引漢濟渭二期工程南干線1#隧洞施工方案研究

劉 媛

1 工程概況

引漢濟渭工程是陜西省境內大型跨流域調水工程，主體工程由調水工程和輸配水工程兩大部分組成，其中，調水工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水隧洞三大部分組成，輸配水工程由黃池溝配水樞紐、輸水南干線、輸水北干線及相應的支線工程組成。

南干線1#隧洞全長68.70 km，以長隧洞方式穿越秦嶺北麓中低山區，自黃池溝配水樞紐無壓流輸水至西安子午水廠。隧洞進口位于黑河金盆水庫右岸黃池溝，自西向東依次經過?峪、田峪、甘峪等31條秦嶺北麓南山支流和支溝，出口位于子午鎮東S107國道北側。隧洞設計流量47 m3/s、30 m3/s，設計比降1/2500。南干線1#隧洞是南干線規模最大、技術最復雜且控制工期的關鍵性工程。

2 工程地質

1#隧洞位于秦嶺中低山區，上覆圍巖厚度10～633 m，巖性以石英片巖、片麻巖及花崗巖為主，主洞中Ⅱ類圍巖占比11.8%、Ⅲ類圍巖占比38.7%、Ⅳ類圍巖占比35.0%、Ⅴ類圍巖占比10.0%、第四系壤土洞段占比4.5%。沿線地下水位高于洞頂8～270 m。

3 施工方案擬定

巖石隧洞常用的施工方法有鉆爆法和TBM掘進法。鉆爆法施工方法靈活，適用性強，但施工工序復雜、施工速度慢。TBM掘進法自動化程度高、掘進速度快且安全環保，但受地質條件因素影響較大，對圍巖適應性差。

本工程對1#隧洞采用全線鉆爆法和采用鉆爆法與TBM法聯合施工兩種方案進行了綜合分析比較。

（1）全線鉆爆法施工方案

1#隧洞沿線支溝數量較多，便于布置施工支洞，根據施工要求，結合本工程總體布置、地形特點、區域生態及工期要求，沿線共布設17條施工支洞，總長16.2 km。隧洞開挖分別從隧洞進口、出口及17條施工支洞共36個作業面進行鉆爆施工，單工作面最大控制長度2.2 km，最長通風距離3.45 km。1#隧洞全線鉆爆法平面布置圖見圖1。

圖1 南干線1#隧洞全線鉆爆法平面布置圖

鉆爆法施工，隧洞斷面采用圓拱直墻式，成洞尺寸分別為5 m×6.2 m（Q=47 m3/s）和 4.2 m×5.3 m（Q=30 m3/s），C25 現澆鋼筋混凝土襯砌，鋼模臺車澆筑，混凝土采用攪拌車運輸，泵送入倉，振搗器振搗。

（2）鉆爆法與TBM法聯合施工方案

TBM法施工具有獨頭掘進距離長的優勢，因此，聯合施工方案對隧洞軸線局部進行調整，洞線局部采用直線，調整后隧洞長度68.04 km，沿線共布置施工支洞9條，總長10.8 km，聯合施工方案平面布置圖見圖2。

圖2 南干線1#隧洞聯合施工方案平面布置圖

聯合施工方案共布置2臺雙護盾式TBM及1臺開敞式TBM，隧洞進口6.3 km及出口3.97 km，采用鉆爆法施工；隧洞樁號6+300～40+700段，圍巖以Ⅲ、Ⅳ類微風化二云石英片巖為主，采用2臺雙護盾式TBM掘進機施工；隧洞樁號48+700～64+822段，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類微風化花崗巖為主，采用1臺開敞式TBM掘進機施工；隧洞樁號40+700～48+700段，受f61和f63斷層影響，巖體較破碎，屬極不穩定的Ⅴ類圍巖，該段采用鉆爆法施工。鉆爆法施工段長17.52 km，TBM法掘進段長50.52 km，每臺掘進機平均施工長度16.8 km。

聯合施工法斷面形式采用圓形，其中，雙護盾式TBM施工段成洞直徑為6.4 m，采用C40預制鋼筋混凝土管片襯砌，管片厚度35 cm；開敞式TBM施工段成洞直徑5.0 m，現澆C30鋼筋混凝土襯砌，厚度35 cm。

4 施工方案比較

4.1 施工技術比較

4.1.1 工程質量

從開挖角度分析，鉆爆法是靠炸藥的沖擊波對巖石沖擊、擠壓進行破碎的，對圍巖干擾大，破巖不規則且超欠挖嚴重；而TBM施工采用滾刀擠壓、切削巖體，洞壁光滑，一次成洞，超挖量少。

從襯砌質量講，TBM雙護盾洞段采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，管片混凝土質量、養護、鋼筋制安、管片幾何尺寸等都很好控制，但從國內外施工經驗來看，管片錯臺問題普遍存在，錯臺過大，不但影響洞內襯砌外觀，還影響管片間止水效果，更嚴重的影響工程結構與安全；而鉆爆法施工，襯砌是在現場整體澆筑的，雖施工工序復雜，但襯砌接縫少，整體性較好，施工質量可控性強，如果能控制好每道施工工序，襯砌質量易于保證。

4.1.2 施工風險

理論來講，TBM法施工不使用火工材料，對洞室圍巖擾動小，減少了巖爆、冒頂等事故的發生。同時，由于護盾的保護和先進的處理設備，使人身安全得以保證，施工設備和財產免受損失。

但根據越嶺隧洞工程實際，正在施工的秦嶺輸水隧洞嶺北段，巖性主要為角閃石英片巖為主，開敞式TBM施工，目前掘進長度13.4 km，先后發生4次卡機及5次大塌方事件；嶺南段以石英巖、花崗巖為主，開敞式TBM施工，目前掘進5.86 km，巖石堅硬、刀具消耗較大，設備故障高，巖爆段占掘進長度的1/6，施工中先后發生了5次較大規模的涌水，嚴重影響掘進速度。引紅濟石工程穿越秦嶺五里坡梁與太白盆地南緣山區的20.05 km輸水隧洞，因地質情況極其復雜多變，TBM先后發生26次卡機及7次較大突泥涌水，造成嚴重的人員及財產損失。

1#隧洞地層巖性主要為片巖及花崗巖，沿線穿越多條斷層破碎帶及富水區，鉆爆法施工工作面多，施工靈活，尤其對不良地質洞段，施工應急方案可操作性強，施工風險相對較小。

4.1.3 施工輔助措施

（1）施工通風

本工程中，鉆爆法獨頭通風可達3～5 km，施工通風距離短，通風有保障；TBM掘進機本身帶有干式除塵器，輔助有噴霧除塵、水幕降塵，工作面環境較好。但TBM通風距離長，對漏風率等通風參數的要求高。

（2）出渣運輸

鉆爆法方案布置了17條施工支洞作為開挖和襯砌施工的運輸通道，聯合施工方案布置了9條施工支洞。鉆爆法支洞數量多，單工作面施工距離短，出渣及進料運輸方便，棄渣距離近，且花崗巖洞段爆破石渣可作為優質混凝土骨料被重新利用。聯合施工方案支洞少，節約輔助設施費用，但受場外地形條件限制，棄渣不能集中堆置，需分散至較遠渣場堆置，場外棄渣運輸距離長。

4.2 施工工期比較

鉆爆法施工工作面多，施工靈活，尤其是對于工期緊，施工支洞便于布置的長隧洞施工過程中，便于全線開工，且對不良地質洞段施工應急方案可操作性強，控制工期的風險小。

與鉆爆法相比，TBM法施工最大的優點就在掘進速度快，連續作業設備利用率高，但設備制作周期和輔助時間長，設備運輸、安裝及拆卸較困難。尤其對不良地質洞段，容易出現坍塌，卡機等現象而使掘進效率降低，工期延長。

依據引漢濟渭工程總體規劃，為確保調水工程與配水工程同步建成、同步受益，1#隧洞要求工期為38個月。TBM法施工，設備制造、運輸、安裝調試等按14個月計算，掘進機施工按平均進尺450 m/月計算，采用3臺掘進機施工工期為38個月，總工期需要52個月，若增加掘進機臺數以減少工期，則設備費用增大，支洞數量增加，總投資太大。鉆爆法按平均進尺130 m/月計算，施工工期為38個月。所以，從工期要求分析，1#隧洞推薦采用全線鉆爆法施工。

4.3 投資比較

從投資上看，TBM法施工，設備一次性投入比較大，且TBM是一個集地質、施工、電氣、機械等于一體的系統工程，屬于知識密集型生產項目，對施工隊伍要求比較高，施工人員工資高，管理費用高。就本工程而言，全線鉆爆法工程投資31.96億元，而聯合法工程投資44.96億元，全線鉆爆法投資較聯合施工法少近13億元，接近全洞投資1/3。故從投資方面分析，推薦采用全線鉆爆法施工。

4.4 施工環境影響

鉆爆法施工對圍巖影響大，安全程度較差，噪音大，粉塵多且施工過程產生的廢氣、廢水較多；施工支洞數量較多，長度較長，棄渣防護工程增加，永久占地面積加大；另外，由于鉆爆法參與施工人數較多，施工區人為活動不可避免的對生態環境影響加劇。

TBM施工機械化程度高，勞動強度低，施工人員數量少；掘進時，良好的集塵裝置、供風系統以及封閉的操作室，使施工人員有了可靠的作業環境和安全保障；施工作業面集中、支洞數量少，永久占地面積小，對生態環境和自然景觀影響小。綜上，1#隧洞兩種施工方案綜合比較見表1。

表1 南干線1#隧洞全線鉆爆法與聯合施工法綜合比較表

4.5 施工方案選取

綜合以上幾點，從施工技術方面分析，全線鉆爆法施工工作面多，施工靈活，尤其對不良地質洞段，施工應急方案可操作性強，施工風險相對較?。滑F澆式襯砌接縫少，結構整體性好。

從施工工期方面分析，全線鉆爆法施工工期為38個月，而TBM法施工，因設備制作周期和輔助時間長，施工工期為52個月，無法滿足1#隧洞工期要求。

從工程投資方面分析，全線鉆爆法工程投資31.96億元，聯合法工程投資44.96億元，全線鉆爆法投資較聯合施工法少近13億元，接近全洞投資1/3。

因此，南干線1#隧洞采用全線鉆爆法施工是較優的施工方案。

5 結論

（1）南干線1#隧洞工期緊、洞線長、埋深大、工程地質條件復雜，不確定因素多，工程難度大。目前，該項目處在可行性研究階段，就已知的工程布置、地質條件及工期要求分析，采用全線鉆爆法是較優的施工方案。隨著階段的深入和工作的進展，揭露的問題會越來越多，對1#隧洞的施工方案也將進行更深入的研究和探討。

（2）近年來，隨著技術水平的提高，采用掘進機施工的隧洞工程越來越多，甚至有“長大隧道開挖，鉆爆法已經過時”結論。但根據工程實際經驗，掘進機遇到不良地質段所產生的卡機、突涌水、巖爆等問題的處理難度及其對工程產生的影響，遠遠大于常規的鉆爆法施工。因此，對于深埋超長隧洞的施工方案，應根據地質條件，結合施工技術、工期、投資、環境影響等進行綜合分析論證，選擇合理的施工方案。

[1]韓廣有等.深埋長大隧洞施工方案分析[J].水利水電技術，2006（3）:23-25.

[2]劉國華等.大伙房輸水工程TBM施工方法研究 [J].水利水電，2008，26(3):4.

[3]陜西省引漢濟渭二期工程可行性研究報告[R].西安：陜西省水利電力勘測設計研究院，2018.1.