难度大，钻爆法施工爆破效果差，必须选择新的开挖施工工艺。

4.2 开挖工艺选择

项目部组成考察组到山西、山东、新疆等地施工现场和施工设备销售商进行考察。经实地考察、调研，结合本标段隧洞围岩特性，考察组认为：采用掘进机掘进作为项目部首选的隧洞开挖施工设备。项目部将考察情况及项目部对该项目今后隧洞开挖施工方案报公司领导决策，经公司专家组分析研究，决定先购置1台掘进机用于本标段隧洞开挖施工。

4.3 掘进机使用效果

2016年1月16日，新购掘进机达到施工现场，先用于1#隧洞出口的开挖施工（见图4-1），经过半个月掘进施工，累计完成进尺85.5 m，日平均进尺5.7 m（见表4-1），并在后续的施工中该工作面始终保持每月160 m左右的掘进速度。2016年5月4日，项目部又再购置第2台掘进机，用于2#隧洞进口的开挖施工，直至隧道贯通，每月施工进尺在152～172 m之间。施工进度名列通渭现场办管辖30个标段中的前茅，项目施工工期有望大大缩短。

5、结语

近年来随着我国西部大开发战略和中部崛起战略的实施，各级政府加大了水利工程投资，特别是引水工程的建设，以解决由于干旱缺水、气候变化、供水和引水工程滞后对加快社会经济发展、人民脱贫致富的制约。西北地区为黄土高原，在黄土地区修建水工隧道明显区别于山岭隧道和南方土质隧道，需考虑黄土其自身的物理力学特点。国内对大断面黄土隧道围岩与初期支护、形变规律、理论基础和其他一些工程特性的隧道工程施工还未形成成熟工法，现阶段大部分黄土隧道仍采用传统的施工方法，施工工序繁杂，工程進度缓慢，特别是浅埋、软弱地段黄土隧道施工更是隧道施工中的一大技术难题。

甘肃省引洮供水二期工程四干渠第七标段工程在实施阶段创新性的采用掘进机施工工艺，在黄土状土结构疏松、孔隙大、成洞条件差、开挖后自稳性差、极易坍塌等特殊地质条件下的隧洞项目施工中的成功应用，对今后类似隧洞工程开挖具有一定的推广意义。

参考文献：

[1] 引洮供水二期工程主体工程施工第7标段施工图纸. 甘肃省水利水电勘测设计研究院，2015.9

[2]甘肃省引洮供水二期骨干工程工程地质勘察报告. 甘肃省水利水电勘测设计研究院，2014.6

[3] 刘晓东.西北黄土隧道围岩物理力学特性试验分析[J].公路交通科技（应用技术版），2012（6）：353-356.

[4] 周小宾.大跨富水黄土隧道的工程特性与施工技术研究[D].北京：北京交通大学，2008.

作者简介：张恩山（1964-），男，高级工程师、一级建造师，大学本科；从事水利水电工程施工。