渭河隧道施工方案比选研究
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摘要:研究目的：针对渭河隧道复杂地形地质条件，为解决渭河隧道下穿河谷段施工风险问题，开展了宝兰客专渭河隧道施工方案的比选。
研究方法：渭河隧道施工方案的选择，鉴于隧道位于市区、隧道纵坡呈“V”字形等特点，综合考虑了施工安全、工期风险、环境影响、经济投资等多种因素。同时由于渭河隧道洞内设置“V”字坡，运营期间渗漏水需机械抽排至洞外，防水可靠亦是隧道运营安全的关键因素之一。
研究结论：渭河隧道下穿藉河河谷段，矿山法和盾构法施工的方案技术上均可行。综合考虑施工风险、工期、工程投资等因素，渭河隧道研究采用矿山法施工。
关键词:渭河隧道; 施工方案; 矿山法; 比选
中图分类号：U45 文献标识码： A
宝兰客运专线是规划的徐州至兰州客运专线的西段。线路东起陕西省宝鸡市，过渭河峡谷沿既有陇海通道进入甘肃省天水市，向西经过秦安县、通渭县、定西市后，两跨既有陇海铁路，经榆中县至终点兰州西客站。线路横跨陕西省和甘肃省两省，正线全长约401 km。宝兰客专东端与西宝客专相接，向东可直达中原及华北、华东地区，向西可连通青海、新疆，并通过兰州枢纽与包兰铁路、兰渝铁路衔接，在铁路网中主骨架特征明显。宝兰客专沿线不良地质发育，建设环境复杂，难度较大，渭河隧道即是工程设计中的难点之一。渭河隧道位于宝兰客专天水南站出站端，地处天水市花牛镇至渭南镇境内。受滑坡和天水机场定向台影响，线路以隧道方式先后穿越藉河南岸的黄土梁峁区、藉河河谷区、藉河北山黄土梁峁区至渭河南岸。隧道全长10.01km，洞身纵坡呈“V”字形段落长8.6km。隧道洞身通过的地层主要为第四系全新统冲洪积黏质黄土、粉质黏土，上第三系泥岩、寒武系片麻岩。
软岩大断面隧道施工中易出现围岩坍塌、地表产生大面积沉降等问题，为隧道施工和地表建（构）筑物安全带来较大风险。渭河隧道地形地质条件复杂,隧道断面大，隧道长大段落位于河谷段，隧道施工对地表建（构）筑物影响较大。为确保河谷段隧道的施工安全,对隧道施工方案进行了比选，探讨了复杂地质条件下隧道设计方案比选的关键，希望也能为类似工程提供有益参考。
一.工程概况
图1工程平面图
渭河隧道DK772+700～DK776+000约3.3km段隧道洞身位于藉河河谷区，该段隧道洞身主要涉及地层为弱风化泥岩，泥岩上覆地层为第四系黄土、粗圆砾土、细圆砾土等。藉河河漫滩及一级阶地细、粗圆砾土中，水量丰富，含水层厚度约2.0～14.0m，河床地下水位埋深一般2.0m～15m。隧道洞身上部细、粗圆砾土含水层，对下部泥岩强风化层具有一定的补给。该段隧道受河谷段地形地质条件影响，施工风险较高，针对藉河河谷段隧道方案进行了施工方案研究。主要研究方案包括：矿山法方案、一座双线隧道盾构施工方案和二座单线隧道盾构施工方案。
二. 隧道地质概况和地表建（构）筑物
1.工程地质
渭河隧道洞身通过的地层主要包括：两端洞口约0.5km为第四系黏质黄土、粉质黏土，进口至北山段约7.5km为上第三系泥岩，北山至出口段约2Km为寒武系片麻岩。
泥岩（N1 Ms）：棕红色、褐色、浅灰色，成分以黏土矿物为主，泥质结构，层状构造，节理裂隙发育，成岩作用差，岩质较软弱，遇水易软化，强风化厚10～20m，级硬土，Ⅴ级围岩，σ。=300kPa；弱风化，级软石，Ⅴ～Ⅳ级围岩，σ0＝400kPa，具弱膨胀性。
2.水文地质特征
（1）地表水
隧道下穿藉河通过，藉河为渭河一级支流，为常年流水河，流量大，约25万m3/d，水量随季节变化较明显，在6～10月降水集中时水量更大，藉河百年一遇洪水量可达3540m3/s（3.058亿m3/d）。
（2）富水性分区
隧道DK772+680～DK776+370下穿藉河河谷段，为基岩裂隙水弱富水区。上部第四系松散层厚约2.0～14.0m，透水性强，补给条件好，富水性好，具弱承压性，承压水头高度一般约1～2m，渗透系数一般在0.50～30.5m/d，对下部泥岩强风化层具有一定的补给，对强风化层下部弱风化层补给相对较弱，单位正常涌水量约932～997m3/d·km，局部洞身与泥岩强风化层底板距离较小的段落，地下水对隧道施工有一定影响。
3.地表建（构）筑物现状
（1）地表道路
渭河隧道穿越藉河河谷区，位于天水市城区，隧道下穿主要城市道路包括羲皇大道、天北高速。隧道下穿羲皇大道与天北高速段，洞身位于弱风化泥岩地层，拱顶埋深30m以上。
（2）城市管网
羲皇大道两侧管线广布，市政管线有电力线、通讯线和供水管、雨水管、污水管等。天北高速公路两侧分布有光缆。市政管线埋深1～5m，下穿道路段隧道拱顶覆土厚度45～55m，地下管线对隧道施工无影响。
（3）地表建筑
藉河河谷段渭河隧道依次下穿白水崖村、高家湾、甘五建建筑安装公司家属院、肖庄村、天水经济适用房开发区、县家上河村、刘家庄。村庄建筑多为一层至三层的砖瓦楼房，甘肃五建建筑安装公司和中国移动仓库四栋楼房为3～5层。天水经济适用房小区为7-18层。
三. 渭河隧道线路方案
结合隧道施工方案比选，线路方案研究包括：线路平面布置为一座双线隧道和二座单线隧道两个方案，线路平面布置为一座双线隧道分别根据矿山法和盾构施工方案在同平面位置进行了相应的纵坡方案比较。
1.渭河隧道一座双线隧道方案（DK）
线路自天水南车站引出折向西北而行，受二十里铺南侧和县家上河滑坡群控制，线路以长10016m渭河隧道下穿羲皇大道、天北高速公路及藉河，于北山滑坡下至南河川出洞，跨陇海铁路及渭河，穿石崖隧道至三阳川。
2.渭河隧道两座单线隧道方案（最大间距140m）
该方案出天水南车站即以两条单线形式走行，分别下穿羲皇大道、天北高速公路及藉河。受车站布置限制，渭河隧道进口附近由双线变两单线，隧道形式为“Y”型岔口。左单线Z2DK隧道下穿北山滑坡位置较初设贯通方案DK向西北移约220m，左、右两单线最远距离约140m。下穿绕避北山滑坡后，两线在渭河隧道出口前又由两单线变为双线，隧道形式同进口仍为“Y”型岔口。线路出洞后为双线，走行于初设贯通方案位置，跨陇海铁路及渭河，穿石崖隧道至三阳川。
四. 渭河隧道矿山法施工方案
1.方案简述
该方案中渭河隧道为一座双线隧道，隧道起讫里程DK770+028～DK780+044，全长10016m，全部采用矿山法施工。隧道下穿羲皇大道、天北高速段，拱顶埋深40～43m左右；隧道下穿高家湾等村庄段，隧道埋深40m左右；下穿藉河段，隧道埋深35m左右；下穿北山滑坡段，隧道拱顶距离滑面15～30m。
图2渭河隧道工程筹划图
结合隧道地形、地质条件，考虑施工工期、运营期间排水、救援疏散要求，采用2座无轨运输斜井+出口局部平导+3座竖井辅助施工。
2.方案特点分析
施工安全方面：藉河河谷段隧道位于弱风化泥岩地层，隧道埋深40~50m，拱顶泥岩覆盖厚度15～26m。隧道洞身上部细、粗圆砾土含水层，对下部泥岩强风化层具有一定的补给，施工风险相对较高。
防水施工可靠性方面：隧道防水以结构自防水为主，初期支护与二次衬砌之间设置土工布与防水板，施工缝设置中埋式止水带与背贴式止水带，防水施工简单成熟。防水可靠性高。
工期风险方面：辅助坑道布置较均匀，各工区长度在0.8~2km之间，施工方法成熟、灵活，工期风险相对较小。
环境影响方面：下穿河谷段隧道施工对地表建（构）筑物存在一定影响。
五. 渭河隧道盾构施工方案
1.方案简述
（1）一座双线隧道盾构施工方案
该方案中渭河隧道为一座双线隧道，全长10016m，藉河河谷段采用一台盾构机施工，其余采用矿山法施工。综合考虑地形、工期等因素，于DK773+200处设置盾构始发竖井，盾构施工至DK777+068处到达拆卸洞室，洞内拆卸后运至洞外，盾构施工段落长3868m，矿山法施工段落长6148m。藉河河谷段隧道洞身位于弱风化泥岩地层，泥岩上覆地层为第四系黄土、粗圆砾土、细圆砾土等。河谷段隧道拱顶埋深27～40m，拱顶泥岩覆盖厚度7～20m左右。隧道下穿羲皇大道、天北高速段，拱顶埋深30～38m左右；隧道下穿高家湾等村庄段，隧道埋深30m左右；下穿藉河段，隧道埋深30m左右；下穿北山滑坡段，隧道拱顶距离滑面5～20m。
（2）一座双线隧道盾构施工方案
该方案中渭河隧道起讫里程YDK770+028～YDK780+044，全长10016m，两端共1016m为一般双线隧道，洞身9000m段为两座单线隧道或连供隧道，其中藉河河谷段采用两台盾构机施工，其余采用矿山法施工。左右线隧道于ZDK772+800、YDK772+800处分别设置一座盾构始发井，盾构施工至ZDK776+000、YDK776+000处通过竖井吊出，单线盾构施工段落长3200m。该方案中河谷段隧道纵坡设计与一座双线隧道盾构施工方案相当，拱顶埋深27～40m，拱顶泥岩覆盖厚度7～20m左右。隧道下穿羲皇大道、天北高速段，拱顶埋深30～38m左右；隧道下穿高家湾等村庄段，隧道埋深30m左右；下穿藉河段，隧道埋深30m左右；下穿北山滑坡段，隧道拱顶距离滑面5～20m。
2.盾构隧道方案设计
（1）盾构隧道纵坡比选
在盾构施工方案中，考虑到盾构隧道施工与矿山法施工对地层的适应性有所区别，对盾构隧道纵坡适当上抬。盾构隧道全部位于泥岩单一均匀地层时，隧道埋深较大，地质条件较好，地下水较少，盾构施工条件好，但盾构井深达48m，其施工及吊装难度较大；盾构隧道位于浅埋复合地层时，盾构井深度为40m，盾构井较浅，施工及吊装难度相对较小，但盾构施工粉质黏土、粗圆砾土、强风化泥岩等复合地层时，刀具磨损较大，盾构施工难度相对较大，且投资较高。研究按盾构通过泥岩单一均匀地层设计。
（2）盾构机选型
机型选择主要从地层适应性、掌子面稳定、造价等方面对土压平衡盾构、泥水加压式盾构和双护盾TBM进行综合比选。
藉河河谷区泥岩抗压强度为0.5～0.9MPa左右，完整指数0.2～0.6，围岩基本稳定，但由于本段隧道位于藉河河谷区，岩体节理裂隙发育，采用双护盾TBM掘进时，地下水下渗可能导致掌子面坍塌失稳，故采用双护盾TBM施工风险较高。采用盾构施工，可利用盾构机掌子面稳定系统保持掌子面稳定，降低施工风险。以下研究主要从地层适应性、造价等方面进行综合比较。
比较项目 混合式泥水加压平衡式盾构 混合式土压平衡盾构
地层适应性 适合淤泥质粘土、粉土、粉细砂等各类软土地层 需要通过调节添加材料的浓度和用量适应不同地层
刀盘所需扭矩能耗 能耗小 能耗大
刀盘磨损率 较小 较小
开挖面稳定能力 好 较好
施工场地 需泥浆处理场，施工场地较大 施工场地较小
地面沉降控制 压力控制精度高，对地面沉降控制精度高，更适用于大直径的盾构掘进机 压力控制精度相对较低，对地面沉降控制精度相对较低
泥土输送方式 泥水管道输送，可连续输送，输送速度快而均匀；占用隧道空间小 螺旋机出土，土箱运输，输送间断不连续，施工速度较慢，占用隧道空间大
对周围环境影响 泥浆处理设备噪音、振动及碴土运输对环境产生影响较大。水土不易分离，泥浆处理困难 对环境影响较小
设备费用及经济性 施工成本较大，造价高 施工成本较小，造价低
泥水平衡盾构盾构一般适应于渗透性强（K>1×10-4m/s以上，无法采用常规方法施工的软岩隧道）、裂隙发育、开挖面稳定性差、粗细颗粒分布的软岩地层，尤其在砂性土地层易形成泥膜，以防止地下水喷出。因此采用泥水平衡盾构，地表沉降控制好。同时，泥水平衡盾构通过配置适应弱风化泥岩地层的刀盘刀具和其它配套设施，能够完成渭河隧道藉河河谷段的掘进施工。
采用土压平衡盾构，相比较泥水平衡盾构，地表沉降控制效果相对较差，稳定掌子面效果较差，但投资较低，对环境影响较小。
综合考虑盾构选型与地层、水压、地层渗透性、地层中黏粒含量的关系，泥水平衡盾构和土压平衡盾构均能适应本工程。综合考虑施工成本和环境影响，采用土压平衡盾构。
3.方案特点分析
施工安全方面：藉河河谷泥岩地段采用盾构施工，机械化程度高，且管片衬砌及时跟进，施工风险较低。
防水施工可靠性方面：隧道防水以管片自防水为主，管片接缝采用弹性密封垫防水，并对管片背后进行压浆回填，防水可靠性较好。
工期风险方面：一双与两单方案中盾构分别掘进3868m和3200m,采用机械化施工，施工速度较快，且施工安全可靠性高，工期风险较小。
环境影响方面：采用盾构法施工，需设置管片预制及存放等场地，占地面积较大；盾构施工对地表沉降控制好，影响小。
六. 方案比选
本次方案研究主要从施工安全、特殊地层施工组织的灵活方便、防水的可靠性、投资等方面进行综合比较。
矿山法施工方案：投资较省，合理设置辅助坑道后工期风险较小，施工组织灵活方便；在下穿藉河河谷地段，施工安全风险相对较高。
一座双线隧道盾构施工方案：藉河河谷段采用一台盾构机施工，盾构施工长度为3868m。藉河河谷泥岩地段采用盾构施工，技术先进、效率高、质量好，且施工安全性高，但投资较矿山法方案高4.46亿（含摊销）。
二座单线隧道盾构施工方案：藉河河谷段采用两台盾构机施工，单台盾构施工长度为3200m。藉河河谷泥岩地段采用盾构施工，技术先进、效率高、质量好，施工安全性高，但投资较矿山法方案高10.23亿，且线路线形条件差。
综合以上分析，渭河隧道下穿藉河河谷段，矿山法和盾构法施工的方案技术上均可行；矿山法施工方案具有施工组织灵活方便、工期合理、投资较省等优点，下穿藉河河谷地段隧道位于弱风化泥岩地层，在采取可行措施之后风险可控；盾构施工方案技术先进、效率高，但工期无优势，投资较高。综合考虑施工风险、工期、工程投资等因素，渭河隧道研究采用矿山法施工。
七.结语
本文结合宝兰客专渭河隧道施工方案设计，针对复杂条件下隧道施工方案比选的关键问题进行了研究和分析。研究结果表明：
1.在盾构方案设计中, 盾构的选型、盾构对地层的适应性分析等工作对地质等基础资料的要求较之于一般矿山法隧道更为详细多样，对拟采用盾构施工的隧道的地质勘探应较一般隧道更具有针对性。
2.渭河隧道施工方案的选择，鉴于隧道位于市区、隧道纵坡呈“V”字形等特点，综合考虑了施工安全、工期风险、环境影响、经济投资等多种因素。同时由于渭河隧道洞内设置“V”字坡，运营期间渗漏水需机械抽排至洞外，防水可靠亦是隧道运营安全的关键因素之一，在方案研究中对隧道防水可靠性亦进行了比选研究。
3.渭河隧道的主要施工风险在于下穿河谷段，研究采取矿山法施工后，针对隧道下穿滑坡、河流、地表建（构）筑物等复杂地段，采取有效的工程措施，自然成为矿山法隧道设计与施工的重点。
此外，本文的研究内容也可作为其它类似复杂特长隧道工程设计的参考和借鉴。
参考文献
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钱七虎，戎晓力．中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议[J]．岩石力学与工程学报，2008, 4, P650
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作者简介：
孙春华，男， 生于1983年7月，籍贯河南夏邑，2004年毕业于兰州铁道学院隧道工程专业，大学本科，工程师，主要从事隧道工程设计。