軟硬不均礫巖水工隧洞項目若干問題分析

王利民 ，賈占軍 ，李榮偉 ，2

（1.保定市水利水電勘測設(shè)計院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利咨詢監(jiān)理有限公司，河北 保定 071051）

軟硬不均礫巖水工隧洞項目若干問題分析

王利民1，賈占軍1，李榮偉1，2

（1.保定市水利水電勘測設(shè)計院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利咨詢監(jiān)理有限公司，河北 保定 071051）

第三系靈山組礫巖膠結(jié)程度較差，且軟硬不均，該地層中修建水工隧洞難度頗大。保定市大水系灣子隧洞主洞全長4468m，在第三系地層中修建如此規(guī)模的隧洞在河北省尚屬首例。煤礦懸臂式非全斷面掘進機在該工程中的應(yīng)用，為水工隧洞施工提供了新思路和成功范例。以此為例，說明在第三系礫巖等類似特殊地質(zhì)條件下修建水工隧洞，在滿足相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上提高勘察精度、加強施工地質(zhì)工作、引進或應(yīng)用先進方法，以及解決由此帶來的諸如相關(guān)定額和規(guī)范的修編等問題，是水利水電工程順利進行的重要條件。

水工隧洞；軟硬不均地層；地質(zhì)勘察；懸臂式掘進機；靈山組

隨著國家大力投資基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，水利水電行業(yè)遇到越來越多的有關(guān)軟硬不均地層隧洞施工方面的一系列問題，目前對風化程度不同或孤石形成的軟硬不均地層隧洞盾構(gòu)研究較多［1－3］，但對硬質(zhì)巖中分布軟質(zhì)巖夾層等類似地質(zhì)條件下的水工隧洞項目地質(zhì)勘察、洞挖方法選擇、工程費用研究或報道并不多。

王快—西大洋水庫綜合管理工程是保定市大水系建設(shè)的水源工程，灣子隧洞工程是王快—西大洋水庫綜合管理工程的控制性工程，隧洞位于曲陽縣灣子村東南至南家莊之間，主洞全長4468m，隧洞斷面型式采用圓拱直墻型（城門洞型），襯砌后斷面尺寸為B×H＝2.5m×3.35m（直墻高度2.1m）。全線共設(shè)2條施工支洞，其中1號支洞洞線水平長度432m，2號支洞洞線水平長度235m。灣子隧洞所經(jīng)地層為第三系始新統(tǒng)靈山組地層，巖性主要由灰白色、棕紅色礫巖、砂礫巖及少量紫紅色砂巖、粉砂巖、粘土巖等組成，總厚度30～160m以上。第三系靈山組地層僅出現(xiàn)于河北太行山及壩上地區(qū)，該地層礫巖中的泥質(zhì)粉砂巖夾層無規(guī)律分布，鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖、泥砂質(zhì)膠結(jié)礫巖、礫巖中的卵礫石和泥質(zhì)粉砂巖夾層強度相差很大。工程區(qū)地下水主要有孔隙潛水和基巖裂隙水。第三系礫巖深層巖體裂隙不發(fā)育，不含或僅含少量地下水。其中，礫巖透水率0.24～3.6Lu，巖體局部含透水性裂隙；泥質(zhì)粉砂巖透水率0.18～0.53Lu，均為微透水層，節(jié)理裂隙不發(fā)育；礫巖夾泥質(zhì)粉砂巖透水率0.18～1.6Lu，礫巖與泥質(zhì)粉砂巖接觸面多呈閉合狀。

在第三系中修建如此規(guī)模的隧洞在河北省尚屬首例，在全國也少見。煤礦用懸臂式非全斷面掘進機在該工程的應(yīng)用，為我國水工隧洞施工提供了一種新的洞挖方法及成功范例。本文依托灣子隧洞工程，探討和分析第三系礫巖等類似特殊地質(zhì)條件下修建水工隧洞時，可能遇到的工程地質(zhì)勘察、施工方法選擇和工程費用核定等問題及其解決途徑。

1 特殊條件下的工程地質(zhì)勘察

灣子隧洞所經(jīng)地層產(chǎn)狀變化較小，傾角較緩，雖然地質(zhì)構(gòu)造簡單，但礫巖段、粘土巖段巖性變化頻繁。其中，礫巖洞段中的鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖飽和單軸抗壓強度一般25～30MPa，泥砂質(zhì)膠結(jié)礫巖飽和單軸抗壓強度一般15～30MPa，礫巖中的卵礫石飽和單軸抗壓強度一般60～120MPa，礫巖中的泥質(zhì)粉砂巖夾層飽和單軸抗壓強度小于5MPa［4］。另外，粘土巖洞段常遇鋁土質(zhì)頁巖或炭質(zhì)頁巖等軟弱夾層，其中泥巖段穩(wěn)定性相對較好。因此，不同洞段的巖體強度和圍巖穩(wěn)定性相差懸殊。

水工隧洞工程地質(zhì)勘察主要在隧洞進口、出口、過溝段及硐室交叉部位等處布置勘探孔，雖然其勘察精度滿足水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范的相關(guān)要求，但在第三系靈山組或其他相似地層條件下修建隧洞工程，常規(guī)工程地質(zhì)勘察遠不能滿足洞挖施工要求。一般性工程地質(zhì)勘察不能定位礫巖中泥質(zhì)粉砂巖夾層或粘土巖中炭質(zhì)軟弱夾層等分布，但類似層位往往成為決定水工隧洞硐室穩(wěn)定性和支護措施的控制性因素。礫巖發(fā)育洞段，一般僅需要系統(tǒng)錨桿、素噴混凝土作為初期支護。泥質(zhì)粉砂巖夾層發(fā)育洞段初期支護常常需要錨桿、噴混凝土、鋼筋網(wǎng)片和拱架聯(lián)合支護，而且受地下水因素影響明顯，硐室常常穩(wěn)定性差而支護工程量大。如工程準備階段不能摸清類似軟弱層位的分布范圍、隧洞軸線方向上的延伸長度，則往往不能有效控制施工階段的工程實際造價［5］。為此，在滿足水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范的基礎(chǔ)上，除布置必要的勘探鉆孔、地質(zhì)測繪等工作量外，需要增加綜合物探方法，并應(yīng)利用鉆孔和平硐進行綜合測試。另外，前期增加勘察工作量及加強施工階段的地質(zhì)工作顯得更為重要。

水工隧洞圍巖工程地質(zhì)分類，主要以控制圍巖穩(wěn)定的巖石強度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水狀態(tài)和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀5項因素之和的總評分為基本判據(jù)，圍巖強度應(yīng)力比為限定判據(jù)。泥砂質(zhì)膠結(jié)礫巖機械鉆進困難且很難取到較好的巖芯，即使采樣進行試驗，其飽和抗壓強度也很低，試驗所得抗壓強度和實際強度差異常常較大。另外，礫巖如分布泥質(zhì)粉砂巖夾層時，其分布常無規(guī)律可循。因此，僅通過前期地表勘察很難確定礫巖夾泥質(zhì)粉砂巖洞段的實際巖石強度值，地質(zhì)建議值很難全面反映巖性多變的圍巖實際強度。礫巖為硬質(zhì)巖而泥質(zhì)粉砂巖為軟質(zhì)巖，礫巖夾泥質(zhì)粉砂巖即硬巖夾軟巖時，巖體完整性、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)分值也難以準確判定。因此，常發(fā)生圍巖工程地質(zhì)分類級別一致，而圍巖穩(wěn)定性卻相差甚遠的現(xiàn)象。普通意義上的圍巖工程地質(zhì)分類，是在常規(guī)鉆爆法條件下總結(jié)出來的規(guī)律。如果采用全斷面或非全斷面掘進機開挖，由于截割頭掘進大大降低洞挖作業(yè)對圍巖的擾動，圍巖穩(wěn)定性往往顯得相對好得多。如采用掘進機開挖，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范確定為Ⅳ、Ⅴ類圍巖的洞段，也可能穩(wěn)定性非常好而基本不必進行初期支護。因此，礫巖夾泥質(zhì)粉砂巖等特殊巖性地質(zhì)條件下修建水工隧洞，或應(yīng)用一些先進方法施工時，現(xiàn)有規(guī)范的部分內(nèi)容明顯不太適用。

2 洞挖方法的選擇

水工隧洞主要有常規(guī)鉆爆法、全斷面隧道掘進機開挖2大類方法。近年來，煤礦巷道懸臂式非全斷面掘進機也越來越多地應(yīng)用于水工隧洞的施工。除此之外，人工開挖等方法應(yīng)用于一些特殊地質(zhì)條件下的隧洞開挖。

全斷面盾構(gòu)機掘進速度快、成本高，一般適用于長距離圓型斷面隧洞。用盾構(gòu)機進行隧洞施工具有自動化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時不影響水面交通等特點，隧洞線路較長、埋深較大的情況下，用盾構(gòu)機更為經(jīng)濟合理。盾構(gòu)機需按照不同的地質(zhì)條件進行“量體裁衣”式的設(shè)計制造，可靠性要求極高。盾構(gòu)機的使用成本、在密封條件下的刀具更換及一些惡劣地質(zhì)條件限制了盾構(gòu)機的使用與發(fā)展。目前，普通中短距離隧洞工程一般采用常規(guī)鉆爆法。

灣子隧洞工程施工實踐證明，礫巖洞段雖然圍巖穩(wěn)定性好，但礫巖中的卵礫石強度高，常規(guī)爆破鉆進效率極低，如遇到泥砂質(zhì)半膠結(jié)礫巖，常?？ㄣ@而無法鉆進。礫巖夾泥質(zhì)粉砂巖軟硬不均，爆破時炸藥耗量明顯增加。因此，礫巖夾泥質(zhì)粉砂巖洞段采用常規(guī)鉆爆法時工效低，常不能滿足施工進度要求。

為了提高施工進度，灣子隧洞項目管理單位克服重重困難，選擇和引進了煤礦用EBZ160型懸臂式硬巖掘進機。該掘進機外型尺寸10200mm×2585mm×1835mm，機重55t，截割功率160kW，裝機總功率318kW，要求被截割巖石硬度小于等于90MPa。采用該類掘進機后，正常洞挖速度提高3～8倍。然而，由于第三系靈山組礫巖中卵礫石強度高，采用掘進機洞挖時，截割頭截齒、液壓油等材料消耗量大。根據(jù)施工單位記錄、監(jiān)理復(fù)核確認的數(shù)據(jù)表明，泥質(zhì)粉砂巖平均耗用截齒0.27個/m3，礫巖平均耗用截齒0.541個/m3。 質(zhì)量良好的截齒價格327元 ／個［6］，液壓油及掘進機電量等材料費較高，使用掘進機施工成本較高。礫巖洞段如分布泥質(zhì)粉砂巖夾層時，常發(fā)生側(cè)墻片幫、拱頂塌方等現(xiàn)象，影響掘進機的正常臺班率，導(dǎo)致經(jīng)濟效益降低。如遇軟弱夾層時洞底板承載力偏低，掘進機自重大而往往“爬坑”無法自由行走。為了提高洞底板承載力，在掘進機履帶下部墊枕木、鋼板等是一種較好的臨時措施。

因此，隧洞工程量、地質(zhì)條件、工期、成本和效益等是合理選擇隧洞開挖方法的重要影響因素。如果隧洞工程量不大，通常先考慮傳統(tǒng)的常規(guī)鉆爆法。如果隧洞線路長、埋深大則可優(yōu)先選用全斷面盾構(gòu)機。然而，由于工期、成本等因素的影響和限制，常規(guī)鉆爆法往往不能滿足目前水利水電工程的建設(shè)需要。因此，懸臂式非全斷面硬巖掘進機等先進的洞挖方法越來越多地應(yīng)用于水工隧洞的施工。一臺懸臂式硬巖掘進機售價200～300萬元，設(shè)備購置和使用成本高。伴隨著新方法、新工藝的涌現(xiàn)，相關(guān)工程費用的核算等問題成為水利水電行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的新問題。

3 工程費用核算問題

灣子隧洞施工實踐說明，第三系礫巖夾泥質(zhì)粉砂巖軟硬不均，隧洞采用常規(guī)鉆爆法施工時，炸藥和雷管等爆破材料、鉆頭等鉆孔材料耗量遠遠高于水利定額所有巖石級別相應(yīng)的最高耗量［6］。根據(jù)施工單位記錄、監(jiān)理復(fù)核確認的數(shù)據(jù)表明，人工、合金鉆頭、雷管等實際用量是定額用量的1.87倍，炸藥實際用量是定額用量的2.3倍。

礫巖夾泥質(zhì)粉砂巖平洞石方開挖及運輸單價為129.42元/m3，依據(jù)材料實際耗量編制的石方開挖及運輸單價為196.89元/m3，即“實際耗量單價”高于“定額單價”52.1%。

為了加快施工進度，采用懸臂式非全斷面掘進機實際消耗量，可對定額轉(zhuǎn)換進行實際費用分析。經(jīng)計算，EBZ160型掘進機平洞石方開挖及運輸單價為344.05元/m3，高于標準“定額單價”165.8%，高于實際耗量“定額單價”74.7%。 盡管根據(jù)實際耗量計算分析的費用單價比較符合實際，但現(xiàn)行水利定額并無相關(guān)內(nèi)容和依據(jù)。如采用實際耗用材料單價法，則很難通過相關(guān)部門的審查。

為進一步完善水利工程定額體系，滿足工程建設(shè)需要，水利部水利建設(shè)經(jīng)濟定額站在整編有關(guān)工程資料、對部分施工現(xiàn)場進行調(diào)研的基礎(chǔ)上，組織編制了《水利工程概預(yù)算補充定額（掘進機施工隧洞工程）》，已于2007年經(jīng)審查批準并發(fā)布，其中補充了全斷面巖石掘進機（TBM）及盾構(gòu)施工概預(yù)算定額及機械臺時費定額。近年來，水利水電行業(yè)越來越多地將懸臂式非全斷面掘進機應(yīng)用到水工隧洞工程中，因此亟待定額編制部門及相關(guān)設(shè)計、施工規(guī)范編制與管理部門增加相應(yīng)內(nèi)容。

4 結(jié)語

在第三系礫巖等類似特殊地質(zhì)條件下的水工隧洞工程，在滿足水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范的基礎(chǔ)上有必要增加勘察工作量和加強施工地質(zhì)工作，引進或應(yīng)用一些先進的施工方法。因此，正確選擇特殊地質(zhì)條件下的施工方法，并及時修編相關(guān)定額和規(guī)范等問題，成為確保水利水電工程順利進行的重要條件。

［1］譚忠盛，洪開榮，萬姜林，等.軟硬不均地層復(fù)合盾構(gòu)的研究及掘進技術(shù)［J］.巖石力學與工程學報，2006（25）：3945-3953.

［2］寧銳，劉文斌.軟硬不均復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工技術(shù)研究［J］.吉林水利，2009（9）.

［3］尤顯明，楊書江.短距離硬巖及上軟下硬地層盾構(gòu)法施工技術(shù)［J］.城市軌道交通研究，2007（5）.

［4］河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院.王快～西大洋水庫綜合管理工程灣子隧洞施工階段圍巖類別復(fù)核報告［R］.2010.

［5］趙金良，賈占軍，李榮偉.淺埋粘土巖隧洞整體失穩(wěn)分析與處理技術(shù)［J］.水科學與工程技術(shù)，2010（4）：60-63.

［6］河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院.王快～西大洋水庫綜合管理工程灣子隧洞石方開挖單價分析［R］.2010.

Several Problems about Hydraulic Tunnel Project in Complex Uneven Conglomerate Strata

WANG Li－min1，JIA Zhan－jun1，LI Rong－wei1，2
（1.Baoding Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Institute， Baoding 071051， China；2.Baoding River Water Conservancy Project Management and Consulting Co.， Ltd.， Baoding 071051， China）

It is very difficulty that long distant hydraulic tunnel is built in complex uneven Lingshan Fm.of Tertiary section.The length of Wanzi－tunnel， which is the part of the big water system engineering of Baoding City， is 4468 meters.The scale of the tunnel built in Tertiary section was the first in Hebei Province.Coal boom－type partial－section roadheader is used in the project.New idea and successful example is provided for hydraulic tunnel hole.Based on the project， the paper explains that there are important conditions for building water conservancy and hydropower projects smoothly， namely， improving survey precision higher than related standard requirement， strengthening the geological work of construction stage， introducing or using advanced methods and solving some problems such as relevant norm and standard revision.

hydraulic tunnel； complex uneven strata； geological reconnaissance； boom－type roadheader； Lingshan Fm.

TV52

A

1672-9900（2011）01-0078-03

2010－11－20

王利民（1963－），男（漢族），河北定州人，高級工程師，主要從事水利水電工程勘察設(shè)計和施工技術(shù)等方面的研究工作，（Tel）18931261518。