德建水庫供水工程輸水隧洞采用鉆爆法與TBM法施工方法的比選

黃銘楷

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

1 工程概況

連山縣德建水庫供水工程以德建水庫為水源，從德建水庫主壩左岸非溢流壩段位置取水，通過輸水管道及輸水隧洞，滿足連山縣吉田鎮(zhèn)(含縣城)、福堂鎮(zhèn)和永和鎮(zhèn)約5.68萬城鎮(zhèn)居民的供水需求。供水設(shè)計(jì)水平年：基準(zhǔn)年為2018年，近期規(guī)劃水平年為2025年，遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年為2035年。德建水庫城鎮(zhèn)生活工業(yè)供水保證率取97%，農(nóng)業(yè)灌溉保證率取90%。年平均取水量為1 049萬m3，設(shè)計(jì)供水流量為0.5 m3/s。

工程等別為Ⅲ等中型，相應(yīng)主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)。主要建筑物為擴(kuò)建石龍嘴水廠、新建輸水隧洞、新建輸水管道及附屬建筑物等。次要永久建筑物包括廠區(qū)附屬建筑物等。

工程采用單線供水，輸水線路總長為11.5 km，其中埋管段總長為4.0 km，普通埋管采用DN800球墨鑄鐵管，跨河及穿路段采用DN800鋼管方式穿越；隧洞段總長為7.5 km，采用鉆爆法及TBM法結(jié)合的方式掘進(jìn)。

2 輸水線路布置的要求

水工隧洞在發(fā)電、供水工程中的應(yīng)用越來越多，其線路布置是水工隧洞設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的要素，它直接影響到水工隧洞的水力計(jì)算、工程施工、工程投資、運(yùn)行管理等諸多方面[1]。

連山縣既是廣東省16個(gè)扶貧重點(diǎn)縣之一，又是廣東省3個(gè)少數(shù)民族自治縣之一，縣級(jí)財(cái)政基礎(chǔ)薄弱，農(nóng)民收入較低，自籌能力有限，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，隨著連山經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近年城鎮(zhèn)供水壓力越來越大，現(xiàn)有水源可供水量已經(jīng)難以保障供水安全，建設(shè)德建水庫供水工程是解決連山縣吉田鎮(zhèn)(含縣城)、永和鎮(zhèn)和福堂鎮(zhèn)等少數(shù)民族地區(qū)飲水困難的有效途徑之一。因此，通過優(yōu)化德建水庫供水工程輸水線路，從而縮短施工工期、降低工程投資及運(yùn)行成本顯得格外重要。

合理的水工隧洞線路布置要保證結(jié)構(gòu)合理、力學(xué)穩(wěn)定、輸水效率高、工程造價(jià)低、工期短、運(yùn)行管理最方便，使其充分發(fā)揮設(shè)計(jì)使用功能，水工隧洞線路布置須滿足以下總體要求[2-4]：① 隧洞軸線線路最短；② 盡量避免相鄰建筑物的不利影響；③ 與地質(zhì)構(gòu)造成大交角；④ 滿足最小覆蓋層厚度要求；⑤ 水流條件好，水頭損失小；⑥ 便于施工支洞、調(diào)壓井的布置。

3 洞線比選的基礎(chǔ)及優(yōu)化方向

3.1 輸水線路總體走向及基礎(chǔ)條件

前期經(jīng)過輸水方式、取水口及交水點(diǎn)的選擇，管道隧道組合線路與全管道線路的水力計(jì)算及投資比選，最終確定德建水庫供水工程輸水線路的總體走線。起點(diǎn)為德建水庫預(yù)留輸水管末端，向西沿盤石水左岸埋管至S263省道后向北跨過盤石水，沿著S263省道埋管至042鄉(xiāng)道與S263省道相接處山坡腳下入洞口，為保證最小覆蓋層厚度，洞線在龍水河位置向上游偏移600 m，繞過龍水河覆蓋層厚度較淺處后，拐向東北偏北方向，直線布置到吉田鎮(zhèn)出洞口，出洞后埋管穿越高樓水，再順766鄉(xiāng)道埋管至石龍嘴水廠(見圖1)。其中埋管采用重力有壓流輸水方式，隧洞采用無壓輸水方式，尺寸滿足施工及檢修通車的最小尺寸要求。

圖1 輸水線路總體走向示意

3.2 洞線的優(yōu)化方向

由于供水隧洞長達(dá)7.5 km，如全線采用鉆爆法施工，需考慮布置施工支洞，滿足施工期通風(fēng)和出渣等需求。在現(xiàn)場查勘的基礎(chǔ)上，綜合考慮地形地質(zhì)、支洞長度、施工道路、棄渣場地、洞口高程等條件，確定位于龍水河與二廣高速交匯位置附近及吉田鎮(zhèn)龍水村附近兩處位置較適合布置施工支洞進(jìn)洞口。按目前輸水線路總體走向布置的施工支洞，洞長分別為1.0 km和1.25 km。但是，TBM掘進(jìn)法施工進(jìn)度比較快，同時(shí)可集成出渣系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)，故不同于鉆爆掘進(jìn)法，可不設(shè)置施工支洞。

本次將對(duì)鉆爆法與TBM法進(jìn)行比選，對(duì)比2種施工方法的主隧洞長度、施工支洞長度、供水條件、施工工期、征地移民及工程投資，從中選擇最優(yōu)方案。

4 輸水隧洞施工方法的比選

4.1 全線鉆爆法掘進(jìn)

1) 隧洞線路布置

根據(jù)平面布置，在考慮上施工支洞長度的前提下，原方案隧洞總長度仍有一定優(yōu)化空間。本次對(duì)比原方案與適當(dāng)增加主洞長度，減少支洞長度方案的投資大小。比選方案1(見圖2)：隧洞主洞長7.5 km，支洞長分別為1.0 km和1.25 km，總長度為9.75 km；比選方案2(見圖2)：隧洞主洞長7.6 km，支洞長分別為0.65 km和0.85 km，總長度為9.1 km。投資對(duì)比結(jié)果見表1所示。

圖2 鉆爆法洞線布置方案比選平面示意

表1 鉆爆法線路投資對(duì)比萬元

由于工程供水流量較小，隧洞尺寸大小主要取決于施工條件與檢修要求。所以主隧洞尺寸與施工支洞尺寸相似，每公里投資相近。從表1可得出比選方案2較比選方案1要節(jié)省818.9萬元，故本次全線鉆爆法的線路選擇經(jīng)多次轉(zhuǎn)折后的比選方案2。

該方案供水隧洞長為7.6 km，從鄉(xiāng)道與省道相接處山坡腳下入洞口，向東北方向繞過龍水河覆蓋深度較淺處后，轉(zhuǎn)向正北靠近適合布置施工支洞山頭，再轉(zhuǎn)向東北方向靠近另一適合布置施工支洞位置，最后向北偏轉(zhuǎn)至出洞口。

2) 隧洞施工斷面形式

該方案根據(jù)供水流量、施工方法及施工條件，全線選用城門洞形斷面，隧洞尺寸主要制約因素為施工條件及檢修要求。根據(jù)地質(zhì)圍巖情況，噴混凝土或鋼筋砼內(nèi)襯，襯砌后凈寬為3.0 m，凈高為3.6 m城門洞形(見圖3～圖4)。

圖3 隧洞鉆爆法典型斷面示意(Ⅲ類圍巖)(單位：mm)

圖4 隧洞鉆爆法典型斷面示意(Ⅳ～Ⅴ類圍巖)(單位：mm)

3) 施工條件

鉆爆法施工適用范圍比較廣,不受隧洞形狀及斷面尺寸的限制,并可以隨時(shí)改變。對(duì)各類圍巖均能適用,施工設(shè)備簡單,施工工藝靈活,可根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件變化,制定相應(yīng)的施工方案，更適用于短隧道。缺點(diǎn)是施工工序多、安全性差、掘進(jìn)速度慢、通風(fēng)條件差等[5-6]。經(jīng)測算輸水隧洞全線采用鉆爆法掘進(jìn)，總工期為62個(gè)月。

4) 征地范圍

洞線路長達(dá)7.6 km公里，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，采用爆法施工需適當(dāng)設(shè)置施工支洞。本次設(shè)置兩個(gè)施工支洞，分別位于龍水河與二廣高速交匯位置附近及吉田鎮(zhèn)龍水村附近，均在連山縣縣界以外。同時(shí)支洞洞口需進(jìn)行邊坡支護(hù)，并設(shè)置施工道路連接外部。施工支洞的設(shè)置對(duì)征地投資有所影響，且征地難度較大。

5) 工程投資

該方案總投資為38 441.29萬元，其中工程部分靜態(tài)投資為33 021.29萬元，建設(shè)征地移民補(bǔ)償靜態(tài)投資為2 086.17萬元，水土保持工程靜態(tài)投資為433.86萬元，環(huán)境保護(hù)工程靜態(tài)投資為403.37萬元，專項(xiàng)債利息為2 400.00萬元(見表2)。

表2 隧洞采用鉆爆法下的工程總投資 萬元

4.2 TBM法為主，鉆爆法為輔

1) 隧洞線路布置

對(duì)于德建水庫供水工程，在無法設(shè)置施工支洞的情況下，可將地質(zhì)條件較差的隧洞進(jìn)出口段0.5 km交給單向施工控制長度較短的鉆爆法，中段圍巖條件較好的7.0 km采用TBM法。故隧洞開挖以 TBM 為主、鉆爆法為輔。隧洞線路按原輸水線路總體走向布置，該方案隧洞全長為7.5 km，從鄉(xiāng)道與省道相接處山坡腳下入洞口，向東北方向繞過龍水河覆蓋深度較淺處后，轉(zhuǎn)向東北偏北方向至出洞口。

2) 掘進(jìn)機(jī)選型

對(duì)于硬巖隧洞掘進(jìn)機(jī)，目前國內(nèi)外主要采用雙護(hù)盾式和敞開式2種，其形式的選擇主要考慮地質(zhì)條件、隧洞埋深及其斷面尺寸。從掘進(jìn)機(jī)的使用功能上看，敞開式和雙護(hù)盾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；對(duì)于成洞條件較差的洞段，敞開式掘進(jìn)機(jī)有不易被擠壓、卡機(jī)，脫困靈活，便于實(shí)施其他工程措施等優(yōu)勢(shì)。而雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)則由于護(hù)盾較長，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，但由于不易接觸到圍巖，處理不良地質(zhì)洞段比較困難。在護(hù)盾式TBM的應(yīng)用上，洞內(nèi)采用混凝土襯砌較多，護(hù)盾式TBM施工速度優(yōu)勢(shì)較明顯，但造價(jià)相對(duì)較高[7]。

本工程輸水隧洞中段7.0 km圍巖條件均較好，洞壁以錨噴支護(hù)的襯砌形式為主，而雙護(hù)盾明顯發(fā)揮不了設(shè)備的優(yōu)勢(shì)[8]。根據(jù)地質(zhì)條件，隧洞中段7.0 km地層條件主要以Ⅲ類圍巖為主，巖石抗壓強(qiáng)度在80～120 MPa之間，且沿線地下水不豐富，總體穩(wěn)定性較好，適宜采用敞開式TBM掘進(jìn)[9-10]。

3) 隧洞施工斷面形式

根據(jù)供水流量、施工方法、施工條件及地質(zhì)圍巖情況選取該方案的施工斷面形式，隧洞尺寸主要制約因素為施工方法及現(xiàn)有TBM設(shè)備最小尺寸。經(jīng)中鐵華隧聯(lián)合重型裝備有限公司了解到，目前，國內(nèi)應(yīng)用較成熟，且洞徑較小的TBM設(shè)備其開挖洞徑為3.8 m。故本次選用3.8 m作為TBM掘進(jìn)法的開挖洞徑。隧洞進(jìn)口段0.3 km及隧洞出口段0.2 km范圍內(nèi)以Ⅳ～Ⅴ類圍巖為主，采用鉆爆法施工，施工斷面為城門洞型，內(nèi)壁采用鋼筋砼內(nèi)襯，考慮TBM設(shè)備的通過性，襯砌后凈寬為4.3 m，凈高為4.35 m；隧洞中段7.0 km范圍以Ⅲ類圍巖為主，采用TBM法掘進(jìn)，施工斷面為圓洞形，開挖洞徑為3.8 m，噴混凝土后凈洞徑為3.6 m(見圖5～圖6)。

圖5 隧洞進(jìn)口段典型斷面示意(Ⅳ～Ⅴ類圍巖)(單位：mm)

圖6 隧洞中間段TBM法典型斷面示意(Ⅲ類圍巖)(單位：mm)

4) 施工條件

TBM法較鉆爆法工序簡單、施工速度快、安全性好，適用于工期要求緊、且以硬質(zhì)巖為主的圓形長隧道[11]。但TBM法地質(zhì)適應(yīng)能力較差，本次選用的敞開式TBM無法通過較大范圍的Ⅳ～Ⅴ類圍巖，需要采用鉆爆法銜接。經(jīng)測算輸水隧洞進(jìn)出口段采用鉆爆法，中段采用TBM法掘進(jìn)，總工期為48個(gè)月。

5) 對(duì)征地的影響

該方案無需設(shè)置施工支洞，對(duì)征地要求達(dá)到最小化。

6) 工程投資

該方案總投資為40 722.3萬元，其中工程部分靜態(tài)投資為36 556.42萬元，建設(shè)征地移民補(bǔ)償靜態(tài)投資為1 792.05萬元，水土保持工程靜態(tài)投資為433.86萬元，環(huán)境保護(hù)工程靜態(tài)投資為403.37萬元，專項(xiàng)債利息為1 440.00萬元(見表3)。

表3 隧洞采用TBM法下的工程總投資 萬元

4.3 施工方法比選

本次在線路長度、供水條件、施工工期、施工方法、征地移民及工程投資等多方面對(duì)鉆爆掘進(jìn)法及TBM掘進(jìn)法進(jìn)行綜合比選，綜合對(duì)比見表4。

表4 綜合對(duì)比

根據(jù)表4可見，2個(gè)方案在線路長度、供水條件方面差別不大。主TBM法在施工工期、征地移民等多方面均優(yōu)于全線鉆爆法，但在工程投資方面，全線鉆爆法要優(yōu)于主TBM法，工程投資各項(xiàng)對(duì)比見表5。

表5 工程概算對(duì)比 萬元

從經(jīng)濟(jì)角度考慮，全線鉆爆法更適合作為該輸水隧洞的施工方案。但是，鑒于近年來工程所在地與臨近縣市在征地問題上糾紛較多，且均難以得到解決。本次對(duì)兩支洞口用地屬性及附近村民意愿進(jìn)行了調(diào)查，并綜合考慮連山供水需求的迫切性及連山縣地方意見，最終確定該工程輸水隧洞采用TBM法為主，鉆爆法為輔的施工方案。

5 結(jié)語

不同的隧洞掘進(jìn)方式，對(duì)于施工支洞、施工工期、征地移民及工程投資均有一定程度的影響。對(duì)于短隧洞或地質(zhì)情況復(fù)雜的隧洞，采用鉆爆掘進(jìn)法施工無疑是首選。而對(duì)于長隧洞，不需要布置施工支洞集成出渣通風(fēng)系統(tǒng)的TBM掘進(jìn)法卻更勝一籌，但圍巖狀況較差的隧洞進(jìn)出口段，TBM設(shè)備無法掘進(jìn)通行，仍需鉆爆法配合，因需要滿足TBM設(shè)備通行需求，進(jìn)出口段鉆爆洞徑或會(huì)比全段采用鉆爆法的隧洞要大。TBM法施工較鉆爆法施工可減少施工支洞和施工準(zhǔn)備工程，工作面的減少易于施工管理，節(jié)省大量管理費(fèi)用[12]。但受地質(zhì)條件、隧洞總長度及設(shè)備總造價(jià)等因素影響，投資未必比需要施工支洞的鉆爆法要少。在施工進(jìn)度上，TBM法要比鉆爆法快很多，綜合進(jìn)尺一般為500～800 m/月[13]。但對(duì)于總工期較短的工程，應(yīng)綜合考慮前期TBM設(shè)備制造、安裝及調(diào)試所占用的時(shí)間。