大伙房輸水工程特長(zhǎng)隧洞設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉永林，陳永彰

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，110006，沈陽）

一、工程概況

大伙房水庫輸水工程隧洞進(jìn)口位于遼寧省桓仁滿族自治縣境內(nèi)的鳳鳴水庫，出口在新賓滿族自治縣境內(nèi)的蘇子河岸。輸水隧洞總長(zhǎng)85.32 km，進(jìn)口底板高程229.85 m，出口底板高程194.00 m，縱坡1/2 380，洞線總體走向?yàn)镹WN50°左右。隧洞施工采用以隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工為主、鉆爆法施工為輔的聯(lián)合作業(yè)方法，樁號(hào)23+513.68 m之前為鉆爆法施工段，之后為TBM施工段。鉆爆法施工段采用馬蹄形斷面，成洞尺寸（R）為3.5 m；TBM施工段采用圓形斷面，開挖洞徑為8.0 m。模筑混凝土段成洞洞徑（D）為 7.1 m，錨噴段成洞洞徑（D）為7.8 m。每臺(tái)TBM施工段控制長(zhǎng)度在18～20 km左右，整個(gè)洞線共布置施工支洞14條，支洞總長(zhǎng)15 405.68 m。

二、主要工程地質(zhì)條件

主洞室埋深52～600 m，其中埋深小于或等于100 m的洞段長(zhǎng)約7 km，100～300 m的洞段長(zhǎng)約46.5 km，大于或等于300 m的洞段長(zhǎng)約31.5 km。洞線地表大部分地段呈現(xiàn)山高、坡陡、谷深的特點(diǎn)，且植被茂密。隧洞共穿越河流谷地51處，累計(jì)總長(zhǎng)約10 km，約占整個(gè)洞線長(zhǎng)度的12%，河床寬一般30～50m。河流大部分為季節(jié)性河流。

洞室圍巖基本為微風(fēng)化—新鮮巖體，整體強(qiáng)度一般較高，圍巖穩(wěn)定性總體較好。對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性影響較大的主要是斷層。在通過本洞線的29條斷層中，有5條在洞室部位的埋深小于100 m，有11條在洞室部位的埋深為100～200 m，其余均超過200 m，多數(shù)斷層埋深較大，且以壓扭性的中小型斷層為主，其中有5條斷層對(duì)工程影響較大，即F3、F11、F13、F14、F41均為區(qū)內(nèi)一般斷裂中的大型壓扭性斷層。

各施工區(qū)間地質(zhì)圍巖分類情況如下：

樁號(hào) 0+000～23+513.68 m段為本工程最大埋深地段，最大埋深約600 m。自進(jìn)口始依次主要通過五大巖組：中生代白堊系梨樹溝組、早元古代混合花崗巖組、上元古界青白口系永寧組、下元古界大石橋組與蓋縣組、中生代燕山晚期侵入巖組。梨樹溝組巖性主要為火山角礫巖與凝灰?guī)r，火山角礫巖單軸抗壓強(qiáng)度平均約60 MPa，凝灰?guī)r平均約 30 MPa；永寧組巖性主要為硅質(zhì)石英砂巖，石英含量均在70%以上，鐵質(zhì)石英砂巖單軸抗壓強(qiáng)度平均約90 MPa，硅質(zhì)石英砂巖平均約120 MPa，為本洞線強(qiáng)度最高的巖石；大石橋組與蓋縣組巖性主要為大理巖組合，屬可溶巖，其單軸抗壓強(qiáng)度平均約55 MPa；燕山晚期侵入巖性主要為正長(zhǎng)斑巖，其單軸抗壓強(qiáng)度平均約54 MPa。

工程區(qū)共通過29條斷層，本段占13條。工程區(qū)內(nèi)有5條大型壓扭性斷層，本段就占了4條，即 F3、F11、F13、F14，均由構(gòu)造角礫巖、壓碎巖、斷層泥、構(gòu)造片巖等組成。本段通過的三道河子向斜為一蓄水構(gòu)造，其核部受 F13、F12-1、F13-2斷層的切割，巖體破碎，巖體透水性較強(qiáng)，對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定性影響較大，開挖時(shí)會(huì)有涌水現(xiàn)象發(fā)生。且該段通過的石英砂巖地層埋深較大，最大埋深可達(dá)600 m，局部有地應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此該段存在圍巖不穩(wěn)定、涌水、巖爆等問題。

樁號(hào)23＋513.68～85+316.11m段，洞線穿越的地層巖性比較單一，巖石強(qiáng)度大都在30～70 MPa之間，該段的Ⅳ、Ⅴ類圍巖所占比例較小。

三、施工方法選擇

掘進(jìn)機(jī)施工的最大優(yōu)點(diǎn)就是快速性。水工隧洞不同于鐵路隧道，每個(gè)工程的隧洞斷面尺寸都不相同，TBM設(shè)備重復(fù)使用的概率很小，設(shè)備投資基本上都攤銷在一個(gè)工程上。因此，采用TBM施工時(shí)必須充分利用其快速性的特點(diǎn)，縮短工期，使工程早日發(fā)揮效益。

影響TBM施工速度的外部客觀因素主要是地質(zhì)問題，包括涌水、膨脹巖、巖溶、高石英含量巖石等，因此要盡可能避免在這種地段采用TBM施工。另外，由于受地形條件的限制，有時(shí)采用鉆爆法施工獨(dú)頭掘進(jìn)距離很長(zhǎng)，工效很低，這時(shí)采用TBM就具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性。

本工程前23.5 km隧洞穿越的地層條件復(fù)雜，洞室埋深相對(duì)較淺，布置施工支洞比較容易，采用鉆爆法可以有效地解決石英含量高、溶蝕發(fā)育的地層施工難題。后60余km地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，巖石強(qiáng)度為中等至堅(jiān)硬，比較適合TBM施工，并且受地形條件限制，很難選擇到施工支洞以適應(yīng)鉆爆法施工。

通過對(duì)鉆爆法和TBM法施工的工程造價(jià)、適應(yīng)性、環(huán)境影響、施工風(fēng)險(xiǎn)、工期等多方面因素綜合分析，確定前23.5 km采用鉆爆法施工，后60余km采用TBM施工。共計(jì)采用3臺(tái)TBM，每臺(tái)施工長(zhǎng)度控制在20km左右。

四、TBM施工段的總體布置

1.單機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度的確定

機(jī)器的使用壽命取決于其最關(guān)鍵部件的壽命。TBM主軸承從制造到現(xiàn)場(chǎng)安裝最快要6～8個(gè)月，且費(fèi)用很高。所以TBM的壽命通常用主軸承的使用壽命來估算。隨著機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在主軸承的使用壽命可以達(dá)到1.5萬～2萬h，理論掘進(jìn)長(zhǎng)度可達(dá)40多km。

主軸承實(shí)際使用時(shí)間就是開挖過程中的純掘進(jìn)時(shí)間。針對(duì)每臺(tái)TBM的掘進(jìn)長(zhǎng)度，分別計(jì)算其主軸承實(shí)際使用時(shí)間。結(jié)果見表1。

從表1可以看出，TBM的使用時(shí)間僅僅是其理論壽命的1/3～1/4，亦即每臺(tái)TBM使用壽命的安全系數(shù)為3～4。

表1 TBM實(shí)際使用時(shí)間

2.TBM施工段布置

每臺(tái)TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度控制在20 km左右，施工支洞洞口位置根據(jù)地形和地質(zhì)條件進(jìn)行布置。#10和#15施工支洞考慮TBM主機(jī)和輔助設(shè)備的運(yùn)輸，坡度控制在10%以下；其他支洞的坡度將根據(jù)連續(xù)皮帶機(jī)的出渣能力進(jìn)行控制。

3.TBM地下組裝及輔助洞室

（1）地下組裝洞室

TBM組裝洞室由TBM主機(jī)安裝間、步進(jìn)洞和始發(fā)洞組成，擔(dān)負(fù)著TBM主機(jī)、后配套的安裝、調(diào)試和TBM始發(fā)，以及布置主洞連續(xù)皮帶機(jī)和施工材料、人員、TBM配件的有軌轉(zhuǎn)運(yùn)等任務(wù)。

主機(jī)安裝間主要為TBM主機(jī)構(gòu)件的安裝及安裝設(shè)備和工具提供場(chǎng)地，主要布置TBM組裝、材料運(yùn)輸?shù)钠鸬踉O(shè)備，工具備品備件庫房，材料堆放場(chǎng)，機(jī)車充電間和風(fēng)、水、電管路等。其尺寸由設(shè)備最大部件尺寸、安裝部件的擺放和吊車工作范圍來確定。

設(shè)置步進(jìn)洞的目的，就是讓先期已經(jīng)組裝好的TBM前部進(jìn)入步進(jìn)洞，讓出場(chǎng)地繼續(xù)組裝其中部和后部，整機(jī)組裝完成后進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)洞的尺寸根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的形式確定，同時(shí)考慮連續(xù)皮帶機(jī)的皮帶倉布置、鉆爆法的施工速度等因素。本工程TBM1的步進(jìn)洞的斷面型式采用圓拱斜墻式斷面，斷面尺寸考慮TBM步進(jìn)通過時(shí)刀盤周邊預(yù)留125 mm的間隙，初期支護(hù)后的步進(jìn)洞斷面尺寸（R）為 4.125 m。

TBM始發(fā)洞是為TBM開始掘進(jìn)提供足夠支撐能力的出發(fā)場(chǎng)所，洞壁為TBM主機(jī)提供支撐力，始發(fā)洞的長(zhǎng)度至少不能短于刀盤和前支撐靴段的長(zhǎng)度。對(duì)于始發(fā)洞的寬度和高度并無特殊的要求，只需滿足TBM前部刀盤安放和撐靴支撐空間以及刀盤與撐靴之間的距離即可。本工程始發(fā)洞設(shè)計(jì)為圓形，TBM支撐靴外緣預(yù)留100 mm的空隙，以利掘進(jìn)時(shí)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。初期支護(hù)后直徑為8.25 m。

（2）輔助洞室

一般來說，TBM每天都需要一班來做日常保養(yǎng)維護(hù)工作，每掘進(jìn)5 km需要進(jìn)行小修，每10 km需要進(jìn)行中修。TBM中修時(shí)，需要一定的場(chǎng)地和起吊設(shè)備，這就要求在洞內(nèi)設(shè)擴(kuò)大洞室。另外，考慮TBM的通風(fēng)、供水、供電、出渣等系統(tǒng)相關(guān)的配套設(shè)施，如果不進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)，按20 km配置這些設(shè)施的數(shù)量及能力，則比照10 km的用量將增加一倍。因此，在TBM中修期間（20～30 d），同時(shí)進(jìn)行設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)會(huì)節(jié)省很多施工費(fèi)用，并且不占用工程的直線工期。設(shè)置中間輔助支洞優(yōu)點(diǎn)主要有：縮短供電距離，減少電壓降；縮短通風(fēng)距離，減少風(fēng)量損失，保證通風(fēng)效果；縮短出渣皮帶長(zhǎng)度和料物運(yùn)輸距離；分段實(shí)施二次模筑混凝土襯砌，加快進(jìn)度。

五、出渣及通風(fēng)系統(tǒng)

1.出渣系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)施工具有連續(xù)性的特點(diǎn)，因此其出渣系統(tǒng)要求必須具有連續(xù)工作的能力。一般常采用機(jī)車出渣和連續(xù)皮帶機(jī)出渣。通過對(duì)比分析，本工程選用了連續(xù)皮帶機(jī)出渣，其優(yōu)點(diǎn)是出渣效率高，污染少，通風(fēng)費(fèi)用低，出渣和材料運(yùn)輸兩條線，施工干擾?。蝗秉c(diǎn)是一旦出現(xiàn)故障，出渣系統(tǒng)將失去作用，因此檢修、維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)。隨著新技術(shù)的應(yīng)用，連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)具有的運(yùn)距長(zhǎng)、運(yùn)量大、速度快、無污染、TBM利用率高等特點(diǎn)顯得尤為突出。

TBM開挖斷面面積為50.27 m2，每小時(shí)最大進(jìn)尺按7 m考慮，每小時(shí)最大出渣量約為351 m3，皮帶機(jī)的容渣系數(shù)按0.8考慮，最后確定皮帶運(yùn)輸機(jī)的最大輸送能力為800 t/h，皮帶寬度914 mm。

2.通風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)采用的連續(xù)式皮帶機(jī)出渣和壓入式通風(fēng)作業(yè)方式，考慮洞內(nèi)施工人員用風(fēng)、TBM主機(jī)后配套集塵器用風(fēng)以及最小允許風(fēng)速等，選擇其中最大的通風(fēng)量。風(fēng)管采用PVC柔性風(fēng)管，每節(jié)長(zhǎng)度300 m，每節(jié)漏風(fēng)率按0.2%考慮，進(jìn)行TBM施工段的通風(fēng)計(jì)算。

本工程采用對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)，功率為110×2kW，風(fēng)管直徑為2.0～2.2m。主風(fēng)機(jī)布置于每個(gè)施工段施工支洞口，掘進(jìn)機(jī)后配套上布置1臺(tái)濕式集塵器。

風(fēng)機(jī)采用對(duì)旋方式，可隨著掘進(jìn)長(zhǎng)度的變化，調(diào)整風(fēng)機(jī)的工作頻率。

六、TBM選型

影響TBM選型的因素很多，但主要因素是圍巖類別，國(guó)外曾有文獻(xiàn)報(bào)道了圍巖類別和各種型式掘進(jìn)機(jī)性能的關(guān)系。見圖1。

本工程圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 5028—99）附錄P的規(guī)定。該分類系統(tǒng)采用綜合打分法，以巖石強(qiáng)度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)作為基本因素，以地下水、地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面方位及地應(yīng)力作為修正因素，根據(jù)綜合評(píng)分，將圍巖分為5類。RMR圍巖分類系統(tǒng)則從巖石強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)、不連續(xù)面間距、不連續(xù)面條件、地下水、不連續(xù)面方向等6個(gè)參數(shù)對(duì)圍巖進(jìn)行打分，也將圍巖分為5類。規(guī)范的圍巖分類與RMR圍巖分級(jí)對(duì)比見表2。

表2 規(guī)范的圍巖分類與RMR圍巖分級(jí)對(duì)比表

本工程根據(jù)地質(zhì)資料按RMR標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圍巖打分，見表3。

表3 本工程圍巖類別與RMR分值對(duì)照表

3臺(tái)TBM按不同類別的圍巖長(zhǎng)度加權(quán)計(jì)算RMR分值：TBM1為72.95，TBM2為 70.9，TBM3為 57.4。從國(guó)外的TBM選型經(jīng)驗(yàn)來看，本工程TBM1、TBM2段采用開敞式TBM是比較合適的。TBM3施工段Ⅲ類圍巖占掘進(jìn)長(zhǎng)度的78.76%，按照國(guó)外的選型經(jīng)驗(yàn)只能選擇雙護(hù)盾TBM，但是該施工段的地層巖石強(qiáng)度、巖石完整性變化比較均勻，并且沒有大的斷裂構(gòu)造，采用錨噴支護(hù)就能保證洞室的圍巖穩(wěn)定，選用開敞式TBM施工完全能夠滿足工程要求。

本工程選用開敞式TBM，為滿足快速掘進(jìn)的需要，配備了兩套錨桿鉆機(jī)和兩臺(tái)混凝土噴射手，螺旋式混凝土泵的容量為20 m3/h，噴射手行程桿長(zhǎng)12 m，完全適應(yīng)實(shí)際地質(zhì)條件，在施工中取得了極大成功。特別是在Ⅲ類圍巖掘進(jìn)中，月進(jìn)尺超過1 000 m。

七、不良地質(zhì)條件下TBM施工對(duì)策

TBM施工一定要做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，要將中長(zhǎng)距離超前探測(cè)和短距離超前探測(cè)結(jié)合起來，并根據(jù)揭露出的地層情況，對(duì)前方的不良地質(zhì)體作出綜合的判斷，確定是否采用超前處理的措施。

表4 地質(zhì)條件—TBM狀況

影響TBM施工的地質(zhì)構(gòu)造主要有黏土質(zhì)地層、巖石砂化、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶等。它們所造成的危害，一是塌方、掉塊，二是涌水。TBM施工時(shí)不良地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)在洞頂時(shí)占大多數(shù)，塌方、掉塊等多發(fā)生在機(jī)器的頂部、側(cè)面和掌子面，涌水等易出現(xiàn)在機(jī)器的下部和后面。這些不良地質(zhì)條件會(huì)導(dǎo)致TBM不能掘進(jìn)、刀盤不能回轉(zhuǎn)、撐靴支撐力不足等問題發(fā)生。表4列出了不同的地質(zhì)條件導(dǎo)致的TBM無法工作的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表5匯總了對(duì)不同地質(zhì)現(xiàn)象的處理手段。

八、結(jié) 語

大伙房輸水隧洞采用3臺(tái)開敞式TBM和鉆爆法聯(lián)合施工，充分發(fā)揮了兩種隧洞施工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，隧洞已于2009年4月中旬全線順利貫通。采用開敞式TBM和連續(xù)皮帶機(jī)出渣是解決長(zhǎng)隧洞建設(shè)的一種非常好的施工方式，中間支洞及地下組裝洞室的合理布設(shè)是特長(zhǎng)隧洞施工方案布置的重點(diǎn)。

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