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計研究院有限公司，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(含縣城)、福堂鎮和永和鎮約5.68萬城鎮居民的供水需求。供水設計水平年：基準年為2018年，近期規劃水平年為2025年，遠期規劃水平年為2035年。德建水庫城鎮生活工業供水保證率取97%，農業灌溉保證率取90%。年平均取水量為1 049萬m3，設計供水流量為0.5 m3/s。

工程等別為Ⅲ等中型，相應主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。主要建筑物為擴建石龍嘴水廠、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法結合的方式掘進。

2 輸水線路布置的要求

水工隧洞在發電、供水工程中的應用越來越多，其線路布置是水工隧洞設計中非常關鍵的要素，它直接影響到水工隧洞的水力計算、工程施工、工程投資、運行管理等諸多方面[1]。

連山縣既是廣東省16個扶貧重點縣之一，又是廣東省3個少數民族自治縣之一，縣級財政基礎薄弱，農民收入較低，自籌能力有限，城鎮基礎設施建設滯后，隨著連山經濟的發展，近年城鎮供水壓力越來越大，現有水源可供水量已經難以保障供水安全，建設德建水庫供水工程是解決連山縣吉田鎮(含縣城)、永和鎮和福堂鎮等少數民族地區飲水困難的有效途徑之一。因此，通過優化德建水庫供水工程輸水線路，從而縮短施工工期、降低工程投資及運行成本顯得格外重要。

合理的水工隧洞線路布置要保證結構合理、力學穩定、輸水效率高、工程造價低、工期短、運行管理最方便，使其充分發揮設計使用功能，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 與地質構造成大交角；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、調壓井的布置。

3 洞線比選的基礎及優化方向

3.1 輸水線路總體走向及基礎條件

前期經過輸水方式、取水口及交水點的選擇，管道隧道組合線路與全管道線路的水力計算及投資比選，最終確定德建水庫供水工程輸水線路的總體走線。起點為德建水庫預留輸水管末端，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，直線布置到吉田鎮出洞口，出洞后埋管穿越高樓水，再順766鄉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 洞線的優化方向

由于供水隧洞長達7.5 km，如全線采用鉆爆法施工，需考慮布置施工支洞，滿足施工期通風和出渣等需求。在現場查勘的基礎上，綜合考慮地形地質、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龍水村附近兩處位置較適合布置施工支洞進洞口。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掘進法施工進度比較快，同時可集成出渣系統及通風系統，故不同于鉆爆掘進法，可不設置施工支洞。

本次將對鉆爆法與TBM法進行比選，對比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，從中選擇最優方案。

4 輸水隧洞施工方法的比選

4.1 全線鉆爆法掘進

1) 隧洞線路布置

根據平面布置，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化空間。本次對比原方案與適當增加主洞長度，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。投資對比結果見表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要節省818.9萬元，故本次全線鉆爆法的線路選擇經多次轉折后的比選方案2。

該方案供水隧洞長為7.6 km，從鄉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，轉向正北靠近適合布置施工支洞山頭，再轉向東北方向靠近另一適合布置施工支洞位置，最后向北偏轉至出洞口。

2) 隧洞施工斷面形式

該方案根據供水流量、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。根據地質圍巖情況，噴混凝土或鋼筋砼內襯，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,并可以隨時改變。對各類圍巖均能適用,施工設備簡單,施工工藝靈活,可根據現場地質條件變化,制定相應的施工方案，更適用于短隧道。缺點是施工工序多、安全性差、掘進速度慢、通風條件差等[5-6]。經測算輸水隧洞全線采用鉆爆法掘進，總工期為62個月。

4) 征地范圍

洞線路長達7.6 km公里，根據以往經驗，采用爆法施工需適當設置施工支洞。本次設置兩個施工支洞，分別位于龍水河與二廣高速交匯位置附近及吉田鎮龍水村附近，均在連山縣縣界以外。同時支洞洞口需進行邊坡支護，并設置施工道路連接外部。施工支洞的設置對征地投資有所影響，且征地難度較大。

5) 工程投資

該方案總投資為38 441.29萬元，其中工程部分靜態投資為33 021.29萬元，建設征地移民補償靜態投資為2 086.17萬元，水土保持工程靜態投資為433.86萬元，環境保護工程靜態投資為403.37萬元，專項債利息為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

對于德建水庫供水工程，在無法設置施工支洞的情況下，可將地質條件較差的隧洞進出口段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，轉向東北偏北方向至出洞口。

2) 掘進機選型

對于硬巖隧洞掘進機，目前國內外主要采用雙護盾式和敞開式2種，其形式的選擇主要考慮地質條件、隧洞埋深及其斷面尺寸。從掘進機的使用功能上看，敞開式和雙護盾在成洞條件較好的圍巖洞段兩者區別不大，掘進速度基本相同；對于成洞條件較差的洞段，敞開式掘進機有不易被擠壓、卡機，脫困靈活，便于實施其他工程措施等優勢。而雙護盾掘進機則由于護盾較長，易被變形較大的圍巖所圍，處理起來比較困難，雖然設備和人員受護盾和管片的保護，比較安全，但由于不易接觸到圍巖，處理不良地質洞段比較困難。在護盾式TBM的應用上，洞內采用混凝土襯砌較多，護盾式TBM施工速度優勢較明顯，但造價相對較高[7]。

本工程輸水隧洞中段7.0 km圍巖條件均較好，洞壁以錨噴支護的襯砌形式為主，而雙護盾明顯發揮不了設備的優勢[8]。根據地質條件，隧洞中段7.0 km地層條件主要以Ⅲ類圍巖為主，巖石抗壓強度在80～120 MPa之間，且沿線地下水不豐富，總體穩定性較好，適宜采用敞開式TBM掘進[9-10]。

3) 隧洞施工斷面形式

根據供水流量、施工方法、施工條件及地質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有TBM設備最小尺寸。經中鐵華隧聯合重型裝備有限公司了解到，目前，國內應用較成熟，且洞徑較小的TBM設備其開挖洞徑為3.8 m。故本次選用3.8 m作為TBM掘進法的開挖洞徑。隧洞進口段0.3 km及隧洞出口段0.2 km范圍內以Ⅳ～Ⅴ類圍巖為主，采用鉆爆法施工，施工斷面為城門洞型，內壁采用鋼筋砼內襯，考慮TBM設備的通過性，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，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、且以硬質巖為主的圓形長隧道[11]。但TBM法地質適應能力較差，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。經測算輸水隧洞進出口段采用鉆爆法，中段采用TBM法掘進，總工期為48個月。

5) 對征地的影響

該方案無需設置施工支洞，對征地要求達到最小化。

6) 工程投資

該方案總投資為40 722.3萬元，其中工程部分靜態投資為36 556.42萬元，建設征地移民補償靜態投資為1 792.05萬元，水土保持工程靜態投資為433.86萬元，環境保護工程靜態投資為403.37萬元，專項債利息為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鉆爆掘進法及TBM掘進法進行綜合比選，綜合對比見表4。

表4 綜合對比

根據表4可見，2個方案在線路長度、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于全線鉆爆法，但在工程投資方面，全線鉆爆法要優于主TBM法，工程投資各項對比見表5。

表5 工程概算對比 萬元

從經濟角度考慮，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。本次對兩支洞口用地屬性及附近村民意愿進行了調查，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 結語

不同的隧洞掘進方式，對于施工支洞、施工工期、征地移民及工程投資均有一定程度的影響。對于短隧洞或地質情況復雜的隧洞，采用鉆爆掘進法施工無疑是首選。而對于長隧洞，不需要布置施工支洞集成出渣通風系統的TBM掘進法卻更勝一籌，但圍巖狀況較差的隧洞進出口段，TBM設備無法掘進通行，仍需鉆爆法配合，因需要滿足TBM設備通行需求，進出口段鉆爆洞徑或會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備工程，工作面的減少易于施工管理，節省大量管理費用[12]。但受地質條件、隧洞總長度及設備總造價等因素影響，投資未必比需要施工支洞的鉆爆法要少。在施工進度上，TBM法要比鉆爆法快很多，綜合進尺一般為500～800 m/月[13]。但對于總工期較短的工程，應綜合考慮前期TBM設備制造、安裝及調試所占用的時間。