杨军超，邵北涛，吕毓敏
（陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710024）
引汉济渭工程是陕西省内的南水北调工程,从汉江干流黄金峡、支流三河口取水,通过秦岭隧洞输水至渭河支流黑河金盆水库右岸黄池沟,再供关中渭河沿岸城镇、工业园用水。引汉济渭二期工程是输配水工程的骨干工程,由黄池沟配水枢纽、南干线黄池沟至灞河分水口段、北干线黄池沟至泾河新城分水口段组成。白鹿塬隧洞是南干线的关键性工程,隧洞全长9388 m,设计流量18 m3/s,设计比降1/3000,埋深140 m～ 300 m,桩号90+994 m～100+382 m,隧洞进口位于浐河东岸,长安区鸣犊镇狮村三村东侧,出口位于灞河西岸,灞桥区灞凌乡寇家村北侧。隧洞沿线设置五处圆弧转弯段,其余线路端直。为满足施工过程中检修及通风需要,在隧洞中部设置一条施工检修及通风支洞。
隧洞穿越白鹿塬,上部为Q3～Q1风积、风洪积地层,洞身为新近系泥岩夹砂岩,局部砾岩,IV类围岩长度1980 m,约占21.09%；
V类围岩7408 m,约占78.91%。隧洞位于地下水位以下,地下水埋深高出洞室120 m～200 m,进口段黄土塬边冲沟发育,沟坎陡立,斜坡稳定性较差,开挖前应做好防护及防排水措施。出口段洞身在暴雨和地震综合作用下,会达到极限欠稳定状态,可能会复活, 需采取适当的措施加固和防护。
采用综合方法预测,隧洞可能发生的正常总涌水量为4941 m3/d,可能发生的最大总涌水量为9882 m3/d。桩号90+994 m～91+259 m段渗透系数建议值1.3×10-3cm/s,桩号91+259 m～92+809 m段为4.28×10-3cm/s,桩号92+809 m～93+939 m 段为7.5×10-4cm/s,桩号93+939 m～100+382 m段为4.0×10-6cm/s；
泥岩黏粒含量介于25.6%～40.8%,平均34.1%；
砂岩黏粒含量介于20.3%～34.1%,平均26.49%。
白鹿塬隧洞通过地层围岩地质较差,水位最大高于洞顶200 m,新近系泥岩饱和度81.6%～99.7%,处于饱和状态。泥岩、砂岩成岩作用差,成洞条件极差,稳定性极差,容易产生塌方、边墙滑动、墙脚流砂泥、底板鼓出等变形破坏现象,施工难度极大,施工风险高,隧洞能否如期贯通也制约着调水工程效益的发挥。因此,需要合理选择施工方案。本文对白鹿塬隧洞采用全线常规法、全线盾构法、盾构法+常规法接应联合施工方案进行综合分析比较。
3.1 全线常规法施工方案
白鹿塬隧洞采用全线常规法施工的断面型式为圆拱直墙型,断面尺寸3.6 m（宽）×4.6 m（高）,布置1 条断面尺寸5.2 m（宽）×6.0 m（高）的圆拱直墙型支洞,支洞长2230 m,位于桩号95+009 m处,距隧洞进口4055 m,距出口5333 m,比降-8.39%。隧洞泥砂岩隧洞洞身开挖采用液压反铲挖掘机直接施工,岩石隧洞采用钻爆法施工,手风钻钻孔爆破,自卸汽车出渣；
二次衬砌采用钢模台车浇筑；
隧洞用电电源规划由附近已建10kV线路引接；
通过杆上变接至隧洞进出口,在洞口设置变压器使用；
隧洞最长施工通风距离为5333 m,分别在隧洞进、出口、支洞口处布置轴流风机进行压入式通风。
常规法二次衬砌很难及时跟进,长时间的初支暴露进一步加大了施工风险。为降低施工风险,开挖支护采取如下措施：
（1）初期开挖支护采用“短进尺、弱爆破、强支护”的方式,洞身开挖成形后,断面采用钢拱架支护,及时挂网喷砼,必要时在顶拱范围内增加钢制管棚加固,IV、V类围岩顶部均采用Φ42小导管进行超前支护。
（2）IV类围岩初期支护采用锚喷网、全断面工12型钢拱架间距1.0 m,全断面喷C20混凝土厚度15 cm,拱墙设Φ22全螺纹砂浆锚杆,拱墙挂φ8 钢筋网；
V类围岩初期支护采用锚喷网、全断面工12型钢拱架间距0.6 m,全断面喷C20混凝土厚度18 cm,拱墙设Φ22全螺纹砂浆锚杆,拱墙挂φ8钢筋网；
二衬采用40 cm～45 cm厚的C30 钢筋混凝土。
（3）加强地表及洞内的监控量测,做好应急预案,必要时根据情况进行帷幕灌浆加固。
常规法施工分别从隧洞进、出口及支洞进入主洞上下游施工,单个工作面控制段长度2347 m。初拟支洞月平均开挖进尺160 m/月,主洞月平均开挖进尺90 m/月,主洞砼衬砌进尺140 m/月,施工准备期2 个月,施工支洞施工工期14 个月,进入主洞后隧洞开挖工期21 个月,衬砌及灌浆工期17个月,总工期54 个月。
该方案工程总投资 41150 万元,其中建筑工程投资29628 万元,占投资的72%；
施工临时工程费11522 万元,占投资的28 %。
3.2 全线盾构法施工方案
盾构机可以穿越各种复杂水文地质特性的地层,从单一土层到复合地层不断延伸,有广泛的地层适用范围。具有安全性好,自动化程度高、劳动强度低、施工速度快,因噪音、振动引起的环境影响小；
工厂化预制衬砌管片,质量有保证；
穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时,周围可不受施工影响；
对于地质复杂、水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全等优点。并从地质条件、设备运输及场地条件、隧道坡度和转弯半径等进行分析,白鹿塬隧洞适宜采用盾构法施工。
盾构机的选型对确保施工安全可靠及盾构稳定至关重要,是根据工程地质、土质颗粒大小及组成、土层透水性,以及水文地质条件,选择能保持开挖面稳定的机型。目前盾构机主要分为土压平衡盾构、泥水平衡盾构和硬岩掘进机（TBM）三种,每种盾构有各自的特点和适用地层[1]。泥水盾构比较适用于河底、江底等高水压条件下的砾石粗砂等地层的隧洞施工,施工场地较大,费用较高；
土压平衡盾构适应于粉土、粉砂层等黏性土壤及软岩等地层的隧洞施工,施工场地较小,费用较低,但在硬岩地层中掘进效率低、刀具及换刀成本高。白鹿塬隧洞地层条件复杂,土层及岩层交错出现,埋深和地下水水头高度均为目前国内之最,单一功能的盾构很难满足工程施工需要,推荐采用土压+单护盾双模盾构机[2]。不同类型盾构机技术经济指标比较见表1。
表1 不同类型盾构机技术经济指标比较表
白鹿塬隧洞采用1台土压+单护盾双模平衡盾构施工,开挖断面为圆形,成洞直径4.4 m,C40 管片厚度35 cm,管片长1.5 m。盾构的组装设置在隧洞进口洞外,设置盾构始发平台,平台尺寸为70 m×25 m,布置2 台履带吊车吊装构件,安装调试完成后从隧洞进口进入掘进施工,出口处设置拆卸平台,平台尺寸为25 m×25 m。开挖渣料采用皮带运输机运输,刀盘切削下来的土体通过皮带运送到洞外,再用自卸汽车转运至渣场。人员及管片等物料运输采用电瓶车牵引厢式机车的方式解决。盾构机从进口独头掘进至隧洞出口,连续掘进距离在泥砂岩地层中较为罕见。为降低设备故障风险,在隧洞中部设置检修支洞,兼做施工通风使用,检修支洞相关参数与全线常规法相同。根据类似工程经验,按照10 km独头通风进行配备,在进洞洞口安设串联变频风机,向隧洞内压入式通风,风机完全可满足风量、风压要求。为盾构机的用电电源由附近变电站架设20 kV供电专线接至施工供电点,20 kV高压跟随盾构机进洞,洞外设施采用10 kV供电。预制管片委托专业单位提供,提前5 个月生产,施工单位负责接收并安装即可。
根据盾构施工经验,初拟盾构机月平均成洞进尺280 m/月。盾构机招标、制造及运输8个月,组装、调试4个月,掘进33.5 个月,中间检修4个月,拆卸施工2个月,施工总工期51.5 个月。
全线盾构法工程总投资 45520万元,其中建筑工程投资35867万元,占投资的79%；
设备购置费4500万元,占投资的 10%；
施工临时工程费5153万元,占投资的11%。
3.3 盾构法+常规法接应联合施工方案
为了确保施工工期,降低工程投资,提高常规法施工安全性,同时减少盾构设备在泥砂岩中长距离连续掘进的风险,拟定盾构法+常规法接应方案,即进口采用盾构法,出口采用常规法接应施工,在隧洞中部设置支洞,以满足盾构检修和通风要求[3]。结合地质条件,盾构掘进7800 m,常规法施工1588 m,盾构第一掘进段长4055 m,到达主支洞交叉段进行设备检修后,再进行第二掘进段3745 m的施工,施工完成后拆卸机器,由隧洞进口运出,断面型式及支护参数同以上两种方案。
盾构段总工期46个月：盾构机招标、制造及运输8个月,组装调试4个月,盾构掘进工期29 个月,中间检修3个月,拆卸施工2个月。
主洞常规法段总工期40个月：施工准备2个月,开挖施工23个月,二次衬砌及灌浆15个月。
联合施工方案总投资 43930万元,其中建筑工程投资33450万元,占投资的76%；
设备购置费4500万元,占投资的10%；
施工临时工程费5980万元,占投资的14%。
4.1 施工工期
全线常规法施工工序多,又受长距离、小断面、地质情况差等影响,施工效率低、速度慢。根据工程经验,预估施工总工期54个月,易受不良地质段处理进度影响,实际工期差距可能较大。
全线盾构法施工准备期较长,主要用于设备制造和运输安装,掘进机械化程度高,施工速度快,但对施工人员素质要求高,施工组织要求高,预估总工期51.5 个月,工期相对可控,因适应地质性较低,实际工期可能会有差距。
联合施工方案增加了一个主洞钻爆施工工作面,总工期最短,较全线常规法减少8 个月,较全线盾构法减少5.5 个月,充分利用了常规法施工灵活、地质条件适应性强及盾构法自动化程度高、施工速度快、安全性好的优点,同时增加了出口常规法施工接应,降低了整个隧洞工程贯通的工期风险,必要时可以增加盾构段或接应段施工长度,以保证贯通日期。
依据引汉济渭工程尽早发挥工程配水效益的要求,隧洞施工完成后需进行灞河分、退水口施工,白鹿塬隧洞要求工期为46个月。从工期要求分析,推荐采用盾构法+常规法接应联合施工方案[4]。
4.2 工程投资
隧洞全线常规法工程投资为41150万元,每米造价约为4.38万元；
全线盾构法工程投资约为45520万元,每米造价约为4.85万元；
联合施工方案工程投资为43930万元,每米造价约为4.68万元。全线常规法造价最低,但施工不可控因素多,变更多,遭遇不良地质段处理及施工降排水费用非常高,突破造价的几率大,有时造价与预算相差甚远；
全线盾构法造价相对较高,但隧洞长度超过9 km,盾构可一次摊销,变更少,造价控制较容易；
联合施工方案投资较全线盾构降低1590 万元,且仅比全线常规方案提高2780 万元[5]。
4.3 工程质量
隧洞单位工程质量标准为优良,要求在施工过程中精细化管理,全过程控制工程质量,尽量减少出现质量缺陷。
常规法施工采用人工结合机械开挖,加之隧洞断面较小,围岩较破碎,含水量高,易发生坍塌、失稳、突泥突涌水等突发事件,隧洞爆破质量、超欠挖、喷射混凝土厚度、二衬混凝土外观质量很难保证,质量通病普遍较多,增加了外观质量消缺处理的难度、成本,质量难以保证。
盾构法施工自动化程度高,开挖断面固定,一次成型,回填注浆易控制,管片由专业生产单位预制生产,监造监理高标准的管控质量,可借助信息化技术管理生产,原材料及中间产品生产过程可追溯；
施工单位只负责管片现场安装质量,既保证了管片生产质量,又能保证安装质量。
联合施工方案中常规法施工距离短,加强管控,加大资源投入,施工质量跟全线盾构法接近。
4.4 施工风险
全线常规法施工受地质条件复杂影响,需增加开挖辅助措施,施工工序复杂,洞内需要的施工人员多,人身及设备安全难保证。洞内地下水位高于洞顶,围岩出水量大,排水及水处理工作量大,费用高,影响施工进度和质量。弃渣采用自卸汽车无轨运输,运距远,运输车辆多,施工废烟较多,严重影响洞内空气质量和施工时间,效率低,工期风险较高。
全线盾构法机械化程度高,施工人员少,效率高,人员及设备安全性好。施工中排水工作量少,排水费用低。存在的风险主要是：受地质条件的影响,对围岩的适应性较差,该隧洞V类围岩占比太多,虽然在隧洞中部设置了检修支洞,在盾构机掘进约4 km后,进行全面的设备检修及排查,但长距离掘进过程中的设备可靠性及设备卡机等的处理难度远大于常规法施工,给盾构施工带来风险。
联合施工方案在隧洞中部设置检修支洞,在盾构机掘进约4km后,进行全面的设备检修及排查,后续掘进距离短,为盾构后续顺利掘进施工创作有利条件。同时在隧洞出口段增加常规法施工段,通过常规法接应,减少盾构掘进长度,从而降低地质条件差对盾构设备可能性风险。出口段常规法施工风险较大,增加开挖辅助措施,必要时增加地表降水、帷幕注浆或地表注浆等措施,风险可控。
4.5 环境影响
全线常规法施工对围岩影响大,噪音、粉尘、排水、施工废水较多,抽排地下水过多甚至导致施工区周围井水水量枯竭,地下水环境恶化及水土流失较多；
施工区属于秦岭山脉范围,离居民区近,环水保要求高,外部协调难度大,环水保压力大。
全线盾构掘进对围岩影响小,配备有齐全的超前探测设备,可提前堵水注浆,施工工作面少,开挖衬砌同步进行,抽排水及水处理量大幅降低,水土流失减少,环水保压力较小。
联合施工方案中常规法施工长度仅占隧洞长度的17%和全线盾构法对周围环境所造成的影响接近,环水保管理压力也较小。
4.6 方案选取
综合以上分析比较,白鹿塬隧洞推荐采用盾构法+常规法接应的联合施工方案,即进口采用盾构法施工,出口采用常规法施工接应。该方案在施工工期可控的前提下,工程投资较省、质量有保证、施工风险低、环境影响较小。三种施工方案主要特性详细对比见表2。
表2 不同施工方案主要特性对比表
（1）白鹿塬隧洞洞线长、埋深大、断面小、地质条件差,地下水丰富、施工难度大,盾构法选取了土压+单护盾双模盾构机,常规法增加了开挖辅助设施,并结合工程工期、投资、质量、风险、环境影响比较,最终确定盾构法+常规法接应的联合施工方案,可为类似工程施工方案的确定提供参考。
（2）土压+单护盾双模盾构机用于白鹿塬隧洞施工,能同时满足施工安全性及质量,保证工程工期,但仍需要开展双模式施工转换关键技术研究,推进盾构掘进智能化建设水平,以提高施工效率,最大程度降低施工风险。
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