华东地区某水利工程输水隧洞施工方案比选分析

第19卷 第9期 中 国 水 运 Vol.19 No.9 2019年 9月 China Water Transport September 2019

收稿日期：2019-07-26

作者简介：

朱方剑（1985-），男，硕士，台州市水利水电工程质量监督站工程师。

华东地区某水利工程输水隧洞施工方案比选分析

朱方剑

（台州市水利水电工程质量监督站，浙江 台州 318000）

摘 要：根据本水利枢纽工程的工期要求、隧洞地质条件、隧洞长度和洞径，参考国内和省内目前较为成熟的隧洞施工经验，通过钻爆法和TBM 法两种施工方案作比选分析，选择适合本工程输水隧洞的施工方案，以期为类似工程提供借鉴。 关键词：输水隧洞；钻爆法；TBM 法

中图分类号：TV672 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）09-0165-03

钻爆法是通过在岩体上凿出一定孔径和深度的炮眼、并装上火药进行爆破开挖岩石的方法。这种方法适应性强，较为经济，是隧洞开挖中最为传统、常规的施工方法[1]。钻爆法的基本施工过程有钻孔、装药放炮、排烟通风、清撬、支护、出渣[2]。一般情况下，钻爆法一天可以掘进2个循环，最高可达3个循环。在隧洞超过1,000m 以后，通风排烟成为关键，若通风排烟口太远，排烟所需时间将大大加大，严重影响隧洞掘进进度。根据隧洞不同的地质条件、洞径和进洞长度等因素，一般钻爆法洞挖进尺为60~180m/月。

TBM 即为全断面岩石掘进机，它由电动机驱动主轴旋转、对刀盘施加一定压力、使其贴近岩壁、通过刀盘上装设的盘形滚刀破碎岩石、使隧洞断面一次成型的大型工程机械[3]。隧洞采用掘进机施工的方法称为掘进机法（TBM）。TBM 堪称一个移动工厂，它是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护及运输等作业，实现工厂化施工，单工作面掘进速度较快，效率较高[4]。根据隧洞不同的地质条件、洞径等因素，TBM 法洞挖综合进尺一般为500~800m/月[5]。

一、工程概况

某大型水利枢纽工程，包括新建水库和输水系统，输水系统进口位于水库坝下，由输水堰坝、进口流量控制闸、输水隧洞（管道）等建筑物组成，分为上游段输水隧洞和下游段输水线路，全长约29km，其中隧洞长约26km，管道长约3km。

输水隧洞围岩为侏罗系上统西山头组（J 3x）角砾凝灰岩，局部洞段为晚侏罗世流纹斑岩（λπJ 3），岩石块状、坚硬。隧洞进口基岩裸露，为弱风化~微风化岩石。甘头出口处崩坡积（col-dlQ 4）粉质粘土夹碎块石，厚度10~28.8m，中密~密实，出口强风化厚度约2~4m，弱风化厚度3~5m。连接中间调节池的隧洞口处为强风化~弱风化岩体，强风化带厚度约2~4m，弱风化厚度2~5m。

洞线通过地段山体较厚，上覆岩体厚度一般大于80m，围岩以Ⅱ类~Ⅲ类为主，稳定~基本稳定，f=3~5，k 0=30~50MPa·cm -1。断层通过段围岩为Ⅳ类~Ⅴ类围岩，易发生坍塌，局部可能有涌水、突水现象，施工时应做好安全预

防措施，f=1~2，k 0=5~10MPa·cm -1。隧洞进出口段岩体节理裂隙发育，围岩较破碎，且上覆岩体厚度较小。

二、输水隧洞施工方案综合比选

从地形条件、围岩情况、线路条件以及TBM 洞泾适用性等方面考虑，本工程既可全段采用钻爆法施工，也可采用TBM＋钻爆法施工。考虑交通、出渣、排水等要求，TBM 施工进口宜位于隧洞下游侧，即位于长潭水库库区交通条件便利处，且进口处需有较大的场地条件，以满足TBM 设备安装调试、污水处理等要求。根据以上要求，结合长潭水库库区地形、交通条件，综合分析适合的TBM 进口有两处，分别为长潭水库库尾的山岸村和遥岩村。山岸村隧洞进口处场地开阔，洞口有道路通过，可经长约2km 的现有道路通往库外；遥岩村隧洞进口处场地开阔且封闭，且邻近在建的82省道，可建接线道路经82省道通往库外，道路长度约4km。

因此，初拟本工程输水隧洞施工方案为3个：①钻爆法方案；②TBM＋钻爆法山岸出口方案；③TBM＋钻爆法遥岩出口方案。

1．施工方案洞线选择 （1）钻爆法方案洞线选择

上游输水隧洞进口位于朱溪水库坝下，出口位于长潭水库库尾甘头，长17.05km，沿线共设5个施工支洞，仙居侧为进水口支洞、来岩支洞、双坑支洞，黄岩侧为大厂基支洞（斜洞）和冷水坑支洞，另在仙居侧双坑支洞下游设长郎排烟洞。下游输水线路进口接上游输水隧洞，出口接入台州供水工程管道，长约11.59km，沿线设甘头、下加岙和蔡岙3个施工支洞，下游输水线路还有多个埋管出露口，因此下游段隧洞独头最大施工长度可控制在1.5km 以内；而上游输水隧洞需穿越括苍山深厚分水岭，支洞布置困难，独头最大施工长度约4.2km（含支洞长度），为制约本工程输水隧洞施工的控制洞段。

图1 钻爆法方案上游段输水隧洞布置示意图

166 中 国 水 运 第19卷 （2）TBM＋钻爆法（山岸出口）方案洞线选择 为充分发挥TBM 机作用和摊销设备投资，考虑到施工场地布置、隧洞出渣和排水、污水处理等，本工程上游段采用1台TBM 机器单头掘进，TBM 机进口选择在下游侧。

上游段输水隧洞出口工作面选择TBM 向上掘进施工，坝下隧洞进口则同步采用钻爆法施工，从隧洞进口到长潭水库库尾山岸出口（TBM 施工进口）段隧洞长约24.17km。在库区设来岩支洞，作为钻爆法施工工作面；在黄岩侧甘头设甘头支洞，主要作为TBM 法施工中间检修及通风出渣通道。钻爆法施工段为隧洞进口至来岩支洞接入点下游2km，共约5.74km；为缩短工期，同时利用中间的甘头施工支洞，在不占直线工期的前提下，上下游各钻爆法施工1km，因此TBM 施工段共约

16.23km。

图2 TBM＋钻爆法（山岸出口方案）上游段输水隧洞布置示意图

（3）TBM＋钻爆法（遥岩出口）方案洞线选择 本方案从隧洞进口到上游段输水隧洞长潭水库库区遥岩村出口（TBM 施工进口）段隧洞长约22.51km。跟山岸出口方案一样在朱溪水库库区设来岩支洞，作为TBM 出口及钻爆法工作面，在黄岩侧甘头设甘头支洞，主要作为TBM 法施工中间检修及通风通道。钻爆法施工段为隧洞进口至来岩支洞接入点下游2km，共约5.71km；为缩短工期，同时利用中间的甘头施工支洞，在不占直线工期的前提下，上下游各钻爆法施工1km，因此TBM 施工段共约

14.58km。

图3 TBM＋钻爆法（遥岩出口方案）上游段输水隧洞布置示意图

2．钻爆法和TBM 法施工综合比较

为便于比较，将输水系统作为整体，从工程布置、地形地质条件、施工工期、投资等方面，进行综合比较。

（1）地形条件

输水隧洞需穿越括苍山深厚分水岭，采用钻爆法方案受通风排烟及出渣的限制需布置多个施工支洞，但穿越括苍山段支洞布置条件差；采用TBM 方案以下游单头掘进为主，进口交通条件好，中间仅需设1个交通检修洞，受沿线地形条件影响小。因此，从地形条件看，TBM 方案较有利。

（2）地质条件

隧洞沿线围岩主要为角砾凝灰岩，稳定条件好，适合采用钻爆法或TBM 法施工，由于围岩强度较高，采用TBM 施工造价相对较高，存在因岩石强度变化造成投资、工期增加的风险。而钻爆法方案适应性强，可以针对不同的地质条件采用针对性措施。因此，从地质条件看，钻爆法方案相对较为有利。

（3）建筑物布置和结构

TBM＋钻爆法方案线路拐点少，但TBM 进口场地条件要求较高，遥岩出口方案线路长度和钻爆法基本一致，山岸出口方案较遥岩出口方案长近2km。TBM 施工岩壁完整性好，除Ⅳ类围岩需进行混凝土衬砌外，其余采用挂网锚喷处理；钻爆法施工全段采用混凝土衬砌。

（4）施工条件

采用钻爆法方案输水隧洞沿线需布置4个施工支洞和2个排烟支洞，最大单头进尺约4.2km，且黄岩侧2个支洞洞口缺乏施工场地，现有进出道路狭窄，施工条件很差。下游输水线路沿线布置2个施工支洞，隧洞进出口多，且大部分位于长潭水库库区。TBM 方案出口位于长潭水库库尾，采用单头掘进方式，工作面集中，可经现状道路直接通往长潭水库库外，交通排水条件好。另在长潭水库库内甘头设1个交通检修支洞，支

洞交通条件好。但本工程TBM 方案施工洞径小（4.0m），单头进尺长达约10km，和同类TBM 工程相比，洞内施工条件较差。因此，从施工条件看，TBM 方案相对较有利。

（5）施工风险

钻爆法是非常成熟的隧洞施工方式，对不同地质条件和地下水条件均具有很强的适应性，施工可靠性高，由于是先开挖后支护，存在支护不及时发生安全事故等施工风险。TBM 施工为机械封闭施工，开挖断面整体性好，安全风险低。但TBM 方案对围岩强度、性状要求较高，遇不良地质条件应对措施灵活性和便利性较钻爆法差，同时本工程围岩抗压强度较高，采用TBM 方案存在投资、工期增加的风险。因此，从施工风险看，钻爆法方案可靠性高，TBM 方案安全性高，各有优缺点。

（6）环境保护

输水隧洞工作面位于长潭水库库区范围内，考虑到长潭水库供水的重要性，须确保施工不会对库区环境特别是水质

产生不利影响。钻爆法方案隧洞施工在长潭水库库区范围内有11个工作面，污染源分散，集中处理困难，环保压力较大；TBM 方案在长潭水库库区内仅有3个工作面，主要工作面污水可经现状道路接至库外集中处理，环保风险相对较低，但TBM 污水处理难度相对较大。因此，从环境保护看，TBM 方案相对较好。

（7）施工工期

钻爆法方案施工控制工期56个月，山岸出口TBM 方案施工控制工期55个月、遥岩出口TBM 方案施工控制工期52个月。钻爆法方案工作面多，但单工作面进尺短；TBM 方案工作面少，设备制造安装时间较长，但单工作面进尺长。

因此，从工期看，钻爆法施工方案和TBM 施工方案工期基本一致。但考虑到钻爆法施工受政策处理、炸药供应、社会稳定等因素影响较大，TBM 施工方案工期可靠性更高。

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