引漢濟(jì)渭二期工程南干線1#隧洞施工方案研究

劉 媛

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程是陜西省境內(nèi)大型跨流域調(diào)水工程，主體工程由調(diào)水工程和輸配水工程兩大部分組成，其中，調(diào)水工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水隧洞三大部分組成，輸配水工程由黃池溝配水樞紐、輸水南干線、輸水北干線及相應(yīng)的支線工程組成。

南干線1#隧洞全長(zhǎng)68.70 km，以長(zhǎng)隧洞方式穿越秦嶺北麓中低山區(qū)，自黃池溝配水樞紐無壓流輸水至西安子午水廠。隧洞進(jìn)口位于黑河金盆水庫(kù)右岸黃池溝，自西向東依次經(jīng)過?峪、田峪、甘峪等31條秦嶺北麓南山支流和支溝，出口位于子午鎮(zhèn)東S107國(guó)道北側(cè)。隧洞設(shè)計(jì)流量47 m3/s、30 m3/s，設(shè)計(jì)比降1/2500。南干線1#隧洞是南干線規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜且控制工期的關(guān)鍵性工程。

2 工程地質(zhì)

1#隧洞位于秦嶺中低山區(qū)，上覆圍巖厚度10～633 m，巖性以石英片巖、片麻巖及花崗巖為主，主洞中Ⅱ類圍巖占比11.8%、Ⅲ類圍巖占比38.7%、Ⅳ類圍巖占比35.0%、Ⅴ類圍巖占比10.0%、第四系壤土洞段占比4.5%。沿線地下水位高于洞頂8～270 m。

3 施工方案擬定

巖石隧洞常用的施工方法有鉆爆法和TBM掘進(jìn)法。鉆爆法施工方法靈活，適用性強(qiáng)，但施工工序復(fù)雜、施工速度慢。TBM掘進(jìn)法自動(dòng)化程度高、掘進(jìn)速度快且安全環(huán)保，但受地質(zhì)條件因素影響較大，對(duì)圍巖適應(yīng)性差。

本工程對(duì)1#隧洞采用全線鉆爆法和采用鉆爆法與TBM法聯(lián)合施工兩種方案進(jìn)行了綜合分析比較。

（1）全線鉆爆法施工方案

1#隧洞沿線支溝數(shù)量較多，便于布置施工支洞，根據(jù)施工要求，結(jié)合本工程總體布置、地形特點(diǎn)、區(qū)域生態(tài)及工期要求，沿線共布設(shè)17條施工支洞，總長(zhǎng)16.2 km。隧洞開挖分別從隧洞進(jìn)口、出口及17條施工支洞共36個(gè)作業(yè)面進(jìn)行鉆爆施工，單工作面最大控制長(zhǎng)度2.2 km，最長(zhǎng)通風(fēng)距離3.45 km。1#隧洞全線鉆爆法平面布置圖見圖1。

圖1 南干線1#隧洞全線鉆爆法平面布置圖

鉆爆法施工，隧洞斷面采用圓拱直墻式，成洞尺寸分別為5 m×6.2 m（Q=47 m3/s）和 4.2 m×5.3 m（Q=30 m3/s），C25 現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌，鋼模臺(tái)車澆筑，混凝土采用攪拌車運(yùn)輸，泵送入倉(cāng)，振搗器振搗。

（2）鉆爆法與TBM法聯(lián)合施工方案

TBM法施工具有獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，因此，聯(lián)合施工方案對(duì)隧洞軸線局部進(jìn)行調(diào)整，洞線局部采用直線，調(diào)整后隧洞長(zhǎng)度68.04 km，沿線共布置施工支洞9條，總長(zhǎng)10.8 km，聯(lián)合施工方案平面布置圖見圖2。

圖2 南干線1#隧洞聯(lián)合施工方案平面布置圖

聯(lián)合施工方案共布置2臺(tái)雙護(hù)盾式TBM及1臺(tái)開敞式TBM，隧洞進(jìn)口6.3 km及出口3.97 km，采用鉆爆法施工；隧洞樁號(hào)6+300～40+700段，圍巖以Ⅲ、Ⅳ類微風(fēng)化二云石英片巖為主，采用2臺(tái)雙護(hù)盾式TBM掘進(jìn)機(jī)施工；隧洞樁號(hào)48+700～64+822段，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類微風(fēng)化花崗巖為主，采用1臺(tái)開敞式TBM掘進(jìn)機(jī)施工；隧洞樁號(hào)40+700～48+700段，受f61和f63斷層影響，巖體較破碎，屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖，該段采用鉆爆法施工。鉆爆法施工段長(zhǎng)17.52 km，TBM法掘進(jìn)段長(zhǎng)50.52 km，每臺(tái)掘進(jìn)機(jī)平均施工長(zhǎng)度16.8 km。

聯(lián)合施工法斷面形式采用圓形，其中，雙護(hù)盾式TBM施工段成洞直徑為6.4 m，采用C40預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，管片厚度35 cm；開敞式TBM施工段成洞直徑5.0 m，現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土襯砌，厚度35 cm。

4 施工方案比較

4.1 施工技術(shù)比較

4.1.1 工程質(zhì)量

從開挖角度分析，鉆爆法是靠炸藥的沖擊波對(duì)巖石沖擊、擠壓進(jìn)行破碎的，對(duì)圍巖干擾大，破巖不規(guī)則且超欠挖嚴(yán)重；而TBM施工采用滾刀擠壓、切削巖體，洞壁光滑，一次成洞，超挖量少。

從襯砌質(zhì)量講，TBM雙護(hù)盾洞段采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，管片混凝土質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)、鋼筋制安、管片幾何尺寸等都很好控制，但從國(guó)內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)來看，管片錯(cuò)臺(tái)問題普遍存在，錯(cuò)臺(tái)過大，不但影響洞內(nèi)襯砌外觀，還影響管片間止水效果，更嚴(yán)重的影響工程結(jié)構(gòu)與安全；而鉆爆法施工，襯砌是在現(xiàn)場(chǎng)整體澆筑的，雖施工工序復(fù)雜，但襯砌接縫少，整體性較好，施工質(zhì)量可控性強(qiáng)，如果能控制好每道施工工序，襯砌質(zhì)量易于保證。

4.1.2 施工風(fēng)險(xiǎn)

理論來講，TBM法施工不使用火工材料，對(duì)洞室圍巖擾動(dòng)小，減少了巖爆、冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生。同時(shí)，由于護(hù)盾的保護(hù)和先進(jìn)的處理設(shè)備，使人身安全得以保證，施工設(shè)備和財(cái)產(chǎn)免受損失。

但根據(jù)越嶺隧洞工程實(shí)際，正在施工的秦嶺輸水隧洞嶺北段，巖性主要為角閃石英片巖為主，開敞式TBM施工，目前掘進(jìn)長(zhǎng)度13.4 km，先后發(fā)生4次卡機(jī)及5次大塌方事件；嶺南段以石英巖、花崗巖為主，開敞式TBM施工，目前掘進(jìn)5.86 km，巖石堅(jiān)硬、刀具消耗較大，設(shè)備故障高，巖爆段占掘進(jìn)長(zhǎng)度的1/6，施工中先后發(fā)生了5次較大規(guī)模的涌水，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度。引紅濟(jì)石工程穿越秦嶺五里坡梁與太白盆地南緣山區(qū)的20.05 km輸水隧洞，因地質(zhì)情況極其復(fù)雜多變，TBM先后發(fā)生26次卡機(jī)及7次較大突泥涌水，造成嚴(yán)重的人員及財(cái)產(chǎn)損失。

1#隧洞地層巖性主要為片巖及花崗巖，沿線穿越多條斷層破碎帶及富水區(qū)，鉆爆法施工工作面多，施工靈活，尤其對(duì)不良地質(zhì)洞段，施工應(yīng)急方案可操作性強(qiáng)，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。

4.1.3 施工輔助措施

（1）施工通風(fēng)

本工程中，鉆爆法獨(dú)頭通風(fēng)可達(dá)3～5 km，施工通風(fēng)距離短，通風(fēng)有保障；TBM掘進(jìn)機(jī)本身帶有干式除塵器，輔助有噴霧除塵、水幕降塵，工作面環(huán)境較好。但TBM通風(fēng)距離長(zhǎng)，對(duì)漏風(fēng)率等通風(fēng)參數(shù)的要求高。

（2）出渣運(yùn)輸

鉆爆法方案布置了17條施工支洞作為開挖和襯砌施工的運(yùn)輸通道，聯(lián)合施工方案布置了9條施工支洞。鉆爆法支洞數(shù)量多，單工作面施工距離短，出渣及進(jìn)料運(yùn)輸方便，棄渣距離近，且花崗巖洞段爆破石渣可作為優(yōu)質(zhì)混凝土骨料被重新利用。聯(lián)合施工方案支洞少，節(jié)約輔助設(shè)施費(fèi)用，但受場(chǎng)外地形條件限制，棄渣不能集中堆置，需分散至較遠(yuǎn)渣場(chǎng)堆置，場(chǎng)外棄渣運(yùn)輸距離長(zhǎng)。

4.2 施工工期比較

鉆爆法施工工作面多，施工靈活，尤其是對(duì)于工期緊，施工支洞便于布置的長(zhǎng)隧洞施工過程中，便于全線開工，且對(duì)不良地質(zhì)洞段施工應(yīng)急方案可操作性強(qiáng)，控制工期的風(fēng)險(xiǎn)小。

與鉆爆法相比，TBM法施工最大的優(yōu)點(diǎn)就在掘進(jìn)速度快，連續(xù)作業(yè)設(shè)備利用率高，但設(shè)備制作周期和輔助時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備運(yùn)輸、安裝及拆卸較困難。尤其對(duì)不良地質(zhì)洞段，容易出現(xiàn)坍塌，卡機(jī)等現(xiàn)象而使掘進(jìn)效率降低，工期延長(zhǎng)。

依據(jù)引漢濟(jì)渭工程總體規(guī)劃，為確保調(diào)水工程與配水工程同步建成、同步受益，1#隧洞要求工期為38個(gè)月。TBM法施工，設(shè)備制造、運(yùn)輸、安裝調(diào)試等按14個(gè)月計(jì)算，掘進(jìn)機(jī)施工按平均進(jìn)尺450 m/月計(jì)算，采用3臺(tái)掘進(jìn)機(jī)施工工期為38個(gè)月，總工期需要52個(gè)月，若增加掘進(jìn)機(jī)臺(tái)數(shù)以減少工期，則設(shè)備費(fèi)用增大，支洞數(shù)量增加，總投資太大。鉆爆法按平均進(jìn)尺130 m/月計(jì)算，施工工期為38個(gè)月。所以，從工期要求分析，1#隧洞推薦采用全線鉆爆法施工。

4.3 投資比較

從投資上看，TBM法施工，設(shè)備一次性投入比較大，且TBM是一個(gè)集地質(zhì)、施工、電氣、機(jī)械等于一體的系統(tǒng)工程，屬于知識(shí)密集型生產(chǎn)項(xiàng)目，對(duì)施工隊(duì)伍要求比較高，施工人員工資高，管理費(fèi)用高。就本工程而言，全線鉆爆法工程投資31.96億元，而聯(lián)合法工程投資44.96億元，全線鉆爆法投資較聯(lián)合施工法少近13億元，接近全洞投資1/3。故從投資方面分析，推薦采用全線鉆爆法施工。

4.4 施工環(huán)境影響

鉆爆法施工對(duì)圍巖影響大，安全程度較差，噪音大，粉塵多且施工過程產(chǎn)生的廢氣、廢水較多；施工支洞數(shù)量較多，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，棄渣防護(hù)工程增加，永久占地面積加大；另外，由于鉆爆法參與施工人數(shù)較多，施工區(qū)人為活動(dòng)不可避免的對(duì)生態(tài)環(huán)境影響加劇。

TBM施工機(jī)械化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，施工人員數(shù)量少；掘進(jìn)時(shí)，良好的集塵裝置、供風(fēng)系統(tǒng)以及封閉的操作室，使施工人員有了可靠的作業(yè)環(huán)境和安全保障；施工作業(yè)面集中、支洞數(shù)量少，永久占地面積小，對(duì)生態(tài)環(huán)境和自然景觀影響小。綜上，1#隧洞兩種施工方案綜合比較見表1。

表1 南干線1#隧洞全線鉆爆法與聯(lián)合施工法綜合比較表

4.5 施工方案選取

綜合以上幾點(diǎn)，從施工技術(shù)方面分析，全線鉆爆法施工工作面多，施工靈活，尤其對(duì)不良地質(zhì)洞段，施工應(yīng)急方案可操作性強(qiáng)，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小；現(xiàn)澆式襯砌接縫少，結(jié)構(gòu)整體性好。

從施工工期方面分析，全線鉆爆法施工工期為38個(gè)月，而TBM法施工，因設(shè)備制作周期和輔助時(shí)間長(zhǎng)，施工工期為52個(gè)月，無法滿足1#隧洞工期要求。

從工程投資方面分析，全線鉆爆法工程投資31.96億元，聯(lián)合法工程投資44.96億元，全線鉆爆法投資較聯(lián)合施工法少近13億元，接近全洞投資1/3。

因此，南干線1#隧洞采用全線鉆爆法施工是較優(yōu)的施工方案。

5 結(jié)論

（1）南干線1#隧洞工期緊、洞線長(zhǎng)、埋深大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，不確定因素多，工程難度大。目前，該項(xiàng)目處在可行性研究階段，就已知的工程布置、地質(zhì)條件及工期要求分析，采用全線鉆爆法是較優(yōu)的施工方案。隨著階段的深入和工作的進(jìn)展，揭露的問題會(huì)越來越多，對(duì)1#隧洞的施工方案也將進(jìn)行更深入的研究和探討。

（2）近年來，隨著技術(shù)水平的提高，采用掘進(jìn)機(jī)施工的隧洞工程越來越多，甚至有“長(zhǎng)大隧道開挖，鉆爆法已經(jīng)過時(shí)”結(jié)論。但根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，掘進(jìn)機(jī)遇到不良地質(zhì)段所產(chǎn)生的卡機(jī)、突涌水、巖爆等問題的處理難度及其對(duì)工程產(chǎn)生的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)的鉆爆法施工。因此，對(duì)于深埋超長(zhǎng)隧洞的施工方案，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，結(jié)合施工技術(shù)、工期、投資、環(huán)境影響等進(jìn)行綜合分析論證，選擇合理的施工方案。

[1]韓廣有等.深埋長(zhǎng)大隧洞施工方案分析[J].水利水電技術(shù)，2006（3）:23-25.

[2]劉國(guó)華等.大伙房輸水工程TBM施工方法研究 [J].水利水電，2008，26(3):4.

[3]陜西省引漢濟(jì)渭二期工程可行性研究報(bào)告[R].西安：陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2018.1.