東山供水工程隧洞施工方案比選

鄭如義

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

晉中東山供水工程9號(hào)隧洞進(jìn)口位于武鄉(xiāng)縣石盤鄉(xiāng)石塔莊村東約500 m處，該洞經(jīng)牛家嘴、草批溝，穿過(guò)汾河與濁漳河的分水嶺子金山，過(guò)黃風(fēng)溝、涉水老、菜家山、小峪溝、拾弓溝，出口位于祁縣來(lái)遠(yuǎn)鄉(xiāng)衛(wèi)生院西約500 m處，隧洞全長(zhǎng)22.64 km，其中石塔莊—牛家嘴為土洞段，長(zhǎng)2.27 km，牛家嘴—來(lái)遠(yuǎn)為巖石洞段，長(zhǎng)20.37 km。設(shè)計(jì)縱坡1/2 700。

9號(hào)隧洞巖石洞段長(zhǎng)20.37 km，埋深一般在200～600 m，為深埋長(zhǎng)隧洞。洞身段巖性主要為三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組紫紅色厚層狀泥巖、灰綠色厚層狀長(zhǎng)石砂巖和三疊系下統(tǒng)和尚溝組磚紅—紫紅色厚層砂質(zhì)泥巖夾中薄層砂巖。

沿線斷層較發(fā)育，共計(jì)18條，洞軸線與斷層走向基本垂直。沿線巖體主要發(fā)育三組節(jié)理裂隙，區(qū)域地下水位埋深一般30～100 m，地下水位高于洞頂10～510 m。砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度34.6～74.5 MPa，平均值51.4 MPa；泥巖飽和抗壓強(qiáng)度 10.3～35.7 MPa，平均值26.1 MPa。

2 施工方案

2.1 鉆爆法方案

該方案施工方法靈活、適用性強(qiáng)，但工序復(fù)雜，施工速度慢，獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度受限制。鉆爆法施工時(shí)，采用長(zhǎng)洞短打的方案。9號(hào)隧洞為深埋隧洞，覆蓋層200~600 m，支洞條件相對(duì)較差。本方案沿線共布置8條施工支洞，總長(zhǎng)6.2 km，支洞每個(gè)工作面控制長(zhǎng)度2.5~3.0 km（含施工支洞），其中9-3號(hào)支洞及9-5號(hào)支洞長(zhǎng)度分別達(dá)1.17 km和1.275 km。支洞采用雙軌斷面，城門洞型，斷面尺寸3.65 m×3 m。

采用鉆爆法施工的控制工期段9-5號(hào)支洞長(zhǎng)1.275 km，每個(gè)工作面控制主洞開挖長(zhǎng)度為1.5 km。工程施工準(zhǔn)備期2個(gè)月；參照類似工程的施工進(jìn)尺，施工支洞的綜合進(jìn)尺按每月50 m考慮，需施工期26個(gè)月；主洞綜合進(jìn)尺按每月90 m考慮，需施工期17個(gè)月，工程總工期45個(gè)月，約3.8年。

2.2 TBM施工方案

TBM施工法適合長(zhǎng)隧洞施工，缺點(diǎn)是受地質(zhì)條件影響大，適應(yīng)性較鉆爆法差。

該方案巖石洞段采用TBM施工，土洞段采用人工法施工。TBM從隧洞出口進(jìn)洞，在隧洞進(jìn)口段與鉆爆法施工洞段相接處解體出洞。鉆爆法控制土洞段長(zhǎng)2.27 km，TBM施工控制洞段長(zhǎng)20.37 km。在TBM掘進(jìn)中間布置一檢修洞室（TBM大致掘進(jìn)10 km左右處，寬7.8 m，高11.4 m，長(zhǎng)25 m）。檢修洞室處布置長(zhǎng)993 m的檢修支洞與檢修洞室連通。同時(shí)在隧洞進(jìn)口巖石洞段設(shè)置一拆卸洞室（寬6.4 m，高7.2 m，長(zhǎng)25 m），TBM在拆卸洞室拆除后在隧洞出口處出洞。檢修支洞與主洞交角90°，支洞出口底高程1 390 m，與主洞交叉點(diǎn)底高程 1 011.71 m，縱坡38.1%，支洞傾角20.9°，長(zhǎng) 993 m。

9號(hào)隧洞全長(zhǎng)22.64 km，TBM掘進(jìn)段長(zhǎng)20.37 km，綜合考慮，從TBM生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)桨惭b進(jìn)洞及預(yù)制管片建廠需要12個(gè)月；主洞掘進(jìn)強(qiáng)度，按月進(jìn)尺800 m考慮，需26個(gè)月；TBM拆卸需2個(gè)月。因此，工程施工總工期40個(gè)月，約3.3年。

3 方案比選

3.1 施工工期

鉆爆法在施工支洞上用時(shí)過(guò)多，而TBM在生產(chǎn)、安裝調(diào)試階段用時(shí)也近1年。鉆爆法需45個(gè)月，TBM法需40個(gè)月，二者相差不大，但TBM施工速度快，工期有保證，而鉆爆法因工序復(fù)雜，施工速度很難提高。

3.2 施工投資

鉆爆法在施工支洞上投資大，TBM施工法在購(gòu)置TBM上花費(fèi)多。TBM法比鉆爆法多投資424萬(wàn)元，相差不大，但TBM法前期投入較高。

3.3 施工條件

鉆爆法施工方案沿線共布置8條施工支洞（斜井，傾角 8°~23.7°），總長(zhǎng) 6.2 km，由于地形、地質(zhì)條件所限，9號(hào)隧洞前半段施工支洞布置困難，施工支洞較長(zhǎng)，且全部為斜井，出渣、通風(fēng)等施工條件較困難；支洞口均位于山溝內(nèi)，無(wú)施工道路，需修較長(zhǎng)的施工道路并架設(shè)高壓輸電線路；斜井逆坡排水，揚(yáng)程高。

TBM施工從9號(hào)洞出口進(jìn)洞，該洞出口處場(chǎng)地開闊，有良好的TBM組裝場(chǎng)地，管片預(yù)制廠等臨時(shí)設(shè)施均可布置于此。由于TBM從下游向上游掘進(jìn)，隧洞內(nèi)滲水可自流出洞，排水條件較好。除進(jìn)口土洞段采用人工法施工外，其余巖石洞段均可與襯砌同步進(jìn)行；無(wú)需布置施工支洞，僅在巖石洞段中部布置一檢修支洞，減少了臨建工程量。

3.4 施工安全

鉆爆法施工襯砌與掌子面有一定的距離，加之爆破對(duì)圍巖擾動(dòng)大，圍巖坍塌或掉塊給現(xiàn)場(chǎng)人員人身安全造成威脅。TBM可以實(shí)現(xiàn)邊開挖邊襯砌，處在工作面的人員可在機(jī)器護(hù)盾或其后的襯砌保護(hù)下安全工作。從TBM推廣經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在地下隧洞施工中，TBM的安全性遠(yuǎn)優(yōu)于鉆爆法。

3.5 施工質(zhì)量

由于該隧洞斷面較?。ㄣ@爆法方案斷面12.6 m2），多臂鑿巖機(jī)械不能使用，人工鉆孔難免有偏差，加之巖石條件的變化，超欠挖現(xiàn)象普遍存在。二次襯砌混凝土由支洞運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)距長(zhǎng)，泵送混凝土入倉(cāng)、鋼模臺(tái)車安裝就位、人工振搗、拆模養(yǎng)護(hù)等工序多、歷時(shí)長(zhǎng)，影響了混凝土質(zhì)量。

TBM的掘進(jìn)過(guò)程基本屬于靜態(tài)開掘，不僅從根本上區(qū)別于鉆爆法隧洞開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)也不同于新奧法施工原則的控制爆破，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，基本上不會(huì)出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象。該洞所用管片在預(yù)制廠生產(chǎn)，工業(yè)化流水線作業(yè)，各工序均在控制之下，質(zhì)量有保證。

3.6 環(huán)境影響

鉆爆法需布置8條支洞，每個(gè)支洞口都需布置施工臨時(shí)占地和棄碴場(chǎng)，還需修建施工道路和架設(shè)供電線路，必然會(huì)破壞當(dāng)?shù)氐闹脖徊⒃斐伤亮魇АＪ┕ぶ谐榕诺叵滤?，影響?dāng)?shù)氐牡叵滤Y源。

TBM法施工僅有一條檢修支洞，減少了工作面，也減輕了對(duì)周圍環(huán)境的影響。且開挖襯砌同時(shí)進(jìn)行，暴露的掌子面面積小，減少了圍巖出水量，減少了對(duì)地下水資源的破壞。

3.7 施工風(fēng)險(xiǎn)

鉆爆法存在的風(fēng)險(xiǎn)主要是工期風(fēng)險(xiǎn)。鉆爆法工序復(fù)雜，施工進(jìn)度慢，最長(zhǎng)的施工支洞1 275 m，傾角17°，僅該支洞施工就需26個(gè)月。而且施工條件差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工期難以保證。在施工排水方面，該洞圍巖多為砂巖，透水性強(qiáng)；隧洞位于地下水位線以下，最大水頭達(dá)510 m，施工排水任務(wù)重；排水揚(yáng)程高，以9-5號(hào)支洞為例，支洞出口底高程1 400 m，支洞與主洞交叉處底高程1 011.3 m，揚(yáng)程達(dá)388.7 m，需設(shè)分級(jí)泵站，增加排水難度。此外，該隧洞中段約4 km穿越四縣垴自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)，支洞布設(shè)很難獲得批準(zhǔn)，制約鉆爆法施工。

TBM法存在的風(fēng)險(xiǎn)主要有：一是受地質(zhì)條件影響，對(duì)圍巖的適應(yīng)性較差，該隧洞Ⅴ類圍巖洞段長(zhǎng)約7.34 km，占36.39%，且有18條大小斷層，給TBM施工帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)；二是事故和質(zhì)量缺陷處理困難，由于TBM龐大，很難移動(dòng)，靈活性差，且護(hù)盾與圍巖之間的空隙小，沒有處理事故的空間；因TBM開挖與襯砌同時(shí)進(jìn)行，若洞線發(fā)生偏差，不能立刻糾正，需掘進(jìn)較長(zhǎng)的距離才能回到正確的位置。

在TBM施工中，特殊的地質(zhì)條件往往難以避免，如塌方、大涌水、蠕變巖卡機(jī)、基底過(guò)軟致使機(jī)頭偏斜、下沉等，對(duì)掘進(jìn)施工會(huì)造成很大困擾。通過(guò)省內(nèi)150 kmTBM施工隧洞和國(guó)內(nèi)其他工程的施工實(shí)踐，已經(jīng)對(duì)特殊地質(zhì)條件下的TBM設(shè)計(jì)施工總結(jié)出了一套成熟的應(yīng)對(duì)辦法可供借鑒。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然TBM法施工方案投資略高，前期投入大，但該方案在施工難度、工期、管理、安全、環(huán)境保護(hù)及風(fēng)險(xiǎn)等方面具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避開了在四縣垴自然保護(hù)區(qū)開設(shè)支洞，經(jīng)綜合比較，該隧洞采用TBM法（土洞段采用人工法開挖）施工方案較為經(jīng)濟(jì)合理。