榕江关埠引水工程1#、2#TBM接收建筑物的优化设计

方腾卫

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 工程概况

榕江关埠引水工程是韩江、榕江、练江三江水系连通工程的子工程之一，工程输水线路总长为34.97 km，其中山岭段输水隧洞总长约27.03 km，采用3台双护盾硬岩隧道掘进机(TBM)施工，该工法为广东省水利行业首次使用。工程总布置示意见图1。

该工程1#、2#TBM掘进机分别自上、下游向山体内掘进，2台机器接触点处原设计为竖井，称“1#、2#TBM设备接收井”，接收井外径为32.0 m，内径为24.50 m，深度为55.25 m。

图1 工程总布置示意(箭头为TBM掘进方向)

2 原1#、2#TBM接收方案及优化缘由

2.1 原1#、2#TBM接收方案

榕江关埠引水工程输水隧洞桩号SD7+708处为1#TBM和2#TBM的共用接收井。接收井为圆形，井内无内支撑、空间大，便于TBM主机的解体和吊出。

地质钻孔揭露：接收井身上部为砂卵砾石层、全风化层、强风化层，下部为弱风化层。TBM接收井采用地下连续墙和钢筋砼内衬结构形式，对于洞口的加固措施，因洞口有破碎带，采用固结灌浆对洞口一定范围内的岩体进行加固，固结灌浆间排距均为2.0 m，加固厚度为17.35 m，即TBM中心高程上、下分别为11.75 m、5.6 m。TBM接收井外径为32.0 m，内径为24.5 m，井深约52.55 m。弱风化岩面以上工作井由地下连续墙和逆作法内衬墙组成，地下连续墙墙厚为1.0 m，逆作法内衬墙厚为1.2 m；弱风化岩面以下工作井为围岩喷锚支护和逆作法内衬墙组成，逆作法内衬墙厚为1.0 m。 原1#、2#TBM接收竖井平面、横断面见图2～3。

图2 TBM接收竖井平面布置示意

图3 TBM接收竖井横断面示意

2.2 优化缘由

根据榕江关埠引水工程水力过渡过程仿真模拟与泵站前池防淤排沙效果研究成果，加压泵站6台水泵工作，输水系统按最大供水流量20 m3/s，6台水泵同时掉电的计算条件下，高位水池发生漏空现象，部分输水隧洞会出现不同程度的进气。考虑利用已有建筑物作为调压设施对避免高位水池漏空有利，而原有高位水池由于征地原因无法扩大尺寸；从山体扩挖与高位水池连通的储水箱方案又与1#TBM掘进工作面交叉、施工难度较大、影响工期；因此，在高位水池基础上，拟将高位水池后约7.7 km处的1#、2#TBM设备接收井兼顾作调节池使用。经水力过渡过程仿真分析，考虑高位水池和1#、2#TBM接收竖井联合调压的情况下，可有效解决上述过渡过程问题。

由于1#、2#TBM接收井位置为基本农田范围，该地块征地迟迟未能落实，而输水线路周边无合适场地布置接收井，因此，经现场参建各方研究，决定采用接收平洞形式替代接收竖井方案，接收平洞断面尺寸由水力过渡课题组计算确定。优化后原1#、2#TBM接收井的设备接收及调压功能由接收平洞承担，避免了大直径高竖井的施工难度及风险，且接收平洞洞口布置在基本农田范围以外，征地相对容易。

3 优化后的1#、2#TBM接收平洞方案设计

3.1 总体布置

取消位于桩号SD7+708处的接收竖井，并于SD8+000官坑村附近布置洞口、设置约650 m长的平洞于桩号 SD8+598处与主洞衔接，称“1#、2#TBM接收平洞”(兼顾永久调压洞)，同时进洞后沿上下游各设置250 m主洞钻爆段。该钻爆段为TBM解体场，TBM掘进机总长约425 m，到达拆解后，分体从接收平洞运出。原竖井及新增接收平洞位置示意见图4。

图4 原竖井及新增接收平洞示意(箭头为TBM掘进方向)

3.2 洞口位置的选择

受官坑村基本农田及征地范围的限制，经查勘后发现合适的进洞口位置仅余竖井西侧的山坡地。本次拟定南北向2个进口洞，洞口位置比选见图5所示。

图5 接收平洞洞口位置比选示意

方案一：北向进洞口，平台高程为67.00 m，宽为10.0～54.0 m，长为51.50 m，呈梯形布置；边坡开挖坡比为1:1.5，采用框格梁草皮护坡支护；隧洞长为635.53 m，洞底高程为16.75～67.00 m，坡比为7.90%。

方案二：南向进洞口，平台高程为67.00 m，宽为26.50 m，长为18.0～25.0 m，呈梯形布置；边坡开挖坡比为1:1.5，采用框格梁草皮护坡支护；隧洞长为673 m，洞底高程为16.75～67.00 m，坡比为7.46%。

受征地边界影响，方案二洞口平台尺寸较方案一小，施工布置较为紧张；现状冲沟穿越方案二边坡，需进行改道；同时方案二进洞口覆土厚度较为单薄，进洞条件劣于方案一。

因此，本次拟选择方案一作为 “1#、2#TBM接收平洞”的进洞口。

3.3 隧洞地质情况

按最新选定的隧洞线路，进行了补充钻孔，洞口及沿线共布置5个地质钻孔(钻孔ZKF01～05)。

根据现场勘察，接收洞沿线为一单边渐高的山体，地形完整，冲沟不发育，地面最高高程约250 m，进洞点为一山间小盆地，地面高程约68 m，地面平坦，为农田区，主要种植有桑树。接收洞地层岩性为燕山期花岗岩，其中接收洞桩号0+000～0+240段隧洞围岩主要为全风化～强风化岩，全风化岩实际已风化成硬塑～坚硬土，为土质隧洞，强风化岩岩质软弱，岩体破碎，围岩稳定性较差，因此，该段初步判定为Ⅴ类围岩；0+240～0+635段隧洞围岩主要为弱风化～微风化岩，岩质坚硬，岩体一般属较完整，局部发育断层，断层带附近岩体略为破碎，该段绝大部分为Ⅲ类围岩，仅断层带附近局部少量Ⅳ类围岩。隧洞位于地下水位线以下，断层带及全风化、强风化岩洞段地下水相对丰富，局部可能有较多渗滴水或股状涌水，需做好隧洞排水工作。

3.4 隧洞线路布置

根据榕江关埠引水工程水力过渡过程仿真模拟与泵站前池防淤排沙效果研究分析，1#、2#接收井改平洞后，为满足调压需求，运行期水位38 m高程以下接收平洞断面面积需调整至75 m2。

1#、2#TBM接收平洞作为永久检修通道兼做调压建筑物，运行期水位淹没高程为38 m，隧洞长为635.53 m，洞底高程为16.75～67.00 m，坡比为7.90%。

根据最新地质钻孔揭露情况(钻孔ZKF01～05)，接收平洞中：Ⅲ类围岩长度为397.97 m； Ⅳ类围岩长度为90.97 m；Ⅴ类围岩长度为146.59 m。

按《榕江关埠引水工程1#、2#TBM接收井改支洞、3#TBM隧洞段局部改钻爆隧洞设计变更审查会会议纪要》精神，结合TBM接收尺寸要求，本次优化接收平洞Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩范围的永久结构洞径选取5.36 m(桩号ZD0+000～ZD0+366.774)。为减轻TBM施工进度压力及TBM解体需要，接收平洞完成后，需采用钻爆法往上下游主洞施工，该段永久结构洞径选取5.36 m，施工长度根据1#、2#TBM掘进效率和所处的地质条件决定，本次暂定为向主洞上、下游各钻爆250 m。

本次利用1#、2#TBM接收平洞作为调压设施，考虑适当加大洞室下部容积对避免高位水池露顶有利，因此，38 m高程以下(桩号ZD0+366.774～ZD0+602.732)接收平洞永久洞径选取为8.5 m×9.0 m。

接收平洞的平面布置见图6，纵断面见图7。

图6 接收平洞平面布置示意

图7 接收平洞纵断面布置示意

3.5 接收平洞结构设计

1)进洞口设计

接收平洞进洞口地面地质情况为全风化土，边坡为坡积层。本次设计洞口平台高程为67.00 m，宽为10.0～54.0 m，长为51.50 m，呈梯形布置；边坡开挖坡比为1:1.5，边坡支护采用土钉锚杆φ25 mm垂直于坡面布置，单根锚杆长度为4.0 m，间距为2.0 m×2.0 m；坡面设φ50 mm排水孔，孔深为4.0 m，间距为2.0 m×2.0 m，孔内埋设PVC花管；边坡护面采用框格梁草皮护坡，同时土钉锚杆应锚入框格梁节点。

2)隧洞横断面设计

接收洞隧洞桩号为ZD0+000～ZD0+635.531，总长为635.53 m，洞底高程为67.00～16.75 m，坡比为7.90%，断面为城门洞形。

ZD0+000.000～ZD0+366.774段中，Ⅳ、Ⅴ类围岩及锁口段喷砼挂网厚度为150 mm、200 mm，侧墙及顶拱设φ20系统锚杆L=2.50 m@1.0 m×1.0 m；Ⅲ类围岩段喷砼厚度为100 mm，顶拱及边墙范围内设置φ20系统锚杆L=2.50 m@2.0 m×2.0 m；本段内侧衬砌厚度为400 mm，二衬后洞径为5.36 m×5.38 m(宽×高)，拱顶120°范围内进行回填灌浆，后对全断面采用固结灌浆，每排设8孔，孔深入岩5.0 m，排间距为2.50 m，梅花形布置。

ZD0+366.774～ZD0+602.732段中，Ⅲ类围岩段喷砼厚度为100 mm，顶拱及边墙范围内设置φ25系统锚杆L=6.00 m@2.0 m×2.0 m；本段内侧衬砌厚度为400 mm，二衬后洞径为8.50 m×9.00 m(宽×高)，拱顶120°范围内进行回填灌浆，后对全断面采用固结灌浆，每排设12孔，孔深入岩5.0 m，排间距为2.50 m，梅花形布置。

主洞500 m钻爆段桩号范围为SD8+331.391～SD8+831.391，Ⅲ类围岩段喷砼厚度为100 mm，顶拱及边墙范围内设置φ20系统锚杆L=2.50 m@2.0 m×2.0 m；本段内侧衬砌厚度为400 mm，二衬后洞径为5.36 m×5.38 m(宽×高)，拱顶120°范围内进行回填灌浆，后对全断面采用固结灌浆，每排设8孔，孔深入岩5.0 m，排间距为2.50 m，梅花形布置。

部分典型断面(以Ⅳ类围岩段为例)形式见图8。

4 征地、工期及投资等变化

原1#、2#TBM接收竖井处于永久基本农田范围内，难以征收，且结构复杂、工序繁多、施工场地狭小，工序有地下连续墙、深井爆破、主体内衬墙、排桩帷幕、预应力锚杆及大体积底板等，施工工期约14个月，工期长，投资大。因此，取消了位于桩号SD7+708处的1#、2#TBM接收竖井，新增位于官坑村的1#、2#TBM 接收平洞(兼顾永久调压洞)。

图8 接收洞Ⅳ类围岩开挖支护剖面示意(单位：mm)

通过设计优化：

1)未降低工程标准，不影响工程原有功能；

2)工程征占地容易解决；

3)平洞段总工期为9.5个月，较竖井工期大大缩短；

4)投资节省约1 056.57万元。

5 结语

1#、2#TBM接收井改平洞方案征地手续简单、施工过程安全可控、可有效缩短施工工期、工程投资大幅节省，该设计变更上报广东省水利厅，并获批复。1#、2#TBM接收平洞正在建设，截止2021年2月，1#、2#TBM接收平洞已完成浅埋暗挖段约131.5 m。

TBM掘进机的接收方式受地形、地质等条件影响较大，本工程将位于山区深约52.55 m的TBM设备接收竖井优化为635 m长的TBM接收平洞，优化后工期、造价等效益明显，可供类似工程参考。