榕江關(guān)埠引水工程1#、2#TBM接收建筑物的優(yōu)化設(shè)計(jì)

方騰衛(wèi)

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

榕江關(guān)埠引水工程是韓江、榕江、練江三江水系連通工程的子工程之一，工程輸水線路總長為34.97 km，其中山嶺段輸水隧洞總長約27.03 km，采用3臺(tái)雙護(hù)盾硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工，該工法為廣東省水利行業(yè)首次使用。工程總布置示意見圖1。

該工程1#、2#TBM掘進(jìn)機(jī)分別自上、下游向山體內(nèi)掘進(jìn)，2臺(tái)機(jī)器接觸點(diǎn)處原設(shè)計(jì)為豎井，稱“1#、2#TBM設(shè)備接收井”，接收井外徑為32.0 m，內(nèi)徑為24.50 m，深度為55.25 m。

圖1 工程總布置示意(箭頭為TBM掘進(jìn)方向)

2 原1#、2#TBM接收方案及優(yōu)化緣由

2.1 原1#、2#TBM接收方案

榕江關(guān)埠引水工程輸水隧洞樁號(hào)SD7+708處為1#TBM和2#TBM的共用接收井。接收井為圓形，井內(nèi)無內(nèi)支撐、空間大，便于TBM主機(jī)的解體和吊出。

地質(zhì)鉆孔揭露：接收井身上部為砂卵礫石層、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層，下部為弱風(fēng)化層。TBM接收井采用地下連續(xù)墻和鋼筋砼內(nèi)襯結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于洞口的加固措施，因洞口有破碎帶，采用固結(jié)灌漿對(duì)洞口一定范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行加固，固結(jié)灌漿間排距均為2.0 m，加固厚度為17.35 m，即TBM中心高程上、下分別為11.75 m、5.6 m。TBM接收井外徑為32.0 m，內(nèi)徑為24.5 m，井深約52.55 m。弱風(fēng)化巖面以上工作井由地下連續(xù)墻和逆作法內(nèi)襯墻組成，地下連續(xù)墻墻厚為1.0 m，逆作法內(nèi)襯墻厚為1.2 m；弱風(fēng)化巖面以下工作井為圍巖噴錨支護(hù)和逆作法內(nèi)襯墻組成，逆作法內(nèi)襯墻厚為1.0 m。 原1#、2#TBM接收豎井平面、橫斷面見圖2～3。

圖2 TBM接收豎井平面布置示意

圖3 TBM接收豎井橫斷面示意

2.2 優(yōu)化緣由

根據(jù)榕江關(guān)埠引水工程水力過渡過程仿真模擬與泵站前池防淤排沙效果研究成果，加壓泵站6臺(tái)水泵工作，輸水系統(tǒng)按最大供水流量20 m3/s，6臺(tái)水泵同時(shí)掉電的計(jì)算條件下，高位水池發(fā)生漏空現(xiàn)象，部分輸水隧洞會(huì)出現(xiàn)不同程度的進(jìn)氣?？紤]利用已有建筑物作為調(diào)壓設(shè)施對(duì)避免高位水池漏空有利，而原有高位水池由于征地原因無法擴(kuò)大尺寸；從山體擴(kuò)挖與高位水池連通的儲(chǔ)水箱方案又與1#TBM掘進(jìn)工作面交叉、施工難度較大、影響工期；因此，在高位水池基礎(chǔ)上，擬將高位水池后約7.7 km處的1#、2#TBM設(shè)備接收井兼顧作調(diào)節(jié)池使用。經(jīng)水力過渡過程仿真分析，考慮高位水池和1#、2#TBM接收豎井聯(lián)合調(diào)壓的情況下，可有效解決上述過渡過程問題。

由于1#、2#TBM接收井位置為基本農(nóng)田范圍，該地塊征地遲遲未能落實(shí)，而輸水線路周邊無合適場地布置接收井，因此，經(jīng)現(xiàn)場參建各方研究，決定采用接收平洞形式替代接收豎井方案，接收平洞斷面尺寸由水力過渡課題組計(jì)算確定。優(yōu)化后原1#、2#TBM接收井的設(shè)備接收及調(diào)壓功能由接收平洞承擔(dān)，避免了大直徑高豎井的施工難度及風(fēng)險(xiǎn)，且接收平洞洞口布置在基本農(nóng)田范圍以外，征地相對(duì)容易。

3 優(yōu)化后的1#、2#TBM接收平洞方案設(shè)計(jì)

3.1 總體布置

取消位于樁號(hào)SD7+708處的接收豎井，并于SD8+000官坑村附近布置洞口、設(shè)置約650 m長的平洞于樁號(hào) SD8+598處與主洞銜接，稱“1#、2#TBM接收平洞”(兼顧永久調(diào)壓洞)，同時(shí)進(jìn)洞后沿上下游各設(shè)置250 m主洞鉆爆段。該鉆爆段為TBM解體場，TBM掘進(jìn)機(jī)總長約425 m，到達(dá)拆解后，分體從接收平洞運(yùn)出。原豎井及新增接收平洞位置示意見圖4。

圖4 原豎井及新增接收平洞示意(箭頭為TBM掘進(jìn)方向)

3.2 洞口位置的選擇

受官坑村基本農(nóng)田及征地范圍的限制，經(jīng)查勘后發(fā)現(xiàn)合適的進(jìn)洞口位置僅余豎井西側(cè)的山坡地。本次擬定南北向2個(gè)進(jìn)口洞，洞口位置比選見圖5所示。

圖5 接收平洞洞口位置比選示意

方案一：北向進(jìn)洞口，平臺(tái)高程為67.00 m，寬為10.0～54.0 m，長為51.50 m，呈梯形布置；邊坡開挖坡比為1:1.5，采用框格梁草皮護(hù)坡支護(hù)；隧洞長為635.53 m，洞底高程為16.75～67.00 m，坡比為7.90%。

方案二：南向進(jìn)洞口，平臺(tái)高程為67.00 m，寬為26.50 m，長為18.0～25.0 m，呈梯形布置；邊坡開挖坡比為1:1.5，采用框格梁草皮護(hù)坡支護(hù)；隧洞長為673 m，洞底高程為16.75～67.00 m，坡比為7.46%。

受征地邊界影響，方案二洞口平臺(tái)尺寸較方案一小，施工布置較為緊張；現(xiàn)狀沖溝穿越方案二邊坡，需進(jìn)行改道；同時(shí)方案二進(jìn)洞口覆土厚度較為單薄，進(jìn)洞條件劣于方案一。

因此，本次擬選擇方案一作為 “1#、2#TBM接收平洞”的進(jìn)洞口。

3.3 隧洞地質(zhì)情況

按最新選定的隧洞線路，進(jìn)行了補(bǔ)充鉆孔，洞口及沿線共布置5個(gè)地質(zhì)鉆孔(鉆孔ZKF01～05)。

根據(jù)現(xiàn)場勘察，接收洞沿線為一單邊漸高的山體，地形完整，沖溝不發(fā)育，地面最高高程約250 m，進(jìn)洞點(diǎn)為一山間小盆地，地面高程約68 m，地面平坦，為農(nóng)田區(qū)，主要種植有桑樹。接收洞地層巖性為燕山期花崗巖，其中接收洞樁號(hào)0+000～0+240段隧洞圍巖主要為全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化巖，全風(fēng)化巖實(shí)際已風(fēng)化成硬塑～堅(jiān)硬土，為土質(zhì)隧洞，強(qiáng)風(fēng)化巖巖質(zhì)軟弱，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，因此，該段初步判定為Ⅴ類圍巖；0+240～0+635段隧洞圍巖主要為弱風(fēng)化～微風(fēng)化巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體一般屬較完整，局部發(fā)育斷層，斷層帶附近巖體略為破碎，該段絕大部分為Ⅲ類圍巖，僅斷層帶附近局部少量Ⅳ類圍巖。隧洞位于地下水位線以下，斷層帶及全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖洞段地下水相對(duì)豐富，局部可能有較多滲滴水或股狀涌水，需做好隧洞排水工作。

3.4 隧洞線路布置

根據(jù)榕江關(guān)埠引水工程水力過渡過程仿真模擬與泵站前池防淤排沙效果研究分析，1#、2#接收井改平洞后，為滿足調(diào)壓需求，運(yùn)行期水位38 m高程以下接收平洞斷面面積需調(diào)整至75 m2。

1#、2#TBM接收平洞作為永久檢修通道兼做調(diào)壓建筑物，運(yùn)行期水位淹沒高程為38 m，隧洞長為635.53 m，洞底高程為16.75～67.00 m，坡比為7.90%。

根據(jù)最新地質(zhì)鉆孔揭露情況(鉆孔ZKF01～05)，接收平洞中：Ⅲ類圍巖長度為397.97 m； Ⅳ類圍巖長度為90.97 m；Ⅴ類圍巖長度為146.59 m。

按《榕江關(guān)埠引水工程1#、2#TBM接收井改支洞、3#TBM隧洞段局部改鉆爆隧洞設(shè)計(jì)變更審查會(huì)會(huì)議紀(jì)要》精神，結(jié)合TBM接收尺寸要求，本次優(yōu)化接收平洞Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖范圍的永久結(jié)構(gòu)洞徑選取5.36 m(樁號(hào)ZD0+000～ZD0+366.774)。為減輕TBM施工進(jìn)度壓力及TBM解體需要，接收平洞完成后，需采用鉆爆法往上下游主洞施工，該段永久結(jié)構(gòu)洞徑選取5.36 m，施工長度根據(jù)1#、2#TBM掘進(jìn)效率和所處的地質(zhì)條件決定，本次暫定為向主洞上、下游各鉆爆250 m。

本次利用1#、2#TBM接收平洞作為調(diào)壓設(shè)施，考慮適當(dāng)加大洞室下部容積對(duì)避免高位水池露頂有利，因此，38 m高程以下(樁號(hào)ZD0+366.774～ZD0+602.732)接收平洞永久洞徑選取為8.5 m×9.0 m。

接收平洞的平面布置見圖6，縱斷面見圖7。

圖6 接收平洞平面布置示意

圖7 接收平洞縱斷面布置示意

3.5 接收平洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)進(jìn)洞口設(shè)計(jì)

接收平洞進(jìn)洞口地面地質(zhì)情況為全風(fēng)化土，邊坡為坡積層。本次設(shè)計(jì)洞口平臺(tái)高程為67.00 m，寬為10.0～54.0 m，長為51.50 m，呈梯形布置；邊坡開挖坡比為1:1.5，邊坡支護(hù)采用土釘錨桿φ25 mm垂直于坡面布置，單根錨桿長度為4.0 m，間距為2.0 m×2.0 m；坡面設(shè)φ50 mm排水孔，孔深為4.0 m，間距為2.0 m×2.0 m，孔內(nèi)埋設(shè)PVC花管；邊坡護(hù)面采用框格梁草皮護(hù)坡，同時(shí)土釘錨桿應(yīng)錨入框格梁節(jié)點(diǎn)。

2)隧洞橫斷面設(shè)計(jì)

接收洞隧洞樁號(hào)為ZD0+000～ZD0+635.531，總長為635.53 m，洞底高程為67.00～16.75 m，坡比為7.90%，斷面為城門洞形。

ZD0+000.000～ZD0+366.774段中，Ⅳ、Ⅴ類圍巖及鎖口段噴砼掛網(wǎng)厚度為150 mm、200 mm，側(cè)墻及頂拱設(shè)φ20系統(tǒng)錨桿L=2.50 m@1.0 m×1.0 m；Ⅲ類圍巖段噴砼厚度為100 mm，頂拱及邊墻范圍內(nèi)設(shè)置φ20系統(tǒng)錨桿L=2.50 m@2.0 m×2.0 m；本段內(nèi)側(cè)襯砌厚度為400 mm，二襯后洞徑為5.36 m×5.38 m(寬×高)，拱頂120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，后對(duì)全斷面采用固結(jié)灌漿，每排設(shè)8孔，孔深入巖5.0 m，排間距為2.50 m，梅花形布置。

ZD0+366.774～ZD0+602.732段中，Ⅲ類圍巖段噴砼厚度為100 mm，頂拱及邊墻范圍內(nèi)設(shè)置φ25系統(tǒng)錨桿L=6.00 m@2.0 m×2.0 m；本段內(nèi)側(cè)襯砌厚度為400 mm，二襯后洞徑為8.50 m×9.00 m(寬×高)，拱頂120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，后對(duì)全斷面采用固結(jié)灌漿，每排設(shè)12孔，孔深入巖5.0 m，排間距為2.50 m，梅花形布置。

主洞500 m鉆爆段樁號(hào)范圍為SD8+331.391～SD8+831.391，Ⅲ類圍巖段噴砼厚度為100 mm，頂拱及邊墻范圍內(nèi)設(shè)置φ20系統(tǒng)錨桿L=2.50 m@2.0 m×2.0 m；本段內(nèi)側(cè)襯砌厚度為400 mm，二襯后洞徑為5.36 m×5.38 m(寬×高)，拱頂120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，后對(duì)全斷面采用固結(jié)灌漿，每排設(shè)8孔，孔深入巖5.0 m，排間距為2.50 m，梅花形布置。

部分典型斷面(以Ⅳ類圍巖段為例)形式見圖8。

4 征地、工期及投資等變化

原1#、2#TBM接收豎井處于永久基本農(nóng)田范圍內(nèi)，難以征收，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序繁多、施工場地狹小，工序有地下連續(xù)墻、深井爆破、主體內(nèi)襯墻、排樁帷幕、預(yù)應(yīng)力錨桿及大體積底板等，施工工期約14個(gè)月，工期長，投資大。因此，取消了位于樁號(hào)SD7+708處的1#、2#TBM接收豎井，新增位于官坑村的1#、2#TBM 接收平洞(兼顧永久調(diào)壓洞)。

圖8 接收洞Ⅳ類圍巖開挖支護(hù)剖面示意(單位：mm)

通過設(shè)計(jì)優(yōu)化：

1)未降低工程標(biāo)準(zhǔn)，不影響工程原有功能；

2)工程征占地容易解決；

3)平洞段總工期為9.5個(gè)月，較豎井工期大大縮短；

4)投資節(jié)省約1 056.57萬元。

5 結(jié)語

1#、2#TBM接收井改平洞方案征地手續(xù)簡單、施工過程安全可控、可有效縮短施工工期、工程投資大幅節(jié)省，該設(shè)計(jì)變更上報(bào)廣東省水利廳，并獲批復(fù)。1#、2#TBM接收平洞正在建設(shè)，截止2021年2月，1#、2#TBM接收平洞已完成淺埋暗挖段約131.5 m。

TBM掘進(jìn)機(jī)的接收方式受地形、地質(zhì)等條件影響較大，本工程將位于山區(qū)深約52.55 m的TBM設(shè)備接收豎井優(yōu)化為635 m長的TBM接收平洞，優(yōu)化后工期、造價(jià)等效益明顯，可供類似工程參考。