大橋水庫(kù)灌區(qū)二期工程太和隧洞施工方案分析

(四川省涼山州大橋水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 西昌，615000)

1 工程概況

太和隧洞位于漫水灣右干渠第四流量段(樁號(hào)36+924～48+019)，全長(zhǎng)11 095m。隧洞在鄧家鎮(zhèn)子渡槽出口后約400m處進(jìn)洞，自北向南采用長(zhǎng)隧洞穿越太和鐵礦西側(cè)山體，于馬家山南麓出隧洞。設(shè)計(jì)流量為9.72m3/s，縱坡為1/1500。斷面采用圓拱直墻型，洞頂采用120°圓弧形拱，隧洞底寬3.0m，直墻高2.16m，頂拱高度0.87m，頂拱半徑1.96m。

2 地質(zhì)概況

太和隧洞洞線長(zhǎng)，穿越的地貌形態(tài)復(fù)雜，溝谷切割深，主要沖溝多有常年流水，隧洞洞身埋深較大，最大可達(dá)600多米。隧洞進(jìn)、出口位于沖溝邊，隧洞洞身從小麻柳溝、上堡子溝、拖石溝、羊圈溝等溝底下穿過(guò)，沖溝內(nèi)及溝間緩脊等處多為當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活場(chǎng)所。

隧洞穿越的地層巖性主要為一套三疊紀(jì)堿性巖漿巖雜巖帶，洞身在2#施工支洞以前段和過(guò)溝地帶分布昔格達(dá)組地層及第四系地層等，陡牌拉達(dá)～仰天窩一帶分布白堊系小壩組砂泥巖類(lèi)。隧洞詳細(xì)圍巖特性見(jiàn)表1。

表1 太和隧洞圍巖特性

從表1可知，太和隧洞穿越巖層復(fù)雜，圍巖分布有極軟巖的昔格達(dá)、小壩組粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)、堿性石英正長(zhǎng)巖、堅(jiān)硬巖的花崗巖，各類(lèi)巖石的飽和抗壓強(qiáng)度從不足1MPa到65MPa不等，巖性軟硬相間。

樁號(hào)36+924～39+003段隧洞圍巖以下更新統(tǒng)昔格達(dá)組(Q1x)半成巖的砂巖、泥巖等為主，砂巖、泥巖相接面地下水活動(dòng)較強(qiáng)，為相對(duì)富水帶。據(jù)太隧CZK1鉆孔揭示，隧洞洞身位于一層厚約38.67m的昔格達(dá)組泥巖的底部，灰黑色，以粘土礦物為主，薄層狀，手感光滑，泥質(zhì)較為均一，強(qiáng)度極低，手搓可成泥狀，易沿層紋斷開(kāi)，失水易開(kāi)裂，遇水軟化。

樁號(hào)41+698～42+164段為F2胡廣斷裂南延部份的斷裂帶及其影響帶，馬爾乃堅(jiān)村民駐地房基處明見(jiàn)斷層角礫巖，角礫徑2cm～6cm，次棱居多，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，角礫多全強(qiáng)風(fēng)化，其透水性一般較弱。斷裂帶兩側(cè)巖體次級(jí)斷裂、裂隙等發(fā)育，巖體破碎，斷層影響帶寬，影響帶是地下水的主要活動(dòng)場(chǎng)所。斷裂帶及其影響帶寬160m～190m，斷裂帶產(chǎn)狀為N30°～40°W/NE∠60°～80°，與洞軸線交角約63°。

樁號(hào)42+702～43+889段洞室圍巖為土洞，物質(zhì)成分為中更新統(tǒng)桐子林塊碎石土，以巖漿巖塊石含量高，并具半膠結(jié)半成巖狀態(tài)，隙間沖填物為中粗砂居多，碎屑物中可見(jiàn)紫紅色砂巖巖屑和碎石，總體透水性較差，圍巖類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)。

樁號(hào)45+869～46+074段為鉆天坡斷裂斷層(F1)及其影響帶，斷層產(chǎn)狀為N60°～80°E/NW∠70°～80°，斷裂帶寬約27.7m，南側(cè)影響帶寬度約38m，北側(cè)影響帶寬度約22.5m。斷裂帶由擠壓形成的糜棱巖帶、碎裂巖、片巖等組成，擠壓帶內(nèi)明見(jiàn)透鏡體構(gòu)造，呈斜列排列，顯示該斷層為逆斷層，結(jié)構(gòu)面性狀以壓性兼扭性為主。

樁號(hào)39+713～39+859、樁號(hào)46+047～46+988、樁號(hào)46+988.7～47+765.9段為新鮮堿性花崗巖、新鮮堿性石英正長(zhǎng)巖與堿性正長(zhǎng)巖，巖石飽和強(qiáng)度為39.3MPa～62.9MPa，屬中至堅(jiān)硬巖。

3 施工方案比選

3.1 方案一：TBM施工方案

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)各類(lèi)圍巖的工程地質(zhì)特征及TBM適宜性判定如表2。

表2 隧洞圍巖分類(lèi)特征及TBM適宜性判定

根據(jù)表2并結(jié)合初設(shè)地質(zhì)報(bào)告所下的結(jié)論“Ⅲ類(lèi)圍巖巖體完整性差、較破碎，圍巖局部穩(wěn)定性差，不利巖體地質(zhì)條件組合對(duì)效率有影響，TBM適宜性分級(jí)屬B、C級(jí)，以前者為主；Ⅳ類(lèi)圍巖較破碎，圍巖不穩(wěn)定，不適宜開(kāi)敞式TBM施工，TBM適宜性分級(jí)屬B級(jí)為主、部分C級(jí)；Ⅴ類(lèi)圍巖極不穩(wěn)定，不適宜TBM施工”。

隧洞中Ⅲ類(lèi)圍巖占比為13.14%，長(zhǎng)度為1458.2m；Ⅳ類(lèi)圍巖占比為20.93%，長(zhǎng)度為2322.4m；Ⅴ類(lèi)圍巖占比為65.93%，長(zhǎng)度為7314.9m(其中土洞長(zhǎng)1186.3m，昔格達(dá)類(lèi)洞長(zhǎng)2078.8m)。

其中第一段36+924.2～39+003.0為昔格達(dá)組地層；第八段42+702.8～43+889.1為土洞；第五段41+698.1～42+164.4和第十一段45+869.4～46+047.2為斷層破碎帶及影響帶。

TBM的適宜性主要與巖性、巖體結(jié)構(gòu)、圍巖類(lèi)別相關(guān)。太和隧洞巖性組成復(fù)雜，軟硬相間，圍巖類(lèi)別以Ⅴ類(lèi)居多，占整個(gè)太和隧洞長(zhǎng)度的65.93%。結(jié)合地質(zhì)“隧洞圍巖分類(lèi)特征及TBM適宜性判定”的結(jié)論及太和隧洞的實(shí)際情況得出：太和隧洞不適宜TBM施工。

3.2 方案二：懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工方案

通過(guò)對(duì)近年來(lái)我省水利工程中懸臂式掘進(jìn)機(jī)資料收集。懸臂式掘進(jìn)機(jī)在我省毗河供水工程、武引二期供水工程、關(guān)刀橋水庫(kù)工程中有所使用，上述三個(gè)地方均為川中、川南的紅層地區(qū)，主要以軟巖為主，巖石較軟，抗壓強(qiáng)度為20MPa～30MPa，巖性、圍巖類(lèi)別變化不大，適宜懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工，但在施工過(guò)程中遇到40MPa以上的硬巖、斷層破碎帶、隧洞富水段，仍然采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工。四川省涼山州地質(zhì)情況復(fù)雜，巖性變化大，到目前為止還沒(méi)有一例水利工程使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工。

太和隧洞穿越了昔格達(dá)、小壩組粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)、堿性石英正長(zhǎng)巖、堅(jiān)硬巖的花崗巖等多種巖層，各類(lèi)巖石的飽和抗壓強(qiáng)度從不足1MPa到65MPa不等。其中Ⅴ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度為7314.9m，Ⅲ、Ⅳ類(lèi)長(zhǎng)度為3780.6m，根據(jù)地質(zhì)資料顯示：Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖多為新鮮堿性花崗巖和新鮮堿性正長(zhǎng)巖，抗壓強(qiáng)度為39.3MPa～62.9MPa不等。而40MPa以上強(qiáng)度的巖石，懸臂式掘進(jìn)機(jī)在此類(lèi)地層的開(kāi)挖進(jìn)尺會(huì)極大降低且對(duì)鉆頭磨損較大。

在樁號(hào)36+924.2～39+003.0、41+698.1～42+164.4、42+702.8～43+889.1、45+869.4～46+047.2段分別為昔格達(dá)洞段、土洞段、斷層破碎帶及影響帶。這四部分洞段圍巖條件差。懸臂式掘進(jìn)機(jī)在施工以上洞段時(shí)，節(jié)約了鉆孔、裝藥、爆破的時(shí)間，但施工期臨時(shí)支護(hù)卻成為了施工進(jìn)度的控制性因素。以上洞段的控制性因素不在掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)挖上，而是在隧洞施工期臨時(shí)支護(hù)上。掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于連續(xù)掘進(jìn)、無(wú)爆破震動(dòng)，對(duì)隧洞圍巖的擾動(dòng)小，但在實(shí)施過(guò)程中需要及時(shí)地跟進(jìn)支護(hù)，達(dá)不到連續(xù)掘進(jìn)，因此懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工也不占優(yōu)勢(shì)。

由于太和隧洞地質(zhì)情況復(fù)雜，不能夠全線使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，仍然需要布置施工支洞多作業(yè)面進(jìn)行施工。針對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)方案，共布置3座支洞方案，支洞相關(guān)特性見(jiàn)表3。

表3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)支洞布置特性

懸臂式掘進(jìn)機(jī)方案中共布置3座支洞：

1#支洞與主洞交點(diǎn)樁號(hào)為39+274，長(zhǎng)度為625m，坡度為8%；

2#支洞與主洞交點(diǎn)樁號(hào)為40+374，長(zhǎng)度為768m，坡度為8%；

3#支洞與主洞交點(diǎn)樁號(hào)為43+139，長(zhǎng)度為610m，坡度為30%。

控制性洞段為3#斜井～主洞出口之間，工期為54個(gè)月。

3.3 方案三：常規(guī)鉆爆法施工方案

本方案采用常規(guī)鉆爆法進(jìn)行施工，選擇合適的位置布置施工支洞多作業(yè)面鉆爆掘進(jìn)。在前期工作中根據(jù)太和隧洞主洞工程布置、地形及地質(zhì)條件。結(jié)合工作面控制長(zhǎng)度，對(duì)有條件布置施工支洞的溝道、可能的支洞口均進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)踏勘，受地形條件制約支洞均無(wú)布置平洞的條件，或?yàn)樯铋L(zhǎng)斜井或?yàn)槠露容^緩的隧洞。經(jīng)綜合考慮，太和隧洞共布置4座支洞，總工期54個(gè)月。

主洞工作面洞身采用開(kāi)挖進(jìn)尺：Ⅲ類(lèi)圍巖110m/月，Ⅳ類(lèi)圍巖85m/月，Ⅴ類(lèi)圍巖45m/月，混凝土襯砌每個(gè)作業(yè)面按照120m/月進(jìn)行。

斜井采用開(kāi)挖進(jìn)尺：Ⅲ類(lèi)圍巖45m/月，Ⅳ類(lèi)圍巖45m/月，Ⅴ類(lèi)圍巖35m/月，混凝土襯砌每個(gè)作業(yè)面按照120m/月進(jìn)行。

支洞相關(guān)特性見(jiàn)表4。

表4 鉆爆法施工支洞布置特性

1#支洞與主洞交點(diǎn)樁號(hào)為39+274，長(zhǎng)度為625m，坡度為8%；

2#支洞與主洞交點(diǎn)樁號(hào)為40+374，長(zhǎng)度為768m，坡度為8%；

3#支洞與主洞交點(diǎn)樁號(hào)為42+339，長(zhǎng)度為539m，坡度為39%；

4#支洞與主洞交點(diǎn)樁號(hào)為44+423，長(zhǎng)度為756m，坡度為47%。

控制性洞段為3#斜井、4#斜井之間，工期為54個(gè)月。

3.4 方案分析比較

根據(jù)前述內(nèi)容可知太和鐵礦隧洞不適宜TBM方案，在方案比較中只比較懸臂式掘進(jìn)機(jī)方案和常規(guī)鉆爆法施工方案。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)方案和常規(guī)鉆爆法施工方案不同之處在于掘進(jìn)機(jī)方案少了鉆孔、裝藥、爆破三個(gè)環(huán)節(jié)，而散煙、安全處理、施工期臨時(shí)支護(hù)、出渣等環(huán)節(jié)兩個(gè)方案均一致。鉆爆法方案比懸臂式掘進(jìn)機(jī)方案多了一根施工支洞。鉆爆法的控制工期為3#、4#斜井之間，控制長(zhǎng)度為2075m；懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制工期為3#斜井～主洞出口，控制長(zhǎng)度為4880m。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)方案中昔格達(dá)洞段、土洞、斷層破碎帶、40MPa以上的硬巖段采用傳統(tǒng)鉆爆法施工，剩下洞段采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工。經(jīng)統(tǒng)計(jì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工段長(zhǎng)度為3232.6m，鉆爆法施工的長(zhǎng)度為7857.4m。方案比較見(jiàn)表5。

表5 鉆爆法和懸臂式掘進(jìn)機(jī)方案對(duì)比

經(jīng)過(guò)投資及工期對(duì)比得知：懸臂式掘進(jìn)機(jī)比鉆爆法施工可節(jié)約投資1334萬(wàn)元，工期均為54個(gè)月。雖然從數(shù)據(jù)面分析懸臂式掘進(jìn)機(jī)方案占優(yōu)，但是太和鐵礦隧洞有特殊性，其地質(zhì)條件差，施工過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)體現(xiàn)不出連續(xù)掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。大于40MPa巖石施工時(shí)，掘進(jìn)機(jī)存在掘進(jìn)慢、鉆頭磨損大等缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)分析，適合太和隧洞懸臂式掘進(jìn)機(jī)的長(zhǎng)度僅3232.6m，占整個(gè)隧洞總長(zhǎng)度的29%，且分布在不同的隧洞洞段。

最終經(jīng)綜合比較，推薦常規(guī)的鉆爆法進(jìn)行施工。

4 結(jié)語(yǔ)

水利工程施工方案與總進(jìn)度，以及施工總布置相輔相成。施工方案選擇需結(jié)合工程建設(shè)特點(diǎn)，從施工條件、地質(zhì)條件、工期、投資、施工期安全及施工管理水平等多方面進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以確定符合工程建設(shè)特點(diǎn)的最優(yōu)施工方案。