香爐山深埋長(zhǎng)隧洞TBM法及鉆爆法施工方案研究

朱學(xué)賢 吳俊 蘇利軍 劉波

摘要：滇中調(diào)水工程的控制性項(xiàng)目——香爐山隧洞長(zhǎng)62.596km，具有超長(zhǎng)距離、大斷面、大埋深等特點(diǎn)，是目前在地殼活動(dòng)性較強(qiáng)地區(qū)尚無施工先例的長(zhǎng)距離深埋輸水線路，施工難度極大。結(jié)合香爐山隧洞地形、地質(zhì)情況以及施工支洞布置條件等，經(jīng)多方比選確定了“TBM法+鉆爆法”的總體施工方案，即在隧洞進(jìn)出口以及主要不良地質(zhì)洞段處設(shè)置施工支洞，采用鉆爆法開挖規(guī)模較大的3條區(qū)域性斷裂及部分不良地質(zhì)洞段;其余地質(zhì)條件較好洞段或無施工支洞布置條件段采用TBM法施工。以施工工期最優(yōu)為目標(biāo)，分析確定了鉆爆法和TBM法施工分段長(zhǎng)度，并制定了TBM組裝、轉(zhuǎn)場(chǎng)與拆卸方案。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似工程借鑒。

關(guān) 鍵 詞：香爐山隧洞;隧洞掘進(jìn);鉆爆法;TBM法;滇中引水工程

中圖法分類號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-4179（2021）09-0167-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.027

0 引 言

滇中引水工程是國(guó)務(wù)院批復(fù)的《長(zhǎng)江流域綜合利用規(guī)劃簡(jiǎn)要報(bào)告（1990年修訂）》《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃（2010～2030年）》和《長(zhǎng)江流域綜合規(guī)劃（2012～2030年）》提出解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水的特大型跨流域調(diào)水工程，以解決滇中地區(qū)的城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)[1]。

滇中引水工程位于云南省境內(nèi)，工程主要建設(shè)內(nèi)容包括水源工程和輸水工程2個(gè)部分。水源工程在金沙江石鼓段右岸無壩引水，經(jīng)石鼓泵站提水，由引水渠（兼沉沙池）、進(jìn)水塔、進(jìn)水隧洞及涵管、地下泵站、出水隧洞、出水池和地面開關(guān)站等建筑物組成[2]。輸水工程經(jīng)香爐山隧洞、洱海東岸長(zhǎng)育村、楚雄萬家、昆明新莊、玉溪杞麓湖西岸至紅河新坡背，總長(zhǎng)664.236 km，主要建筑物包括隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵等，以隧洞為主，約占總干渠全長(zhǎng)的92%。香爐山隧洞是滇中引水線路中最長(zhǎng)的深埋隧洞，長(zhǎng)62.596 km，穿越金沙江、瀾滄江分水嶺，為目前在地殼活動(dòng)性較強(qiáng)地區(qū)尚無施工先例的長(zhǎng)距離深埋輸水線路，施工難度極大，是整個(gè)滇中引水工程控制性項(xiàng)目[2]。

1 香爐山隧洞地質(zhì)概況

香爐山隧洞長(zhǎng)62.596 km，埋深一般為600～1 000 m，最大埋深1 450 m，穿越打鑼箐、白漢場(chǎng)谷地、汝南河、花椒箐、銀河等水系，常年流水。沿線出露泥盆系下統(tǒng)冉家灣組（D1r）、中統(tǒng)窮錯(cuò)組（D2q）、二疊系玄武巖組（Pβ）、黑泥哨組（P2h）、三疊系下統(tǒng)青天堡組（T1q）、中統(tǒng)（T2a、T2b）、北衙組（T2b）、上統(tǒng)中窩組（T3z）、松桂組（T3sn）、燕山期不連續(xù)分布的侵入巖、第三系（E+N）及第四系（Q）等地層，巖性主要包括灰?guī)r類、泥砂巖類、玄武巖類、片巖類等;穿越軟巖長(zhǎng)13.1 km，占比20.9%;穿越可溶巖長(zhǎng)17.9 km，占比28.5%。區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育，沿線分布有大栗樹斷裂（F9）、龍?bào)?喬后斷裂（F10）、麗江-劍川斷裂（F11）、鶴慶-洱源斷裂（F12）等全新世活動(dòng)斷裂。

香爐山隧洞區(qū)分布Ⅰ白漢場(chǎng)巖溶水系統(tǒng)、Ⅱ拉什海巖溶水系統(tǒng)、Ⅳ鶴慶-西山巖溶水系統(tǒng)Ⅳ-5子系統(tǒng)、Ⅴ清水江-劍川巖溶水系統(tǒng)Ⅴ-1與Ⅴ-2子系統(tǒng)。

灰?guī)r類強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶厚度一般為200～400 m，灰?guī)r夾片巖類強(qiáng)風(fēng)化厚度一般為20～50 m，局部呈夾層風(fēng)化，玄武巖類強(qiáng)風(fēng)化厚度一般為20 m～40 m，局部50 m以上。隧洞深埋洞段應(yīng)力主要為中等～高地應(yīng)力水平，局部為極高地應(yīng)力水平。局部存在高地溫，黑泥哨組煤層有自燃傾向性。

香爐山隧洞圍巖詳細(xì)分類為：Ⅲ1類圍巖長(zhǎng)7.6 km，占隧洞長(zhǎng)度的12.1%;Ⅲ2類圍巖長(zhǎng)13.0 km，占20.8%;Ⅳ類圍巖長(zhǎng)28.2 km，占45.1%;Ⅴ類圍巖長(zhǎng)13.7 km，占22.0%。Ⅳ、Ⅴ類圍巖合計(jì)長(zhǎng)約41.9 km，約占隧洞長(zhǎng)度的67.1%，圍巖穩(wěn)定問題突出。香爐山隧洞工程地質(zhì)剖面示意如圖1所示。

2 香爐山隧洞結(jié)構(gòu)型式

香爐山隧洞需滿足135 m3/s的過流能力要求，從水力學(xué)角度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮，采用圓形斷面。

隧洞TBM段擬采用敞開式TBM施工，開挖斷面直徑9.8 m，Ⅲ1、Ⅲ2類圍巖內(nèi)徑8.5 m，Ⅳ～Ⅴ類圍巖內(nèi)徑8.4 m。鉆爆段Ⅲ1～Ⅴ類圍巖內(nèi)徑8.3 m，活動(dòng)斷裂帶內(nèi)徑8.8 m。

在香爐山圍巖穩(wěn)定分析及隧洞過活斷層研究的基礎(chǔ)上，按隧洞的不同施工方法、不同圍巖類別、不同埋深級(jí)別及滲流情況組合提出各類支護(hù)與襯砌措施[3]。初期采用“錨噴支護(hù)+二次支護(hù)”的方式，初期錨噴支護(hù)型式根據(jù)不同圍巖類別選取，必要時(shí)采用管棚或超前小導(dǎo)管及鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)。

鉆爆段和TBM段部分典型支護(hù)結(jié)構(gòu)分別示于圖2～3。

3 香爐山隧洞總體施工方案

“長(zhǎng)洞短打、分段掘進(jìn)” [3-4]是超長(zhǎng)隧洞施工的基本方法，但如何根據(jù)圍巖條件、巖性分布情況、施工布置條件等，合理劃分洞段和優(yōu)選施工方案，既能充分發(fā)揮TBM的優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)掘進(jìn)長(zhǎng)度，提高施工效率;又能利用鉆爆法開挖不良地質(zhì)洞段，規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到工程造價(jià)最低、工期最優(yōu)，是一個(gè)極為復(fù)雜而重要的問題[5]。本文將根據(jù)香爐山隧洞的工期要求，地形、地質(zhì)情況[6]，施工支洞布置等條件，對(duì)香爐山隧洞總體施工方案進(jìn)行研究。

3.1 施工方案綜述

香爐山隧洞跨越金沙江與瀾滄江分水嶺，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。隧洞沿線地面高程一般為2 400～3 400 m，一般埋深為600～1 200 m，埋深大于600 m洞段累計(jì)長(zhǎng)42.2 km，占隧洞總長(zhǎng)67.4%，除在隧洞進(jìn)出口以及中間兩個(gè)槽谷外，其余洞段布置支洞較困難。因此，受地形條件的限制，若全部設(shè)置施工支洞采用鉆爆法開挖香爐山隧洞，則施工支洞最長(zhǎng)約7 km，施工工期長(zhǎng)，施工難度極大[7-10]。

香爐山隧洞沿線穿越大栗樹斷裂（F9）等13條大斷（裂）層，其中龍?bào)?喬后斷裂（F10）、麗江-劍川斷裂（F11）和鶴慶-洱源斷裂（F12）等為全新世活動(dòng)斷裂，主要地質(zhì)問題有斷層破碎帶、高地應(yīng)力下軟巖大變形和局部巖爆、突水涌泥等，不良地質(zhì)洞段占比大，且受限于目前TBM掘進(jìn)技術(shù)裝備[11]，不適宜全部采用TBM法施工[8]。

根據(jù)香爐山隧洞布置，以及沿線地質(zhì)條件和施工支洞布置條件，經(jīng)比較研究，采用“TBM法+鉆爆法”組合的施工方案，即在隧洞進(jìn)出口以及主要不良地質(zhì)洞段處設(shè)置施工支洞，采用鉆爆法開挖規(guī)模較大的3條區(qū)域性斷裂及部分不良地質(zhì)洞段[12-14];其余地質(zhì)條件較好洞段或無施工支洞布置條件洞段采用TBM法施工[15]。具體為：香爐山隧洞進(jìn)口至白漢場(chǎng)槽谷地勢(shì)相對(duì)較低，通過布置施工支洞采用鉆爆法施工;白漢場(chǎng)槽谷至汝南河槽谷，以及汝南河槽谷至隧洞出口處埋深大部分在800 m以上，難以布置施工支洞，這段采用2臺(tái)TBM施工;白漢場(chǎng)槽谷、汝南河槽谷為大斷裂及影響帶所在位置，通過合理布置施工斜井采用鉆爆法施工;隧洞出口段地勢(shì)相對(duì)較低，通過布置施工平洞采用鉆爆法施工[16]。

3.2 施工支洞布置情況及功能

根據(jù)香爐山隧洞“鉆爆法+TBM法”組合施工方案，考慮隧洞沿線地質(zhì)、地形條件，平衡施工工期原則等，施工支洞的布置及功能具體描述如下。

（1）1號(hào)、1-1號(hào)施工支洞。

香爐山隧洞1號(hào)、1-1號(hào)施工支洞布置在主洞的進(jìn)口段，主要作為鉆爆法開挖香爐山隧洞進(jìn)口段以及大栗樹斷裂帶（F9）的施工通道。其中1號(hào)施工支洞與主洞高差只有22 m左右，采用平洞型式;1-1號(hào)施工支洞與主洞高差達(dá)330 m左右，采用斜井型式。

（2）2號(hào)和3號(hào)施工支洞。

龍?bào)?喬后斷裂（F10）及影響帶范圍約3.5 km，為全新世活動(dòng)斷層，巖石破碎、地下水豐富，不適宜采用TBM法施工。斷裂及影響帶位于白漢場(chǎng)槽谷，槽谷與主洞的高差約350 m，可通過布置施工斜井進(jìn)入，作為鉆爆法開挖龍?bào)?喬后斷裂（F10）及影響帶范圍的施工通道。

（3）3-1號(hào)施工支洞。

香爐山隧洞在白漢場(chǎng)槽谷與汝南河槽谷間長(zhǎng)約6 km的洞段埋深在600～1 000 m左右，布置施工支洞的圍巖條件較差，此段主要為峨眉山組玄武巖，以III、IV圍巖為主，基本適宜TBM法施工。在白漢場(chǎng)槽谷下游側(cè)布置3-1號(hào)施工支洞，作為TBMa的施工通道。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，為滿足TBM皮帶機(jī)出渣的要求，3-1號(hào)施工支洞坡度小于15°。

（4）4號(hào)和5號(hào)施工支洞。

麗江-劍川斷裂（F11）、石灰窯斷裂及影響帶范圍約6.0 km，巖石破碎、地下水豐富，不適宜采用TBM法施工。斷裂及影響帶位于汝南河槽谷，槽谷與主洞的高程相對(duì)較小，約500 m，可通過布置施工斜井進(jìn)入，作為鉆爆法開挖麗江-劍川斷裂（F11）及影響帶的施工通道。待此斷裂及影響帶施工完成后，TBMa轉(zhuǎn)運(yùn)通過隧洞，繼續(xù)向下游掘進(jìn)。

（5）7號(hào)施工支洞。

香爐山隧洞7號(hào)施工支洞距TBMa掘進(jìn)末端長(zhǎng)度約22 km，埋深在600～1 400 m，難以通過布置施工支洞采用鉆爆法施工，只能采用TBM法施工。該支洞與主洞高差約120 m，可布置成平洞型式。

（6）8號(hào)施工支洞。

香爐山隧洞7號(hào)施工支洞距出口還有4.65 km，該段主洞的埋深較小，布置施工支洞的條件較好，在該段布置香爐山隧洞8號(hào)施工支洞作為主洞出口段施工通道。該支洞與主洞埋深約40 m，布置成平洞型式。

香爐山隧洞施工支洞布置特性列于表1。

3.3 施工分段分析

根據(jù)均衡施工原則，以控制工期的兩臺(tái)TBM施工為主線，按工期最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行TBM與相關(guān)鉆爆段工期協(xié)調(diào)，和TBMa與TBMb工期協(xié)調(diào)，來具體確定鉆爆法施工分段長(zhǎng)度和TBM法施工分段長(zhǎng)度。

香爐隧洞樁號(hào)000+000～015+900段內(nèi)分布有大栗樹斷裂（F9）、龍?bào)?喬后斷裂（F10）等，不宜用TBM法施工，共布置1號(hào)、1-1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)施工支洞作為施工通道，采用鉆爆法施工。

樁號(hào)015+900～023+240段通過布置3-1號(hào)施工支洞作為TBMa施工通道，主要采用TBM法施工。其中樁號(hào)015+900～016+565段采用鉆爆法施工，并作為TBMa的組裝室，待TBM在洞內(nèi)組裝完成后，向下游掘進(jìn)樁號(hào)016+565～023+240段。

樁號(hào)023+240～028+800段內(nèi)分布有麗江-劍川斷裂（F11）、石灰窯斷裂及影響帶范圍，TBM法施工適宜性差，布置4號(hào)、5號(hào)施工斜井作為施工通道，采用鉆爆法施工。

樁號(hào)016+565～023+240調(diào)段施工完成后，TBMa轉(zhuǎn)運(yùn)通過樁號(hào)023+240～028+800，繼續(xù)對(duì)樁號(hào)028+800～036+800段法施工。

樁號(hào)036+800～057+942段由7號(hào)施工支洞作為施工通道，采用TBMb由下游向上游施工。為加快施工進(jìn)度，支洞先采用鉆爆法施工，待TBM洞外組裝完成后再采用TBM法施工，TBMb完成支洞挖掘后繼續(xù)施工主洞。

鶴慶-洱源斷裂（F12）及影響帶長(zhǎng)約300 m，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)確定采用TBM法還是鉆爆法施工[16]。

樁號(hào)057+942～062+596段布置有香爐山隧洞8號(hào)施工支洞及香爐山隧洞出口作為施工通道，采用鉆爆法施工。

綜上所述，香爐山隧洞鉆爆段長(zhǎng)27.08 km，占整個(gè)隧洞總長(zhǎng)的43.26%，最大獨(dú)頭鉆爆長(zhǎng)度3.94 km;TBM掘進(jìn)段總長(zhǎng)35.52 km，占整個(gè)隧洞總長(zhǎng)的56.74%，共使用2臺(tái)TBM，其中TBMa掘進(jìn)段長(zhǎng)14.68 km、TBMb掘進(jìn)段長(zhǎng)20.84 km（不含支洞1.91 km），最大獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度21.31 km。

從工程設(shè)計(jì)條件、地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)性、工期和施工環(huán)境安全等方面進(jìn)行綜合比選，最后從便于不良地質(zhì)預(yù)報(bào)與處理方面考慮，該工程的兩臺(tái)TBM均選用敞開式[17]。

香爐山隧洞施工方案如圖4所示。

3.4 TBM組裝、轉(zhuǎn)場(chǎng)與拆卸方案

3.4.1 TBM組裝

3-1號(hào)施工支洞是TBMa始發(fā)通道，受地形條件的限制，支洞布置為14.31°的斜井，TBM組裝后難以步進(jìn)入洞，遂采用洞內(nèi)組裝方案[18]。

7號(hào)施工支洞作為TBMa始發(fā)通道，洞口場(chǎng)地開闊，具有場(chǎng)外組裝條件，且支洞自身采用TBM法施工，故采用洞外組裝方案。

3.4.2 TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)

對(duì)于TBMa，由于兩個(gè)掘進(jìn)段間為長(zhǎng)5.56 km的鉆爆開挖處理段，需要考慮TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)問題。轉(zhuǎn)場(chǎng)同樣有兩種選擇：① 整體滑行步進(jìn)通過鉆爆段至下一始發(fā)位置二次始發(fā);② 洞內(nèi)拆卸后，車運(yùn)通過鉆爆段后，在洞內(nèi)二次組裝后二次始發(fā)。對(duì)于洞內(nèi)整體滑行方案，同樣需擴(kuò)大主洞斷面且需布置滑軌底座，滑行時(shí)間也需約3個(gè)月。主洞鉆爆段本身開挖洞徑約10 m，由于洞室穩(wěn)定要求，必須及時(shí)施作二襯，所以如采用洞內(nèi)整體滑行方案，則需在二襯斷面（直徑8.4 m）內(nèi)布置滑軌底座及滑行，即使不考慮TBM重載滑行對(duì)永久襯砌結(jié)構(gòu)的影響，二襯凈斷面還需擴(kuò)大至少到10.4 m，則相應(yīng)主洞開挖斷面需擴(kuò)大至12.1 m，相當(dāng)于需擴(kuò)挖46.5%的斷面，經(jīng)濟(jì)上不合理。故選擇洞內(nèi)拆卸、運(yùn)輸、二次組裝的方案，由于拆卸洞和組裝洞有條件讓鉆爆法提前施工，而洞內(nèi)拆卸、運(yùn)輸、二次組裝工期按3個(gè)月計(jì)，在工期上也與洞內(nèi)整體滑行相當(dāng)。故TBMa轉(zhuǎn)場(chǎng)采用洞內(nèi)拆運(yùn)裝方案，即對(duì)TBM主機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單拆卸轉(zhuǎn)運(yùn)（拆卸后的部件能車運(yùn)通過即可），后配套不拆卸，整體牽引通過[19]。

而對(duì)于TBMb，由于鶴慶-洱源斷裂（F12）采用鉆爆法施工，具備洞內(nèi)滑行通過條件，TBMb轉(zhuǎn)場(chǎng)采用洞內(nèi)整機(jī)滑行方案。

3.4.3 TBM拆卸

TBMa在轉(zhuǎn)場(chǎng)通過4號(hào)、5號(hào)施工支洞控制鉆爆段前需對(duì)主機(jī)進(jìn)行一次拆卸，事先在4號(hào)施工支洞控制主洞上游側(cè)設(shè)置好拆卸洞，對(duì)TBMa進(jìn)行拆卸。

2臺(tái)TBM完成最終掘進(jìn)任務(wù)后，安排在洞內(nèi)拆卸。TBMa和TBMb相繼貫通于拆卸洞。由于不具備通過地表設(shè)支洞提前施工拆卸洞的條件，選擇從先到達(dá)貫通點(diǎn)的TBM側(cè)開挖旁通洞至刀盤前方擴(kuò)挖拆卸洞。拆卸洞施工完成后，一臺(tái)TBM駛?cè)氩鹦抖磧?nèi)開始拆卸，拆卸完成后再開始第二臺(tái)TBM的拆卸，兩臺(tái)TBM拆卸后原路運(yùn)出。

4 結(jié) 語

根據(jù)香爐山隧洞工期要求、地形地質(zhì)情況、斷面結(jié)構(gòu)以及施工支洞布置條件等，制定了“TBM法+鉆爆法”組合的施工方案，按施工工期最優(yōu)為目標(biāo)，分析確定了鉆爆法施工分段長(zhǎng)度和TBM法施工分段長(zhǎng)度，并對(duì)TBM組裝、轉(zhuǎn)場(chǎng)與拆卸方案進(jìn)行了分析研究。

目前工程正在施工進(jìn)行中，對(duì)于TBMa施工段，受麗江-劍川斷裂（F11）影響，4號(hào)、5號(hào)施工斜井圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，施工進(jìn)度受到極大影響，計(jì)劃在4號(hào)、5號(hào)施工斜井中間采取增加豎井工作面的措施，加快關(guān)鍵線路工期，同時(shí)也對(duì)4號(hào)、5號(hào)施工斜井采用超前灌漿等處理措施，積極推進(jìn)斜井自身的施工進(jìn)度。對(duì)于TBMb施工段，TBM已完成7號(hào)支洞掘進(jìn)，正向主洞段掘進(jìn)，施工進(jìn)展順利。

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（編輯：胡旭東）