TBM與鉆爆法在并行長大引水隧洞施工中的適用性研究*

徐順通，楊 靖，余志超，楊興國，陶 劍，李海波

(1.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065； 2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065； 3.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

21世紀被稱為地下空間的世紀[1]，地下工程有廣闊發展前景，隨著一帶一路、南水北調、川藏鐵路、雅江下游水電開發等國家重大戰略工程相繼實施，特大地下廠房洞室群、長大引水隧洞、超長鐵路隧洞等成為關鍵性工程[2]。除此之外，在市政、水利、道路等建設過程中，也有大量地下工程在籌建或建設中。

鉆爆法和TBM是開挖隧洞的主要方式[3]。鉆爆法優點如下[4-5]：對圍巖適應性強，遇到突發事故或復雜地質情況時較易處理，可開挖任意形狀斷面，工效高、成本低。盡管近年來鉆爆法在施工機械生產水平與施工技術方面均有很大提高與改進，但仍存在單工作面平均掘進速度慢、施工工序繁多、交叉施工、施工組織管理難度大及超欠挖控制困難等問題[6]。TBM具有以下優勢[7-8]：隧洞過流斷面水力學特性好；施工速度快、對圍巖擾動小、超欠挖可控制在2cm內；施工環境比鉆爆法得到較大改善。然而TBM適用性窄，在巖爆、涌水、巖溶發育段、軟弱圍巖大變形段均不適宜采用TBM施工，且施工成本高，依賴進口，較難解決設備故障[9]。

某引水隧洞是該水電站建設的控制性工程，直接關系到電站的發電工期甚至工程成敗，選擇合適的施工方式非常關鍵。本文通過對比分析TBM與傳統鉆爆法應用于該水電站引水隧洞的優劣特性，從而選擇適用于該水電站引水隧洞的施工方法。

1 工程概況

某水電站位于西藏自治區與四川省交界的金沙江上游河段，左岸屬四川省甘孜州巴塘縣，右岸屬西藏昌都地區芒康縣。如圖1所示，水電站壩址位于蘇洼龍至麥曲河口河段上，壩址控制流域面積184 436km2，多年平均流量為952m3/s。電站采用混合式開發，正常蓄水位2 387.000m，相應庫容為0.167億m3，調節庫容為0.081億m3，電站裝機容量為826MW(其中引水式電站裝機740MW，河床式電站裝機 86MW)，年發電量(聯合運行)為44.86億kW·h(其中引水式電站裝機41.7億kW·h，河床式電站3.16kW·h)。

圖1 水電站王大龍壩址

引水發電系統采用兩洞兩機布置，2條引水隧洞軸線間距約40m，單條引水隧洞長約11km，加上施工支洞、橫通洞，總隧洞長度>26km。引水隧洞設計為圓形斷面，開挖洞徑14.2m，襯砌后洞徑13m，在國內屬于極大洞徑開挖。

2 TBM與鉆爆法適用性分析

2.1 施工規模與地質條件

如圖2所示，引水隧洞進口邊坡以橫向坡為主，邊坡整體較穩定，但卸荷較強烈，巖體較破碎，卸荷帶內分布危巖體及眾多小危石，邊坡局部穩定性較差。隧洞中后段以板巖、片巖為主，呈薄層至中厚層狀，片理發育，巖體內部裂隙、小斷層發育，且大部分洞段巖層走向與洞軸線近于平行，隧洞圍巖整體穩定性較差。因此，存在局部軟巖變形和塌方等風險，如果采用TBM施工，易造成TBM卡機被困的情況。水電站引水隧洞直徑為13m，大于國內最大引水隧洞直徑，即11.8～12.6m，屬于國內TBM施工案例中極大洞徑施工項目。參照錦屏Ⅱ級引水隧洞施工經驗可知，高地應力超大斷面隧洞施工過程極有可能出現大規模巖爆、崩塌等現象，且很難實施加強支護與高效清理等措施，嚴重制約TBM施工進度，甚至損壞設備[10]。

圖2 并行長大引水隧洞縱截面地質

隧洞埋深較大或穿越斷層時，開挖過程中，極有可能遇到突水、涌水問題，從而影響工期進展，甚至導致停工。錦屏Ⅱ級引水隧洞開挖過程中遇到大規模突水、涌水問題，出水流量大、隨機性強，其中2號引水隧洞K5+800段汛期最大涌水量達4.8m3/s，影響施工安全和進度。

隧洞沿線穿越的蘇洼龍-王大龍-曾大同斷層、王大龍斷層等區域性斷層附近巖體較破碎、透水性較強，并可能連通河水和沖溝等地表水，存在較大涌水可能。斷層帶作為貯水構造時，局部可能形成封閉囊狀水體或串珠狀水體，當隧洞揭穿斷層時，存在短時間突水的可能性。另外，羅絨西溝跨溝洞段的沖溝地表水沿裂隙或小斷層入滲，存在較大涌水的可能性。因此，若采用TBM施工，存在突水、涌水現象，甚至TBM被淹的風險。

從隧洞開挖規模和地質條件方面考慮，TBM更適用于隧洞開挖洞徑較小(一般<10m)、地質較均勻、支護量小或支護速度快的工程，在這種條件下，能明顯發揮TBM開挖速度快的優勢。

2.2 施工工期

該工程施工工期是主要制約因素，因此加快施工進度是重點考慮的問題之一。如圖3所示，由該水電站可研階段勘測設計資料可知，若采用鉆爆法施工，可通過開挖4條施工支洞增加施工斷面，實現長洞短打，加快施工進度。如圖4所示，可在并行隧洞間設置若干橫通洞，將2條獨立的并行隧洞構成施工系統，通過橫通洞將該施工段分成更小的單元，幾個單元同時施工且互不干擾，在有序的施工組織下，可增加施工工作面，縮短施工工期。然而，若采用TBM施工，TBM機械進場開挖準備時間較長，且施工速度受地質條件影響較大，施工工期不確定性影響因素多。

圖3 支洞布置

圖4 施工系統布置

由《金沙江昌波水電站預可行性研究報告》[11]可知，采用分層鉆爆法開挖工期為44個月，開挖襯砌總工期為62個月。采用單臺設備鉆爆的開挖工期為45個月，開挖襯砌總工期約64個月。雖然TBM掘進機單工作面掘進速度快，但鉆爆法可多斷面同時作業，因此TBM在該隧洞施工工期上不具有明顯優勢。從施工進度方面考慮，TBM施工方法在難以增加施工支洞的長隧洞施工中具有較明顯優勢。如全程深埋長隧洞工程中，難以增加施工支洞或增加施工支洞會大規模增加成本，采用TBM施工可有效加快施工進度和控制成本。

2.3 出渣料再利用

隧洞開挖形成的洞渣料是良好的建筑材料，可用于制作混凝土骨料、墊層料等。該水電站主體建筑及導流工程涉及混凝土總量(含噴射混凝土)約189.07萬m3，共需要成品混凝土骨料約415.95萬t，另外，大壩尚需基礎換填料29.53萬m3，圍堰墊層料及反濾料尚需8.35萬m3，盡可能利用隧洞開挖形成的洞渣料，可極大降低工程建設成本。因此，隧洞開挖形成的洞渣料粒徑和品質是施工方式選取的最主要考慮因素之一。鉆爆法施工產生的洞渣料已被證明能用于制作混凝土骨料、反濾料等建筑材料；但采用TBM法開挖隧洞，出渣料塊體越小越適應出渣設備，要將TBM開采的出渣料用作混凝土骨料，需調整TBM刀具，但增加工程成本。

此外，眾多實際工程案例[12-13]表明，相比鉆爆法，TBM出渣料的粗粒徑偏小，且粒型多呈扁平狀，成品骨料質量較差，人工砂石粉含量超標，毛料含水率過大，如果用于制作混凝土骨料，會增加混凝土水泥用量，甚至骨料難以滿足規范要求。

因此，從出渣料再利用角度考慮，采用TBM法施工，產生的洞渣料塊度偏小，人工砂石粉含量超標，加工后的成品骨料質量不如鉆爆法，不滿足出渣骨料再利用要求。

2.4 施工成本

水利工程引水隧洞施工成本主要包括開挖、支護襯砌、臨時工程。從謝燕生等[14-15]對鉆爆法與TBM造價比選研究結果來看，TBM開挖造價遠大于鉆爆法，但由于TBM對圍巖擾動小，在Ⅲ類圍巖下可減少支護與襯砌厚度，使TBM綜合造價在Ⅲ類圍巖中造價比鉆爆法低。而Ⅳ，Ⅴ圍巖自穩能力較差，需加強支護和襯砌厚度，因而TBM法在Ⅳ，Ⅴ類圍巖中施工造價的優勢不明顯。此工程引水隧洞長約11.79km，其中Ⅲ類圍巖為40%，Ⅳ，Ⅴ類圍巖占60%。由《金沙江昌波水電站預可行性研究報告》[11]可知，TBM在施工綜合造價上相對于鉆爆法沒有明顯優勢，TBM設備投資大，還需1.5km長掘進機施工支洞、拆卸洞、洞外組裝平臺等臨時工程。綜合來看，TBM法在控制施工成本方面優勢不明顯。

該水電站工程設計所需混凝土骨料、墊層料等累計達232.9萬m3。采用鉆爆法開挖的出渣料可用作混凝土骨料，預估引水隧洞開挖有用料約239.43萬m3，基本滿足骨料用料所需。引水隧洞開挖洞渣料的再利用，一定程度上可節約工程投資，且與建設生態、綠色工程相適應。該工程位于金沙江上游，生態環境較脆弱，如果開挖棄渣處理不當，將影響自然環境與生態。因此，采用鉆爆法開挖形成的洞渣料可實現再利用，降低工程建設成本，更符合綠色工程理念。

3 結語

鉆爆法和TBM是開挖隧洞的主要方式，各自優缺點如下：①在開挖洞徑較小、地質較均勻、支護量小或支護速度快的工程中，更能發揮TBM開挖速度快的優勢，而鉆爆法在大斷面、復雜地質條件開挖工程中的適用性更強；②TBM法在難以增加施工支洞的長隧洞工程施工中具有較明顯優勢；③采用TBM法施工產生的洞渣料塊度偏小、人工砂石粉含量超標，加工后的成品骨料質量不如鉆爆法，而且增加工程成本。因此，對需要洞渣作為骨料再利用的工程，較適合選用鉆爆法。

在并行長大引水隧洞的復雜地質情況中，若采用TBM施工方法，缺少相關工程參考經驗，一旦突發施工事故，難以快速解決，且增加工期不確定性，而鉆爆法施工工藝成熟，工期保證性更高。同時，該引水隧洞通過布置合適的施工支洞，增加施工斷面，可有效加快施工進度，充分展現鉆爆法長洞短打的優勢。此外，若采用TBM開挖，出渣料粒徑過小，人工砂石粉含量超標，較難滿足加工混凝土骨料的要求。因此，經過綜合分析，推薦采用鉆爆法作為該水電站并行長大引水隧洞的主要開挖方式。