软硬不均砾岩水工隧洞项目若干问题分析

摘要：第三系灵山组砾岩胶结程度较差，且软硬不均，该地层中修建水工隧洞难度颇大。保定市大水系湾子隧洞主洞全长4468m，在第三系地层中修建如此规模的隧洞在河北省尚属首例。煤矿悬臂式非全断面掘进机在该工程中的应用，为水工隧洞施工提供了新思路和成功范例。以此为例，说明在第三系砾岩等类似特殊地质条件下修建水工隧洞，在满足相关规范的基础上提高勘察精度、加强施工地质工作、引进或应用先进方法，以及解决由此带来的诸如相关定额和规范的修编等问题，是水利水电工程顺利进行的重要条件。

关键词：水工隧洞；软硬不均地层；地质勘察；悬臂式掘进机；灵山组

中图分类号：TV52 文献标识码：A 文章编号：1672-9900（2011）01-0078-03

随着国家大力投资基础建设的发展，水利水电行业遇到越来越多的有关软硬不均地层隧洞施工方面的一系列问题，目前对风化程度不同或孤石形成的软硬不均地层隧洞盾构研究较多［1－3］，但对硬质岩中分布软质岩夹层等类似地质条件下的水工隧洞项目地质勘察、洞挖方法选择、工程费用研究或报道并不多。

王快—西大洋水库综合管理工程是保定市大水系建设的水源工程，湾子隧洞工程是王快—西大洋水库综合管理工程的控制性工程，隧洞位于曲阳县湾子村东南至南家庄之间，主洞全长4468m，隧洞断面型式采用圆拱直墙型（城门洞型），衬砌后断面尺寸为B×H＝2．5m×3．35m（直墙高度2．1m）。全线共设2条施工支洞，其中1号支洞洞线水平长度432m，2号支洞洞线水平长度235m。湾子隧洞所经地层为第三系始新统灵山组地层，岩性主要由灰白色、棕红色砾岩、砂砾岩及少量紫红色砂岩、粉砂岩、粘土岩等组成，总厚度30～160m以上。第三系灵山组地层仅出现于河北太行山及坝上地区，该地层砾岩中的泥质粉砂岩夹层无规律分布，钙质胶结砾岩、泥砂质胶结砾岩、砾岩中的卵砾石和泥质粉砂岩夹层强度相差很大。工程区地下水主要有孔隙潜水和基岩裂隙水。第三系砾岩深层岩体裂隙不发育，不含或仅含少量地下水。其中，砾岩透水率0．24～3．6Lu，岩体局部含透水性裂隙；泥质粉砂岩透水率0．18～0．53Lu，均为微透水层，节理裂隙不发育；砾岩夹泥质粉砂岩透水率0．18～1．6Lu，砾岩与泥质粉砂岩接触面多呈闭合状。

在第三系中修建如此规模的隧洞在河北省尚属首例，在全国也少见。煤矿用悬臂式非全断面掘进机在该工程的应用，为我国水工隧洞施工提供了一种新的洞挖方法及成功范例。本文依托湾子隧洞工程，探讨和分析第三系砾岩等类似特殊地质条件下修建水工隧洞时，可能遇到的工程地质勘察、施工方法选择和工程费用核定等问题及其解决途径。

1 特殊条件下的工程地质勘察

湾子隧洞所经地层产状变化较小，倾角较缓，虽然地质构造简单，但砾岩段、粘土岩段岩性变化频繁。其中，砾岩洞段中的钙质胶结砾岩饱和单轴抗压强度一般25～30MPa，泥砂质胶结砾岩饱和单轴抗压强度一般15～30MPa，砾岩中的卵砾石饱和单轴抗压强度一般60～120MPa，砾岩中的泥质粉砂岩夹层饱和单轴抗压强度小于5MPa［4］。另外，粘土岩洞段常遇铝土质页岩或炭质页岩等软弱夹层，其中泥岩段稳定性相对较好。因此，不同洞段的岩体强度和围岩稳定性相差悬殊。

水工隧洞工程地质勘察主要在隧洞进口、出口、过沟段及硐室交叉部位等处布置勘探孔，虽然其勘察精度满足水利水电工程地质勘察规范的相关要求，但在第三系灵山组或其他相似地层条件下修建隧洞工程，常规工程地质勘察远不能满足洞挖施工要求。一般性工程地质勘察不能定位砾岩中泥质粉砂岩夹层或粘土岩中炭质软弱夹层等分布，但类似层位往往成为决定水工隧洞硐室稳定性和支护措施的控制性因素。砾岩发育洞段，一般仅需要系统锚杆、素喷混凝土作为初期支护。泥质粉砂岩夹层发育洞段初期支护常常需要锚杆、喷混凝土、钢筋网片和拱架联合支护，而且受地下水因素影响明显，硐室常常稳定性差而支护工程量大。如工程准备阶段不能摸清类似软弱层位的分布范围、隧洞轴线方向上的延伸长度，则往往不能有效控制施工阶段的工程实际造价［5］。为此，在满足水利水电工程地质勘察规范的基础上，除布置必要的勘探钻孔、地质测绘等工作量外，需要增加综合物探方法，并应利用钻孔和平硐进行综合测试。另外，前期增加勘察工作量及加强施工阶段的地质工作显得更为重要。

水工隧洞围岩工程地质分类，主要以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整性、结构面状态、地下水状态和主要结构面产状5项因素之和的总评分为基本判据，围岩强度应力比为限定判据。泥砂质胶结砾岩机械钻进困难且很难取到较好的岩芯，即使采样进行试验，其饱和抗压强度也很低，试验所得抗压强度和实际强度差异常常较大。另外，砾岩如分布泥质粉砂岩夹层时，其分布常无规律可循。因此，仅通过前期地表勘察很难确定砾岩夹泥质粉砂岩洞段的实际岩石强度值，地质建议值很难全面反映岩性多变的围岩实际强度。砾岩为硬质岩而泥质粉砂岩为软质岩，砾岩夹泥质粉砂岩即硬岩夹软岩时，岩体完整性、结构面状态分值也难以准确判定。因此，常发生围岩工程地质分类级别一致，而围岩稳定性却相差甚远的现象。普通意义上的围岩工程地质分类，是在常规钻爆法条件下总结出来的规律。如果采用全断面或非全断面掘进机开挖，由于截割头掘进大大降低洞挖作业对围岩的扰动，围岩稳定性往往显得相对好得多。如采用掘进机开挖，根据现行规范确定为Ⅳ、Ⅴ类围岩的洞段，也可能稳定性非常好而基本不必进行初期支护。因此，砾岩夹泥质粉砂岩等特殊岩性地质条件下修建水工隧洞，或应用一些先进方法施工时，现有规范的部分内容明显不太适用。

2 洞挖方法的选择

水工隧洞主要有常规钻爆法、全断面隧道掘进机开挖2大类方法。近年来，煤矿巷道悬臂式非全断面掘进机也越来越多地应用于水工隧洞的施工。除此之外，人工开挖等方法应用于一些特殊地质条件下的隧洞开挖。

全断面盾构机掘进速度快、成本高，一般适用于长距离圆型断面隧洞。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，隧洞线路较长、埋深较大的情况下，用盾构机更为经济合理。盾构机需按照不同的地质条件进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构机的使用成本、在密封条件下的刀具更换及一些恶劣地质条件限制了盾构机的使用与发展。目前，普通中短距离隧洞工程一般采用常规钻爆法。

湾子隧洞工程施工实践证明，砾岩洞段虽然围岩稳定性好，但砾岩中的卵砾石强度高，常规爆破钻进效率极低，如遇到泥砂质半胶结砾岩，常常卡钻而无法钻进。砾岩夹泥质粉砂岩软硬不均，爆破时炸药耗量明显增加。因此，砾岩夹泥质粉砂岩洞段采用常规钻爆法时工效低，常不能满足施工进度要求。

为了提高施工进度，湾子隧洞项目管理单位克服重重困难，选择和引进了煤矿用EBZ160型悬臂式硬岩掘进机。该掘进机外型尺寸10200mm×2585mm×1835mm，机重55t，截割功率160kW，装机总功率318kW，要求被截割岩石硬度小于等于90MPa。采用该类掘进机后，正常洞挖速度提高3～8倍。然而，由于第三系灵山组砾岩中卵砾石强度高，采用掘进机洞挖时，截割头截齿、液压油等材料消耗量大。根据施工单位记录、监理复核确认的数据表明，泥质粉砂岩平均耗用截齿0．27个/m3，砾岩平均耗用截齿0．541个/m3。质量良好的截齿价格327元／个［6］，液压油及掘进机电量等材料费较高，使用掘进机施工成本较高。砾岩洞段如分布泥质粉砂岩夹层时，常发生侧墙片帮、拱顶塌方等现象，影响掘进机的正常台班率，导致经济效益降低。如遇软弱夹层时洞底板承载力偏低，掘进机自重大而往往“爬坑”无法自由行走。为了提高洞底板承载力，在掘进机履带下部垫枕木、钢板等是一种较好的临时措施。

因此，隧洞工程量、地质条件、工期、成本和效益等是合理选择隧洞开挖方法的重要影响因素。如果隧洞工程量不大，通常先考虑传统的常规钻爆法。如果隧洞线路长、埋深大则可优先选用全断面盾构机。然而，由于工期、成本等因素的影响和限制，常规钻爆法往往不能满足目前水利水电工程的建设需要。因此，悬臂式非全断面硬岩掘进机等先进的洞挖方法越来越多地应用于水工隧洞的施工。一台悬臂式硬岩掘进机售价200～300万元，设备购置和使用成本高。伴随着新方法、新工艺的涌现，相关工程费用的核算等问题成为水利水电行业领域内亟待解决的新问题。

3 工程费用核算问题

湾子隧洞施工实践说明，第三系砾岩夹泥质粉砂岩软硬不均，隧洞采用常规钻爆法施工时，炸药和雷管等爆破材料、钻头等钻孔材料耗量远远高于水利定额所有岩石级别相应的最高耗量［6］。根据施工单位记录、监理复核确认的数据表明，人工、合金钻头、雷管等实际用量是定额用量的1．87倍，炸药实际用量是定额用量的2．3倍。

砾岩夹泥质粉砂岩平洞石方开挖及运输单价为129．42元/m3，依据材料实际耗量编制的石方开挖及运输单价为196．89元/m3，即“实际耗量单价”高于“定额单价”52．1％。

为了加快施工进度，采用悬臂式非全断面掘进机实际消耗量，可对定额转换进行实际费用分析。经计算，EBZ160型掘进机平洞石方开挖及运输单价为344．05元/m3，高于标准“定额单价”165．8％，高于实际耗量“定额单价”74．7％。尽管根据实际耗量计算分析的费用单价比较符合实际，但现行水利定额并无相关内容和依据。如采用实际耗用材料单价法，则很难通过相关部门的审查。

为进一步完善水利工程定额体系，满足工程建设需要，水利部水利建设经济定额站在整编有关工程资料、对部分施工现场进行调研的基础上，组织编制了《水利工程概预算补充定额（掘进机施工隧洞工程）》，已于2007年经审查批准并发布，其中补充了全断面岩石掘进机（TBM）及盾构施工概预算定额及机械台时费定额。近年来，水利水电行业越来越多地将悬臂式非全断面掘进机应用到水工隧洞工程中，因此亟待定额编制部门及相关设计、施工规范编制与管理部门增加相应内容。

4 结语

在第三系砾岩等类似特殊地质条件下的水工隧洞工程，在满足水利水电工程地质勘察规范的基础上有必要增加勘察工作量和加强施工地质工作，引进或应用一些先进的施工方法。因此，正确选择特殊地质条件下的施工方法，并及时修编相关定额和规范等问题，成为确保水利水电工程顺利进行的重要条件。

参考文献：

［1］谭忠盛，洪开荣，万姜林，等．软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术［J］．岩石力学与工程学报，2006（25）：3945-3953．

［2］宁锐，刘文斌．软硬不均复杂地层的盾构施工技术研究［J］．吉林水利，2009（9）．

［3］尤显明，杨书江．短距离硬岩及上软下硬地层盾构法施工技术［J］．城市轨道交通研究，2007（5）．

［4］河北省水利水电第二勘测设计研究院．王快～西大洋水库综合管理工程湾子隧洞施工阶段围岩类别复核报告［R］．2010．

［5］赵金良，贾占军，李荣伟．浅埋粘土岩隧洞整体失稳分析与处理技术［J］．水科学与工程技术，2010（4）：60-63．

［6］河北省水利水电第二勘测设计研究院．王快～西大洋水库综合管理工程湾子隧洞石方开挖单价分析［R］．2010．

［作者简介］王利民（1963－），男（汉族），河北定州人，高级工程师，主要从事水利水电工程勘察设计和施工技术等方面的研究工作。