周凤才，朱海亚，史福全

（1.南水北调东线穿黄工程北区建管局，山东聊城 252000；2.中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都 610066）

1 工程概况

南水北调东线穿黄隧洞工程属国家重点工程，位于山东省东阿县位山村和东平县解山村之间。隧洞上方筑有黄河大堤，洞顶距黄河水面约70 m，在桩号6+750部位发育有F5断层，直通黄河底部，该部位岩层厚度为38.53 m，仅为开挖洞径4倍左右。隧洞穿越岩层构造发育，共有断层13条，产状多为北东走向，陡倾角，宽度在0.5～3.0 m之间，均通向黄河底部。围岩以Ⅳ类围岩为主，围岩破碎、节理裂隙发育，探洞开挖期间发生过大量渗水、涌水，水量达到200 m3/h。隧洞按100 m3/s进行设计，为有压圆形隧洞，开挖洞径8.9～9.5 m，洞长585.38 m。隧洞包括南岸竖井、过河平洞、北岸斜井及进、出口埋管，其中竖井段实长82.25 m、平洞段实长307.17 m、斜井段实长166.03 m（角度20°）。

2 方案简述

穿黄隧洞工程埋深浅、地质条件复杂、斜洞段工程坡度20°，并位于黄河大堤底下，因此面临如何确保开挖施工安全、施工中钻机平台设计及出渣方式三大难题。经过反复论证，中国水利水电第五工程局有限公司提出采取车载自制钻机平台钻孔分上、下层错台阶两次开挖成型的施工方法，如图1所示。出渣方式采用JTK1.8×1.6矿用绞车+平板台车+自卸汽车出渣。

3 钻机平台设计

结合隧洞开挖断面及爆破开挖施工方法，钻机平台设计构成斜洞段工程的施工难点。经综合考虑，按照开挖断面结构尺寸自制伸缩型车载钻机平台两层，利用出渣系统行走进行斜洞段工程爆破孔钻孔施工，底部垫渣50～100 cm便于平板台车行走。待到平洞后将钻机平台加高一层，直接利用汽车在平洞内行走进行钻孔施工。如图2所示。

4 炮孔布置及爆破参数选择

4.1 炮孔布置

结合穿黄隧洞工程实际情况，炮孔布置如图3所示。

4.2 爆破参数选择

4.2.1 上台阶开挖

（1）炮孔直径：d＝42 mm。

（2）炮孔深度：L＝1.65 m。

（3）炮孔数目：N＝84。

（4）单位炸药消耗量：q＝14/30.46+0.8＝1.26 kg/m3。

（5）每循环炸药总量：Q＝qSLη，η为炮孔利用率，一般为0.8～0.95,本设计取0.9。Q＝qSLη＝56.99 kg。

4.2.2 下台阶开挖

（1）炮孔直径：d＝42 mm。

（2）炮孔深度：L＝1.65 m。

（3）炮孔数目：N＝71。

（4）单位炸药消耗量：q＝14/32.58+0.8＝1.23 kg/m3。

（5）每循环炸药总量：Q＝qSLη，η为炮孔利用率，一般为0.8～0.95,本设计取0.9。Q＝qSLη＝59.51 kg。

4.2.3 周边爆破孔药量计算

（1）最小抵抗线：W＝7～20 d，炮孔直径42 mm。本工程最小抵抗线取70 cm。

（2）炮孔间距：a＝（0.6～0.8）W，本工程炮孔间距取50 cm。

（3）根据“4.2.1上台阶开挖”及“4.2.2下台阶开挖”爆破药量计算得知，上台阶爆破单位炸药消耗量1.26 kg/m3和下台阶单位炸药消耗量1.23 kg/m3。

（4）周边孔平均炸药用量：上台阶：qp＝awlp(0.5～0.9)q＝0.36～0.65 kg，本工程取0.45kg。下台阶：qp＝awlp（0.5～0.9）q＝0.36～0.64 kg，本工程取0.50 kg。

4.2.4 辅助孔平均炸药用量

（1）底板孔。上台阶底板孔设计14个，底板孔炸药量：qf＝（1.1～1.2）Q/N。本工程设计取0.75kg/孔。下台阶无底板孔。

（2）辅助孔。辅助孔平均药量qn＝〔Q-（qcutNcut+ qpNp+qfNf)〕/〔N-（Ncut+Np+Nf）〕。上台阶辅助孔平均药量：qn＝0.98 kg，下台阶辅助孔平均药量：qn＝1.14 kg。

（3）崩落孔。崩落孔装药量按炮孔装药系数η＝0.7～0.75计算。故崩落孔上台阶药量 0.68～0.74 kg，本工程取0.70 kg；下台阶药量0.78～0.86 kg，本工程取0.80 kg。

5 出渣系统设计

结合穿黄隧洞施工特点，综合考虑既适用斜洞段工程也适用平洞段工程出渣，经过反复研究采取JTK1.8×1.6型15 t矿用绞车+平板台车+自卸汽车出渣，利用挖掘机装渣的方式进行装渣，如图4所示。待开挖渣料运出洞外后，直接运至弃料场，既可避免2次倒运，节约成本，同时提高了出渣效率。

6 开挖效果分析

（1）结合大堤观测单位对黄河大堤进行爆破震动观测试验数据分析如下：质点振动速度未超过1 cm/s。实测的振动波形具有典型的爆破震动特性，波幅衰减较快，振动持续时间较短，一般为0.5 s左右。其中，施工区靠近振源40 m处振动速度相对较大，水平向和竖直向最大值达到3.6 cm/s左右，但未超过安全震速，说明为有效减小爆破震动，可确保黄河大堤安全。

（2）对多点位移、收敛变形及锚杆应力观测数据采集与分析如下：位移最大变化为0.093 mm，收敛变形最大为0.314 mm，锚杆应力最大变化为4.961 MPa，均在合理的变化范围内，说明确保了隧洞本身的安全。

（3）对爆破后块石粒径、爆后堆渣、爆破面平整度、预裂孔残留半孔等分析如下：爆破后块石粒径适中，爆堆均匀。边坡预裂面平整度经现场测量均在± 15 cm之内，半孔率达85%以上，残留预裂孔分布均匀，孔壁无明显的爆震裂隙；底部没有难以挖掘的残留岩埂，说明爆破效果良好。

（4）对效率分析如下：采用车载钻机平台节省了钻机平台搭设时间，主要靠矿用绞车或自卸汽车自身行走，节约时间约2～3 h。同时，采取上述出渣方式避免了洞外2次倒运时间，相比较而言节约1～2 h。共计效率可提高3～5 h。

7 结语

通过文中开挖施工技术在南水北调东线穿黄隧洞工程中的应用，不仅可确保黄河大堤、隧洞本身的安全，同时确保了开挖效果，提高了开挖效率，为穿黄隧洞施工创造了安全与社会效益，也为穿黄隧洞的顺利贯通提供了坚实的基础，同时可在以后类似工程中推广应用。