德建水库供水工程输水隧洞采用钻爆法与TBM法施工方法的比选

黄铭楷

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 工程概况

连山县德建水库供水工程以德建水库为水源，从德建水库主坝左岸非溢流坝段位置取水，通过输水管道及输水隧洞，满足连山县吉田镇(含县城)、福堂镇和永和镇约5.68万城镇居民的供水需求。供水设计水平年：基准年为2018年，近期规划水平年为2025年，远期规划水平年为2035年。德建水库城镇生活工业供水保证率取97%，农业灌溉保证率取90%。年平均取水量为1 049万m3，设计供水流量为0.5 m3/s。

工程等别为Ⅲ等中型，相应主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。主要建筑物为扩建石龙嘴水厂、新建输水隧洞、新建输水管道及附属建筑物等。次要永久建筑物包括厂区附属建筑物等。

工程采用单线供水，输水线路总长为11.5 km，其中埋管段总长为4.0 km，普通埋管采用DN800球墨铸铁管，跨河及穿路段采用DN800钢管方式穿越；隧洞段总长为7.5 km，采用钻爆法及TBM法结合的方式掘进。

2 输水线路布置的要求

水工隧洞在发电、供水工程中的应用越来越多，其线路布置是水工隧洞设计中非常关键的要素，它直接影响到水工隧洞的水力计算、工程施工、工程投资、运行管理等诸多方面[1]。

连山县既是广东省16个扶贫重点县之一，又是广东省3个少数民族自治县之一，县级财政基础薄弱，农民收入较低，自筹能力有限，城镇基础设施建设滞后，随着连山经济的发展，近年城镇供水压力越来越大，现有水源可供水量已经难以保障供水安全，建设德建水库供水工程是解决连山县吉田镇(含县城)、永和镇和福堂镇等少数民族地区饮水困难的有效途径之一。因此，通过优化德建水库供水工程输水线路，从而缩短施工工期、降低工程投资及运行成本显得格外重要。

合理的水工隧洞线路布置要保证结构合理、力学稳定、输水效率高、工程造价低、工期短、运行管理最方便，使其充分发挥设计使用功能，水工隧洞线路布置须满足以下总体要求[2-4]：① 隧洞轴线线路最短；② 尽量避免相邻建筑物的不利影响；③ 与地质构造成大交角；④ 满足最小覆盖层厚度要求；⑤ 水流条件好，水头损失小；⑥ 便于施工支洞、调压井的布置。

3 洞线比选的基础及优化方向

3.1 输水线路总体走向及基础条件

前期经过输水方式、取水口及交水点的选择，管道隧道组合线路与全管道线路的水力计算及投资比选，最终确定德建水库供水工程输水线路的总体走线。起点为德建水库预留输水管末端，向西沿盘石水左岸埋管至S263省道后向北跨过盘石水，沿着S263省道埋管至042乡道与S263省道相接处山坡脚下入洞口，为保证最小覆盖层厚度，洞线在龙水河位置向上游偏移600 m，绕过龙水河覆盖层厚度较浅处后，拐向东北偏北方向，直线布置到吉田镇出洞口，出洞后埋管穿越高楼水，再顺766乡道埋管至石龙嘴水厂(见图1)。其中埋管采用重力有压流输水方式，隧洞采用无压输水方式，尺寸满足施工及检修通车的最小尺寸要求。

图1 输水线路总体走向示意

3.2 洞线的优化方向

由于供水隧洞长达7.5 km，如全线采用钻爆法施工，需考虑布置施工支洞，满足施工期通风和出渣等需求。在现场查勘的基础上，综合考虑地形地质、支洞长度、施工道路、弃渣场地、洞口高程等条件，确定位于龙水河与二广高速交汇位置附近及吉田镇龙水村附近两处位置较适合布置施工支洞进洞口。按目前输水线路总体走向布置的施工支洞，洞长分别为1.0 km和1.25 km。但是，TBM掘进法施工进度比较快，同时可集成出渣系统及通风系统，故不同于钻爆掘进法，可不设置施工支洞。

本次将对钻爆法与TBM法进行比选，对比2种施工方法的主隧洞长度、施工支洞长度、供水条件、施工工期、征地移民及工程投资，从中选择最优方案。

4 输水隧洞施工方法的比选

4.1 全线钻爆法掘进

1) 隧洞线路布置

根据平面布置，在考虑上施工支洞长度的前提下，原方案隧洞总长度仍有一定优化空间。本次对比原方案与适当增加主洞长度，减少支洞长度方案的投资大小。比选方案1(见图2)：隧洞主洞长7.5 km，支洞长分别为1.0 km和1.25 km，总长度为9.75 km；比选方案2(见图2)：隧洞主洞长7.6 km，支洞长分别为0.65 km和0.85 km，总长度为9.1 km。投资对比结果见表1所示。

图2 钻爆法洞线布置方案比选平面示意

表1 钻爆法线路投资对比万元

由于工程供水流量较小，隧洞尺寸大小主要取决于施工条件与检修要求。所以主隧洞尺寸与施工支洞尺寸相似，每公里投资相近。从表1可得出比选方案2较比选方案1要节省818.9万元，故本次全线钻爆法的线路选择经多次转折后的比选方案2。

该方案供水隧洞长为7.6 km，从乡道与省道相接处山坡脚下入洞口，向东北方向绕过龙水河覆盖深度较浅处后，转向正北靠近适合布置施工支洞山头，再转向东北方向靠近另一适合布置施工支洞位置，最后向北偏转至出洞口。

2) 隧洞施工断面形式

该方案根据供水流量、施工方法及施工条件，全线选用城门洞形断面，隧洞尺寸主要制约因素为施工条件及检修要求。根据地质围岩情况，喷混凝土或钢筋砼内衬，衬砌后净宽为3.0 m，净高为3.6 m城门洞形(见图3～图4)。

图3 隧洞钻爆法典型断面示意(Ⅲ类围岩)(单位：mm)

图4 隧洞钻爆法典型断面示意(Ⅳ～Ⅴ类围岩)(单位：mm)

3) 施工条件

钻爆法施工适用范围比较广,不受隧洞形状及断面尺寸的限制,并可以随时改变。对各类围岩均能适用,施工设备简单,施工工艺灵活,可根据现场地质条件变化,制定相应的施工方案，更适用于短隧道。缺点是施工工序多、安全性差、掘进速度慢、通风条件差等[5-6]。经测算输水隧洞全线采用钻爆法掘进，总工期为62个月。

4) 征地范围

洞线路长达7.6 km公里，根据以往经验，采用爆法施工需适当设置施工支洞。本次设置两个施工支洞，分别位于龙水河与二广高速交汇位置附近及吉田镇龙水村附近，均在连山县县界以外。同时支洞洞口需进行边坡支护，并设置施工道路连接外部。施工支洞的设置对征地投资有所影响，且征地难度较大。

5) 工程投资

该方案总投资为38 441.29万元，其中工程部分静态投资为33 021.29万元，建设征地移民补偿静态投资为2 086.17万元，水土保持工程静态投资为433.86万元，环境保护工程静态投资为403.37万元，专项债利息为2 400.00万元(见表2)。

表2 隧洞采用钻爆法下的工程总投资 万元

4.2 TBM法为主，钻爆法为辅

1) 隧洞线路布置

对于德建水库供水工程，在无法设置施工支洞的情况下，可将地质条件较差的隧洞进出口段0.5 km交给单向施工控制长度较短的钻爆法，中段围岩条件较好的7.0 km采用TBM法。故隧洞开挖以 TBM 为主、钻爆法为辅。隧洞线路按原输水线路总体走向布置，该方案隧洞全长为7.5 km，从乡道与省道相接处山坡脚下入洞口，向东北方向绕过龙水河覆盖深度较浅处后，转向东北偏北方向至出洞口。

2) 掘进机选型

对于硬岩隧洞掘进机，目前国内外主要采用双护盾式和敞开式2种，其形式的选择主要考虑地质条件、隧洞埋深及其断面尺寸。从掘进机的使用功能上看，敞开式和双护盾在成洞条件较好的围岩洞段两者区别不大，掘进速度基本相同；对于成洞条件较差的洞段，敞开式掘进机有不易被挤压、卡机，脱困灵活，便于实施其他工程措施等优势。而双护盾掘进机则由于护盾较长，易被变形较大的围岩所围，处理起来比较困难，虽然设备和人员受护盾和管片的保护，比较安全，但由于不易接触到围岩，处理不良地质洞段比较困难。在护盾式TBM的应用上，洞内采用混凝土衬砌较多，护盾式TBM施工速度优势较明显，但造价相对较高[7]。

本工程输水隧洞中段7.0 km围岩条件均较好，洞壁以锚喷支护的衬砌形式为主，而双护盾明显发挥不了设备的优势[8]。根据地质条件，隧洞中段7.0 km地层条件主要以Ⅲ类围岩为主，岩石抗压强度在80～120 MPa之间，且沿线地下水不丰富，总体稳定性较好，适宜采用敞开式TBM掘进[9-10]。

3) 隧洞施工断面形式

根据供水流量、施工方法、施工条件及地质围岩情况选取该方案的施工断面形式，隧洞尺寸主要制约因素为施工方法及现有TBM设备最小尺寸。经中铁华隧联合重型装备有限公司了解到，目前，国内应用较成熟，且洞径较小的TBM设备其开挖洞径为3.8 m。故本次选用3.8 m作为TBM掘进法的开挖洞径。隧洞进口段0.3 km及隧洞出口段0.2 km范围内以Ⅳ～Ⅴ类围岩为主，采用钻爆法施工，施工断面为城门洞型，内壁采用钢筋砼内衬，考虑TBM设备的通过性，衬砌后净宽为4.3 m，净高为4.35 m；隧洞中段7.0 km范围以Ⅲ类围岩为主，采用TBM法掘进，施工断面为圆洞形，开挖洞径为3.8 m，喷混凝土后净洞径为3.6 m(见图5～图6)。

图5 隧洞进口段典型断面示意(Ⅳ～Ⅴ类围岩)(单位：mm)

图6 隧洞中间段TBM法典型断面示意(Ⅲ类围岩)(单位：mm)

4) 施工条件

TBM法较钻爆法工序简单、施工速度快、安全性好，适用于工期要求紧、且以硬质岩为主的圆形长隧道[11]。但TBM法地质适应能力较差，本次选用的敞开式TBM无法通过较大范围的Ⅳ～Ⅴ类围岩，需要采用钻爆法衔接。经测算输水隧洞进出口段采用钻爆法，中段采用TBM法掘进，总工期为48个月。

5) 对征地的影响

该方案无需设置施工支洞，对征地要求达到最小化。

6) 工程投资

该方案总投资为40 722.3万元，其中工程部分静态投资为36 556.42万元，建设征地移民补偿静态投资为1 792.05万元，水土保持工程静态投资为433.86万元，环境保护工程静态投资为403.37万元，专项债利息为1 440.00万元(见表3)。

表3 隧洞采用TBM法下的工程总投资 万元

4.3 施工方法比选

本次在线路长度、供水条件、施工工期、施工方法、征地移民及工程投资等多方面对钻爆掘进法及TBM掘进法进行综合比选，综合对比见表4。

表4 综合对比

根据表4可见，2个方案在线路长度、供水条件方面差别不大。主TBM法在施工工期、征地移民等多方面均优于全线钻爆法，但在工程投资方面，全线钻爆法要优于主TBM法，工程投资各项对比见表5。

表5 工程概算对比 万元

从经济角度考虑，全线钻爆法更适合作为该输水隧洞的施工方案。但是，鉴于近年来工程所在地与临近县市在征地问题上纠纷较多，且均难以得到解决。本次对两支洞口用地属性及附近村民意愿进行了调查，并综合考虑连山供水需求的迫切性及连山县地方意见，最终确定该工程输水隧洞采用TBM法为主，钻爆法为辅的施工方案。

5 结语

不同的隧洞掘进方式，对于施工支洞、施工工期、征地移民及工程投资均有一定程度的影响。对于短隧洞或地质情况复杂的隧洞，采用钻爆掘进法施工无疑是首选。而对于长隧洞，不需要布置施工支洞集成出渣通风系统的TBM掘进法却更胜一筹，但围岩状况较差的隧洞进出口段，TBM设备无法掘进通行，仍需钻爆法配合，因需要满足TBM设备通行需求，进出口段钻爆洞径或会比全段采用钻爆法的隧洞要大。TBM法施工较钻爆法施工可减少施工支洞和施工准备工程，工作面的减少易于施工管理，节省大量管理费用[12]。但受地质条件、隧洞总长度及设备总造价等因素影响，投资未必比需要施工支洞的钻爆法要少。在施工进度上，TBM法要比钻爆法快很多，综合进尺一般为500～800 m/月[13]。但对于总工期较短的工程，应综合考虑前期TBM设备制造、安装及调试所占用的时间。