引漢濟(jì)渭二期南干線1#隧洞TBM結(jié)合鉆爆法施工關(guān)鍵技術(shù)探討

劉 媛

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 工程概況

引漢濟(jì)渭二期輸配水工程南干線輸水線路總長(zhǎng)103.1 km，其中1#隧洞穿越秦嶺北麓中低山區(qū)，全長(zhǎng)68.83 km，占總線路的67%。隧洞進(jìn)口位于黑河金盆水庫(kù)右岸，出口位于子午鎮(zhèn)東S107國(guó)道北側(cè)，設(shè)計(jì)流量 47 m3/s、30 m3/s，設(shè)計(jì)比降 1/2500，自黃池溝配水樞紐無壓流輸水至西安子午水廠[1]。

2 工程地質(zhì)

2.1 主要工程地質(zhì)條件

南干線1#隧洞位于秦嶺北麓中低山區(qū)，隧洞整體為傍山淺埋隧洞。沿線主要出露二云石英片巖、黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、花崗巖及長(zhǎng)陽起云母片巖等。其中0+000～44+330洞段以二云石英片巖夾多層長(zhǎng)陽起片巖為主（長(zhǎng)度約36.18 km），次為黑云母斜長(zhǎng)片麻巖夾長(zhǎng)陽起片巖（長(zhǎng)度約8.15 km）；44+330～65+720洞段以花崗巖為主（17.82 km），夾有多層云母斜長(zhǎng)片麻巖（3.57 km）；65+720～68+830洞段為第四系洪積松散堆積層。

根據(jù)洞室圍巖分類成果，南干線1#隧洞圍巖類別有如下特點(diǎn)：

（1）Ⅴ類圍巖約占全洞總長(zhǎng)的14.6%，Ⅳ類圍巖占全洞總長(zhǎng)的34.9%，且主要分布于隧洞進(jìn)、出口段及樁號(hào)44+330以前洞段；

（2）Ⅱ、Ⅲ類圍巖占洞室總長(zhǎng)的50.5%，主要分布在樁號(hào)44+330后的花崗巖洞段；

（3）0+000～44+330的變質(zhì)巖洞段，Ⅴ類圍巖約占該洞段長(zhǎng)度的9.8%，Ⅳ類圍巖約占該洞段長(zhǎng)度的46.4%，Ⅲ類圍巖僅占該洞段長(zhǎng)度的43.8%；

（4）44+330～64+930的花崗巖洞段，Ⅱ、Ⅲ類圍巖占該洞段長(zhǎng)度的87.3%；Ⅳ、Ⅴ類圍巖僅占該洞段長(zhǎng)度的12.7%；

（5）Ⅳ、Ⅴ類圍巖與Ⅱ、Ⅲ類圍巖呈相間交互分布，尤其是0+000～44+330段洞室圍巖以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，與Ⅲ類圍巖相間交互分布現(xiàn)象尤為明顯。隧洞圍巖類別統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 南干線1#隧洞圍巖類別統(tǒng)計(jì)表

2.2 主要工程地質(zhì)問題評(píng)價(jià)及處理措施

1）區(qū)域活動(dòng)斷裂對(duì)線路的影響及處理措施

南干線1#隧洞主洞雖已基本避開了秦嶺北緣斷裂帶，但仍存在一定的影響，且該范圍內(nèi)的隧洞以Ⅴ類圍巖為主，活斷層對(duì)隧洞工程的危害有蠕動(dòng)破壞和錯(cuò)動(dòng)破壞。穿越活斷層處的結(jié)構(gòu)采用柔性的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，該段隧洞采用鋼筋混凝土復(fù)合襯砌與擴(kuò)大斷面相結(jié)合方案，斷面向外擴(kuò)挖0.3 m，由最外層橡膠墊層一次襯砌，里層鋼筋混凝土二次襯砌組成，并在二次襯砌的分縫處采用波紋管連接的形式，利用外柔內(nèi)剛的復(fù)合襯砌消蝕和緩沖活斷層發(fā)生的地震突變，襯砌斷面見圖1。

圖1 1#隧洞穿越活斷層處斷面圖

2）洞室圍巖穩(wěn)定問題及處理措施

根據(jù)《陜西省引漢濟(jì)渭二期工程可行性研究工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，第四系洞段巖性復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不均，又位于地下水位以下，成洞條件極差，成洞難度大，1#隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖占洞室總長(zhǎng)的49.5%，且Ⅳ、Ⅴ類圍巖與Ⅱ、Ⅲ類圍巖呈混雜交錯(cuò)分布，另外穿越多條斷層，斷層極易發(fā)生涌水、突泥問題。施工中，對(duì)第四系Ⅴ類圍巖洞段采用鉆爆法先行施工，開挖過程中，加強(qiáng)跟進(jìn)支護(hù)措施，在斷層破碎帶、地下水發(fā)育區(qū)段，采用超前小導(dǎo)管、超前管棚注漿進(jìn)行預(yù)支護(hù)加固，嚴(yán)防洞體坍塌。

3）隧洞涌水、突泥問題及處理措施

根據(jù)《環(huán)境水文地質(zhì)專題研究報(bào)告》，采用大氣降水入滲法、裘布依公式法、水文地質(zhì)比擬法對(duì)主洞及施工支洞隧洞正常涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，集中涌水點(diǎn)單點(diǎn)可能最大涌水量1260.6 m3/d～18166.5 m3/d，突水、突泥災(zāi)害是目前隧洞施工中風(fēng)險(xiǎn)最大的災(zāi)害之一。對(duì)可能發(fā)生突水突泥地段、規(guī)模、危害程度等進(jìn)行分析，確定其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并在施工過程中進(jìn)行必要的動(dòng)態(tài)調(diào)整；其次對(duì)突水突泥不良地段采取有效注漿堵水措施；并設(shè)置安全逃生系統(tǒng)，包括聲光報(bào)警、應(yīng)急通信及電視監(jiān)控、逃生通道及疏散標(biāo)志、應(yīng)急照明及供電系統(tǒng)、逃生裝備、排水設(shè)備。

4）隧洞巖爆、大變形問題及處理措施

依據(jù)地勘報(bào)告，隧洞穿越云母石英片巖、綠泥石綠簾石片巖的Ⅳ、Ⅴ類圍巖富水地段可能存在大變形問題，在軟弱地層中開挖會(huì)使應(yīng)力迅速接近或超過巖體強(qiáng)度，巖體將處于塑性平衡狀態(tài)直至崩塌。對(duì)圍巖巖性為云母石英片巖、綠泥石綠簾石片巖區(qū)Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段，洞室開挖時(shí)在側(cè)墻、頂拱預(yù)留15 cm變形量。

5）隧洞地溫、放射性及有害氣體問題及處理措施

估算隧洞埋深425 m以下的地段溫度＞28℃，最大埋深處原巖溫度約為31.7℃，據(jù)此認(rèn)為隧洞埋深大于425 m的洞段存在輕微熱害，對(duì)地下隧洞施工有一定的影響。高地溫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響主要為混凝土開裂，考慮到高地溫洞段受熱水?dāng)鄬拥挠绊懀刭|(zhì)條件具有一定的不確定性，襯砌結(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)變形后溫度殘余應(yīng)力等不利因素的影響，在常溫計(jì)算配筋成果基礎(chǔ)上適當(dāng)加大鋼筋的配置。

根據(jù)放射性實(shí)測(cè)成果，1#洞整體天然放射性環(huán)境對(duì)隧道施工是安全的，環(huán)境放射性水平對(duì)輸水洞線中的水體產(chǎn)生的影響是很小的，局部花崗巖洞段可能存在放射性輕微超標(biāo)問題，施工中做好防護(hù)和通風(fēng)換氣措施。

3 隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工方法選擇

巖石隧洞常用的開挖方法有鉆爆法和TBM掘進(jìn)法。鉆爆法對(duì)圍巖適應(yīng)性強(qiáng)，開挖方式靈活多樣，便于全線施工，但施工支洞數(shù)量多，需大量使用火工材料，對(duì)生態(tài)環(huán)境和自然景觀影響較大。TBM法掘進(jìn)速度快、機(jī)械化程度高、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[2]。

南干線1#隧洞穿越秦嶺北麓中低山區(qū)，環(huán)境影響要求較高，根據(jù)“將施工支洞減到最少、對(duì)環(huán)境影響降到最低”的原則[1]，通過對(duì)TBM+鉆爆法與全段鉆爆法進(jìn)行綜合比較分析，確定南干線1#隧洞采用TBM+鉆爆法是較優(yōu)的施工方案。該方案避開樓觀臺(tái)風(fēng)景名勝區(qū)、樓觀臺(tái)國(guó)家森林公園、秦嶺植物園等環(huán)境敏感點(diǎn)，較全線鉆爆法減少12條施工支洞，充分發(fā)揮TBM掘進(jìn)速度快、施工質(zhì)量穩(wěn)定、安全作業(yè)條件好、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)隧洞進(jìn)、出口及斷層破碎帶洞段，采用鉆爆法施工，充分發(fā)揮鉆爆法的機(jī)動(dòng)性和靈活性，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 TBM與鉆爆施工段的合理布置

結(jié)合地形地質(zhì)條件及掘進(jìn)機(jī)的合理掘進(jìn)長(zhǎng)度，對(duì)南干線1#隧洞TBM與鉆爆施工段布置如下：隧洞進(jìn)口6.3 km及出口3.97 km，地層條件復(fù)雜，洞室埋深相對(duì)較淺，成洞條件極差，成洞難度大，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2臺(tái)開敞式TBM掘進(jìn)機(jī)施工。

四臺(tái)TBM掘進(jìn)施工50.18 km，常規(guī)鉆爆施工18.65 km。沿線共布設(shè)支洞5條，總長(zhǎng)4.92 km；施工豎井1座，井深66.5 m。施工布局見圖2。

圖2 南干線1#隧洞TBM+鉆爆法方案平面布置圖

3.3 TBM選型設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)的型式主要分為開敞式和護(hù)盾式。雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)適用于地質(zhì)條件比較差、需要保護(hù)的洞段，其特點(diǎn)是管片襯砌與隧洞掘進(jìn)同步進(jìn)行。開敞式掘進(jìn)機(jī)適合于地層巖性比較均一、圍巖滲透性低、洞室埋藏深、地表無大河谷通過洞段，其特點(diǎn)是功率大，掘進(jìn)速度快，但襯砌不能與掘進(jìn)同步進(jìn)行。兩種型式比較表見表2。

南干線1#隧洞1號(hào)、2號(hào)TBM施工段，地質(zhì)復(fù)雜多變，圍巖條件差，采用雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)；3號(hào)、4號(hào)TBM施工段，洞室圍巖以Ⅱ、Ⅲ類花崗巖為主，地質(zhì)情況單一、圍巖穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高，采用開敞式掘進(jìn)機(jī)。

表2 開敞式TBM和雙護(hù)盾TBM比較表

3.4 TBM洞內(nèi)快速組裝、始發(fā)及拆解技術(shù)

布置4臺(tái)TBM掘進(jìn)機(jī)，布置組裝洞兩處，一處設(shè)在12○號(hào)施工支洞與主洞交匯處，樁號(hào)為21+670～22+330；另一處設(shè)在15○號(hào)施工支洞與主洞交匯處，樁號(hào)為52+420～53+340。每個(gè)組裝洞室組裝兩臺(tái)TBM掘進(jìn)機(jī)，“一洞雙機(jī)”組裝后逆向掘進(jìn)。組裝洞室采用鉆爆法施工。

12○號(hào)支洞組裝洞組裝1號(hào)和2號(hào)TBM掘進(jìn)機(jī)，根據(jù)需要組裝洞分為三段：主機(jī)安裝洞長(zhǎng)130 m，城門洞型，寬12.1 m，高16 m，頂拱尺寸r=9.89 m，拱部角度99°29′；步進(jìn)洞長(zhǎng)170 m，城門洞型，成洞尺寸7.5 m×7.6 m；始發(fā)洞長(zhǎng)30 m，圓形，成洞尺寸D=7.3 m，見圖3。

圖3 1號(hào)、2號(hào)TBM機(jī)組裝拆卸、步進(jìn)、始發(fā)橫斷面圖

15號(hào)支洞組裝洞組裝3號(hào)和4號(hào)TBM掘進(jìn)機(jī)，根據(jù)需要組裝洞分為三段：主機(jī)安裝洞長(zhǎng)130 m，城門洞型，寬11 m，高14 m，頂拱尺寸r=9.56 m，拱部角度94°10′；步進(jìn)洞長(zhǎng)300 m，城門洞型，成洞尺寸6.4 m×6.5 m；始發(fā)洞長(zhǎng)30 m，圓形，成洞尺寸D=6.2 m，見圖4。

圖4 3號(hào)、4號(hào)TBM組裝拆卸、步進(jìn)、始發(fā)橫斷面圖

3.5 不良地質(zhì)洞段處理

南干線1#隧洞穿越f4、f9、f17等19條斷層破碎帶，穿越就峪、田峪、澇峪、灃峪4處淺埋洞段。其中TBM掘進(jìn)段通過14處斷層破碎帶、2處淺埋洞段。

在斷層破碎帶、地下水發(fā)育區(qū)段，采用超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)并注漿加固。超前小導(dǎo)管采用外徑42 mm，壁厚3.5 mm的鋼制花管，單根長(zhǎng)3.5 m，環(huán)向間距30cm，外插角5°～10°，縱向搭接長(zhǎng)度1 m，管身設(shè)6 mm～8 mm的注漿孔，孔間距15 cm，梅花形布置，前段加工成錐形，尾部長(zhǎng)30 cm，作為不鉆孔的止?jié){段。

TBM在峪口淺埋段和斷層破碎帶區(qū)段掘進(jìn)時(shí)，在拱部180°范圍內(nèi)采用超前管棚預(yù)支護(hù)并注漿加固。超前管棚采用外徑108 mm，壁厚6 mm的鋼制花管，單根長(zhǎng)30 m，環(huán)向間距40 cm，外插角3°，縱向搭接長(zhǎng)度5 m。

4 結(jié)語

針對(duì)南干線1#隧洞施工中的關(guān)鍵技術(shù)問題，擬采用以下方案保證隧洞安全快速施工：①采用4臺(tái)TBM和鉆爆法聯(lián)合施工，可以充分發(fā)揮了兩種隧洞施工方法的優(yōu)點(diǎn)；②TBM施工段與鉆爆法施工段的合理布置，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，保證隧洞安全、高速掘進(jìn)；③“一洞雙機(jī)”逆向組裝后掘進(jìn)的始發(fā)技術(shù)，減少了施工支洞數(shù)量，充分利用了組裝洞室，節(jié)省了工程投資；④通過對(duì)不良地質(zhì)洞段采用超前支護(hù)措施進(jìn)行加固，保證掘進(jìn)機(jī)安全、快速通過。