TBM與鉆爆法在并行長大引水隧洞施工中的適用性研究*

徐順通，楊 靖，余志超，楊興國，陶 劍，李海波

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065； 2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065； 3.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

21世紀被稱為地下空間的世紀[1]，地下工程有廣闊發(fā)展前景，隨著一帶一路、南水北調(diào)、川藏鐵路、雅江下游水電開發(fā)等國家重大戰(zhàn)略工程相繼實施，特大地下廠房洞室群、長大引水隧洞、超長鐵路隧洞等成為關(guān)鍵性工程[2]。除此之外，在市政、水利、道路等建設(shè)過程中，也有大量地下工程在籌建或建設(shè)中。

鉆爆法和TBM是開挖隧洞的主要方式[3]。鉆爆法優(yōu)點如下[4-5]：對圍巖適應(yīng)性強，遇到突發(fā)事故或復(fù)雜地質(zhì)情況時較易處理，可開挖任意形狀斷面，工效高、成本低。盡管近年來鉆爆法在施工機械生產(chǎn)水平與施工技術(shù)方面均有很大提高與改進，但仍存在單工作面平均掘進速度慢、施工工序繁多、交叉施工、施工組織管理難度大及超欠挖控制困難等問題[6]。TBM具有以下優(yōu)勢[7-8]：隧洞過流斷面水力學(xué)特性好；施工速度快、對圍巖擾動小、超欠挖可控制在2cm內(nèi)；施工環(huán)境比鉆爆法得到較大改善。然而TBM適用性窄，在巖爆、涌水、巖溶發(fā)育段、軟弱圍巖大變形段均不適宜采用TBM施工，且施工成本高，依賴進口，較難解決設(shè)備故障[9]。

某引水隧洞是該水電站建設(shè)的控制性工程，直接關(guān)系到電站的發(fā)電工期甚至工程成敗，選擇合適的施工方式非常關(guān)鍵。本文通過對比分析TBM與傳統(tǒng)鉆爆法應(yīng)用于該水電站引水隧洞的優(yōu)劣特性，從而選擇適用于該水電站引水隧洞的施工方法。

1 工程概況

某水電站位于西藏自治區(qū)與四川省交界的金沙江上游河段，左岸屬四川省甘孜州巴塘縣，右岸屬西藏昌都地區(qū)芒康縣。如圖1所示，水電站壩址位于蘇洼龍至麥曲河口河段上，壩址控制流域面積184 436km2，多年平均流量為952m3/s。電站采用混合式開發(fā)，正常蓄水位2 387.000m，相應(yīng)庫容為0.167億m3，調(diào)節(jié)庫容為0.081億m3，電站裝機容量為826MW(其中引水式電站裝機740MW，河床式電站裝機 86MW)，年發(fā)電量(聯(lián)合運行)為44.86億kW·h(其中引水式電站裝機41.7億kW·h，河床式電站3.16kW·h)。

圖1 水電站王大龍壩址

引水發(fā)電系統(tǒng)采用兩洞兩機布置，2條引水隧洞軸線間距約40m，單條引水隧洞長約11km，加上施工支洞、橫通洞，總隧洞長度>26km。引水隧洞設(shè)計為圓形斷面，開挖洞徑14.2m，襯砌后洞徑13m，在國內(nèi)屬于極大洞徑開挖。

2 TBM與鉆爆法適用性分析

2.1 施工規(guī)模與地質(zhì)條件

如圖2所示，引水隧洞進口邊坡以橫向坡為主，邊坡整體較穩(wěn)定，但卸荷較強烈，巖體較破碎，卸荷帶內(nèi)分布危巖體及眾多小危石，邊坡局部穩(wěn)定性較差。隧洞中后段以板巖、片巖為主，呈薄層至中厚層狀，片理發(fā)育，巖體內(nèi)部裂隙、小斷層發(fā)育，且大部分洞段巖層走向與洞軸線近于平行，隧洞圍巖整體穩(wěn)定性較差。因此，存在局部軟巖變形和塌方等風(fēng)險，如果采用TBM施工，易造成TBM卡機被困的情況。水電站引水隧洞直徑為13m，大于國內(nèi)最大引水隧洞直徑，即11.8～12.6m，屬于國內(nèi)TBM施工案例中極大洞徑施工項目。參照錦屏Ⅱ級引水隧洞施工經(jīng)驗可知，高地應(yīng)力超大斷面隧洞施工過程極有可能出現(xiàn)大規(guī)模巖爆、崩塌等現(xiàn)象，且很難實施加強支護與高效清理等措施，嚴重制約TBM施工進度，甚至損壞設(shè)備[10]。

圖2 并行長大引水隧洞縱截面地質(zhì)

隧洞埋深較大或穿越斷層時，開挖過程中，極有可能遇到突水、涌水問題，從而影響工期進展，甚至導(dǎo)致停工。錦屏Ⅱ級引水隧洞開挖過程中遇到大規(guī)模突水、涌水問題，出水流量大、隨機性強，其中2號引水隧洞K5+800段汛期最大涌水量達4.8m3/s，影響施工安全和進度。

隧洞沿線穿越的蘇洼龍-王大龍-曾大同斷層、王大龍斷層等區(qū)域性斷層附近巖體較破碎、透水性較強，并可能連通河水和沖溝等地表水，存在較大涌水可能。斷層帶作為貯水構(gòu)造時，局部可能形成封閉囊狀水體或串珠狀水體，當(dāng)隧洞揭穿斷層時，存在短時間突水的可能性。另外，羅絨西溝跨溝洞段的沖溝地表水沿裂隙或小斷層入滲，存在較大涌水的可能性。因此，若采用TBM施工，存在突水、涌水現(xiàn)象，甚至TBM被淹的風(fēng)險。

從隧洞開挖規(guī)模和地質(zhì)條件方面考慮，TBM更適用于隧洞開挖洞徑較小(一般<10m)、地質(zhì)較均勻、支護量小或支護速度快的工程，在這種條件下，能明顯發(fā)揮TBM開挖速度快的優(yōu)勢。

2.2 施工工期

該工程施工工期是主要制約因素，因此加快施工進度是重點考慮的問題之一。如圖3所示，由該水電站可研階段勘測設(shè)計資料可知，若采用鉆爆法施工，可通過開挖4條施工支洞增加施工斷面，實現(xiàn)長洞短打，加快施工進度。如圖4所示，可在并行隧洞間設(shè)置若干橫通洞，將2條獨立的并行隧洞構(gòu)成施工系統(tǒng)，通過橫通洞將該施工段分成更小的單元，幾個單元同時施工且互不干擾，在有序的施工組織下，可增加施工工作面，縮短施工工期。然而，若采用TBM施工，TBM機械進場開挖準備時間較長，且施工速度受地質(zhì)條件影響較大，施工工期不確定性影響因素多。

圖3 支洞布置

圖4 施工系統(tǒng)布置

由《金沙江昌波水電站預(yù)可行性研究報告》[11]可知，采用分層鉆爆法開挖工期為44個月，開挖襯砌總工期為62個月。采用單臺設(shè)備鉆爆的開挖工期為45個月，開挖襯砌總工期約64個月。雖然TBM掘進機單工作面掘進速度快，但鉆爆法可多斷面同時作業(yè)，因此TBM在該隧洞施工工期上不具有明顯優(yōu)勢。從施工進度方面考慮，TBM施工方法在難以增加施工支洞的長隧洞施工中具有較明顯優(yōu)勢。如全程深埋長隧洞工程中，難以增加施工支洞或增加施工支洞會大規(guī)模增加成本，采用TBM施工可有效加快施工進度和控制成本。

2.3 出渣料再利用

隧洞開挖形成的洞渣料是良好的建筑材料，可用于制作混凝土骨料、墊層料等。該水電站主體建筑及導(dǎo)流工程涉及混凝土總量(含噴射混凝土)約189.07萬m3，共需要成品混凝土骨料約415.95萬t，另外，大壩尚需基礎(chǔ)換填料29.53萬m3，圍堰墊層料及反濾料尚需8.35萬m3，盡可能利用隧洞開挖形成的洞渣料，可極大降低工程建設(shè)成本。因此，隧洞開挖形成的洞渣料粒徑和品質(zhì)是施工方式選取的最主要考慮因素之一。鉆爆法施工產(chǎn)生的洞渣料已被證明能用于制作混凝土骨料、反濾料等建筑材料；但采用TBM法開挖隧洞，出渣料塊體越小越適應(yīng)出渣設(shè)備，要將TBM開采的出渣料用作混凝土骨料，需調(diào)整TBM刀具，但增加工程成本。

此外，眾多實際工程案例[12-13]表明，相比鉆爆法，TBM出渣料的粗粒徑偏小，且粒型多呈扁平狀，成品骨料質(zhì)量較差，人工砂石粉含量超標，毛料含水率過大，如果用于制作混凝土骨料，會增加混凝土水泥用量，甚至骨料難以滿足規(guī)范要求。

因此，從出渣料再利用角度考慮，采用TBM法施工，產(chǎn)生的洞渣料塊度偏小，人工砂石粉含量超標，加工后的成品骨料質(zhì)量不如鉆爆法，不滿足出渣骨料再利用要求。

2.4 施工成本

水利工程引水隧洞施工成本主要包括開挖、支護襯砌、臨時工程。從謝燕生等[14-15]對鉆爆法與TBM造價比選研究結(jié)果來看，TBM開挖造價遠大于鉆爆法，但由于TBM對圍巖擾動小，在Ⅲ類圍巖下可減少支護與襯砌厚度，使TBM綜合造價在Ⅲ類圍巖中造價比鉆爆法低。而Ⅳ，Ⅴ圍巖自穩(wěn)能力較差，需加強支護和襯砌厚度，因而TBM法在Ⅳ，Ⅴ類圍巖中施工造價的優(yōu)勢不明顯。此工程引水隧洞長約11.79km，其中Ⅲ類圍巖為40%，Ⅳ，Ⅴ類圍巖占60%。由《金沙江昌波水電站預(yù)可行性研究報告》[11]可知，TBM在施工綜合造價上相對于鉆爆法沒有明顯優(yōu)勢，TBM設(shè)備投資大，還需1.5km長掘進機施工支洞、拆卸洞、洞外組裝平臺等臨時工程。綜合來看，TBM法在控制施工成本方面優(yōu)勢不明顯。

該水電站工程設(shè)計所需混凝土骨料、墊層料等累計達232.9萬m3。采用鉆爆法開挖的出渣料可用作混凝土骨料，預(yù)估引水隧洞開挖有用料約239.43萬m3，基本滿足骨料用料所需。引水隧洞開挖洞渣料的再利用，一定程度上可節(jié)約工程投資，且與建設(shè)生態(tài)、綠色工程相適應(yīng)。該工程位于金沙江上游，生態(tài)環(huán)境較脆弱，如果開挖棄渣處理不當(dāng)，將影響自然環(huán)境與生態(tài)。因此，采用鉆爆法開挖形成的洞渣料可實現(xiàn)再利用，降低工程建設(shè)成本，更符合綠色工程理念。

3 結(jié)語

鉆爆法和TBM是開挖隧洞的主要方式，各自優(yōu)缺點如下：①在開挖洞徑較小、地質(zhì)較均勻、支護量小或支護速度快的工程中，更能發(fā)揮TBM開挖速度快的優(yōu)勢，而鉆爆法在大斷面、復(fù)雜地質(zhì)條件開挖工程中的適用性更強；②TBM法在難以增加施工支洞的長隧洞工程施工中具有較明顯優(yōu)勢；③采用TBM法施工產(chǎn)生的洞渣料塊度偏小、人工砂石粉含量超標，加工后的成品骨料質(zhì)量不如鉆爆法，而且增加工程成本。因此，對需要洞渣作為骨料再利用的工程，較適合選用鉆爆法。

在并行長大引水隧洞的復(fù)雜地質(zhì)情況中，若采用TBM施工方法，缺少相關(guān)工程參考經(jīng)驗，一旦突發(fā)施工事故，難以快速解決，且增加工期不確定性，而鉆爆法施工工藝成熟，工期保證性更高。同時，該引水隧洞通過布置合適的施工支洞，增加施工斷面，可有效加快施工進度，充分展現(xiàn)鉆爆法長洞短打的優(yōu)勢。此外，若采用TBM開挖，出渣料粒徑過小，人工砂石粉含量超標，較難滿足加工混凝土骨料的要求。因此，經(jīng)過綜合分析，推薦采用鉆爆法作為該水電站并行長大引水隧洞的主要開挖方式。