新疆某水電站長(zhǎng)隧洞施工方法比較

吳 均

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

工程施工

新疆某水電站長(zhǎng)隧洞施工方法比較

吳 均

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

依據(jù)新疆某水電站長(zhǎng)隧洞地形、地質(zhì)及水文條件等，從施工方法特點(diǎn)、工程混凝土骨料來源及洞身不良地質(zhì)段施工措施等方面對(duì)長(zhǎng)隧洞采用鉆爆法和TBM掘進(jìn)法施工方案進(jìn)行了對(duì)比，推薦采用鉆爆法施工。

長(zhǎng)隧洞；施工方法；鉆爆法；TBM掘進(jìn)法

1 工程概況

新疆某水電站工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪洞、發(fā)電洞及廠房等主要建筑物組成，最大壩高31.5m，總庫容50萬m3，裝機(jī)容量190MW，保證出力8.55MW，多年平均發(fā)電量5.839億kW·h，為Ⅲ等中型工程。該電站引水系統(tǒng)總長(zhǎng)19km，其中低壓引水隧洞長(zhǎng)18.3km，發(fā)電額定水頭196.5m，設(shè)計(jì)引用流量109.4m3/s，襯砌后洞徑D為6.7m，圓形斷面，采用一洞四機(jī)聯(lián)合供水方式。低壓引水隧洞末端設(shè)置上游調(diào)壓室，調(diào)壓井后連接高壓管道，后經(jīng)分岔為4根支管進(jìn)入廠房，尾水經(jīng)尾水渠泄入原河道。

2 發(fā)電洞布置

鉆爆法和TBM法是目前長(zhǎng)隧洞施工中普遍采用的施工方法，在道路、水利、電力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本工程長(zhǎng)發(fā)電洞施工方法初步選擇鉆爆法和TBM掘進(jìn)法兩種方法［1-2］。

2.1 鉆爆法發(fā)電洞布置

根據(jù)鉆爆法施工特點(diǎn)，為便于布置施工支洞及縮短施工支洞長(zhǎng)度，在滿足洞頂及側(cè)向圍巖覆蓋厚度的前提下，發(fā)電洞線布置時(shí)盡量沿著河道布置。全洞線共布設(shè)8條施工支洞，5個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，轉(zhuǎn)彎半徑50m。

2.2 TBM掘進(jìn)法發(fā)電洞布置

根據(jù)TBM掘進(jìn)法施工特點(diǎn)［3］，TBM施工時(shí)洞線盡量布置成直線，利于掘進(jìn)機(jī)施工，縮短發(fā)電洞洞線長(zhǎng)度，減少轉(zhuǎn)彎個(gè)數(shù)。依據(jù)地形、地質(zhì)條件，在TBM掘進(jìn)施工段布設(shè)2條施工支洞，其中掘進(jìn)機(jī)由T2#支洞進(jìn)洞，由T1#支洞拆卸出洞。

TBM掘進(jìn)法除在樁號(hào)Z0+654.855～Z17+144.728之間洞線布置和鉆爆法不同外，其余段兩種方法洞線重合（鉆爆法簡(jiǎn)寫為字母Z，TBM掘進(jìn)法簡(jiǎn)寫為字母T），TBM掘進(jìn)法除在T1#支洞和T2#支洞之間洞身采用TBM掘進(jìn)施工外，其余洞身段施工方法均采用鉆爆法施工。兩種施工方法對(duì)應(yīng)的洞線平面布置如圖1。

圖1 發(fā)電洞洞線布置平面圖

3 發(fā)電引水隧洞地質(zhì)條件

兩種施工方法發(fā)電洞沿線的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等基本相同。隧洞沿線出露地層巖性有：碎?；谠颇钢屑?xì)粒花崗閃長(zhǎng)巖、中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、碎粒化似斑狀二長(zhǎng)花崗巖；變?；◢忛W長(zhǎng)巖；弱蝕變不等粒二長(zhǎng)花崗巖，灰白—淡紅色似斑狀黑云母花崗巖，蝕變碎裂黑云母石英閃長(zhǎng)玢巖、蝕變碎裂中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、含石榴石黑云母斜長(zhǎng)片麻巖等。

發(fā)電洞沿線地質(zhì)條件較復(fù)雜，有大型沖溝20余條，較大斷層30組，其中F20喀拉溫古泉斷裂為活動(dòng)斷裂。

TBM掘進(jìn)施工段發(fā)電洞洞線埋深為300～600m，在局部埋深較大處可能存在巖爆。隧洞Ⅱ類圍巖約占隧洞總長(zhǎng)21%，堅(jiān)固系數(shù)f=7～8，單位彈性抗力系數(shù)K0=60～70MPa/cm，變形模量7.93GPa，彈性模量16GPa，飽和抗壓強(qiáng)度80.5MPa，縱波速度4000～5500m/s；Ⅲ類圍巖占隧洞總長(zhǎng)42.28%，堅(jiān)固系數(shù)f=5～6，K0=35～50MPa/cm，變形模量5～7.93GPa，彈性模量6.5～10 GPa，飽和抗壓強(qiáng)度55～80.5MPa，縱波速度3500～4000m/s；Ⅳ類圍巖約占隧洞總長(zhǎng)24.27%，堅(jiān)固系數(shù)f=1.5～2.5，K0=15～20MPa/cm， 變形模量2.5～4.2GPa，彈性模量4.5～6.5GPa，飽和抗壓強(qiáng)度44～55MPa，縱波速度2500～3200m/s；Ⅴ類圍巖約占隧洞總長(zhǎng)12.45%，堅(jiān)固系數(shù)f<1，單位彈性抗力系數(shù)K0<5MPa/cm。

4 鉆爆法施工方法

4.1 施工特點(diǎn)

鉆爆法施工主要由施工單位組織實(shí)施，施工方法簡(jiǎn)單、施工方法靈活，施工組織比較簡(jiǎn)單。能應(yīng)用于各類地層和多變的巖層，設(shè)備投資少，施工方案可根據(jù)地質(zhì)情況變化方便做出調(diào)整，可以開辟較多的工作面，施工工期宜控制，是目前國內(nèi)外隧洞施工的主要掘進(jìn)方法。

4.2 鉆爆法施工

采用鉆爆法施工時(shí)上平低壓段長(zhǎng)18.3km，根據(jù)發(fā)電引水洞平面布置特點(diǎn)及地形地質(zhì)條件，發(fā)電引水洞上平低壓洞段共布置了8條施工支洞，形成16個(gè)作業(yè)面。

發(fā)電引水洞洞線大部分為花崗巖，根據(jù)發(fā)電洞洞挖料試驗(yàn)結(jié)果，洞挖渣料作為人工骨料，各項(xiàng)指標(biāo)滿足質(zhì)量要求。發(fā)電引水洞上平低壓段長(zhǎng)18.3km，上平低壓洞段石方洞挖總量100.5萬m3，為減少棄渣占地和料場(chǎng)開采占地，本工程混凝土骨料全部采用發(fā)電洞洞渣料經(jīng)人工破碎獲得。

本工程混凝土澆筑總量31.13萬m3，發(fā)電引水洞洞挖渣料開挖總量和質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)均滿足本工程混凝土骨料設(shè)計(jì)要求。洞襯混凝土考慮在洞挖完成后進(jìn)行。在每個(gè)施工支洞進(jìn)口附近布置一座混凝土拌和站拌制混凝土，洞襯混凝土采用鋼模臺(tái)車澆筑。每個(gè)工作面配置1套鋼模臺(tái)車，共布置14套臺(tái)車，其中2套重復(fù)利用。

4.3 鉆爆法發(fā)電洞不良地質(zhì)段施工措施

4.3.1 圍巖穩(wěn)定問題處理

洞線通過斷層及斷層影響帶，以及通過較大山洪溝洞頂覆蓋較薄的洞段，圍巖條件較差，為防止隧洞在通過以上不利圍巖地段的開挖過程中出現(xiàn)塌方，除了采用弱爆破、短進(jìn)尺、緊跟臨時(shí)支護(hù)的施工方法外，還需要采取大管棚及超前小導(dǎo)管支護(hù)等超前支護(hù)加固圍巖的措施。

4.3.2 涌水洞段處理

斷層破碎帶除圍巖穩(wěn)定問題外，還存在涌水的情況，掌子面超前大管棚和小導(dǎo)管的預(yù)注漿已經(jīng)起到阻水的作用，此外還應(yīng)加強(qiáng)排水措施，對(duì)于順坡開挖的施工段應(yīng)設(shè)置備用排水泵和電源以保證排水作業(yè)的連續(xù)性，為方便排水本工程的所有施工支洞均設(shè)計(jì)成順坡。

4.3.3 通過巖爆地段處理

沿洞線局部埋深較大的圍巖存在輕微巖爆，通過輕微巖爆洞段的主要措施是向工作面及隧道壁面噴水來促進(jìn)圍巖軟化，從而消除或緩解巖爆程度。

5 TBM掘進(jìn)法

5.1 施工特點(diǎn)

長(zhǎng)隧洞工程中，隧洞施工一般在有條件布置施工支洞的條件下均考慮采用鉆爆法施工。TBM掘進(jìn)機(jī)施工多在無法布置施工支洞，同時(shí)隧洞單工作面較長(zhǎng)，鉆爆法無法施工的情況下選擇TBM掘進(jìn)機(jī)施工［4］。

TBM法是快速掘進(jìn)的有效方法之一，地形地貌、地質(zhì)、水文、運(yùn)行條件等對(duì)TBM選型影響很大。對(duì)不同的條件需采用專門的設(shè)計(jì)以提高工作效率，其工作特點(diǎn)決定TBM在比較單一的地層中可以取得比較高的進(jìn)尺，比較適合中硬巖的隧洞施工。工作條件變化時(shí)，如軟弱巖層、硬巖、斷層破碎段、巖爆段、高涌水段，施工的不確定因素較多，施工方案調(diào)整比較困難。在地質(zhì)條件復(fù)雜的洞段，對(duì)工程的投資及工期可能存在重大影響［5］。

TBM掘進(jìn)機(jī)施工是個(gè)系統(tǒng)工程，需要系統(tǒng)化、專業(yè)化管理，TBM掘進(jìn)設(shè)備選型設(shè)計(jì)、施工方案擬定、緊急情況處理等，需要業(yè)主、工程設(shè)計(jì)單位、機(jī)械設(shè)計(jì)單位、施工單位緊密配合。施工期對(duì)工程各方提出更高的要求，由于是流水線式施工，一個(gè)環(huán)節(jié)的變化就可能造成大的工期變化和投資變化。

5.2 TBM掘進(jìn)機(jī)選型

TBM掘進(jìn)機(jī)機(jī)型的選擇與沿線的地質(zhì)條件和掘進(jìn)機(jī)對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)能力有密切關(guān)系［6-16］。目前常用的掘進(jìn)機(jī)主要有開敞式和護(hù)盾式兩種。從掘進(jìn)機(jī)的使用功能上看，開敞式和護(hù)盾式在成洞條件較好的圍巖洞段兩者區(qū)別不大，掘進(jìn)速度基本相同；整體上軟巖隧洞施工，護(hù)盾式要優(yōu)于開敞式。對(duì)于成洞條件較差的洞段，開敞式掘進(jìn)機(jī)有不易被擠壓、卡住，脫困靈活，便于實(shí)施其他工程措施，可改變開挖洞徑等優(yōu)點(diǎn)，另外開敞式掘進(jìn)機(jī)處理斷層、涌水較容易，開敞式掘進(jìn)機(jī)針對(duì)斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件，可利用超前鉆（或地質(zhì)鉆）打排水孔和進(jìn)行注漿處理，再利用安裝鋼拱架、掛網(wǎng)、噴錨等手段，及時(shí)地緊靠開挖面進(jìn)行支護(hù)。對(duì)于較大斷面的混凝土襯砌長(zhǎng)隧洞，當(dāng)在開敞式掘進(jìn)機(jī)后部一定距離布置混凝土襯砌用的鋼模臺(tái)車不影響掘進(jìn)機(jī)的軌道交通運(yùn)輸時(shí)，也可以做到邊開挖邊襯砌。而護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)則由于護(hù)盾較長(zhǎng)，易被變形較大的圍巖所圍，處理起來比較困難，雖然設(shè)備和人員受護(hù)盾和管片的保護(hù)，比較安全，由于不易接觸到圍巖，處理不良地質(zhì)洞段比較困難。

本工程發(fā)電引水隧洞共穿越大小斷層約29條，其破碎帶寬一般5～40m，其中引水隧洞穿過F20喀拉溫古泉斷裂，斷裂性質(zhì)為逆斷層，沿該分布有天然的溫泉，泉水溫度40℃～60℃。同時(shí)該隧洞可能還存在有巖爆、突涌水、巖體地應(yīng)力變形等不良工程地質(zhì)問題。發(fā)電洞開挖洞徑為7.7m，滿足開敞式掘進(jìn)機(jī)邊開挖邊襯砌的條件。綜合上述分析并結(jié)合國內(nèi)開敞式掘進(jìn)機(jī)的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選擇1臺(tái)開敞式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行發(fā)電洞段施工。

5.3 TBM掘進(jìn)機(jī)施工

根據(jù)發(fā)電引水洞平面布置特點(diǎn)及地形地質(zhì)條件，發(fā)電引水洞共布置了3條施工支洞。T3#施工支洞與鉆爆法8#施工支洞位置及作用一樣，T2#施工支洞主要為TBM組裝進(jìn)洞及施工出渣洞，T1#施工支洞主要為TBM拆卸運(yùn)出洞。

TBM掘進(jìn)機(jī)施工方案整個(gè)工程混凝土澆筑總量約32.87萬m3，由于TBM掘進(jìn)施工洞段渣料不能滿足加工混凝土骨料質(zhì)量要求，而局部鉆爆法開挖洞段的渣料數(shù)量不能滿足制備整個(gè)工程混凝土骨料的要求，骨料不足部分需要由料場(chǎng)開采補(bǔ)充。

TBM掘進(jìn)機(jī)施工洞段考慮開挖與襯砌同步實(shí)施的方案進(jìn)行施工，其中隧洞為滿足掘進(jìn)機(jī)后部行車軌道的要求，仰拱采用預(yù)制的形式與掘進(jìn)機(jī)同步施工，洞身其余部分采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，仰拱安裝由掘進(jìn)機(jī)邊開挖邊安裝。由于本工程掘進(jìn)機(jī)施工洞段開挖洞徑較大，為保證隧洞TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)與襯砌同步施工的要求，混凝土澆筑采用穿行式鋼模臺(tái)車進(jìn)行澆筑，混凝土由軌道式混凝土罐車洞內(nèi)運(yùn)輸至工作面，60m3/h混凝土泵入倉，混凝土泵及軌道式混凝土罐車均布置在一側(cè)軌道，預(yù)留出一側(cè)用于掘進(jìn)機(jī)正常的開挖出渣及材料運(yùn)輸?shù)氖┕ぃ?7］，出渣方式選擇軌道運(yùn)輸。

5.4 TBM掘進(jìn)施工段不良地質(zhì)段施工［18-19］

5.4.1 斷層破碎帶

掘進(jìn)機(jī)開挖至斷層破碎帶時(shí)，由于掌子面附近的圍巖破碎、松散，掘進(jìn)機(jī)刀盤應(yīng)頂在掌子面上，不要輕易后退，更不能在無推進(jìn)的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤進(jìn)行掘進(jìn)開挖出渣。否則，會(huì)造成刀盤前部更大范圍坍塌，形成空穴，而一旦形成刀盤前部的空洞，處理起來困難更大，并會(huì)延誤工期。由于機(jī)械噴錨設(shè)備距開挖面15m，使開挖后巖面長(zhǎng)時(shí)間暴露，造成局部巖面掉塊剝落，嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，且嚴(yán)重危及人員、設(shè)備安全。針對(duì)這一問題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和掘進(jìn)機(jī)施工實(shí)際情況，可采取如下措施：

（1）首先采用人工噴錨，及時(shí)封閉圍巖，對(duì)不同地質(zhì)段，噴混凝土的厚度及時(shí)調(diào)整，確保圍巖變形受到控制和主機(jī)撐靴不會(huì)撐垮圍巖，量測(cè)及時(shí)反饋，若拱頂下沉仍得不到控制，應(yīng)補(bǔ)噴或加強(qiáng)拱架等一系列加強(qiáng)支護(hù)措施。

（2）對(duì)坍塌區(qū)用鐵皮封堵，噴混凝土封閉，及時(shí)快速灌注混凝土。對(duì)范圍大且坍塌在護(hù)盾上的坍腔回填時(shí)，為減少等強(qiáng)時(shí)間，提高工效，在混凝土中加入適量速凝劑。

（3）拱架安裝一定要保證豎直，間距符合要求，螺栓擰緊，隧洞清底要徹底，以保證鋼拱架緊貼仰拱，以確保仰拱塊的順利安裝。

（4）鋼拱架受壓變形應(yīng)及時(shí)用型鋼加固。在拱腰及仰拱塊邊沿加打鎖腳錨桿，以有效控制拱架變形、穩(wěn)定圍巖，確保安全及主機(jī)順利通過。

（5）對(duì)圍巖破碎區(qū)和滲水區(qū)，打入注漿錨桿，用濃度為36Be的水玻璃與水灰比為0.8～1.0的水泥漿注雙液漿加固圍巖，填充空隙。

（6）調(diào)整設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，降低對(duì)巖面的承壓力，減少擾動(dòng)，保護(hù)圍巖，盡量減少剝落坍塌量。

（7）遇到較大斷層帶可將掘進(jìn)機(jī)停機(jī)，在附近布置旁支洞，采用鉆爆法施工完成該斷層帶，隨后將掘進(jìn)機(jī)駛出該段繼續(xù)進(jìn)行下一洞段的施工。

5.4.2 富水區(qū)域的處理措施

本工程主要有水地段均為斷層帶附近，尤其喀拉溫古泉斷裂F20是本工程最重要的富水帶。

TBM在掘進(jìn)過程中遇到掌子面前方臨近富水帶，應(yīng)采用超前鉆孔探明隧洞前方地下水及工程地質(zhì)情況。根據(jù)探測(cè)鉆孔出水量、水壓，確定涌水點(diǎn)樁號(hào)位置，并依據(jù)探測(cè)孔出水量、水壓的變化采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。

5.4.2.1 一般涌水段處理

根據(jù)發(fā)電洞的地質(zhì)條件，破碎帶寬度較小的斷層可能出現(xiàn)一般涌水情況，同時(shí)圍巖的自穩(wěn)能力也較差，采用超前小導(dǎo)管注漿阻水和加固圍巖，其處理措施：

（1）TBM停止掘進(jìn)，除進(jìn)行必要的排水外，在護(hù)盾上打注漿小導(dǎo)管，超前預(yù)注漿，封堵裂隙水，隔離水源，阻塞水點(diǎn)，減少洞內(nèi)涌水量。應(yīng)保證刀盤前有至少5m的不透水層作為止?jié){盤，灌注水泥漿液堵水防滲。

（2）護(hù)盾后，利用錨桿鉆機(jī)打注漿錨桿注水泥水玻璃雙液漿，灌漿方式采用分段下行式注漿，注漿孔鉆進(jìn)一段壓一段。為防止?jié){液回流滲入掌子面與刀盤之間及減少漿液滲入量，解決方法為在實(shí)際工作面前方設(shè)置止?jié){塞，止?jié){塞深度應(yīng)超過10m。

（3）在富水區(qū)加環(huán)向透水管，利用鑿槽或麻繩等將水引至仰拱處，以便有效噴漿封閉。

5.4.2.2 較大涌水段處理

根據(jù)發(fā)電洞的地質(zhì)條件，破碎帶寬超過20m的斷層帶涌水量可能較大，同時(shí)破碎帶處圍巖自穩(wěn)能力也差，為確保掘進(jìn)機(jī)安全通過，涌水段采取“洞內(nèi)超前預(yù)注漿堵水+大管棚超前加固”的綜合處理措施，同時(shí)加強(qiáng)排水。

5.4.3 高地應(yīng)力巖爆處理措施［20-21］

巖爆是高應(yīng)力地區(qū)地下洞室中圍巖脆性破壞時(shí)應(yīng)變能突然釋放造成的一種動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。具體處理措施可有以下方式。

5.4.3.1 改善圍巖物理性能

噴霧灑水卸壓法，在干燥的圍巖表面上灑水或用高壓水沖洗隧洞拱頂、掌子面和側(cè)壁，目的是增加巖石濕度，一定程度上可以降低表層圍巖的強(qiáng)度，松弛巖體中積累的高構(gòu)造應(yīng)力。此外，在可能發(fā)生巖爆的掌子面上，還可通過TBM刀盤導(dǎo)向孔進(jìn)行超前鉆孔，孔深20m，釋放巖體中的高構(gòu)造應(yīng)力，同時(shí)向巖體高壓均勻注水。

5.4.3.2 及時(shí)一次支護(hù)

對(duì)不同烈度的巖爆一般采取不同的加固處理措施。對(duì)輕微巖爆段，采取向工作面及隧道壁面噴水來促進(jìn)圍巖軟化，從而消除或緩解巖爆程度；對(duì)中等巖爆段，可設(shè)法遠(yuǎn)距離向巖爆區(qū)巖面噴射水，待巖爆緩解，基本無巖爆跡象后進(jìn)行找頂，撬除已松裂的巖片、巖塊，進(jìn)行噴混凝土，隨后在巖爆區(qū)鉆孔安裝錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土，及時(shí)進(jìn)行一次支護(hù)。

6 結(jié)語

本工程河道順直，采用鉆爆法施工發(fā)電洞線沿河道布置，布置施工支河道布置，布置施工支洞方便，且施工支洞長(zhǎng)度較短，形成的工作作業(yè)面較多，隧洞單工作面長(zhǎng)度較小，施工工期易控制。

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One hydropower station long tunnel construction ways compare in XinJiang

WU Jun
（Xinjiang Investigation and Design Institute for Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

According to the terrain、geology and hydrology and so on of the hydropower station long tunnel in XinJiang，from the characteristics of the construction way，engineering concrete aggregate sources and bad geological section of hole is used for the long tunnel construction measures such as borehole-blasting way and TBM tunneling way construction schemes are compared.Through comprehensive comparison，the borehole-blasting way is recommended for the long tunnel construction.

long tunnel；construction way；borehole-blasting way；TBM tunneling way

TV554

B

1672-9900（2015）02-0065-05

2015-03-09

吳 均（1979-），男（漢族），四川遂寧人，工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)研究工作，（Tel）15099190722。