城市深埋輸水隧洞快速施工方案及施工技術研究

張克 羅立哲

摘要：針對城市深埋輸水隧洞征地困難、施工場地布置難度大，城區施工期運輸限制條件多等施工特點，為了減少施工對周邊居民生活、企業生產的干擾，保障施工期間臨近既有建（構）筑物安全，減少工程棄渣對周邊環境影響等，基于羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程，研究提出城市深埋輸水隧洞快速施工方案及施工技術，采用TBM法進行主線隧洞施工，并針對斷層破碎帶及富水洞段、軟弱圍巖、超硬巖施工等不良地質問題提出針對性處理措施。所提工法與傳統工法相比，可提升隧洞工程質量，降低施工對周邊環境的影響，減小與地面及地下軌道交通線路交叉影響以及地表沉降及地下水滲漏的影響，縮減施工工作面和地表占地，有效提高施工工效、縮短工期。研究成果可為類似工程施工提供參考。

關鍵詞：城市深埋隧洞； TBM； 不良地質處理； 快速施工技術方案

中圖法分類號： TV315

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.035

0引 言

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內配套項目之一，工程全線位于深圳市西部城區，采用1條輸水干線，全長21.68 km，過流斷面直徑5.2 m。為有利于給未來城市地下空間規劃預留空間，輸水隧洞埋深普遍在50 m以上，最大埋深達到180 m，隧洞圍巖屬較軟巖-堅硬巖，圍巖類別以Ⅱ-Ⅲ類為主，長約14.82 km，約占68.2%，Ⅳ-Ⅴ類圍巖長約6.91 km，約占31.8%［1］。適宜的施工方法主要包括鉆爆法和TBM法。這些方法在地層適應性及施工特點方面有著明顯的區別。

本文以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程為背景，根據城市施工特點和要求，從地質條件適宜性、結構特點、工期要求、周邊環境影響以及安全環保等多角度，開展城市深埋輸水隧洞鉆爆法、TBM法等施工方案比選，提出適宜的施工方案和不良地質處理措施。

1城市深埋隧洞施工主要問題

工程輸水線路穿越主城區，沿線鄰近或穿過多處受保護水源地及城市綠地，并與地鐵、鐵路、高速路、高壓線塔等重要建（構）筑物多處交叉，施工受城市制約和影響較大。因此在施工方法選擇和進度編排上需充分考慮城市施工特點和要求，并采取措施降低隧洞施工對生態環境、水土、水源地水質及周邊生活環境的影響。城市深埋隧洞施工需考慮的主要問題包括：

（1） 輸水隧洞主要出露建筑物及施工通道需布置在主城區，考慮到城區內土地資源稀缺、征地難度大，隧洞進洞通道、施工道路及施工工區布置等施工場地較難解決。

（2） 部分城區道路對大型設備運輸車輛、渣土車輛、混凝土攪拌車量等工程車輛有分時限行的要求，輸水隧洞施工期間主要設備、物資及渣料等運輸需考慮與城市交通錯峰分流，并在工期安排上提前考慮。

（3） 對于隧洞施工工作面出露點布置在主城區范圍內的，施工過程中應重點考慮降塵、降噪、減振等措施，盡量減少施工期對周邊居民正常生活以及企業正常生產的不利影響。

（4） 城區地面以及地下交通發達，輸水隧洞在平面上與各種交通干線產生交叉，施工期需保證線路核心影響區內既有建（構）筑物的安全，并考慮相關保護措施，盡量減少施工期對市政交通、鐵路等構筑物的影響。

（5） 工程線路長、沿線棄渣量大，同時，輸水線路周邊分布為經濟發達城鎮，土地資源稀缺，對環境保護要求高。施工時應做好土石方平衡規劃，盡量減少工程棄渣，且棄渣運輸及渣料臨時堆存場地布置應避免對當地生產、生活和周邊環境造成影響。

2城市隧洞施工方案比選分析

2.1隧洞施工方案介紹

該工程輸水隧洞圍巖屬較軟巖—堅硬巖適宜的施工方法主要有鉆爆法和TBM法。

鉆爆法是通過在掌子面鉆孔、裝藥、爆破開挖巖石的方法。鉆爆法經驗成熟，能適用各種地層，但相對TBM法存在施工速度慢、工期較長、作業環境差等缺點。對于長距離輸水隧洞，可通過設置施工支洞或工作井，增加工作面，實現“長洞短打”，以實現利于隧洞通風、排煙、出渣和縮短工期等目的［2-5］。考慮到城市內施工支洞或豎井布置條件有限，采用鉆爆法施工時，通風、出渣難度一般均較大，同時，鉆爆法施工還將對施工區周邊的城市正常生活生產造成較大影響。

TBM（tunnel boring machine，巖石隧道全斷面掘進機）是一種集掘進、出渣、導向、支護等多功能于一體的大型高效隧道施工機械。其依靠機械的強大推力，使刀盤上的滾刀沿軸承中心軸公轉運動及繞刀具軸做自轉運動，將巖石破碎，獨頭掘進最長距離可達25 km左右。

2.2TBM法與鉆爆法對比分析

從施工技術方面考慮，采用完全鉆爆法施工和采用掘進機法施工均能實現該工程的開挖，但各有利弊。表1列出TBM法與鉆爆法對地層適應性及施工特點對比，分析如下：

（1） 施工速度。

傳統鉆爆法施工一般包括測量、鉆孔、放炮、通風、出渣、支護等作業循環，一般隧洞條件下，鉆爆法施工平均月進尺通常可達到60～150 m/月左右。

相比而言，TBM掘進效率高。掘進機開挖時，可以實現連續作業，破巖、出渣和襯護同步完成，克服了鉆爆法施工作業的間斷性。在中硬巖的條件下，掘進速度一般可以達到300～500 m/月，是鉆爆法的3～5倍［3］。

（2） 施工質量。

鉆爆法施工具有機動靈活的優越性，但對圍巖的擾動破壞大，非人為造成的超欠挖嚴重，光爆效果難以控制，超欠挖嚴重。

TBM法施工采用刀具擠壓、切割方式破巖，超挖量少，形成光滑的圓形斷面，不易產生應力集中，成型斷面好，利于結構穩定且超挖量少，可減少支護工程量，降低工程費用。TBM法開挖洞壁粗糙度一般為 0.019，開挖洞徑尺寸誤差一般不大于2 cm。

（3） 施工作業環境。

鉆爆法在鉆孔、爆破等施工過程中會產生大量粉塵、煙霧等，極大地影響作業人員的健康。

TBM法施工產生粉塵、煙霧較少，人員健康可得到有效保障。且TBM法使用勞動力相對更少，勞動強度低，作業環境好，有利于作業人員的健康。

（4） 施工安全性分析。

鉆爆法施工過程中，對于掌子面穩定性較差洞段，人工鉆孔振動易導致圍巖坍塌，威脅作業人員安全。同時，長距離小斷面隧洞采用鉆爆法施工時，運輸車輛洞內錯車頻次高，物料運輸效率低，安全隱患大。

TBM法施工對圍巖擾動小，避免因為爆破振動可能引起的圍巖松動坍塌。施工期間，人員可在刀盤內、護盾尾部等安全環境下作業，有效避免爆破施工可能造成的人員傷亡，事故發生率大大降低。同時，TBM一般采用皮帶或有軌運輸出渣，避免運輸線路交叉等因素干擾，進一步降低安全風險。

（5） 周邊環境影響。

鉆爆法施工采用炸藥破巖，因爆破產生的震動對周圍民房和公路影響較大，安全隱患多，對周邊城區市民的工作、生活造成一定影響。在隧洞下穿地鐵、管廊、高架等各種重要建筑物的基礎部位時，對鉆爆施工的限制要求很高，需采取靜爆方案及專項爆破設計，實施代價高、難度大。

TBM法施工可避免或減少對圍巖的擾動，有效降低地面沉陷等施工風險和對施工環境的沖擊，減少地下水流失。對于TBM下穿地鐵、管廊、高架等各種重要建筑物基礎的部位，經相關部門完成安全穩定評估后，TBM施工可采取降速平穩通過、合理控制調整振動參數、加強超前預報和超前加固等措施下穿通過。

另外，由于TBM工法掘進效率高，可減少輔助坑道的設置數量，有利于減少對城區地面出露環境的破壞。

（6） 經濟性。

鉆爆法施工所采用的設備相對簡單，設備一次性投入成本相對較小，但人工投入相對更多。而TBM設備一次性投資成本較高，從確定訂制TBM到開始掘進需要約9～12個月，一次施工只能開挖同一個直徑斷面（或只可臨時擴挖有限尺度），對不良地質條件適應性不如鉆爆法。

綜合上述比選，鉆爆法施工存在施工環境條件差、工序復雜、獨頭通風和運輸受限、超欠挖較嚴重、圍巖擾動大、安全性相對差以及工程進度慢等問題。TBM法施工對圍巖擾動少、作業環境好、出渣效率高，可達到安全、優質、快速、高效的效果。施工安全與環保型方面TBM法更優。

由于該工程輸水線路在市區，與軌道交通線路交叉較多，且沿線穿越老城區，周邊環境極為敏感，環境要求高，對地表沉降要求較高，同時采用鉆爆法施工也不滿足項目的工期要求。因此綜合考慮安全、工期、施工難度、環境影響等因素，推薦以TBM 法施工為主，因地質條件、TBM組裝拆卸通道及工期要求等因素，在進出口、井底始發洞等局部洞段考慮采用鉆爆法施工［6-7］。

3不良地質處理

該工程TBM施工不良地質問題主要有斷層破碎帶、突涌水、軟巖變形、超硬巖施工、有毒有害氣體防治等。

3.1斷層破碎帶及富水洞段處理

輸水隧洞沿線勘察揭露有12條規模較大的斷裂以及107條小規模斷層、巖體破碎帶。針對斷裂、斷層隧洞段存在的圍巖變形穩定及涌水等問題，采取的主要施工應對措施如下［8-11］：

（1） 在制定施工方案時，對于不利于TBM施工的洞段，應充分利用始發井（洞）、閥室等工作面，采取鉆爆法提前施工處理。從而避免TBM始發時可能出現的坍塌、涌水等問題。

（2） 加強前期地勘工作，盡量查明斷層的產狀、規模、位置等。

（3） 施工中做好超前鉆探等預報，關注各種預兆進行判斷；在穿規模較大的斷裂、斷層帶的地面、隧洞內開展變形監測。

（4） 穿越小規模斷層時，采用低推進力、低轉速、低扭矩、短行程等措施，盡量可能減少掘進對圍巖的擾動。

（5） 超前鉆探確定大斷層后，停機后采用固結灌漿或化學灌漿進行處理，待破碎帶固結后掘進通過；若預加固措施效果不佳，開挖旁洞至破碎帶，鉆爆法開挖后，TBM步進通過。

（6） 如機器被埋，人工清理坍塌體，并加固圍巖后再通過。

（7） 針對富水洞段，施工過程中需采取以下措施，預防涌水突泥等事件發生：

① 加強前期的地質勘探工作，盡可能查明富水洞段，采用紅外探水儀、超前地質鉆機等探明水壓、水量等，并制定相應處理措施；

② 對一般富水洞段TBM可直接掘進通過，通過設集水井、水倉，采用水泵將滲水逐級抽排至洞外，確保滲水不影響TBM正常工作；

③ 對富水洞段，利用超前地質鉆進行超前注漿堵水后，再掘進通過；

④ 對于高外水地段的超前注漿，應加強周邊灌漿，擴大灌漿圈，增強圍巖承載力，防止高外水壓力穿通巖體。

3.2軟弱圍巖洞段處理

針對茅洲河下部沉積巖區等軟巖洞段，在采用以TBM為主的方案施工時，為保證施工安全和工期，可采取以下處理措施：

① 在進行TBM配制設計時考慮防卡機及脫困設計；

② 分析地質情況，調整TBM工作參數，快速通過，必要時推出邊刀，加大開挖斷面；

③ 機頭輕微下陷時，加大推力邊調姿邊快速通過；機頭嚴重下陷時，先后退，混凝土或枕木加固洞底后通過；

④ 盾體被箍緊時，從護盾鉆孔擠出油水液潤滑以減小摩擦，加大推力快速通過，護盾箍死時，在兩側護盾外擴挖，釋放變形應力后通過；

⑤ 盾體卡死，無法調整時，用旁導洞法前方接應解困。

3.3超硬巖施工洞段處理

細粒黑云母花崗巖，微風化—新鮮巖體飽和抗壓強度達160 MPa，TBM鉆進效率低。TBM施工可采取措施主要包括［12］：

① 采用加強耐磨型刀盤和滾刀設計，加強推力配置；

② 根據巖石情況，適時調整TBM工作參數，加大TBM設備推力；

③ 加強設備監測，及時更換刀具。

4結 語

與傳統山嶺地區隧洞施工相比，在城區內開展深埋輸水隧洞工程施工，由于周邊地面及地下環境更加復雜，施工安全及工期要求更高，因此需更加重視提高隧洞工程質量安全，降低施工對周邊環境影響，減小與地面及地下軌道交通線路交叉影響，減小地表沉降及地下水等影響，減少施工工作面和地表占地，以及提高施工工效縮短施工工期等。經本文分析對比，城區內深埋輸水隧洞施工采用以TBM法為代表的機械施工優勢相對更明顯。

考慮到城區施工過程中可能存在的斷層破碎帶、突涌水、軟巖變形、超硬巖施工等各類不良地質問題，本文也提出了有效的解決方案，研究成果可為同類城區地下深埋輸水隧洞工程優質高效施工提供借鑒和參考。

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（編輯：郭甜甜）