东山供水工程隧洞施工方案比选

郑如义

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

晋中东山供水工程9号隧洞进口位于武乡县石盘乡石塔庄村东约500 m处，该洞经牛家嘴、草批沟，穿过汾河与浊漳河的分水岭子金山，过黄风沟、涉水老、菜家山、小峪沟、拾弓沟，出口位于祁县来远乡卫生院西约500 m处，隧洞全长22.64 km，其中石塔庄—牛家嘴为土洞段，长2.27 km，牛家嘴—来远为岩石洞段，长20.37 km。设计纵坡1/2 700。

9号隧洞岩石洞段长20.37 km，埋深一般在200～600 m，为深埋长隧洞。洞身段岩性主要为三叠系中统二马营组紫红色厚层状泥岩、灰绿色厚层状长石砂岩和三叠系下统和尚沟组砖红—紫红色厚层砂质泥岩夹中薄层砂岩。

沿线断层较发育，共计18条，洞轴线与断层走向基本垂直。沿线岩体主要发育三组节理裂隙，区域地下水位埋深一般30～100 m，地下水位高于洞顶10～510 m。砂岩饱和单轴抗压强度34.6～74.5 MPa，平均值51.4 MPa；泥岩饱和抗压强度 10.3～35.7 MPa，平均值26.1 MPa。

2 施工方案

2.1 钻爆法方案

该方案施工方法灵活、适用性强，但工序复杂，施工速度慢，独头掘进长度受限制。钻爆法施工时，采用长洞短打的方案。9号隧洞为深埋隧洞，覆盖层200~600 m，支洞条件相对较差。本方案沿线共布置8条施工支洞，总长6.2 km，支洞每个工作面控制长度2.5~3.0 km（含施工支洞），其中9-3号支洞及9-5号支洞长度分别达1.17 km和1.275 km。支洞采用双轨断面，城门洞型，断面尺寸3.65 m×3 m。

采用钻爆法施工的控制工期段9-5号支洞长1.275 km，每个工作面控制主洞开挖长度为1.5 km。工程施工准备期2个月；参照类似工程的施工进尺，施工支洞的综合进尺按每月50 m考虑，需施工期26个月；主洞综合进尺按每月90 m考虑，需施工期17个月，工程总工期45个月，约3.8年。

2.2 TBM施工方案

TBM施工法适合长隧洞施工，缺点是受地质条件影响大，适应性较钻爆法差。

该方案岩石洞段采用TBM施工，土洞段采用人工法施工。TBM从隧洞出口进洞，在隧洞进口段与钻爆法施工洞段相接处解体出洞。钻爆法控制土洞段长2.27 km，TBM施工控制洞段长20.37 km。在TBM掘进中间布置一检修洞室（TBM大致掘进10 km左右处，宽7.8 m，高11.4 m，长25 m）。检修洞室处布置长993 m的检修支洞与检修洞室连通。同时在隧洞进口岩石洞段设置一拆卸洞室（宽6.4 m，高7.2 m，长25 m），TBM在拆卸洞室拆除后在隧洞出口处出洞。检修支洞与主洞交角90°，支洞出口底高程1 390 m，与主洞交叉点底高程 1 011.71 m，纵坡38.1%，支洞倾角20.9°，长 993 m。

9号隧洞全长22.64 km，TBM掘进段长20.37 km，综合考虑，从TBM生产、运输到安装进洞及预制管片建厂需要12个月；主洞掘进强度，按月进尺800 m考虑，需26个月；TBM拆卸需2个月。因此，工程施工总工期40个月，约3.3年。

3 方案比选

3.1 施工工期

钻爆法在施工支洞上用时过多，而TBM在生产、安装调试阶段用时也近1年。钻爆法需45个月，TBM法需40个月，二者相差不大，但TBM施工速度快，工期有保证，而钻爆法因工序复杂，施工速度很难提高。

3.2 施工投资

钻爆法在施工支洞上投资大，TBM施工法在购置TBM上花费多。TBM法比钻爆法多投资424万元，相差不大，但TBM法前期投入较高。

3.3 施工条件

钻爆法施工方案沿线共布置8条施工支洞（斜井，倾角 8°~23.7°），总长 6.2 km，由于地形、地质条件所限，9号隧洞前半段施工支洞布置困难，施工支洞较长，且全部为斜井，出渣、通风等施工条件较困难；支洞口均位于山沟内，无施工道路，需修较长的施工道路并架设高压输电线路；斜井逆坡排水，扬程高。

TBM施工从9号洞出口进洞，该洞出口处场地开阔，有良好的TBM组装场地，管片预制厂等临时设施均可布置于此。由于TBM从下游向上游掘进，隧洞内渗水可自流出洞，排水条件较好。除进口土洞段采用人工法施工外，其余岩石洞段均可与衬砌同步进行；无需布置施工支洞，仅在岩石洞段中部布置一检修支洞，减少了临建工程量。

3.4 施工安全

钻爆法施工衬砌与掌子面有一定的距离，加之爆破对围岩扰动大，围岩坍塌或掉块给现场人员人身安全造成威胁。TBM可以实现边开挖边衬砌，处在工作面的人员可在机器护盾或其后的衬砌保护下安全工作。从TBM推广经验来看，在地下隧洞施工中，TBM的安全性远优于钻爆法。

3.5 施工质量

由于该隧洞断面较小（钻爆法方案断面12.6 m2），多臂凿岩机械不能使用，人工钻孔难免有偏差，加之岩石条件的变化，超欠挖现象普遍存在。二次衬砌混凝土由支洞运至现场，运距长，泵送混凝土入仓、钢模台车安装就位、人工振捣、拆模养护等工序多、历时长，影响了混凝土质量。

TBM的掘进过程基本属于静态开掘，不仅从根本上区别于钻爆法隧洞开挖对围岩的扰动，同时也不同于新奥法施工原则的控制爆破，对围岩扰动小，基本上不会出现超欠挖现象。该洞所用管片在预制厂生产，工业化流水线作业，各工序均在控制之下，质量有保证。

3.6 环境影响

钻爆法需布置8条支洞，每个支洞口都需布置施工临时占地和弃碴场，还需修建施工道路和架设供电线路，必然会破坏当地的植被并造成水土流失。施工中抽排地下水，影响当地的地下水资源。

TBM法施工仅有一条检修支洞，减少了工作面，也减轻了对周围环境的影响。且开挖衬砌同时进行，暴露的掌子面面积小，减少了围岩出水量，减少了对地下水资源的破坏。

3.7 施工风险

钻爆法存在的风险主要是工期风险。钻爆法工序复杂，施工进度慢，最长的施工支洞1 275 m，倾角17°，仅该支洞施工就需26个月。而且施工条件差，工人劳动强度大，工期难以保证。在施工排水方面，该洞围岩多为砂岩，透水性强；隧洞位于地下水位线以下，最大水头达510 m，施工排水任务重；排水扬程高，以9-5号支洞为例，支洞出口底高程1 400 m，支洞与主洞交叉处底高程1 011.3 m，扬程达388.7 m，需设分级泵站，增加排水难度。此外，该隧洞中段约4 km穿越四县垴自然保护区实验区，支洞布设很难获得批准，制约钻爆法施工。

TBM法存在的风险主要有：一是受地质条件影响，对围岩的适应性较差，该隧洞Ⅴ类围岩洞段长约7.34 km，占36.39%，且有18条大小断层，给TBM施工带来一定风险；二是事故和质量缺陷处理困难，由于TBM庞大，很难移动，灵活性差，且护盾与围岩之间的空隙小，没有处理事故的空间；因TBM开挖与衬砌同时进行，若洞线发生偏差，不能立刻纠正，需掘进较长的距离才能回到正确的位置。

在TBM施工中，特殊的地质条件往往难以避免，如塌方、大涌水、蠕变岩卡机、基底过软致使机头偏斜、下沉等，对掘进施工会造成很大困扰。通过省内150 kmTBM施工隧洞和国内其他工程的施工实践，已经对特殊地质条件下的TBM设计施工总结出了一套成熟的应对办法可供借鉴。

4 结语

虽然TBM法施工方案投资略高，前期投入大，但该方案在施工难度、工期、管理、安全、环境保护及风险等方面具有优势，同时避开了在四县垴自然保护区开设支洞，经综合比较，该隧洞采用TBM法（土洞段采用人工法开挖）施工方案较为经济合理。