城市深埋输水隧洞快速施工方案及施工技术研究

张克 罗立哲

摘要：针对城市深埋输水隧洞征地困难、施工场地布置难度大，城区施工期运输限制条件多等施工特点，为了减少施工对周边居民生活、企业生产的干扰，保障施工期间临近既有建（构）筑物安全，减少工程弃渣对周边环境影响等，基于罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程，研究提出城市深埋输水隧洞快速施工方案及施工技术，采用TBM法进行主线隧洞施工，并针对断层破碎带及富水洞段、软弱围岩、超硬岩施工等不良地质问题提出针对性处理措施。所提工法与传统工法相比，可提升隧洞工程质量，降低施工对周边环境的影响，减小与地面及地下轨道交通线路交叉影响以及地表沉降及地下水渗漏的影响，缩减施工工作面和地表占地，有效提高施工工效、缩短工期。研究成果可为类似工程施工提供参考。

关键词：城市深埋隧洞； TBM； 不良地质处理； 快速施工技术方案

中图法分类号： TV315

文献标志码： A

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

0引 言

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程是珠江三角洲水资源配置工程在深圳境内配套项目之一，工程全线位于深圳市西部城区，采用1条输水干线，全长21.68 km，过流断面直径5.2 m。为有利于给未来城市地下空间规划预留空间，输水隧洞埋深普遍在50 m以上，最大埋深达到180 m，隧洞围岩属较软岩-坚硬岩，围岩类别以Ⅱ-Ⅲ类为主，长约14.82 km，约占68.2%，Ⅳ-Ⅴ类围岩长约6.91 km，约占31.8%［1］。适宜的施工方法主要包括钻爆法和TBM法。这些方法在地层适应性及施工特点方面有着明显的区别。

本文以罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程为背景，根据城市施工特点和要求，从地质条件适宜性、结构特点、工期要求、周边环境影响以及安全环保等多角度，开展城市深埋输水隧洞钻爆法、TBM法等施工方案比选，提出适宜的施工方案和不良地质处理措施。

1城市深埋隧洞施工主要问题

工程输水线路穿越主城区，沿线邻近或穿过多处受保护水源地及城市绿地，并与地铁、铁路、高速路、高压线塔等重要建（构）筑物多处交叉，施工受城市制约和影响较大。因此在施工方法选择和进度编排上需充分考虑城市施工特点和要求，并采取措施降低隧洞施工对生态环境、水土、水源地水质及周边生活环境的影响。城市深埋隧洞施工需考虑的主要问题包括：

（1） 输水隧洞主要出露建筑物及施工通道需布置在主城区，考虑到城区内土地资源稀缺、征地难度大，隧洞进洞通道、施工道路及施工工区布置等施工场地较难解决。

（2） 部分城区道路对大型设备运输车辆、渣土车辆、混凝土搅拌车量等工程车辆有分时限行的要求，输水隧洞施工期间主要设备、物资及渣料等运输需考虑与城市交通错峰分流，并在工期安排上提前考虑。

（3） 对于隧洞施工工作面出露点布置在主城区范围内的，施工过程中应重点考虑降尘、降噪、减振等措施，尽量减少施工期对周边居民正常生活以及企业正常生产的不利影响。

（4） 城区地面以及地下交通发达，输水隧洞在平面上与各种交通干线产生交叉，施工期需保证线路核心影响区内既有建（构）筑物的安全，并考虑相关保护措施，尽量减少施工期对市政交通、铁路等构筑物的影响。

（5） 工程线路长、沿线弃渣量大，同时，输水线路周边分布为经济发达城镇，土地资源稀缺，对环境保护要求高。施工时应做好土石方平衡规划，尽量减少工程弃渣，且弃渣运输及渣料临时堆存场地布置应避免对当地生产、生活和周边环境造成影响。

2城市隧洞施工方案比选分析

2.1隧洞施工方案介绍

该工程输水隧洞围岩属较软岩—坚硬岩适宜的施工方法主要有钻爆法和TBM法。

钻爆法是通过在掌子面钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法。钻爆法经验成熟，能适用各种地层，但相对TBM法存在施工速度慢、工期较长、作业环境差等缺点。对于长距离输水隧洞，可通过设置施工支洞或工作井，增加工作面，实现“长洞短打”，以实现利于隧洞通风、排烟、出渣和缩短工期等目的［2-5］。考虑到城市内施工支洞或竖井布置条件有限，采用钻爆法施工时，通风、出渣难度一般均较大，同时，钻爆法施工还将对施工区周边的城市正常生活生产造成较大影响。

TBM（tunnel boring machine，岩石隧道全断面掘进机）是一种集掘进、出渣、导向、支护等多功能于一体的大型高效隧道施工机械。其依靠机械的强大推力，使刀盘上的滚刀沿轴承中心轴公转运动及绕刀具轴做自转运动，将岩石破碎，独头掘进最长距离可达25 km左右。

2.2TBM法与钻爆法对比分析

从施工技术方面考虑，采用完全钻爆法施工和采用掘进机法施工均能实现该工程的开挖，但各有利弊。表1列出TBM法与钻爆法对地层适应性及施工特点对比，分析如下：

（1） 施工速度。

传统钻爆法施工一般包括测量、钻孔、放炮、通风、出渣、支护等作业循环，一般隧洞条件下，钻爆法施工平均月进尺通常可达到60～150 m/月左右。

相比而言，TBM掘进效率高。掘进机开挖时，可以实现连续作业，破岩、出渣和衬护同步完成，克服了钻爆法施工作业的间断性。在中硬岩的条件下，掘进速度一般可以达到300～500 m/月，是钻爆法的3～5倍［3］。

（2） 施工质量。

钻爆法施工具有机动灵活的优越性，但对围岩的扰动破坏大，非人为造成的超欠挖严重，光爆效果难以控制，超欠挖严重。

TBM法施工采用刀具挤压、切割方式破岩，超挖量少，形成光滑的圆形断面，不易产生应力集中，成型断面好，利于结构稳定且超挖量少，可减少支护工程量，降低工程费用。TBM法开挖洞壁粗糙度一般为 0.019，开挖洞径尺寸误差一般不大于2 cm。

（3） 施工作业环境。

钻爆法在钻孔、爆破等施工过程中会产生大量粉尘、烟雾等，极大地影响作业人员的健康。

TBM法施工产生粉尘、烟雾较少，人员健康可得到有效保障。且TBM法使用劳动力相对更少，劳动强度低，作业环境好，有利于作业人员的健康。

（4） 施工安全性分析。

钻爆法施工过程中，对于掌子面稳定性较差洞段，人工钻孔振动易导致围岩坍塌，威胁作业人员安全。同时，长距离小断面隧洞采用钻爆法施工时，运输车辆洞内错车频次高，物料运输效率低，安全隐患大。

TBM法施工对围岩扰动小，避免因为爆破振动可能引起的围岩松动坍塌。施工期间，人员可在刀盘内、护盾尾部等安全环境下作业，有效避免爆破施工可能造成的人员伤亡，事故发生率大大降低。同时，TBM一般采用皮带或有轨运输出渣，避免运输线路交叉等因素干扰，进一步降低安全风险。

（5） 周边环境影响。

钻爆法施工采用炸药破岩，因爆破产生的震动对周围民房和公路影响较大，安全隐患多，对周边城区市民的工作、生活造成一定影响。在隧洞下穿地铁、管廊、高架等各种重要建筑物的基础部位时，对钻爆施工的限制要求很高，需采取静爆方案及专项爆破设计，实施代价高、难度大。

TBM法施工可避免或减少对围岩的扰动，有效降低地面沉陷等施工风险和对施工环境的冲击，减少地下水流失。对于TBM下穿地铁、管廊、高架等各种重要建筑物基础的部位，经相关部门完成安全稳定评估后，TBM施工可采取降速平稳通过、合理控制调整振动参数、加强超前预报和超前加固等措施下穿通过。

另外，由于TBM工法掘进效率高，可减少辅助坑道的设置数量，有利于减少对城区地面出露环境的破坏。

（6） 经济性。

钻爆法施工所采用的设备相对简单，设备一次性投入成本相对较小，但人工投入相对更多。而TBM设备一次性投资成本较高，从确定订制TBM到开始掘进需要约9～12个月，一次施工只能开挖同一个直径断面（或只可临时扩挖有限尺度），对不良地质条件适应性不如钻爆法。

综合上述比选，钻爆法施工存在施工环境条件差、工序复杂、独头通风和运输受限、超欠挖较严重、围岩扰动大、安全性相对差以及工程进度慢等问题。TBM法施工对围岩扰动少、作业环境好、出渣效率高，可达到安全、优质、快速、高效的效果。施工安全与环保型方面TBM法更优。

由于该工程输水线路在市区，与轨道交通线路交叉较多，且沿线穿越老城区，周边环境极为敏感，环境要求高，对地表沉降要求较高，同时采用钻爆法施工也不满足项目的工期要求。因此综合考虑安全、工期、施工难度、环境影响等因素，推荐以TBM 法施工为主，因地质条件、TBM组装拆卸通道及工期要求等因素，在进出口、井底始发洞等局部洞段考虑采用钻爆法施工［6-7］。

3不良地质处理

该工程TBM施工不良地质问题主要有断层破碎带、突涌水、软岩变形、超硬岩施工、有毒有害气体防治等。

3.1断层破碎带及富水洞段处理

输水隧洞沿线勘察揭露有12条规模较大的断裂以及107条小规模断层、岩体破碎带。针对断裂、断层隧洞段存在的围岩变形稳定及涌水等问题，采取的主要施工应对措施如下［8-11］：

（1） 在制定施工方案时，对于不利于TBM施工的洞段，应充分利用始发井（洞）、阀室等工作面，采取钻爆法提前施工处理。从而避免TBM始发时可能出现的坍塌、涌水等问题。

（2） 加强前期地勘工作，尽量查明断层的产状、规模、位置等。

（3） 施工中做好超前钻探等预报，关注各种预兆进行判断；在穿规模较大的断裂、断层带的地面、隧洞内开展变形监测。

（4） 穿越小规模断层时，采用低推进力、低转速、低扭矩、短行程等措施，尽量可能减少掘进对围岩的扰动。

（5） 超前钻探确定大断层后，停机后采用固结灌浆或化学灌浆进行处理，待破碎带固结后掘进通过；若预加固措施效果不佳，开挖旁洞至破碎带，钻爆法开挖后，TBM步进通过。

（6） 如机器被埋，人工清理坍塌体，并加固围岩后再通过。

（7） 针对富水洞段，施工过程中需采取以下措施，预防涌水突泥等事件发生：

① 加强前期的地质勘探工作，尽可能查明富水洞段，采用红外探水仪、超前地质钻机等探明水压、水量等，并制定相应处理措施；

② 对一般富水洞段TBM可直接掘进通过，通过设集水井、水仓，采用水泵将渗水逐级抽排至洞外，确保渗水不影响TBM正常工作；

③ 对富水洞段，利用超前地质钻进行超前注浆堵水后，再掘进通过；

④ 对于高外水地段的超前注浆，应加强周边灌浆，扩大灌浆圈，增强围岩承载力，防止高外水压力穿通岩体。

3.2软弱围岩洞段处理

针对茅洲河下部沉积岩区等软岩洞段，在采用以TBM为主的方案施工时，为保证施工安全和工期，可采取以下处理措施：

① 在进行TBM配制设计时考虑防卡机及脱困设计；

② 分析地质情况，调整TBM工作参数，快速通过，必要时推出边刀，加大开挖断面；

③ 机头轻微下陷时，加大推力边调姿边快速通过；机头严重下陷时，先后退，混凝土或枕木加固洞底后通过；

④ 盾体被箍紧时，从护盾钻孔挤出油水液润滑以减小摩擦，加大推力快速通过，护盾箍死时，在两侧护盾外扩挖，释放变形应力后通过；

⑤ 盾体卡死，无法调整时，用旁导洞法前方接应解困。

3.3超硬岩施工洞段处理

细粒黑云母花岗岩，微风化—新鲜岩体饱和抗压强度达160 MPa，TBM钻进效率低。TBM施工可采取措施主要包括［12］：

① 采用加强耐磨型刀盘和滚刀设计，加强推力配置；

② 根据岩石情况，适时调整TBM工作参数，加大TBM设备推力；

③ 加强设备监测，及时更换刀具。

4结 语

与传统山岭地区隧洞施工相比，在城区内开展深埋输水隧洞工程施工，由于周边地面及地下环境更加复杂，施工安全及工期要求更高，因此需更加重视提高隧洞工程质量安全，降低施工对周边环境影响，减小与地面及地下轨道交通线路交叉影响，减小地表沉降及地下水等影响，减少施工工作面和地表占地，以及提高施工工效缩短施工工期等。经本文分析对比，城区内深埋输水隧洞施工采用以TBM法为代表的机械施工优势相对更明显。

考虑到城区施工过程中可能存在的断层破碎带、突涌水、软岩变形、超硬岩施工等各类不良地质问题，本文也提出了有效的解决方案，研究成果可为同类城区地下深埋输水隧洞工程优质高效施工提供借鉴和参考。

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（编辑：郭甜甜）