香爐山深埋長隧洞TBM法及鉆爆法施工方案研究

朱學賢 吳俊 蘇利軍 劉波

摘要：滇中調水工程的控制性項目——香爐山隧洞長62.596km，具有超長距離、大斷面、大埋深等特點，是目前在地殼活動性較強地區尚無施工先例的長距離深埋輸水線路，施工難度極大。結合香爐山隧洞地形、地質情況以及施工支洞布置條件等，經多方比選確定了“TBM法+鉆爆法”的總體施工方案，即在隧洞進出口以及主要不良地質洞段處設置施工支洞，采用鉆爆法開挖規模較大的3條區域性斷裂及部分不良地質洞段;其余地質條件較好洞段或無施工支洞布置條件段采用TBM法施工。以施工工期最優為目標，分析確定了鉆爆法和TBM法施工分段長度，并制定了TBM組裝、轉場與拆卸方案。相關經驗可供類似工程借鑒。

關 鍵 詞：香爐山隧洞;隧洞掘進;鉆爆法;TBM法;滇中引水工程

中圖法分類號：U455

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0167-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.027

0 引 言

滇中引水工程是國務院批復的《長江流域綜合利用規劃簡要報告（1990年修訂）》《全國水資源綜合規劃（2010～2030年）》和《長江流域綜合規劃（2012～2030年）》提出解決滇中地區嚴重缺水的特大型跨流域調水工程，以解決滇中地區的城鎮生活及工業用水為主，兼顧農業和生態[1]。

滇中引水工程位于云南省境內，工程主要建設內容包括水源工程和輸水工程2個部分。水源工程在金沙江石鼓段右岸無壩引水，經石鼓泵站提水，由引水渠（兼沉沙池）、進水塔、進水隧洞及涵管、地下泵站、出水隧洞、出水池和地面開關站等建筑物組成[2]。輸水工程經香爐山隧洞、洱海東岸長育村、楚雄萬家、昆明新莊、玉溪杞麓湖西岸至紅河新坡背，總長664.236 km，主要建筑物包括隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵等，以隧洞為主，約占總干渠全長的92%。香爐山隧洞是滇中引水線路中最長的深埋隧洞，長62.596 km，穿越金沙江、瀾滄江分水嶺，為目前在地殼活動性較強地區尚無施工先例的長距離深埋輸水線路，施工難度極大，是整個滇中引水工程控制性項目[2]。

1 香爐山隧洞地質概況

香爐山隧洞長62.596 km，埋深一般為600～1 000 m，最大埋深1 450 m，穿越打鑼箐、白漢場谷地、汝南河、花椒箐、銀河等水系，常年流水。沿線出露泥盆系下統冉家灣組（D1r）、中統窮錯組（D2q）、二疊系玄武巖組（Pβ）、黑泥哨組（P2h）、三疊系下統青天堡組（T1q）、中統（T2a、T2b）、北衙組（T2b）、上統中窩組（T3z）、松桂組（T3sn）、燕山期不連續分布的侵入巖、第三系（E+N）及第四系（Q）等地層，巖性主要包括灰巖類、泥砂巖類、玄武巖類、片巖類等;穿越軟巖長13.1 km，占比20.9%;穿越可溶巖長17.9 km，占比28.5%。區內褶皺、斷裂發育，沿線分布有大栗樹斷裂（F9）、龍蟠-喬后斷裂（F10）、麗江-劍川斷裂（F11）、鶴慶-洱源斷裂（F12）等全新世活動斷裂。

香爐山隧洞區分布Ⅰ白漢場巖溶水系統、Ⅱ拉什海巖溶水系統、Ⅳ鶴慶-西山巖溶水系統Ⅳ-5子系統、Ⅴ清水江-劍川巖溶水系統Ⅴ-1與Ⅴ-2子系統。

灰巖類強溶蝕風化帶厚度一般為200～400 m，灰巖夾片巖類強風化厚度一般為20～50 m，局部呈夾層風化，玄武巖類強風化厚度一般為20 m～40 m，局部50 m以上。隧洞深埋洞段應力主要為中等～高地應力水平，局部為極高地應力水平。局部存在高地溫，黑泥哨組煤層有自燃傾向性。

香爐山隧洞圍巖詳細分類為：Ⅲ1類圍巖長7.6 km，占隧洞長度的12.1%;Ⅲ2類圍巖長13.0 km，占20.8%;Ⅳ類圍巖長28.2 km，占45.1%;Ⅴ類圍巖長13.7 km，占22.0%。Ⅳ、Ⅴ類圍巖合計長約41.9 km，約占隧洞長度的67.1%，圍巖穩定問題突出。香爐山隧洞工程地質剖面示意如圖1所示。

2 香爐山隧洞結構型式

香爐山隧洞需滿足135 m3/s的過流能力要求，從水力學角度和結構穩定性考慮，采用圓形斷面。

隧洞TBM段擬采用敞開式TBM施工，開挖斷面直徑9.8 m，Ⅲ1、Ⅲ2類圍巖內徑8.5 m，Ⅳ～Ⅴ類圍巖內徑8.4 m。鉆爆段Ⅲ1～Ⅴ類圍巖內徑8.3 m，活動斷裂帶內徑8.8 m。

在香爐山圍巖穩定分析及隧洞過活斷層研究的基礎上，按隧洞的不同施工方法、不同圍巖類別、不同埋深級別及滲流情況組合提出各類支護與襯砌措施[3]。初期采用“錨噴支護+二次支護”的方式，初期錨噴支護型式根據不同圍巖類別選取，必要時采用管棚或超前小導管及鋼拱架加強支護。

鉆爆段和TBM段部分典型支護結構分別示于圖2～3。

3 香爐山隧洞總體施工方案

“長洞短打、分段掘進” [3-4]是超長隧洞施工的基本方法，但如何根據圍巖條件、巖性分布情況、施工布置條件等，合理劃分洞段和優選施工方案，既能充分發揮TBM的優勢，延長掘進長度，提高施工效率;又能利用鉆爆法開挖不良地質洞段，規避施工風險，達到工程造價最低、工期最優，是一個極為復雜而重要的問題[5]。本文將根據香爐山隧洞的工期要求，地形、地質情況[6]，施工支洞布置等條件，對香爐山隧洞總體施工方案進行研究。

3.1 施工方案綜述

香爐山隧洞跨越金沙江與瀾滄江分水嶺，地形地質條件復雜。隧洞沿線地面高程一般為2 400～3 400 m，一般埋深為600～1 200 m，埋深大于600 m洞段累計長42.2 km，占隧洞總長67.4%，除在隧洞進出口以及中間兩個槽谷外，其余洞段布置支洞較困難。因此，受地形條件的限制，若全部設置施工支洞采用鉆爆法開挖香爐山隧洞，則施工支洞最長約7 km，施工工期長，施工難度極大[7-10]。

香爐山隧洞沿線穿越大栗樹斷裂（F9）等13條大斷（裂）層，其中龍蟠-喬后斷裂（F10）、麗江-劍川斷裂（F11）和鶴慶-洱源斷裂（F12）等為全新世活動斷裂，主要地質問題有斷層破碎帶、高地應力下軟巖大變形和局部巖爆、突水涌泥等，不良地質洞段占比大，且受限于目前TBM掘進技術裝備[11]，不適宜全部采用TBM法施工[8]。

根據香爐山隧洞布置，以及沿線地質條件和施工支洞布置條件，經比較研究，采用“TBM法+鉆爆法”組合的施工方案，即在隧洞進出口以及主要不良地質洞段處設置施工支洞，采用鉆爆法開挖規模較大的3條區域性斷裂及部分不良地質洞段[12-14];其余地質條件較好洞段或無施工支洞布置條件洞段采用TBM法施工[15]。具體為：香爐山隧洞進口至白漢場槽谷地勢相對較低，通過布置施工支洞采用鉆爆法施工;白漢場槽谷至汝南河槽谷，以及汝南河槽谷至隧洞出口處埋深大部分在800 m以上，難以布置施工支洞，這段采用2臺TBM施工;白漢場槽谷、汝南河槽谷為大斷裂及影響帶所在位置，通過合理布置施工斜井采用鉆爆法施工;隧洞出口段地勢相對較低，通過布置施工平洞采用鉆爆法施工[16]。

3.2 施工支洞布置情況及功能

根據香爐山隧洞“鉆爆法+TBM法”組合施工方案，考慮隧洞沿線地質、地形條件，平衡施工工期原則等，施工支洞的布置及功能具體描述如下。

（1）1號、1-1號施工支洞。

香爐山隧洞1號、1-1號施工支洞布置在主洞的進口段，主要作為鉆爆法開挖香爐山隧洞進口段以及大栗樹斷裂帶（F9）的施工通道。其中1號施工支洞與主洞高差只有22 m左右，采用平洞型式;1-1號施工支洞與主洞高差達330 m左右，采用斜井型式。

（2）2號和3號施工支洞。

龍蟠-喬后斷裂（F10）及影響帶范圍約3.5 km，為全新世活動斷層，巖石破碎、地下水豐富，不適宜采用TBM法施工。斷裂及影響帶位于白漢場槽谷，槽谷與主洞的高差約350 m，可通過布置施工斜井進入，作為鉆爆法開挖龍蟠-喬后斷裂（F10）及影響帶范圍的施工通道。

（3）3-1號施工支洞。

香爐山隧洞在白漢場槽谷與汝南河槽谷間長約6 km的洞段埋深在600～1 000 m左右，布置施工支洞的圍巖條件較差，此段主要為峨眉山組玄武巖，以III、IV圍巖為主，基本適宜TBM法施工。在白漢場槽谷下游側布置3-1號施工支洞，作為TBMa的施工通道。根據規范規定，為滿足TBM皮帶機出渣的要求，3-1號施工支洞坡度小于15°。

（4）4號和5號施工支洞。

麗江-劍川斷裂（F11）、石灰窯斷裂及影響帶范圍約6.0 km，巖石破碎、地下水豐富，不適宜采用TBM法施工。斷裂及影響帶位于汝南河槽谷，槽谷與主洞的高程相對較小，約500 m，可通過布置施工斜井進入，作為鉆爆法開挖麗江-劍川斷裂（F11）及影響帶的施工通道。待此斷裂及影響帶施工完成后，TBMa轉運通過隧洞，繼續向下游掘進。

（5）7號施工支洞。

香爐山隧洞7號施工支洞距TBMa掘進末端長度約22 km，埋深在600～1 400 m，難以通過布置施工支洞采用鉆爆法施工，只能采用TBM法施工。該支洞與主洞高差約120 m，可布置成平洞型式。

（6）8號施工支洞。

香爐山隧洞7號施工支洞距出口還有4.65 km，該段主洞的埋深較小，布置施工支洞的條件較好，在該段布置香爐山隧洞8號施工支洞作為主洞出口段施工通道。該支洞與主洞埋深約40 m，布置成平洞型式。

香爐山隧洞施工支洞布置特性列于表1。

3.3 施工分段分析

根據均衡施工原則，以控制工期的兩臺TBM施工為主線，按工期最優為目標進行TBM與相關鉆爆段工期協調，和TBMa與TBMb工期協調，來具體確定鉆爆法施工分段長度和TBM法施工分段長度。

香爐隧洞樁號000+000～015+900段內分布有大栗樹斷裂（F9）、龍蟠-喬后斷裂（F10）等，不宜用TBM法施工，共布置1號、1-1號、2號、3號施工支洞作為施工通道，采用鉆爆法施工。

樁號015+900～023+240段通過布置3-1號施工支洞作為TBMa施工通道，主要采用TBM法施工。其中樁號015+900～016+565段采用鉆爆法施工，并作為TBMa的組裝室，待TBM在洞內組裝完成后，向下游掘進樁號016+565～023+240段。

樁號023+240～028+800段內分布有麗江-劍川斷裂（F11）、石灰窯斷裂及影響帶范圍，TBM法施工適宜性差，布置4號、5號施工斜井作為施工通道，采用鉆爆法施工。

樁號016+565～023+240調段施工完成后，TBMa轉運通過樁號023+240～028+800，繼續對樁號028+800～036+800段法施工。

樁號036+800～057+942段由7號施工支洞作為施工通道，采用TBMb由下游向上游施工。為加快施工進度，支洞先采用鉆爆法施工，待TBM洞外組裝完成后再采用TBM法施工，TBMb完成支洞挖掘后繼續施工主洞。

鶴慶-洱源斷裂（F12）及影響帶長約300 m，根據超前地質預報確定采用TBM法還是鉆爆法施工[16]。

樁號057+942～062+596段布置有香爐山隧洞8號施工支洞及香爐山隧洞出口作為施工通道，采用鉆爆法施工。

綜上所述，香爐山隧洞鉆爆段長27.08 km，占整個隧洞總長的43.26%，最大獨頭鉆爆長度3.94 km;TBM掘進段總長35.52 km，占整個隧洞總長的56.74%，共使用2臺TBM，其中TBMa掘進段長14.68 km、TBMb掘進段長20.84 km（不含支洞1.91 km），最大獨頭掘進長度21.31 km。

從工程設計條件、地質條件、經濟性、工期和施工環境安全等方面進行綜合比選，最后從便于不良地質預報與處理方面考慮，該工程的兩臺TBM均選用敞開式[17]。

香爐山隧洞施工方案如圖4所示。

3.4 TBM組裝、轉場與拆卸方案

3.4.1 TBM組裝

3-1號施工支洞是TBMa始發通道，受地形條件的限制，支洞布置為14.31°的斜井，TBM組裝后難以步進入洞，遂采用洞內組裝方案[18]。

7號施工支洞作為TBMa始發通道，洞口場地開闊，具有場外組裝條件，且支洞自身采用TBM法施工，故采用洞外組裝方案。

3.4.2 TBM轉場

對于TBMa，由于兩個掘進段間為長5.56 km的鉆爆開挖處理段，需要考慮TBM轉場問題。轉場同樣有兩種選擇：① 整體滑行步進通過鉆爆段至下一始發位置二次始發;② 洞內拆卸后，車運通過鉆爆段后，在洞內二次組裝后二次始發。對于洞內整體滑行方案，同樣需擴大主洞斷面且需布置滑軌底座，滑行時間也需約3個月。主洞鉆爆段本身開挖洞徑約10 m，由于洞室穩定要求，必須及時施作二襯，所以如采用洞內整體滑行方案，則需在二襯斷面（直徑8.4 m）內布置滑軌底座及滑行，即使不考慮TBM重載滑行對永久襯砌結構的影響，二襯凈斷面還需擴大至少到10.4 m，則相應主洞開挖斷面需擴大至12.1 m，相當于需擴挖46.5%的斷面，經濟上不合理。故選擇洞內拆卸、運輸、二次組裝的方案，由于拆卸洞和組裝洞有條件讓鉆爆法提前施工，而洞內拆卸、運輸、二次組裝工期按3個月計，在工期上也與洞內整體滑行相當。故TBMa轉場采用洞內拆運裝方案，即對TBM主機進行簡單拆卸轉運（拆卸后的部件能車運通過即可），后配套不拆卸，整體牽引通過[19]。

而對于TBMb，由于鶴慶-洱源斷裂（F12）采用鉆爆法施工，具備洞內滑行通過條件，TBMb轉場采用洞內整機滑行方案。

3.4.3 TBM拆卸

TBMa在轉場通過4號、5號施工支洞控制鉆爆段前需對主機進行一次拆卸，事先在4號施工支洞控制主洞上游側設置好拆卸洞，對TBMa進行拆卸。

2臺TBM完成最終掘進任務后，安排在洞內拆卸。TBMa和TBMb相繼貫通于拆卸洞。由于不具備通過地表設支洞提前施工拆卸洞的條件，選擇從先到達貫通點的TBM側開挖旁通洞至刀盤前方擴挖拆卸洞。拆卸洞施工完成后，一臺TBM駛入拆卸洞內開始拆卸，拆卸完成后再開始第二臺TBM的拆卸，兩臺TBM拆卸后原路運出。

4 結 語

根據香爐山隧洞工期要求、地形地質情況、斷面結構以及施工支洞布置條件等，制定了“TBM法+鉆爆法”組合的施工方案，按施工工期最優為目標，分析確定了鉆爆法施工分段長度和TBM法施工分段長度，并對TBM組裝、轉場與拆卸方案進行了分析研究。

目前工程正在施工進行中，對于TBMa施工段，受麗江-劍川斷裂（F11）影響，4號、5號施工斜井圍巖破碎，自穩能力差，施工進度受到極大影響，計劃在4號、5號施工斜井中間采取增加豎井工作面的措施，加快關鍵線路工期，同時也對4號、5號施工斜井采用超前灌漿等處理措施，積極推進斜井自身的施工進度。對于TBMb施工段，TBM已完成7號支洞掘進，正向主洞段掘進，施工進展順利。

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（編輯：胡旭東）