城市深埋輸水隧洞快速施工方案及施工技術(shù)研究

張克 羅立哲

摘要：針對(duì)城市深埋輸水隧洞征地困難、施工場(chǎng)地布置難度大，城區(qū)施工期運(yùn)輸限制條件多等施工特點(diǎn)，為了減少施工對(duì)周邊居民生活、企業(yè)生產(chǎn)的干擾，保障施工期間臨近既有建（構(gòu)）筑物安全，減少工程棄渣對(duì)周邊環(huán)境影響等，基于羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程，研究提出城市深埋輸水隧洞快速施工方案及施工技術(shù)，采用TBM法進(jìn)行主線隧洞施工，并針對(duì)斷層破碎帶及富水洞段、軟弱圍巖、超硬巖施工等不良地質(zhì)問(wèn)題提出針對(duì)性處理措施。所提工法與傳統(tǒng)工法相比，可提升隧洞工程質(zhì)量，降低施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，減小與地面及地下軌道交通線路交叉影響以及地表沉降及地下水滲漏的影響，縮減施工工作面和地表占地，有效提高施工工效、縮短工期。研究成果可為類似工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：城市深埋隧洞； TBM； 不良地質(zhì)處理； 快速施工技術(shù)方案

中圖法分類號(hào)： TV315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

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

0引 言

羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內(nèi)配套項(xiàng)目之一，工程全線位于深圳市西部城區(qū)，采用1條輸水干線，全長(zhǎng)21.68 km，過(guò)流斷面直徑5.2 m。為有利于給未來(lái)城市地下空間規(guī)劃預(yù)留空間，輸水隧洞埋深普遍在50 m以上，最大埋深達(dá)到180 m，隧洞圍巖屬較軟巖-堅(jiān)硬巖，圍巖類別以Ⅱ-Ⅲ類為主，長(zhǎng)約14.82 km，約占68.2%，Ⅳ-Ⅴ類圍巖長(zhǎng)約6.91 km，約占31.8%［1］。適宜的施工方法主要包括鉆爆法和TBM法。這些方法在地層適應(yīng)性及施工特點(diǎn)方面有著明顯的區(qū)別。

本文以羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程為背景，根據(jù)城市施工特點(diǎn)和要求，從地質(zhì)條件適宜性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工期要求、周邊環(huán)境影響以及安全環(huán)保等多角度，開展城市深埋輸水隧洞鉆爆法、TBM法等施工方案比選，提出適宜的施工方案和不良地質(zhì)處理措施。

1城市深埋隧洞施工主要問(wèn)題

工程輸水線路穿越主城區(qū)，沿線鄰近或穿過(guò)多處受保護(hù)水源地及城市綠地，并與地鐵、鐵路、高速路、高壓線塔等重要建（構(gòu)）筑物多處交叉，施工受城市制約和影響較大。因此在施工方法選擇和進(jìn)度編排上需充分考慮城市施工特點(diǎn)和要求，并采取措施降低隧洞施工對(duì)生態(tài)環(huán)境、水土、水源地水質(zhì)及周邊生活環(huán)境的影響。城市深埋隧洞施工需考慮的主要問(wèn)題包括：

（1） 輸水隧洞主要出露建筑物及施工通道需布置在主城區(qū)，考慮到城區(qū)內(nèi)土地資源稀缺、征地難度大，隧洞進(jìn)洞通道、施工道路及施工工區(qū)布置等施工場(chǎng)地較難解決。

（2） 部分城區(qū)道路對(duì)大型設(shè)備運(yùn)輸車輛、渣土車輛、混凝土攪拌車量等工程車輛有分時(shí)限行的要求，輸水隧洞施工期間主要設(shè)備、物資及渣料等運(yùn)輸需考慮與城市交通錯(cuò)峰分流，并在工期安排上提前考慮。

（3） 對(duì)于隧洞施工工作面出露點(diǎn)布置在主城區(qū)范圍內(nèi)的，施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮降塵、降噪、減振等措施，盡量減少施工期對(duì)周邊居民正常生活以及企業(yè)正常生產(chǎn)的不利影響。

（4） 城區(qū)地面以及地下交通發(fā)達(dá)，輸水隧洞在平面上與各種交通干線產(chǎn)生交叉，施工期需保證線路核心影響區(qū)內(nèi)既有建（構(gòu)）筑物的安全，并考慮相關(guān)保護(hù)措施，盡量減少施工期對(duì)市政交通、鐵路等構(gòu)筑物的影響。

（5） 工程線路長(zhǎng)、沿線棄渣量大，同時(shí)，輸水線路周邊分布為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城鎮(zhèn)，土地資源稀缺，對(duì)環(huán)境保護(hù)要求高。施工時(shí)應(yīng)做好土石方平衡規(guī)劃，盡量減少工程棄渣，且棄渣運(yùn)輸及渣料臨時(shí)堆存場(chǎng)地布置應(yīng)避免對(duì)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活和周邊環(huán)境造成影響。

2城市隧洞施工方案比選分析

2.1隧洞施工方案介紹

該工程輸水隧洞圍巖屬較軟巖—堅(jiān)硬巖適宜的施工方法主要有鉆爆法和TBM法。

鉆爆法是通過(guò)在掌子面鉆孔、裝藥、爆破開挖巖石的方法。鉆爆法經(jīng)驗(yàn)成熟，能適用各種地層，但相對(duì)TBM法存在施工速度慢、工期較長(zhǎng)、作業(yè)環(huán)境差等缺點(diǎn)。對(duì)于長(zhǎng)距離輸水隧洞，可通過(guò)設(shè)置施工支洞或工作井，增加工作面，實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)洞短打”，以實(shí)現(xiàn)利于隧洞通風(fēng)、排煙、出渣和縮短工期等目的［2-5］?？紤]到城市內(nèi)施工支洞或豎井布置條件有限，采用鉆爆法施工時(shí)，通風(fēng)、出渣難度一般均較大，同時(shí)，鉆爆法施工還將對(duì)施工區(qū)周邊的城市正常生活生產(chǎn)造成較大影響。

TBM（tunnel boring machine，巖石隧道全斷面掘進(jìn)機(jī)）是一種集掘進(jìn)、出渣、導(dǎo)向、支護(hù)等多功能于一體的大型高效隧道施工機(jī)械。其依靠機(jī)械的強(qiáng)大推力，使刀盤上的滾刀沿軸承中心軸公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及繞刀具軸做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將巖石破碎，獨(dú)頭掘進(jìn)最長(zhǎng)距離可達(dá)25 km左右。

2.2TBM法與鉆爆法對(duì)比分析

從施工技術(shù)方面考慮，采用完全鉆爆法施工和采用掘進(jìn)機(jī)法施工均能實(shí)現(xiàn)該工程的開挖，但各有利弊。表1列出TBM法與鉆爆法對(duì)地層適應(yīng)性及施工特點(diǎn)對(duì)比，分析如下：

（1） 施工速度。

傳統(tǒng)鉆爆法施工一般包括測(cè)量、鉆孔、放炮、通風(fēng)、出渣、支護(hù)等作業(yè)循環(huán)，一般隧洞條件下，鉆爆法施工平均月進(jìn)尺通?？蛇_(dá)到60～150 m/月左右。

相比而言，TBM掘進(jìn)效率高。掘進(jìn)機(jī)開挖時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，破巖、出渣和襯護(hù)同步完成，克服了鉆爆法施工作業(yè)的間斷性。在中硬巖的條件下，掘進(jìn)速度一般可以達(dá)到300～500 m/月，是鉆爆法的3～5倍［3］。

（2） 施工質(zhì)量。

鉆爆法施工具有機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)越性，但對(duì)圍巖的擾動(dòng)破壞大，非人為造成的超欠挖嚴(yán)重，光爆效果難以控制，超欠挖嚴(yán)重。

TBM法施工采用刀具擠壓、切割方式破巖，超挖量少，形成光滑的圓形斷面，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成型斷面好，利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且超挖量少，可減少支護(hù)工程量，降低工程費(fèi)用。TBM法開挖洞壁粗糙度一般為 0.019，開挖洞徑尺寸誤差一般不大于2 cm。

（3） 施工作業(yè)環(huán)境。

鉆爆法在鉆孔、爆破等施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵、煙霧等，極大地影響作業(yè)人員的健康。

TBM法施工產(chǎn)生粉塵、煙霧較少，人員健康可得到有效保障。且TBM法使用勞動(dòng)力相對(duì)更少，勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)環(huán)境好，有利于作業(yè)人員的健康。

（4） 施工安全性分析。

鉆爆法施工過(guò)程中，對(duì)于掌子面穩(wěn)定性較差洞段，人工鉆孔振動(dòng)易導(dǎo)致圍巖坍塌，威脅作業(yè)人員安全。同時(shí)，長(zhǎng)距離小斷面隧洞采用鉆爆法施工時(shí)，運(yùn)輸車輛洞內(nèi)錯(cuò)車頻次高，物料運(yùn)輸效率低，安全隱患大。

TBM法施工對(duì)圍巖擾動(dòng)小，避免因?yàn)楸普駝?dòng)可能引起的圍巖松動(dòng)坍塌。施工期間，人員可在刀盤內(nèi)、護(hù)盾尾部等安全環(huán)境下作業(yè)，有效避免爆破施工可能造成的人員傷亡，事故發(fā)生率大大降低。同時(shí)，TBM一般采用皮帶或有軌運(yùn)輸出渣，避免運(yùn)輸線路交叉等因素干擾，進(jìn)一步降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

（5） 周邊環(huán)境影響。

鉆爆法施工采用炸藥破巖，因爆破產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)周圍民房和公路影響較大，安全隱患多，對(duì)周邊城區(qū)市民的工作、生活造成一定影響。在隧洞下穿地鐵、管廊、高架等各種重要建筑物的基礎(chǔ)部位時(shí)，對(duì)鉆爆施工的限制要求很高，需采取靜爆方案及專項(xiàng)爆破設(shè)計(jì)，實(shí)施代價(jià)高、難度大。

TBM法施工可避免或減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，有效降低地面沉陷等施工風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)施工環(huán)境的沖擊，減少地下水流失。對(duì)于TBM下穿地鐵、管廊、高架等各種重要建筑物基礎(chǔ)的部位，經(jīng)相關(guān)部門完成安全穩(wěn)定評(píng)估后，TBM施工可采取降速平穩(wěn)通過(guò)、合理控制調(diào)整振動(dòng)參數(shù)、加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)和超前加固等措施下穿通過(guò)。

另外，由于TBM工法掘進(jìn)效率高，可減少輔助坑道的設(shè)置數(shù)量，有利于減少對(duì)城區(qū)地面出露環(huán)境的破壞。

（6） 經(jīng)濟(jì)性。

鉆爆法施工所采用的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備一次性投入成本相對(duì)較小，但人工投入相對(duì)更多。而TBM設(shè)備一次性投資成本較高，從確定訂制TBM到開始掘進(jìn)需要約9～12個(gè)月，一次施工只能開挖同一個(gè)直徑斷面（或只可臨時(shí)擴(kuò)挖有限尺度），對(duì)不良地質(zhì)條件適應(yīng)性不如鉆爆法。

綜合上述比選，鉆爆法施工存在施工環(huán)境條件差、工序復(fù)雜、獨(dú)頭通風(fēng)和運(yùn)輸受限、超欠挖較嚴(yán)重、圍巖擾動(dòng)大、安全性相對(duì)差以及工程進(jìn)度慢等問(wèn)題。TBM法施工對(duì)圍巖擾動(dòng)少、作業(yè)環(huán)境好、出渣效率高，可達(dá)到安全、優(yōu)質(zhì)、快速、高效的效果。施工安全與環(huán)保型方面TBM法更優(yōu)。

由于該工程輸水線路在市區(qū)，與軌道交通線路交叉較多，且沿線穿越老城區(qū)，周邊環(huán)境極為敏感，環(huán)境要求高，對(duì)地表沉降要求較高，同時(shí)采用鉆爆法施工也不滿足項(xiàng)目的工期要求。因此綜合考慮安全、工期、施工難度、環(huán)境影響等因素，推薦以TBM 法施工為主，因地質(zhì)條件、TBM組裝拆卸通道及工期要求等因素，在進(jìn)出口、井底始發(fā)洞等局部洞段考慮采用鉆爆法施工［6-7］。

3不良地質(zhì)處理

該工程TBM施工不良地質(zhì)問(wèn)題主要有斷層破碎帶、突涌水、軟巖變形、超硬巖施工、有毒有害氣體防治等。

3.1斷層破碎帶及富水洞段處理

輸水隧洞沿線勘察揭露有12條規(guī)模較大的斷裂以及107條小規(guī)模斷層、巖體破碎帶。針對(duì)斷裂、斷層隧洞段存在的圍巖變形穩(wěn)定及涌水等問(wèn)題，采取的主要施工應(yīng)對(duì)措施如下［8-11］：

（1） 在制定施工方案時(shí)，對(duì)于不利于TBM施工的洞段，應(yīng)充分利用始發(fā)井（洞）、閥室等工作面，采取鉆爆法提前施工處理。從而避免TBM始發(fā)時(shí)可能出現(xiàn)的坍塌、涌水等問(wèn)題。

（2） 加強(qiáng)前期地勘工作，盡量查明斷層的產(chǎn)狀、規(guī)模、位置等。

（3） 施工中做好超前鉆探等預(yù)報(bào)，關(guān)注各種預(yù)兆進(jìn)行判斷；在穿規(guī)模較大的斷裂、斷層帶的地面、隧洞內(nèi)開展變形監(jiān)測(cè)。

（4） 穿越小規(guī)模斷層時(shí)，采用低推進(jìn)力、低轉(zhuǎn)速、低扭矩、短行程等措施，盡量可能減少掘進(jìn)對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

（5） 超前鉆探確定大斷層后，停機(jī)后采用固結(jié)灌漿或化學(xué)灌漿進(jìn)行處理，待破碎帶固結(jié)后掘進(jìn)通過(guò)；若預(yù)加固措施效果不佳，開挖旁洞至破碎帶，鉆爆法開挖后，TBM步進(jìn)通過(guò)。

（6） 如機(jī)器被埋，人工清理坍塌體，并加固圍巖后再通過(guò)。

（7） 針對(duì)富水洞段，施工過(guò)程中需采取以下措施，預(yù)防涌水突泥等事件發(fā)生：

① 加強(qiáng)前期的地質(zhì)勘探工作，盡可能查明富水洞段，采用紅外探水儀、超前地質(zhì)鉆機(jī)等探明水壓、水量等，并制定相應(yīng)處理措施；

② 對(duì)一般富水洞段TBM可直接掘進(jìn)通過(guò)，通過(guò)設(shè)集水井、水倉(cāng)，采用水泵將滲水逐級(jí)抽排至洞外，確保滲水不影響TBM正常工作；

③ 對(duì)富水洞段，利用超前地質(zhì)鉆進(jìn)行超前注漿堵水后，再掘進(jìn)通過(guò)；

④ 對(duì)于高外水地段的超前注漿，應(yīng)加強(qiáng)周邊灌漿，擴(kuò)大灌漿圈，增強(qiáng)圍巖承載力，防止高外水壓力穿通巖體。

3.2軟弱圍巖洞段處理

針對(duì)茅洲河下部沉積巖區(qū)等軟巖洞段，在采用以TBM為主的方案施工時(shí)，為保證施工安全和工期，可采取以下處理措施：

① 在進(jìn)行TBM配制設(shè)計(jì)時(shí)考慮防卡機(jī)及脫困設(shè)計(jì)；

② 分析地質(zhì)情況，調(diào)整TBM工作參數(shù)，快速通過(guò)，必要時(shí)推出邊刀，加大開挖斷面；

③ 機(jī)頭輕微下陷時(shí)，加大推力邊調(diào)姿邊快速通過(guò)；機(jī)頭嚴(yán)重下陷時(shí)，先后退，混凝土或枕木加固洞底后通過(guò)；

④ 盾體被箍緊時(shí)，從護(hù)盾鉆孔擠出油水液潤(rùn)滑以減小摩擦，加大推力快速通過(guò)，護(hù)盾箍死時(shí)，在兩側(cè)護(hù)盾外擴(kuò)挖，釋放變形應(yīng)力后通過(guò)；

⑤ 盾體卡死，無(wú)法調(diào)整時(shí)，用旁導(dǎo)洞法前方接應(yīng)解困。

3.3超硬巖施工洞段處理

細(xì)粒黑云母花崗巖，微風(fēng)化—新鮮巖體飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)160 MPa，TBM鉆進(jìn)效率低。TBM施工可采取措施主要包括［12］：

① 采用加強(qiáng)耐磨型刀盤和滾刀設(shè)計(jì)，加強(qiáng)推力配置；

② 根據(jù)巖石情況，適時(shí)調(diào)整TBM工作參數(shù)，加大TBM設(shè)備推力；

③ 加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)測(cè)，及時(shí)更換刀具。

4結(jié) 語(yǔ)

與傳統(tǒng)山嶺地區(qū)隧洞施工相比，在城區(qū)內(nèi)開展深埋輸水隧洞工程施工，由于周邊地面及地下環(huán)境更加復(fù)雜，施工安全及工期要求更高，因此需更加重視提高隧洞工程質(zhì)量安全，降低施工對(duì)周邊環(huán)境影響，減小與地面及地下軌道交通線路交叉影響，減小地表沉降及地下水等影響，減少施工工作面和地表占地，以及提高施工工效縮短施工工期等。經(jīng)本文分析對(duì)比，城區(qū)內(nèi)深埋輸水隧洞施工采用以TBM法為代表的機(jī)械施工優(yōu)勢(shì)相對(duì)更明顯。

考慮到城區(qū)施工過(guò)程中可能存在的斷層破碎帶、突涌水、軟巖變形、超硬巖施工等各類不良地質(zhì)問(wèn)題，本文也提出了有效的解決方案，研究成果可為同類城區(qū)地下深埋輸水隧洞工程優(yōu)質(zhì)高效施工提供借鑒和參考。

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（編輯：郭甜甜）