榕江關埠引水工程1#、2#TBM接收建筑物的優(yōu)化設計

方騰衛(wèi)

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

榕江關埠引水工程是韓江、榕江、練江三江水系連通工程的子工程之一，工程輸水線路總長為34.97 km，其中山嶺段輸水隧洞總長約27.03 km，采用3臺雙護盾硬巖隧道掘進機(TBM)施工，該工法為廣東省水利行業(yè)首次使用。工程總布置示意見圖1。

該工程1#、2#TBM掘進機分別自上、下游向山體內掘進，2臺機器接觸點處原設計為豎井，稱“1#、2#TBM設備接收井”，接收井外徑為32.0 m，內徑為24.50 m，深度為55.25 m。

圖1 工程總布置示意(箭頭為TBM掘進方向)

2 原1#、2#TBM接收方案及優(yōu)化緣由

2.1 原1#、2#TBM接收方案

榕江關埠引水工程輸水隧洞樁號SD7+708處為1#TBM和2#TBM的共用接收井。接收井為圓形，井內無內支撐、空間大，便于TBM主機的解體和吊出。

地質鉆孔揭露：接收井身上部為砂卵礫石層、全風化層、強風化層，下部為弱風化層。TBM接收井采用地下連續(xù)墻和鋼筋砼內襯結構形式，對于洞口的加固措施，因洞口有破碎帶，采用固結灌漿對洞口一定范圍內的巖體進行加固，固結灌漿間排距均為2.0 m，加固厚度為17.35 m，即TBM中心高程上、下分別為11.75 m、5.6 m。TBM接收井外徑為32.0 m，內徑為24.5 m，井深約52.55 m。弱風化巖面以上工作井由地下連續(xù)墻和逆作法內襯墻組成，地下連續(xù)墻墻厚為1.0 m，逆作法內襯墻厚為1.2 m；弱風化巖面以下工作井為圍巖噴錨支護和逆作法內襯墻組成，逆作法內襯墻厚為1.0 m。 原1#、2#TBM接收豎井平面、橫斷面見圖2～3。

圖2 TBM接收豎井平面布置示意

圖3 TBM接收豎井橫斷面示意

2.2 優(yōu)化緣由

根據榕江關埠引水工程水力過渡過程仿真模擬與泵站前池防淤排沙效果研究成果，加壓泵站6臺水泵工作，輸水系統按最大供水流量20 m3/s，6臺水泵同時掉電的計算條件下，高位水池發(fā)生漏空現象，部分輸水隧洞會出現不同程度的進氣。考慮利用已有建筑物作為調壓設施對避免高位水池漏空有利，而原有高位水池由于征地原因無法擴大尺寸；從山體擴挖與高位水池連通的儲水箱方案又與1#TBM掘進工作面交叉、施工難度較大、影響工期；因此，在高位水池基礎上，擬將高位水池后約7.7 km處的1#、2#TBM設備接收井兼顧作調節(jié)池使用。經水力過渡過程仿真分析，考慮高位水池和1#、2#TBM接收豎井聯合調壓的情況下，可有效解決上述過渡過程問題。

由于1#、2#TBM接收井位置為基本農田范圍，該地塊征地遲遲未能落實，而輸水線路周邊無合適場地布置接收井，因此，經現場參建各方研究，決定采用接收平洞形式替代接收豎井方案，接收平洞斷面尺寸由水力過渡課題組計算確定。優(yōu)化后原1#、2#TBM接收井的設備接收及調壓功能由接收平洞承擔，避免了大直徑高豎井的施工難度及風險，且接收平洞洞口布置在基本農田范圍以外，征地相對容易。

3 優(yōu)化后的1#、2#TBM接收平洞方案設計

3.1 總體布置

取消位于樁號SD7+708處的接收豎井，并于SD8+000官坑村附近布置洞口、設置約650 m長的平洞于樁號 SD8+598處與主洞銜接，稱“1#、2#TBM接收平洞”(兼顧永久調壓洞)，同時進洞后沿上下游各設置250 m主洞鉆爆段。該鉆爆段為TBM解體場，TBM掘進機總長約425 m，到達拆解后，分體從接收平洞運出。原豎井及新增接收平洞位置示意見圖4。

圖4 原豎井及新增接收平洞示意(箭頭為TBM掘進方向)

3.2 洞口位置的選擇

受官坑村基本農田及征地范圍的限制，經查勘后發(fā)現合適的進洞口位置僅余豎井西側的山坡地。本次擬定南北向2個進口洞，洞口位置比選見圖5所示。

圖5 接收平洞洞口位置比選示意

方案一：北向進洞口，平臺高程為67.00 m，寬為10.0～54.0 m，長為51.50 m，呈梯形布置；邊坡開挖坡比為1:1.5，采用框格梁草皮護坡支護；隧洞長為635.53 m，洞底高程為16.75～67.00 m，坡比為7.90%。

方案二：南向進洞口，平臺高程為67.00 m，寬為26.50 m，長為18.0～25.0 m，呈梯形布置；邊坡開挖坡比為1:1.5，采用框格梁草皮護坡支護；隧洞長為673 m，洞底高程為16.75～67.00 m，坡比為7.46%。

受征地邊界影響，方案二洞口平臺尺寸較方案一小，施工布置較為緊張；現狀沖溝穿越方案二邊坡，需進行改道；同時方案二進洞口覆土厚度較為單薄，進洞條件劣于方案一。

因此，本次擬選擇方案一作為 “1#、2#TBM接收平洞”的進洞口。

3.3 隧洞地質情況

按最新選定的隧洞線路，進行了補充鉆孔，洞口及沿線共布置5個地質鉆孔(鉆孔ZKF01～05)。

根據現場勘察，接收洞沿線為一單邊漸高的山體，地形完整，沖溝不發(fā)育，地面最高高程約250 m，進洞點為一山間小盆地，地面高程約68 m，地面平坦，為農田區(qū)，主要種植有桑樹。接收洞地層巖性為燕山期花崗巖，其中接收洞樁號0+000～0+240段隧洞圍巖主要為全風化～強風化巖，全風化巖實際已風化成硬塑～堅硬土，為土質隧洞，強風化巖巖質軟弱，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，因此，該段初步判定為Ⅴ類圍巖；0+240～0+635段隧洞圍巖主要為弱風化～微風化巖，巖質堅硬，巖體一般屬較完整，局部發(fā)育斷層，斷層帶附近巖體略為破碎，該段絕大部分為Ⅲ類圍巖，僅斷層帶附近局部少量Ⅳ類圍巖。隧洞位于地下水位線以下，斷層帶及全風化、強風化巖洞段地下水相對豐富，局部可能有較多滲滴水或股狀涌水，需做好隧洞排水工作。

3.4 隧洞線路布置

根據榕江關埠引水工程水力過渡過程仿真模擬與泵站前池防淤排沙效果研究分析，1#、2#接收井改平洞后，為滿足調壓需求，運行期水位38 m高程以下接收平洞斷面面積需調整至75 m2。

1#、2#TBM接收平洞作為永久檢修通道兼做調壓建筑物，運行期水位淹沒高程為38 m，隧洞長為635.53 m，洞底高程為16.75～67.00 m，坡比為7.90%。

根據最新地質鉆孔揭露情況(鉆孔ZKF01～05)，接收平洞中：Ⅲ類圍巖長度為397.97 m； Ⅳ類圍巖長度為90.97 m；Ⅴ類圍巖長度為146.59 m。

按《榕江關埠引水工程1#、2#TBM接收井改支洞、3#TBM隧洞段局部改鉆爆隧洞設計變更審查會會議紀要》精神，結合TBM接收尺寸要求，本次優(yōu)化接收平洞Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖范圍的永久結構洞徑選取5.36 m(樁號ZD0+000～ZD0+366.774)。為減輕TBM施工進度壓力及TBM解體需要，接收平洞完成后，需采用鉆爆法往上下游主洞施工，該段永久結構洞徑選取5.36 m，施工長度根據1#、2#TBM掘進效率和所處的地質條件決定，本次暫定為向主洞上、下游各鉆爆250 m。

本次利用1#、2#TBM接收平洞作為調壓設施，考慮適當加大洞室下部容積對避免高位水池露頂有利，因此，38 m高程以下(樁號ZD0+366.774～ZD0+602.732)接收平洞永久洞徑選取為8.5 m×9.0 m。

接收平洞的平面布置見圖6，縱斷面見圖7。

圖6 接收平洞平面布置示意

圖7 接收平洞縱斷面布置示意

3.5 接收平洞結構設計

1)進洞口設計

接收平洞進洞口地面地質情況為全風化土，邊坡為坡積層。本次設計洞口平臺高程為67.00 m，寬為10.0～54.0 m，長為51.50 m，呈梯形布置；邊坡開挖坡比為1:1.5，邊坡支護采用土釘錨桿φ25 mm垂直于坡面布置，單根錨桿長度為4.0 m，間距為2.0 m×2.0 m；坡面設φ50 mm排水孔，孔深為4.0 m，間距為2.0 m×2.0 m，孔內埋設PVC花管；邊坡護面采用框格梁草皮護坡，同時土釘錨桿應錨入框格梁節(jié)點。

2)隧洞橫斷面設計

接收洞隧洞樁號為ZD0+000～ZD0+635.531，總長為635.53 m，洞底高程為67.00～16.75 m，坡比為7.90%，斷面為城門洞形。

ZD0+000.000～ZD0+366.774段中，Ⅳ、Ⅴ類圍巖及鎖口段噴砼掛網厚度為150 mm、200 mm，側墻及頂拱設φ20系統錨桿L=2.50 m@1.0 m×1.0 m；Ⅲ類圍巖段噴砼厚度為100 mm，頂拱及邊墻范圍內設置φ20系統錨桿L=2.50 m@2.0 m×2.0 m；本段內側襯砌厚度為400 mm，二襯后洞徑為5.36 m×5.38 m(寬×高)，拱頂120°范圍內進行回填灌漿，后對全斷面采用固結灌漿，每排設8孔，孔深入巖5.0 m，排間距為2.50 m，梅花形布置。

ZD0+366.774～ZD0+602.732段中，Ⅲ類圍巖段噴砼厚度為100 mm，頂拱及邊墻范圍內設置φ25系統錨桿L=6.00 m@2.0 m×2.0 m；本段內側襯砌厚度為400 mm，二襯后洞徑為8.50 m×9.00 m(寬×高)，拱頂120°范圍內進行回填灌漿，后對全斷面采用固結灌漿，每排設12孔，孔深入巖5.0 m，排間距為2.50 m，梅花形布置。

主洞500 m鉆爆段樁號范圍為SD8+331.391～SD8+831.391，Ⅲ類圍巖段噴砼厚度為100 mm，頂拱及邊墻范圍內設置φ20系統錨桿L=2.50 m@2.0 m×2.0 m；本段內側襯砌厚度為400 mm，二襯后洞徑為5.36 m×5.38 m(寬×高)，拱頂120°范圍內進行回填灌漿，后對全斷面采用固結灌漿，每排設8孔，孔深入巖5.0 m，排間距為2.50 m，梅花形布置。

部分典型斷面(以Ⅳ類圍巖段為例)形式見圖8。

4 征地、工期及投資等變化

原1#、2#TBM接收豎井處于永久基本農田范圍內，難以征收，且結構復雜、工序繁多、施工場地狹小，工序有地下連續(xù)墻、深井爆破、主體內襯墻、排樁帷幕、預應力錨桿及大體積底板等，施工工期約14個月，工期長，投資大。因此，取消了位于樁號SD7+708處的1#、2#TBM接收豎井，新增位于官坑村的1#、2#TBM 接收平洞(兼顧永久調壓洞)。

圖8 接收洞Ⅳ類圍巖開挖支護剖面示意(單位：mm)

通過設計優(yōu)化：

1)未降低工程標準，不影響工程原有功能；

2)工程征占地容易解決；

3)平洞段總工期為9.5個月，較豎井工期大大縮短；

4)投資節(jié)省約1 056.57萬元。

5 結語

1#、2#TBM接收井改平洞方案征地手續(xù)簡單、施工過程安全可控、可有效縮短施工工期、工程投資大幅節(jié)省，該設計變更上報廣東省水利廳，并獲批復。1#、2#TBM接收平洞正在建設，截止2021年2月，1#、2#TBM接收平洞已完成淺埋暗挖段約131.5 m。

TBM掘進機的接收方式受地形、地質等條件影響較大，本工程將位于山區(qū)深約52.55 m的TBM設備接收豎井優(yōu)化為635 m長的TBM接收平洞，優(yōu)化后工期、造價等效益明顯，可供類似工程參考。