新疆某水電站長隧洞施工方法比較

吳 均

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

工程施工

新疆某水電站長隧洞施工方法比較

吳 均

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

依據新疆某水電站長隧洞地形、地質及水文條件等，從施工方法特點、工程混凝土骨料來源及洞身不良地質段施工措施等方面對長隧洞采用鉆爆法和TBM掘進法施工方案進行了對比，推薦采用鉆爆法施工。

長隧洞；施工方法；鉆爆法；TBM掘進法

1 工程概況

新疆某水電站工程由大壩、溢洪道、導流兼泄洪洞、發電洞及廠房等主要建筑物組成，最大壩高31.5m，總庫容50萬m3，裝機容量190MW，保證出力8.55MW，多年平均發電量5.839億kW·h，為Ⅲ等中型工程。該電站引水系統總長19km，其中低壓引水隧洞長18.3km，發電額定水頭196.5m，設計引用流量109.4m3/s，襯砌后洞徑D為6.7m，圓形斷面，采用一洞四機聯合供水方式。低壓引水隧洞末端設置上游調壓室，調壓井后連接高壓管道，后經分岔為4根支管進入廠房，尾水經尾水渠泄入原河道。

2 發電洞布置

鉆爆法和TBM法是目前長隧洞施工中普遍采用的施工方法，在道路、水利、電力等領域應用廣泛。本工程長發電洞施工方法初步選擇鉆爆法和TBM掘進法兩種方法［1-2］。

2.1 鉆爆法發電洞布置

根據鉆爆法施工特點，為便于布置施工支洞及縮短施工支洞長度，在滿足洞頂及側向圍巖覆蓋厚度的前提下，發電洞線布置時盡量沿著河道布置。全洞線共布設8條施工支洞，5個轉彎點，轉彎半徑50m。

2.2 TBM掘進法發電洞布置

根據TBM掘進法施工特點［3］，TBM施工時洞線盡量布置成直線，利于掘進機施工，縮短發電洞洞線長度，減少轉彎個數。依據地形、地質條件，在TBM掘進施工段布設2條施工支洞，其中掘進機由T2#支洞進洞，由T1#支洞拆卸出洞。

TBM掘進法除在樁號Z0+654.855～Z17+144.728之間洞線布置和鉆爆法不同外，其余段兩種方法洞線重合（鉆爆法簡寫為字母Z，TBM掘進法簡寫為字母T），TBM掘進法除在T1#支洞和T2#支洞之間洞身采用TBM掘進施工外，其余洞身段施工方法均采用鉆爆法施工。兩種施工方法對應的洞線平面布置如圖1。

圖1 發電洞洞線布置平面圖

3 發電引水隧洞地質條件

兩種施工方法發電洞沿線的地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件等基本相同。隧洞沿線出露地層巖性有：碎粒化黑云母中細粒花崗閃長巖、中細粒二長花崗巖、碎粒化似斑狀二長花崗巖；變粒花崗閃長巖；弱蝕變不等粒二長花崗巖，灰白—淡紅色似斑狀黑云母花崗巖，蝕變碎裂黑云母石英閃長玢巖、蝕變碎裂中細粒二長花崗巖、含石榴石黑云母斜長片麻巖等。

發電洞沿線地質條件較復雜，有大型沖溝20余條，較大斷層30組，其中F20喀拉溫古泉斷裂為活動斷裂。

TBM掘進施工段發電洞洞線埋深為300～600m，在局部埋深較大處可能存在巖爆。隧洞Ⅱ類圍巖約占隧洞總長21%，堅固系數f=7～8，單位彈性抗力系數K0=60～70MPa/cm，變形模量7.93GPa，彈性模量16GPa，飽和抗壓強度80.5MPa，縱波速度4000～5500m/s；Ⅲ類圍巖占隧洞總長42.28%，堅固系數f=5～6，K0=35～50MPa/cm，變形模量5～7.93GPa，彈性模量6.5～10 GPa，飽和抗壓強度55～80.5MPa，縱波速度3500～4000m/s；Ⅳ類圍巖約占隧洞總長24.27%，堅固系數f=1.5～2.5，K0=15～20MPa/cm， 變形模量2.5～4.2GPa，彈性模量4.5～6.5GPa，飽和抗壓強度44～55MPa，縱波速度2500～3200m/s；Ⅴ類圍巖約占隧洞總長12.45%，堅固系數f<1，單位彈性抗力系數K0<5MPa/cm。

4 鉆爆法施工方法

4.1 施工特點

鉆爆法施工主要由施工單位組織實施，施工方法簡單、施工方法靈活，施工組織比較簡單。能應用于各類地層和多變的巖層，設備投資少，施工方案可根據地質情況變化方便做出調整，可以開辟較多的工作面，施工工期宜控制，是目前國內外隧洞施工的主要掘進方法。

4.2 鉆爆法施工

采用鉆爆法施工時上平低壓段長18.3km，根據發電引水洞平面布置特點及地形地質條件，發電引水洞上平低壓洞段共布置了8條施工支洞，形成16個作業面。

發電引水洞洞線大部分為花崗巖，根據發電洞洞挖料試驗結果，洞挖渣料作為人工骨料，各項指標滿足質量要求。發電引水洞上平低壓段長18.3km，上平低壓洞段石方洞挖總量100.5萬m3，為減少棄渣占地和料場開采占地，本工程混凝土骨料全部采用發電洞洞渣料經人工破碎獲得。

本工程混凝土澆筑總量31.13萬m3，發電引水洞洞挖渣料開挖總量和質量技術指標均滿足本工程混凝土骨料設計要求。洞襯混凝土考慮在洞挖完成后進行。在每個施工支洞進口附近布置一座混凝土拌和站拌制混凝土，洞襯混凝土采用鋼模臺車澆筑。每個工作面配置1套鋼模臺車，共布置14套臺車，其中2套重復利用。

4.3 鉆爆法發電洞不良地質段施工措施

4.3.1 圍巖穩定問題處理

洞線通過斷層及斷層影響帶，以及通過較大山洪溝洞頂覆蓋較薄的洞段，圍巖條件較差，為防止隧洞在通過以上不利圍巖地段的開挖過程中出現塌方，除了采用弱爆破、短進尺、緊跟臨時支護的施工方法外，還需要采取大管棚及超前小導管支護等超前支護加固圍巖的措施。

4.3.2 涌水洞段處理

斷層破碎帶除圍巖穩定問題外，還存在涌水的情況，掌子面超前大管棚和小導管的預注漿已經起到阻水的作用，此外還應加強排水措施，對于順坡開挖的施工段應設置備用排水泵和電源以保證排水作業的連續性，為方便排水本工程的所有施工支洞均設計成順坡。

4.3.3 通過巖爆地段處理

沿洞線局部埋深較大的圍巖存在輕微巖爆，通過輕微巖爆洞段的主要措施是向工作面及隧道壁面噴水來促進圍巖軟化，從而消除或緩解巖爆程度。

5 TBM掘進法

5.1 施工特點

長隧洞工程中，隧洞施工一般在有條件布置施工支洞的條件下均考慮采用鉆爆法施工。TBM掘進機施工多在無法布置施工支洞，同時隧洞單工作面較長，鉆爆法無法施工的情況下選擇TBM掘進機施工［4］。

TBM法是快速掘進的有效方法之一，地形地貌、地質、水文、運行條件等對TBM選型影響很大。對不同的條件需采用專門的設計以提高工作效率，其工作特點決定TBM在比較單一的地層中可以取得比較高的進尺，比較適合中硬巖的隧洞施工。工作條件變化時，如軟弱巖層、硬巖、斷層破碎段、巖爆段、高涌水段，施工的不確定因素較多，施工方案調整比較困難。在地質條件復雜的洞段，對工程的投資及工期可能存在重大影響［5］。

TBM掘進機施工是個系統工程，需要系統化、專業化管理，TBM掘進設備選型設計、施工方案擬定、緊急情況處理等，需要業主、工程設計單位、機械設計單位、施工單位緊密配合。施工期對工程各方提出更高的要求，由于是流水線式施工，一個環節的變化就可能造成大的工期變化和投資變化。

5.2 TBM掘進機選型

TBM掘進機機型的選擇與沿線的地質條件和掘進機對地質的適應能力有密切關系［6-16］。目前常用的掘進機主要有開敞式和護盾式兩種。從掘進機的使用功能上看，開敞式和護盾式在成洞條件較好的圍巖洞段兩者區別不大，掘進速度基本相同；整體上軟巖隧洞施工，護盾式要優于開敞式。對于成洞條件較差的洞段，開敞式掘進機有不易被擠壓、卡住，脫困靈活，便于實施其他工程措施，可改變開挖洞徑等優點，另外開敞式掘進機處理斷層、涌水較容易，開敞式掘進機針對斷層破碎帶等不良地質條件，可利用超前鉆（或地質鉆）打排水孔和進行注漿處理，再利用安裝鋼拱架、掛網、噴錨等手段，及時地緊靠開挖面進行支護。對于較大斷面的混凝土襯砌長隧洞，當在開敞式掘進機后部一定距離布置混凝土襯砌用的鋼模臺車不影響掘進機的軌道交通運輸時，也可以做到邊開挖邊襯砌。而護盾式掘進機則由于護盾較長，易被變形較大的圍巖所圍，處理起來比較困難，雖然設備和人員受護盾和管片的保護，比較安全，由于不易接觸到圍巖，處理不良地質洞段比較困難。

本工程發電引水隧洞共穿越大小斷層約29條，其破碎帶寬一般5～40m，其中引水隧洞穿過F20喀拉溫古泉斷裂，斷裂性質為逆斷層，沿該分布有天然的溫泉，泉水溫度40℃～60℃。同時該隧洞可能還存在有巖爆、突涌水、巖體地應力變形等不良工程地質問題。發電洞開挖洞徑為7.7m，滿足開敞式掘進機邊開挖邊襯砌的條件。綜合上述分析并結合國內開敞式掘進機的成功應用經驗，選擇1臺開敞式掘進機進行發電洞段施工。

5.3 TBM掘進機施工

根據發電引水洞平面布置特點及地形地質條件，發電引水洞共布置了3條施工支洞。T3#施工支洞與鉆爆法8#施工支洞位置及作用一樣，T2#施工支洞主要為TBM組裝進洞及施工出渣洞，T1#施工支洞主要為TBM拆卸運出洞。

TBM掘進機施工方案整個工程混凝土澆筑總量約32.87萬m3，由于TBM掘進施工洞段渣料不能滿足加工混凝土骨料質量要求，而局部鉆爆法開挖洞段的渣料數量不能滿足制備整個工程混凝土骨料的要求，骨料不足部分需要由料場開采補充。

TBM掘進機施工洞段考慮開挖與襯砌同步實施的方案進行施工，其中隧洞為滿足掘進機后部行車軌道的要求，仰拱采用預制的形式與掘進機同步施工，洞身其余部分采用現澆混凝土襯砌，仰拱安裝由掘進機邊開挖邊安裝。由于本工程掘進機施工洞段開挖洞徑較大，為保證隧洞TBM掘進機掘進與襯砌同步施工的要求，混凝土澆筑采用穿行式鋼模臺車進行澆筑，混凝土由軌道式混凝土罐車洞內運輸至工作面，60m3/h混凝土泵入倉，混凝土泵及軌道式混凝土罐車均布置在一側軌道，預留出一側用于掘進機正常的開挖出渣及材料運輸的施工［17］，出渣方式選擇軌道運輸。

5.4 TBM掘進施工段不良地質段施工［18-19］

5.4.1 斷層破碎帶

掘進機開挖至斷層破碎帶時，由于掌子面附近的圍巖破碎、松散，掘進機刀盤應頂在掌子面上，不要輕易后退，更不能在無推進的狀態下，轉動刀盤進行掘進開挖出渣。否則，會造成刀盤前部更大范圍坍塌，形成空穴，而一旦形成刀盤前部的空洞，處理起來困難更大，并會延誤工期。由于機械噴錨設備距開挖面15m，使開挖后巖面長時間暴露，造成局部巖面掉塊剝落，嚴重影響掘進機掘進，且嚴重危及人員、設備安全。針對這一問題，根據經驗和掘進機施工實際情況，可采取如下措施：

（1）首先采用人工噴錨，及時封閉圍巖，對不同地質段，噴混凝土的厚度及時調整，確保圍巖變形受到控制和主機撐靴不會撐垮圍巖，量測及時反饋，若拱頂下沉仍得不到控制，應補噴或加強拱架等一系列加強支護措施。

（2）對坍塌區用鐵皮封堵，噴混凝土封閉，及時快速灌注混凝土。對范圍大且坍塌在護盾上的坍腔回填時，為減少等強時間，提高工效，在混凝土中加入適量速凝劑。

（3）拱架安裝一定要保證豎直，間距符合要求，螺栓擰緊，隧洞清底要徹底，以保證鋼拱架緊貼仰拱，以確保仰拱塊的順利安裝。

（4）鋼拱架受壓變形應及時用型鋼加固。在拱腰及仰拱塊邊沿加打鎖腳錨桿，以有效控制拱架變形、穩定圍巖，確保安全及主機順利通過。

（5）對圍巖破碎區和滲水區，打入注漿錨桿，用濃度為36Be的水玻璃與水灰比為0.8～1.0的水泥漿注雙液漿加固圍巖，填充空隙。

（6）調整設備的技術參數，降低對巖面的承壓力，減少擾動，保護圍巖，盡量減少剝落坍塌量。

（7）遇到較大斷層帶可將掘進機停機，在附近布置旁支洞，采用鉆爆法施工完成該斷層帶，隨后將掘進機駛出該段繼續進行下一洞段的施工。

5.4.2 富水區域的處理措施

本工程主要有水地段均為斷層帶附近，尤其喀拉溫古泉斷裂F20是本工程最重要的富水帶。

TBM在掘進過程中遇到掌子面前方臨近富水帶，應采用超前鉆孔探明隧洞前方地下水及工程地質情況。根據探測鉆孔出水量、水壓，確定涌水點樁號位置，并依據探測孔出水量、水壓的變化采取相應措施進行處理。

5.4.2.1 一般涌水段處理

根據發電洞的地質條件，破碎帶寬度較小的斷層可能出現一般涌水情況，同時圍巖的自穩能力也較差，采用超前小導管注漿阻水和加固圍巖，其處理措施：

（1）TBM停止掘進，除進行必要的排水外，在護盾上打注漿小導管，超前預注漿，封堵裂隙水，隔離水源，阻塞水點，減少洞內涌水量。應保證刀盤前有至少5m的不透水層作為止漿盤，灌注水泥漿液堵水防滲。

（2）護盾后，利用錨桿鉆機打注漿錨桿注水泥水玻璃雙液漿，灌漿方式采用分段下行式注漿，注漿孔鉆進一段壓一段。為防止漿液回流滲入掌子面與刀盤之間及減少漿液滲入量，解決方法為在實際工作面前方設置止漿塞，止漿塞深度應超過10m。

（3）在富水區加環向透水管，利用鑿槽或麻繩等將水引至仰拱處，以便有效噴漿封閉。

5.4.2.2 較大涌水段處理

根據發電洞的地質條件，破碎帶寬超過20m的斷層帶涌水量可能較大，同時破碎帶處圍巖自穩能力也差，為確保掘進機安全通過，涌水段采取“洞內超前預注漿堵水+大管棚超前加固”的綜合處理措施，同時加強排水。

5.4.3 高地應力巖爆處理措施［20-21］

巖爆是高應力地區地下洞室中圍巖脆性破壞時應變能突然釋放造成的一種動力失穩現象。具體處理措施可有以下方式。

5.4.3.1 改善圍巖物理性能

噴霧灑水卸壓法，在干燥的圍巖表面上灑水或用高壓水沖洗隧洞拱頂、掌子面和側壁，目的是增加巖石濕度，一定程度上可以降低表層圍巖的強度，松弛巖體中積累的高構造應力。此外，在可能發生巖爆的掌子面上，還可通過TBM刀盤導向孔進行超前鉆孔，孔深20m，釋放巖體中的高構造應力，同時向巖體高壓均勻注水。

5.4.3.2 及時一次支護

對不同烈度的巖爆一般采取不同的加固處理措施。對輕微巖爆段，采取向工作面及隧道壁面噴水來促進圍巖軟化，從而消除或緩解巖爆程度；對中等巖爆段，可設法遠距離向巖爆區巖面噴射水，待巖爆緩解，基本無巖爆跡象后進行找頂，撬除已松裂的巖片、巖塊，進行噴混凝土，隨后在巖爆區鉆孔安裝錨桿、掛網噴混凝土，及時進行一次支護。

6 結語

本工程河道順直，采用鉆爆法施工發電洞線沿河道布置，布置施工支河道布置，布置施工支洞方便，且施工支洞長度較短，形成的工作作業面較多，隧洞單工作面長度較小，施工工期易控制。

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One hydropower station long tunnel construction ways compare in XinJiang

WU Jun
（Xinjiang Investigation and Design Institute for Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

According to the terrain、geology and hydrology and so on of the hydropower station long tunnel in XinJiang，from the characteristics of the construction way，engineering concrete aggregate sources and bad geological section of hole is used for the long tunnel construction measures such as borehole-blasting way and TBM tunneling way construction schemes are compared.Through comprehensive comparison，the borehole-blasting way is recommended for the long tunnel construction.

long tunnel；construction way；borehole-blasting way；TBM tunneling way

TV554

B

1672-9900（2015）02-0065-05

2015-03-09

吳 均（1979-），男（漢族），四川遂寧人，工程師，主要從事水工設計研究工作，（Tel）15099190722。