東山供水工程9號隧洞施工方案比選

閆海雷

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

東山供水工程是山西省一項重要的引調(diào)水工程，是山西省大水網(wǎng)規(guī)劃體系中的重要組成部分。

工程輸水管（洞）線路總長253.98 km，其中壓力管線長183.73 km、洞穿管長3.01 km、箱涵1.25 km。隧洞總長65.99 km，共14條。除2號、9號、關(guān)河支洞、二期隧洞為圓形外其余均為城門洞型。圓形洞徑D為2.6～5.6 m間，城門洞型B為1.5～3.2 m間，H為1.8～4.5 m間。較長的隧洞為1號隧洞，長23.99 km，9號隧洞22.64 km。

根據(jù)現(xiàn)場勘查資料，除9號隧洞施工條件復(fù)雜外，其他隧洞均采用鉆爆法施工。本文針對9號隧洞從鉆爆法及隧洞掘進(jìn)機（TBM）法進(jìn)行比較分析。

2 隧洞設(shè)計簡要說明

9號隧洞進(jìn)口位于武鄉(xiāng)縣石盤鄉(xiāng)石塔莊村東約500 m處，出口位于祁縣來遠(yuǎn)鄉(xiāng)衛(wèi)生院西約500 m處，隧洞全長22.61 km，其中石塔莊—牛家嘴為土洞段，長2.30 km，牛家嘴—來遠(yuǎn)為巖石洞段，長20.31 km。鉆爆法設(shè)計斷面為城門洞型，斷面尺寸2.6 m×3.1 m，具體尺寸見圖1；隧洞掘進(jìn)機（TBM）設(shè)計斷面為圓型，斷面直徑3.0 m，具體尺寸見圖2。

圖1 鉆爆法施工隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（Ⅳ類圍巖）

圖2 TBM施工隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

3 隧洞工程地質(zhì)

9號隧洞進(jìn)口2.30 km的土洞段（石塔莊—牛家嘴），洞頂以上土層厚0～80 m，洞身巖性為含砂低液限黏土，地下水高于洞頂12～32 m，滲透性等級為弱透水性，圍巖類別為Ⅴ類。

9號隧洞20.31 km長巖石洞段（牛家嘴—來遠(yuǎn)），巖石洞段除來遠(yuǎn)附近外，埋深一般在200～600 m，多為深埋長隧洞。其中樁號9+253～22+466段，洞身段巖性主要為三疊系中統(tǒng)二馬營組紫紅色厚層狀泥巖、灰綠色厚層狀長石砂巖。樁號22+466～29+691.41段，洞身段巖性主要為三疊系下統(tǒng)和尚溝組（T1h）磚紅—紫紅色厚層砂質(zhì)泥巖夾中薄層砂巖。

沿線總體為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀為N40～55OE/NW∠8～12°，局部產(chǎn)生變化，沿線斷層及褶皺較發(fā)育，褶皺主要為走向NNE向的寬緩背斜和向斜，沿線斷層較發(fā)育，間距50～2000 m，沿線斷層共計18條。影響帶寬除與斷層規(guī)模有關(guān)外，還主要與斷層上下盤巖性有關(guān)，據(jù)野外觀察，斷層上下盤均為砂巖處，影響破碎帶較寬，一般30～100 m，斷層上下盤均為泥巖處，影響帶較窄，一般15～50 m。

巖層一般較平緩，局部變陡。沿線巖體主要發(fā)育三組節(jié)理裂隙：N70～80OE/SE∠70～85O，N0～10OW／SW或 NE∠75～85O，N70～85OW/SW∠65～85。

區(qū)域地下水位埋深一般30～100m，地下水位高于洞頂10～510 m，洞身處受外水壓力較大。沿線地下水主要為三疊系砂巖裂隙水、斷層破碎帶帶狀孔隙水。砂巖為含水層，泥巖為相對隔水層。砂巖和泥巖相間，使砂巖各含水層間垂向水力聯(lián)系微弱，常具多層水位，其順層方向滲透性遠(yuǎn)大于垂向方向滲透性。推測砂巖隧洞段地下水狀態(tài)多表現(xiàn)為滴水或線狀流水；泥巖隧洞段多表現(xiàn)為滲水、滴水或局部線狀流水；過斷層破碎影響帶段隧洞，地下水狀態(tài)表現(xiàn)為線狀流水或涌水。9號隧洞總涌水量為63542.9 m3/d，單位長度涌水量為0.3～28.6 m3/d.m。

隧洞圍巖：砂巖飽和單軸抗壓強度34.6～74.5 MPa，平均值51.4 MPa，飽和彈性模量（0.43～4.17）×104MPa，泊松比 0.21～0.31。泥巖飽和抗壓強度10.3～35.7 MPa，平均值26.1 MPa，飽和彈性模量（0.60～0.74）×104MPa，泊松比 0.21～0.26，砂巖為中硬巖，泥巖為較軟巖。

隧洞進(jìn)出口段、過斷層破碎影響帶段、以及巨厚層軟巖段圍巖類別為Ⅴ類，巨厚層砂巖段圍巖類別為Ⅲ類，砂巖與泥巖互層段圍巖類別為Ⅳ類。巖石洞段Ⅲ類圍巖占28.83%（長5.82 km），建議圍巖巖體單位彈性抗力系數(shù)k0=（80～120）×104kN/m3，堅固系數(shù) 2～4；Ⅳ類圍巖占 34.78%（長 7.02 km），建議圍巖巖體單位彈性抗力系數(shù)k0=（20～40）×104kN/m3，堅固系數(shù)1～3；Ⅴ類圍巖36.39%（長7.34 km），建議圍巖巖體單位彈性抗力系數(shù) k0=（10～15）×104kN/m3，堅固系數(shù) 1～3。

4 鉆爆法施工方案

鉆爆法施工技術(shù)成熟、比較靈活機動，可以很快地開始開挖施工；既可以采用比較簡單便宜的施工設(shè)備，也可以采用先進(jìn)、高效的施工設(shè)備；可以適應(yīng)堅硬完整的圍巖，也可以適應(yīng)較為軟弱破碎的圍巖。

鉆爆法施工時，采用長洞短打的方案，9號隧洞前半洞段施工支洞布置困難，施工支洞較長，且施工支洞全部為斜井，出渣、通風(fēng)等施工條件較困難；由于支洞都位于荒無人煙的山溝內(nèi)，沒有施工道路，需修建較長的施工道路并架設(shè)較長的高壓輸電線路來滿足施工的需要；斜井為高揚程排水，排水困難。另外，9號隧洞穿越祁縣四縣垴省級自然保護(hù)區(qū)的實驗區(qū)，支洞的布置要避開自然保護(hù)區(qū)的實驗區(qū)，支洞的布置受到限制，布置尤為困難。

9號隧洞洞身段為深埋隧洞，覆蓋層200～600 m，支洞條件相對較差。本方案沿線共布置8條施工支洞（均為斜井，傾角為8～26O），總長6.199 km，支洞一個工作面控制長度為2.5～3.0 km（含施工支洞），其中9-3號支洞及9-5號支洞長度分別達(dá)1.17 km和1.275 km。支洞設(shè)計采用雙軌斷面設(shè)計，斷面型式為城門洞，斷面尺寸3.65 m×3 m。工程需新建施工道路7.8 km，改修道路4.8 km；新架高壓線62 km，設(shè)置變壓器10臺。

鉆爆法施工的控制工期段9-5號支洞，支洞長1.275 km，一個工作面控制主洞開挖長度為1.5 km左右。工程施工準(zhǔn)備期2個月；參照類似工程的施工進(jìn)尺，施工支洞的綜合進(jìn)尺按照50 m/月考慮，需要施工期26個月；主洞綜合進(jìn)尺按照90 m/月考慮，需要施工期17個月，工程總工期45個月，約3.8年。

鉆爆法工程總投資37270萬元，其中建筑工程投資24145萬元，占總投資的65%，施工臨時工程13125萬元，占總投資的35%。

5 隧洞掘進(jìn)機（TBM）施工方案

TBM施工技術(shù)近年來在長隧洞施工中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是山西省萬家寨引黃工程已大量采用TBM施工，目前已完成施工有山西省萬家寨引黃工程南干線4號、5號、6號、7號隧洞（長約86.77 km）、總干線6號、7號、8號隧洞（長約21.6km）、聯(lián)接段7號隧洞（長約13 km）及北干線1號隧洞（長約25 km），在此施工中積累了豐富的施工經(jīng)驗。采用TBM施工，具有作業(yè)人員少，掘進(jìn)速度快，成洞質(zhì)量好，施工安全等許多優(yōu)點。

TBM從9號隧洞出口進(jìn)洞，其位于祁縣來遠(yuǎn)鄉(xiāng)衛(wèi)生院西約500 m處，場地開闊，有良好的TBM組裝場地，出口段隧洞圍巖條件較好，有良好的進(jìn)洞條件，由于TBM從下游向上游掘進(jìn)，隧洞內(nèi)地下水可自流出洞，排水條件較好，隧洞通過的地層巖性主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖，砂巖飽和單軸抗壓強度34.6～74.5 MPa，泥巖飽和抗壓強度10.3～35.7 MPa，比較適合采用TBM施工；在通過巖層厚度較薄和強風(fēng)化巖層時，TBM掘進(jìn)對圍巖擾動小，施工安全性較好；采用TBM施工，施工環(huán)境較好。

由于隧洞通過部分高外水洞段，特別是圍巖條件較差的高外水洞段，可能需要采取預(yù)注灌漿措施，而TBM洞內(nèi)預(yù)注灌漿對施工進(jìn)度影響較大。另外，隧洞穿過斷層較多，TBM施工存在一定的風(fēng)險，但根據(jù)山西省萬家寨引黃工程北干線及南干線的施工經(jīng)驗，通過一定的措施也可以保證TBM施工。

該方案巖石洞段采用TBM施工，土洞段采用鉆爆法施工?？紤]到洞內(nèi)排水采用自流，TBM從隧洞出口進(jìn)洞，在隧洞進(jìn)口段與鉆爆法施工洞段相接處解體出洞。鉆爆法控制的土洞段長度為2.30 km，TBM施工控制的洞段長度為20.34 km。由于TBM掘進(jìn)長度較大，如不檢修機器的關(guān)鍵部件有可能影響施工進(jìn)度甚至造成難以處理的事故，參考國內(nèi)同類工程的經(jīng)驗，在TBM掘進(jìn)洞段的中部布置一檢修洞室（TBM大致掘進(jìn)10 km左右處，檢修洞室寬7.8 m、高11.4 m、長25 m），供TBM中間檢修使用。檢修洞室處布置長1 km左右的檢修支洞（檢修支洞斷面同鉆爆法支洞斷面）與檢修洞室連通。同時在隧洞進(jìn)口巖石洞段設(shè)置一拆卸洞室（寬6.4 m，高7.2 m，長25 m）供TBM掘進(jìn)完成后拆卸出洞使用，TBM在拆卸洞室拆除后沿隧洞出口處出洞。工程需新修施工道路1.5 km；架設(shè)高壓輸電線路15 km，施工變壓器3臺（含進(jìn)、出口）。

9號隧洞全長22.64 km，TBM掘進(jìn)段長20.17 km，綜合考慮從TBM生產(chǎn)、運輸?shù)桨惭b進(jìn)洞及預(yù)制管片建廠需要周期14個月；主洞掘進(jìn)參照《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》（SL378-2007）及山西省萬家寨引黃工程的掘進(jìn)強度，按月進(jìn)尺800 m考慮，需26個月；TBM拆卸2個月。因此，工程施工總工期42個月，約3.5年。在TBM掘進(jìn)期間（含TBM制造、運輸、安裝），可同時完成進(jìn)口段土洞段的施工（約需2年）及檢修支洞及檢修洞室施工（約需2年）。

9號隧洞巖石主要為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，Ⅲ類圍巖占28.83%，Ⅳ類圍巖占34.78%，Ⅴ類圍巖36.39%。適宜采用雙護(hù)盾的TBM。

TBM施工總投資41668萬元，其中建筑工程投資28856萬元，占總投資的69%，設(shè)備購置費8200萬元，占總投資的20%，施工臨時工程4611萬元，占總投資的11%。

6 方案比選

通過以上比較，從表1可知兩方案總投資相差4388萬元，TBM比鉆爆法工期少3個月，鉆爆法施工支洞較長，且施工支洞全部為斜井，出渣、通風(fēng)、排水等施工條件較困難。TBM施工目前在國內(nèi)應(yīng)用較多，省內(nèi)也有一定的施工經(jīng)驗，施工速度快，也是長隧洞開挖的發(fā)展趨勢。綜合考慮以上因素，推薦9號洞施工采用TBM的施工。具體比較見表1。

表1 9號隧洞施工方案對比表

7 隧洞掘進(jìn)機（TBM）初步選型

TBM主要有開敞式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式三種形式。

開敞式掘進(jìn)機主要適用于巖石整體較完整，有較好自穩(wěn)性的中硬巖地層(50～350 MPa)。當(dāng)采取有效支護(hù)手段后，也可適用于軟巖隧洞。根據(jù)目前地質(zhì)資料，不適宜用開敞式掘進(jìn)機。

雙護(hù)盾式掘進(jìn)機具有兩種掘進(jìn)模式，能有效地切削單軸抗壓強度5～250 MPa的巖石(30～120 MPa最為理想)，本工程9號隧洞砂巖飽和單軸抗壓強度34.6～74.5MPa，泥巖飽和抗壓強度 10.3～35.7 MPa。

單護(hù)盾式掘進(jìn)機適用于軟巖 (巖石單軸抗壓強度小于50 MPa)隧洞的掘進(jìn)，目前國內(nèi)尚未采用。

通過以上分析比較，9號隧洞巖石主要為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，適宜采用雙護(hù)盾的TBM。

8 隧洞掘進(jìn)機（TBM）施工

8.1 掘進(jìn)機及安裝場

采用直徑為3.70 m雙護(hù)盾TBM施工，TBM必須裝備超前預(yù)注漿設(shè)備，以便在穿越斷層破碎帶時，作超前預(yù)注漿堵水、加固圍巖。

TBM自9號隧洞出口進(jìn)洞自下游向上游掘進(jìn)，在TBM掘進(jìn)中間位置布置一檢修洞室（檢修洞室寬7.8 m、高11.4 m、長25 m），供TBM中間檢修使用，檢修后繼續(xù)向上游掘進(jìn)，并于拆卸洞室完成TBM拆卸。

8.2 出渣

平洞采用有軌運輸，TBM后配套將棄渣裝入4 m3出渣車，出渣車由電瓶機車牽引，運至洞外卸渣平臺，再倒入自卸汽車運至棄渣場。棄渣場應(yīng)作防護(hù)措施。

8.3 支護(hù)

隧洞永久支護(hù)為混凝土預(yù)制管片襯砌，管片與洞壁之間回填豆礫石并灌漿處理。管片、豆礫石、灌漿材料等施工材料裝在專用車上，組成列車由內(nèi)燃機車牽引至后配套，管片安裝利用機械手進(jìn)行，豆礫石緊隨開挖工作面，回填灌漿同步進(jìn)行。以上設(shè)備和作業(yè)在TBM后配套平臺上進(jìn)行。

8.4 特殊地質(zhì)洞段的施工

TBM在9號隧洞施工中穿過斷層，施工受到影響，施工過程中需要注意的問題和采取措施如下：一、在遇到有外水洞段，采取在灌漿中加速凝劑、多次重復(fù)灌漿的方法解決；二、在遇到斷層時：①進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，準(zhǔn)確預(yù)測前方破碎帶的情況以便采取相應(yīng)的措施。同時充分利用巖渣信息、超前鉆探情況等綜合判斷前方的地質(zhì)情況。②工程技術(shù)人員要充分認(rèn)識TBM施工開挖、支護(hù)的主要特點。掘進(jìn)時,應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件合理選用TBM掘進(jìn)參數(shù)。③配備一套完備的超前加固及易于操作的手噴混凝土系統(tǒng)，對前方不良地質(zhì)進(jìn)行預(yù)加固處理和及時封閉圍巖以控制變形、控制坍塌擴(kuò)延。④采用合理的支護(hù)措施，提高通過不良地質(zhì)地段時的支護(hù)速度。如對于局部坍塌地段可采用自加工鋼支撐（格柵、槽鋼拱架、加強格柵拱架等）代替鋼拱架,既可提高支護(hù)速度，又可節(jié)省材料。另外，還要作好各種準(zhǔn)備工作,如各種材料、設(shè)備的準(zhǔn)備工作以及人員培訓(xùn)工作等，保證掘進(jìn)、支護(hù)等工作的快速高質(zhì)量完成，使TBM順利通過斷層破碎帶。

9 備用方案

由于9號隧洞穿過多條斷層破碎帶，埋深都在400 m以上，山高嶺峻，交通不便，加之前期工作時間較緊，詳細(xì)查明隧洞地質(zhì)情況比較困難。在工程開工后可利用TBM訂貨期間（約14個月）先從隧洞出口及出口上游約2 km處開挖一條施工支洞采用鉆爆法施工的方案，該方案有以下作用：

①利用TBM訂貨期（約14個月）進(jìn)行鉆爆法施工，可適當(dāng)縮短工期。

②通過鉆爆法施工三個工作面，施工長度約3.0 km，可穿過F24和F21斷層，有助于查明斷層情況及隧洞整體地質(zhì)情況，為TBM的順利掘進(jìn)提供可靠資料。

10 結(jié)束語

通過本次對9號隧洞施工方案的比選，從施工的不同角度分析，合理地確定了隧洞的施工方法及TBM的選型，并結(jié)合工程的實際情況及TBM的生產(chǎn)時間，提出了備用方案，為工程的順利實施，提供了重要的依據(jù)。