唐上丁

（重慶市觀景口水利開發(fā)有限公司，401336，重慶）

一、工程地質(zhì)概況

觀景口水利樞紐輸水線路位于川東的“平行嶺谷”區(qū)，先后穿越4條大致平行的山體、3條河流和多條沖溝，地形較為復(fù)雜。地貌主要為構(gòu)造剝蝕地貌與巖溶地貌兩種類型。涉及的地質(zhì)構(gòu)造為桃子蕩背斜、洛磧—老君山向斜、明月峽背斜、廣福寺向斜等褶皺以及滴水巖斷層帶。輸水線路經(jīng)過地層由老至新依次為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組、中統(tǒng)雷口坡組、上統(tǒng)須家河組；侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組、中下統(tǒng)自流井組、中統(tǒng)新田溝組、下沙溪廟組、上沙溪廟組、上統(tǒng)遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組以及第四系全新統(tǒng)地層。三疊系下統(tǒng)嘉陵江組、中統(tǒng)雷口坡組為碳酸巖地層，巖性主要為灰?guī)r、白云巖夾巖溶角礫巖和巖溶充填物；三疊系上統(tǒng)須家河組巖性為砂巖夾泥巖；侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組—上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組巖性主要為泥巖夾粉砂巖、砂巖。

三疊系嘉陵江組微新、弱風化灰?guī)r飽和單軸抗壓強度平均值分別為54.42 MPa、44.03 MPa，屬中硬巖類；三疊系須家河組微新砂巖飽和單軸抗壓強度平均值為40.98 MPa，屬中硬巖類；侏羅系微新、弱風化砂巖飽和單軸抗壓強度平均值分別為31.98 MPa、28.26 MPa，分別屬中硬巖、較軟巖類；侏羅系微新—弱風化泥巖、微新—弱風化粉砂質(zhì)泥巖、微新粉砂巖飽和單軸抗壓強度平均值分別為7.37 MPa、5.91 MPa、10.47 MPa、12.97 MPa、8.28 MPa，屬軟巖類。

三疊系嘉陵江組微新灰?guī)r飽和變形模量、彈性模量平均值分別為53.9 GPa、62.8 GPa；三疊系須家河組微新砂巖飽和變形模量、彈性模量平均值分別為15.6 GPa、20.6 GPa；侏羅系微新砂巖飽和變形模量、彈性模量平 均 值 分 別 為8.6 GPa、10.3 GPa；侏羅系微新粉砂巖飽和變形模量、彈性模量平均值分別為3.3 GPa、4.0 GPa；侏羅系微新泥巖、粉砂質(zhì)泥巖飽和變形模量、彈性模量平均值分別為3.9 GPa、4.9 GPa。泥巖自由膨脹率小于1%，參考《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2009)、《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GBJ112—87），其屬于非膨脹巖。

二、施工工法探索分析

1.鉆爆法方案（初步設(shè)計方案）

隧洞采用內(nèi)圓外馬蹄形斷面，凈內(nèi)徑2.65 m，根據(jù)工程的圍巖性質(zhì)、施工及運用條件，隧洞支護設(shè)計采用噴錨支護和現(xiàn)澆混凝土襯砌組合式支護型式。頂拱120°范圍內(nèi)做回填灌漿；襯砌采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土保護層50 mm，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用30 cm襯砌厚度。由于隧洞洞徑較小，施工機械配置受到諸多限制，混凝土襯砌和開挖支護無法平行作業(yè)，只能在開挖支護完成后再施作襯砌，不利于快速施工。為了縮短工期，施工設(shè)計考慮設(shè)置施工支洞和提前開工的方法，設(shè)置施工支洞可多開工作面，提前開工。

鉆爆法施工方案即利用隧洞沿線的自然洞口和布置于適當位置的支洞創(chuàng)造的工作面，將隧洞施工分解成若干個掘進段，長洞短打，部分貫通或全部貫通后進行混凝土襯砌的施工方案。

隧洞施工盡量利用自然洞口施工，1號無壓洞出口防護較為困難，結(jié)合永久檢修洞設(shè)置1號施工支洞，從1號施工支洞向上游施工；2號無壓洞進口防護較為困難，擬從出口向上游施工；3號無壓洞出口為二圣河，防護水位較高，擬在出口結(jié)合永久檢修洞設(shè)置2號施工支洞，分別從進口和出口處2號施工支洞相向施工；在4號無壓洞的中間部位設(shè)置3號施工支洞，從支洞向上游施工，以避開4號無壓洞進口的防護困難，從4號無壓洞出口向上游施工；對于長度較大的5號無壓洞段，設(shè)置一條施工支洞，即4號施工支洞。除4條施工支洞外，輸水線路施工共利用自然洞口7個。經(jīng)過設(shè)計后，主洞工作面最大控制長度為2 373 m，施工支洞總長度約553.83m，斷面型式為馬蹄形，斷面尺寸為2.65 m×3.15 m（寬×高），頂拱角為180°。

經(jīng)過研究和計算，認為輸水隧洞施工對整個工期影響較大。隧洞施工的工期非常緊張，施工面眾多，對施工組織要求極高，容錯率較低；隨著隧洞施工的進行，開挖循環(huán)速度也將降低，工期延誤風險高，一旦出現(xiàn)征地移民滯后問題，工期將會延誤。

2.懸臂掘進機施工方案

懸臂掘進機一般作為煤礦井下巷道采挖的主要設(shè)備，無法直接用于水工隧洞的施工。目前，越來越多的地區(qū)開始限制爆破施工，人力資源也逐漸吃緊，所以有較多的水工隧洞工程采用經(jīng)過改造后的懸臂掘進機進行施工，代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆爆法施工。

懸臂掘進機的施工原理是利用旋轉(zhuǎn)截割頭上的截齒切割巖體將巖石破碎剝離，然后把剝離下來的碎石通過帶有星輪的鏟板運送到皮帶運輸機上。懸臂掘進機的開挖能力主要取決于截割頭的切割功率和定位切割面積。懸臂掘進機種類繁多，市場上使用較多的主要有五種系列：EBZ系列、XTE系列、XTR系列、STR系列、CTR系列。EBZ系列是基于煤礦懸臂掘進機的早期改進型號，其他型號和系列基本都是在其基礎(chǔ)上持續(xù)改進而來，其中，EBZ系列、XTE系列主要適用于中小斷面的隧洞施工，其余系列主要用于較大斷面的隧洞施工。

根據(jù)常見隧道斷面和目前的施工案例，認為選擇懸臂掘進機需有兩個必要條件：一是滿足懸臂掘進機本身通行要求；二是根據(jù)懸臂掘進機定位切割面積參數(shù)并結(jié)合圍巖強度、支護參數(shù)，將隧道斷面分塊開挖，以實現(xiàn)定位切割面積最大化。根據(jù)以往工程案例的總結(jié)可知：

①圍巖強度小于30 MPa時，切割功率在200 kW及以上機型均能滿足要求，工效較高。

②圍巖強度處于30～60 MPa時，切割功率小于260 kW機型的故障率明顯升高，工效明顯降低；此時需選擇260 kW及以上機型。

③圍巖強度處于60～80MPa時，切割功率小于260kW的機型掘進困難；260 kW機型故障率明顯升高，工效很低；此時需選擇300kW及以上機型。

④圍巖強度在80 MPa以上時，懸臂掘進機各機型工效均很低，與其他開挖方式相比處于劣勢，不宜采用懸臂掘進機施工。

觀景口水利樞紐輸水隧洞的圍巖強度為30～60 MPa，由于隧洞斷面較小，所以需著重考慮在保障懸臂掘進機自身通行和施工經(jīng)濟性的前提下進行設(shè)備選型，定位切割面積參數(shù)作為次要因素。綜上，本工程最終選擇EBZ260H型懸臂掘進機作為隧洞施工方案之一。

3.超長距離巖石頂管施工方案

超長距離巖石頂管施工的原理是通過頂管機機頭前方的刀盤旋轉(zhuǎn)破碎巖體，位于始發(fā)工作井處的液壓頂進裝置推動頂管機機頭以及機頭后方的預(yù)制管道向前頂進，掌子面的巖土體在刀盤的旋轉(zhuǎn)和擠壓下被破碎，然后由渣土運輸裝置運出隧洞。在始發(fā)井的液壓頂進裝置頂進到一定距離后就會回縮，空出位置來，然后再在工作井內(nèi)裝入新的管道，再頂進，如此重復(fù)，直到掘進頭和管道到達接收井的位置。頂管設(shè)備主要包括掘進機主體（帶刀盤，具有破碎功能）、后方頂進系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、導(dǎo)向及定位系統(tǒng)、觸變泥漿系統(tǒng)和洞渣處置裝置六大部分。掘進機主體開挖圍巖的原理跟盾構(gòu)機基本一致，都是依靠刀盤上的滾刀、刮刀切削巖土體。與盾構(gòu)機的根本區(qū)別在于頂管機提供推力的液壓頂進裝置被固定于始發(fā)井處，將預(yù)制的管道和頂管機主機同時向前頂進。而盾構(gòu)機的液壓頂進裝置位于盾構(gòu)機主機后部，只會將盾構(gòu)機主機向前頂進，拼裝的預(yù)制管片作為盾構(gòu)機的反力裝置，不會隨主機向前頂進。

超長距離巖石頂管施工過程中，無須人員進入管道進行操作，預(yù)制管道的頂進和隧洞開挖同時進行，隧洞一次成型，無再施作二襯，隧洞施工效率極高、安全性極好、隧洞襯砌質(zhì)量更好。頂管施工對各類巖土層均能適用，并能有效保持挖掘面的穩(wěn)定，控制地表的隆起和沉降。

在本工程中使用超長距離巖石頂管技術(shù)進行隧洞施工，尚屬國內(nèi)水利行業(yè)的首次，無經(jīng)驗可依。為了防止頂管施工過程中出現(xiàn)卡管而無法頂進，同時，為了加快頂管施工速度，提出了具有可拆卸刀盤、可變徑盾體、能夠沿已成隧洞退回始發(fā)井的新型頂管設(shè)備設(shè)計方案。由于部分隧洞位于地下水水位以下，因此選擇泥水平衡式頂管機。最終，選擇德國海瑞克公司為本工程定制的AVN2000型巖石頂管機，該型頂管機最大開挖巖石單軸抗壓強度達90 MPa，最大頂力達21 000 kN。

三、實際施工工效分析

1.懸臂掘進機施工工效分析

根據(jù)施工條件，選擇1號無壓隧洞作為懸臂掘進機施工的試驗探索段，施工方向由1號無壓隧洞進口向出口方向進行，計劃施工距離為1337m，命名為1-1號隧洞，隧洞各段地質(zhì)條件：

隧洞進口作為起點，0～650 m段，隧洞埋深14～102 m，位于地下水水位以下。圍巖分類以Ⅳ類為主，局部地段為Ⅲ類，約占15%，進口段15 m為Ⅴ類。無不良地質(zhì)現(xiàn)象。

隧洞650～1 540 m段，該段隧洞埋深85～235 m，洞室圍巖巖層走向與洞軸線近于垂直，位于地下水水位以下。圍巖以Ⅲ類為主，Ⅳ類約占15%。無不良地質(zhì)現(xiàn)象。

懸臂掘進機施工中，在隧洞0～800 m段施工效率高，故障率低，最高日進尺達18 m，最高月進尺達168 m，平均月進尺為138 m。但是在隧洞800 m段之后，圍巖強度提高，其單軸飽和抗壓強度達到了60 MPa左右，圍巖以Ⅲ類為主，懸臂掘進機故障率明顯提高，截齒損耗加大，工效顯著降低，平均月進尺驟降為66.9 m。最終由于隧洞圍巖強度一直較高，巖體完整性較好，懸臂掘進機工效過低，在1-1號隧洞施工到1 189 m處換用鉆爆法進行施工?？傮w來說，懸臂掘進機施工在圍巖強度低、巖體完整性差的情況下，施工效率略高于鉆爆法，但是在圍巖強度高、巖體完整性好的情況下，其施工效率顯著降低，與鉆爆法相比處于劣勢。

2.超長距離巖石頂管施工工效分析

選擇2號無壓隧洞作為頂管施工的試驗探索段，工程地質(zhì)條件如下：

隧洞進口為起點，0～200 m段，隧洞埋深14～54 m，洞室位于地下水水位以下，巖體完整性差，圍巖分類為Ⅴ類，可能會出現(xiàn)巖溶塌陷、突水、涌泥、涌水等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

隧洞200～809 m段，隧洞埋深50～120 m，洞室位于地下水水位以下，圍巖以Ⅲ類為主，Ⅳ類約占20%。

隧洞809 m至出口段，隧洞埋深10～50 m，洞室位于地下水水位附近，圍巖以Ⅴ類為主，Ⅳ類約占30%。

超長距離頂管施工在實際施工過程中施工效率極高，最高日進尺達22.5 m，月進尺達398 m，而且隧洞一次成型無須再花時間施作襯砌。雖然在掘進到549 m處發(fā)生了卡管事故，但是通過對本次卡管事故的研究，揭示了卡管機理，形成了卡管脫困技術(shù)，為后期頂管技術(shù)的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗。處理卡管事故共用時133 d，將處理卡管事故的時間計算在內(nèi)，采用超長距離頂管施工技術(shù)貫通2號無壓隧洞的時間共計358 d，平均月進尺105.5 m，隧洞一次成型無須施作襯砌，與鉆爆法相比有顯著優(yōu)勢。

同時，本工程采用的是新型具有可回退功能的頂管機，即使遭遇無法應(yīng)對的頂管機機頭卡死事故，也能夠?qū)㈨敼軝C沿已成隧洞回退至始發(fā)井吊出，然后再采用相應(yīng)的處理辦法繼續(xù)進行隧洞施工。

3.鉆爆法施工工效分析

在1-1號隧洞放棄使用懸臂掘進機后，采用了鉆爆法施工，其平均月進尺為78.7 m，施工效率高于懸臂掘進機。在初步設(shè)計中，月進尺按118.0 m作為工期計算的依據(jù)，本次鉆爆法施工由于隧洞較深，出渣路徑較長，所以實際月進尺偏低。綜上所述，按照鉆爆法施工實際上難以達到初步設(shè)計的效率，超工期風險高。

四、結(jié) 論

通過對鉆爆法、懸臂掘進機法、超長距離頂管法的工程實踐得出以下結(jié)論：

①懸臂掘進機法的工效對隧洞圍巖強度和圍巖完整性較為敏感，隨著圍巖強度和圍巖完整性的提高，懸臂掘進機法的工效會顯著降低。在小斷面隧洞施工中，由于斷面較小，圍巖完整性對施工的影響減弱，應(yīng)著重考慮圍巖強度的影響。同時，懸臂掘進機法即使在較高工效的情況下，施工速度也僅是鉆爆法的約1.5倍，且適應(yīng)性要弱于鉆爆法。

②超長距離頂管法的工效極高，其掘進速度約為鉆爆法的2倍，而且無須再施作二襯，大大縮短了工期。不良地質(zhì)條件引起的卡管事故是其最大的風險，但是通過本工程的實踐，形成了成套的卡管預(yù)防和卡管脫困技術(shù)，降低了風險。在小斷面隧洞施工中，斷面較小，洞室穩(wěn)定性較好，卡管風險相對較小，開挖和二襯施作無法同步進行，因此，超長距離頂管法的優(yōu)勢更加顯著。

綜上所述，在小斷面隧洞施工中，與鉆爆法相比，懸臂掘進機法工效并不顯著，且適應(yīng)性較差，不建議優(yōu)先選用；超長距離頂管法工效高，適應(yīng)性好，安全風險低，對環(huán)境影響小，值得推廣應(yīng)用。