新疆某水电站长隧洞施工方法比较

吴 均

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

工程施工

新疆某水电站长隧洞施工方法比较

吴 均

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

依据新疆某水电站长隧洞地形、地质及水文条件等，从施工方法特点、工程混凝土骨料来源及洞身不良地质段施工措施等方面对长隧洞采用钻爆法和TBM掘进法施工方案进行了对比，推荐采用钻爆法施工。

长隧洞；施工方法；钻爆法；TBM掘进法

1 工程概况

新疆某水电站工程由大坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电洞及厂房等主要建筑物组成，最大坝高31.5m，总库容50万m3，装机容量190MW，保证出力8.55MW，多年平均发电量5.839亿kW·h，为Ⅲ等中型工程。该电站引水系统总长19km，其中低压引水隧洞长18.3km，发电额定水头196.5m，设计引用流量109.4m3/s，衬砌后洞径D为6.7m，圆形断面，采用一洞四机联合供水方式。低压引水隧洞末端设置上游调压室，调压井后连接高压管道，后经分岔为4根支管进入厂房，尾水经尾水渠泄入原河道。

2 发电洞布置

钻爆法和TBM法是目前长隧洞施工中普遍采用的施工方法，在道路、水利、电力等领域应用广泛。本工程长发电洞施工方法初步选择钻爆法和TBM掘进法两种方法［1-2］。

2.1 钻爆法发电洞布置

根据钻爆法施工特点，为便于布置施工支洞及缩短施工支洞长度，在满足洞顶及侧向围岩覆盖厚度的前提下，发电洞线布置时尽量沿着河道布置。全洞线共布设8条施工支洞，5个转弯点，转弯半径50m。

2.2 TBM掘进法发电洞布置

根据TBM掘进法施工特点［3］，TBM施工时洞线尽量布置成直线，利于掘进机施工，缩短发电洞洞线长度，减少转弯个数。依据地形、地质条件，在TBM掘进施工段布设2条施工支洞，其中掘进机由T2#支洞进洞，由T1#支洞拆卸出洞。

TBM掘进法除在桩号Z0+654.855～Z17+144.728之间洞线布置和钻爆法不同外，其余段两种方法洞线重合（钻爆法简写为字母Z，TBM掘进法简写为字母T），TBM掘进法除在T1#支洞和T2#支洞之间洞身采用TBM掘进施工外，其余洞身段施工方法均采用钻爆法施工。两种施工方法对应的洞线平面布置如图1。

图1 发电洞洞线布置平面图

3 发电引水隧洞地质条件

两种施工方法发电洞沿线的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件等基本相同。隧洞沿线出露地层岩性有：碎粒化黑云母中细粒花岗闪长岩、中细粒二长花岗岩、碎粒化似斑状二长花岗岩；变粒花岗闪长岩；弱蚀变不等粒二长花岗岩，灰白—淡红色似斑状黑云母花岗岩，蚀变碎裂黑云母石英闪长玢岩、蚀变碎裂中细粒二长花岗岩、含石榴石黑云母斜长片麻岩等。

发电洞沿线地质条件较复杂，有大型冲沟20余条，较大断层30组，其中F20喀拉温古泉断裂为活动断裂。

TBM掘进施工段发电洞洞线埋深为300～600m，在局部埋深较大处可能存在岩爆。隧洞Ⅱ类围岩约占隧洞总长21%，坚固系数f=7～8，单位弹性抗力系数K0=60～70MPa/cm，变形模量7.93GPa，弹性模量16GPa，饱和抗压强度80.5MPa，纵波速度4000～5500m/s；Ⅲ类围岩占隧洞总长42.28%，坚固系数f=5～6，K0=35～50MPa/cm，变形模量5～7.93GPa，弹性模量6.5～10 GPa，饱和抗压强度55～80.5MPa，纵波速度3500～4000m/s；Ⅳ类围岩约占隧洞总长24.27%，坚固系数f=1.5～2.5，K0=15～20MPa/cm， 变形模量2.5～4.2GPa，弹性模量4.5～6.5GPa，饱和抗压强度44～55MPa，纵波速度2500～3200m/s；Ⅴ类围岩约占隧洞总长12.45%，坚固系数f<1，单位弹性抗力系数K0<5MPa/cm。

4 钻爆法施工方法

4.1 施工特点

钻爆法施工主要由施工单位组织实施，施工方法简单、施工方法灵活，施工组织比较简单。能应用于各类地层和多变的岩层，设备投资少，施工方案可根据地质情况变化方便做出调整，可以开辟较多的工作面，施工工期宜控制，是目前国内外隧洞施工的主要掘进方法。

4.2 钻爆法施工

采用钻爆法施工时上平低压段长18.3km，根据发电引水洞平面布置特点及地形地质条件，发电引水洞上平低压洞段共布置了8条施工支洞，形成16个作业面。

发电引水洞洞线大部分为花岗岩，根据发电洞洞挖料试验结果，洞挖渣料作为人工骨料，各项指标满足质量要求。发电引水洞上平低压段长18.3km，上平低压洞段石方洞挖总量100.5万m3，为减少弃渣占地和料场开采占地，本工程混凝土骨料全部采用发电洞洞渣料经人工破碎获得。

本工程混凝土浇筑总量31.13万m3，发电引水洞洞挖渣料开挖总量和质量技术指标均满足本工程混凝土骨料设计要求。洞衬混凝土考虑在洞挖完成后进行。在每个施工支洞进口附近布置一座混凝土拌和站拌制混凝土，洞衬混凝土采用钢模台车浇筑。每个工作面配置1套钢模台车，共布置14套台车，其中2套重复利用。

4.3 钻爆法发电洞不良地质段施工措施

4.3.1 围岩稳定问题处理

洞线通过断层及断层影响带，以及通过较大山洪沟洞顶覆盖较薄的洞段，围岩条件较差，为防止隧洞在通过以上不利围岩地段的开挖过程中出现塌方，除了采用弱爆破、短进尺、紧跟临时支护的施工方法外，还需要采取大管棚及超前小导管支护等超前支护加固围岩的措施。

4.3.2 涌水洞段处理

断层破碎带除围岩稳定问题外，还存在涌水的情况，掌子面超前大管棚和小导管的预注浆已经起到阻水的作用，此外还应加强排水措施，对于顺坡开挖的施工段应设置备用排水泵和电源以保证排水作业的连续性，为方便排水本工程的所有施工支洞均设计成顺坡。

4.3.3 通过岩爆地段处理

沿洞线局部埋深较大的围岩存在轻微岩爆，通过轻微岩爆洞段的主要措施是向工作面及隧道壁面喷水来促进围岩软化，从而消除或缓解岩爆程度。

5 TBM掘进法

5.1 施工特点

长隧洞工程中，隧洞施工一般在有条件布置施工支洞的条件下均考虑采用钻爆法施工。TBM掘进机施工多在无法布置施工支洞，同时隧洞单工作面较长，钻爆法无法施工的情况下选择TBM掘进机施工［4］。

TBM法是快速掘进的有效方法之一，地形地貌、地质、水文、运行条件等对TBM选型影响很大。对不同的条件需采用专门的设计以提高工作效率，其工作特点决定TBM在比较单一的地层中可以取得比较高的进尺，比较适合中硬岩的隧洞施工。工作条件变化时，如软弱岩层、硬岩、断层破碎段、岩爆段、高涌水段，施工的不确定因素较多，施工方案调整比较困难。在地质条件复杂的洞段，对工程的投资及工期可能存在重大影响［5］。

TBM掘进机施工是个系统工程，需要系统化、专业化管理，TBM掘进设备选型设计、施工方案拟定、紧急情况处理等，需要业主、工程设计单位、机械设计单位、施工单位紧密配合。施工期对工程各方提出更高的要求，由于是流水线式施工，一个环节的变化就可能造成大的工期变化和投资变化。

5.2 TBM掘进机选型

TBM掘进机机型的选择与沿线的地质条件和掘进机对地质的适应能力有密切关系［6-16］。目前常用的掘进机主要有开敞式和护盾式两种。从掘进机的使用功能上看，开敞式和护盾式在成洞条件较好的围岩洞段两者区别不大，掘进速度基本相同；整体上软岩隧洞施工，护盾式要优于开敞式。对于成洞条件较差的洞段，开敞式掘进机有不易被挤压、卡住，脱困灵活，便于实施其他工程措施，可改变开挖洞径等优点，另外开敞式掘进机处理断层、涌水较容易，开敞式掘进机针对断层破碎带等不良地质条件，可利用超前钻（或地质钻）打排水孔和进行注浆处理，再利用安装钢拱架、挂网、喷锚等手段，及时地紧靠开挖面进行支护。对于较大断面的混凝土衬砌长隧洞，当在开敞式掘进机后部一定距离布置混凝土衬砌用的钢模台车不影响掘进机的轨道交通运输时，也可以做到边开挖边衬砌。而护盾式掘进机则由于护盾较长，易被变形较大的围岩所围，处理起来比较困难，虽然设备和人员受护盾和管片的保护，比较安全，由于不易接触到围岩，处理不良地质洞段比较困难。

本工程发电引水隧洞共穿越大小断层约29条，其破碎带宽一般5～40m，其中引水隧洞穿过F20喀拉温古泉断裂，断裂性质为逆断层，沿该分布有天然的温泉，泉水温度40℃～60℃。同时该隧洞可能还存在有岩爆、突涌水、岩体地应力变形等不良工程地质问题。发电洞开挖洞径为7.7m，满足开敞式掘进机边开挖边衬砌的条件。综合上述分析并结合国内开敞式掘进机的成功应用经验，选择1台开敞式掘进机进行发电洞段施工。

5.3 TBM掘进机施工

根据发电引水洞平面布置特点及地形地质条件，发电引水洞共布置了3条施工支洞。T3#施工支洞与钻爆法8#施工支洞位置及作用一样，T2#施工支洞主要为TBM组装进洞及施工出渣洞，T1#施工支洞主要为TBM拆卸运出洞。

TBM掘进机施工方案整个工程混凝土浇筑总量约32.87万m3，由于TBM掘进施工洞段渣料不能满足加工混凝土骨料质量要求，而局部钻爆法开挖洞段的渣料数量不能满足制备整个工程混凝土骨料的要求，骨料不足部分需要由料场开采补充。

TBM掘进机施工洞段考虑开挖与衬砌同步实施的方案进行施工，其中隧洞为满足掘进机后部行车轨道的要求，仰拱采用预制的形式与掘进机同步施工，洞身其余部分采用现浇混凝土衬砌，仰拱安装由掘进机边开挖边安装。由于本工程掘进机施工洞段开挖洞径较大，为保证隧洞TBM掘进机掘进与衬砌同步施工的要求，混凝土浇筑采用穿行式钢模台车进行浇筑，混凝土由轨道式混凝土罐车洞内运输至工作面，60m3/h混凝土泵入仓，混凝土泵及轨道式混凝土罐车均布置在一侧轨道，预留出一侧用于掘进机正常的开挖出渣及材料运输的施工［17］，出渣方式选择轨道运输。

5.4 TBM掘进施工段不良地质段施工［18-19］

5.4.1 断层破碎带

掘进机开挖至断层破碎带时，由于掌子面附近的围岩破碎、松散，掘进机刀盘应顶在掌子面上，不要轻易后退，更不能在无推进的状态下，转动刀盘进行掘进开挖出渣。否则，会造成刀盘前部更大范围坍塌，形成空穴，而一旦形成刀盘前部的空洞，处理起来困难更大，并会延误工期。由于机械喷锚设备距开挖面15m，使开挖后岩面长时间暴露，造成局部岩面掉块剥落，严重影响掘进机掘进，且严重危及人员、设备安全。针对这一问题，根据经验和掘进机施工实际情况，可采取如下措施：

（1）首先采用人工喷锚，及时封闭围岩，对不同地质段，喷混凝土的厚度及时调整，确保围岩变形受到控制和主机撑靴不会撑垮围岩，量测及时反馈，若拱顶下沉仍得不到控制，应补喷或加强拱架等一系列加强支护措施。

（2）对坍塌区用铁皮封堵，喷混凝土封闭，及时快速灌注混凝土。对范围大且坍塌在护盾上的坍腔回填时，为减少等强时间，提高工效，在混凝土中加入适量速凝剂。

（3）拱架安装一定要保证竖直，间距符合要求，螺栓拧紧，隧洞清底要彻底，以保证钢拱架紧贴仰拱，以确保仰拱块的顺利安装。

（4）钢拱架受压变形应及时用型钢加固。在拱腰及仰拱块边沿加打锁脚锚杆，以有效控制拱架变形、稳定围岩，确保安全及主机顺利通过。

（5）对围岩破碎区和渗水区，打入注浆锚杆，用浓度为36Be的水玻璃与水灰比为0.8～1.0的水泥浆注双液浆加固围岩，填充空隙。

（6）调整设备的技术参数，降低对岩面的承压力，减少扰动，保护围岩，尽量减少剥落坍塌量。

（7）遇到较大断层带可将掘进机停机，在附近布置旁支洞，采用钻爆法施工完成该断层带，随后将掘进机驶出该段继续进行下一洞段的施工。

5.4.2 富水区域的处理措施

本工程主要有水地段均为断层带附近，尤其喀拉温古泉断裂F20是本工程最重要的富水带。

TBM在掘进过程中遇到掌子面前方临近富水带，应采用超前钻孔探明隧洞前方地下水及工程地质情况。根据探测钻孔出水量、水压，确定涌水点桩号位置，并依据探测孔出水量、水压的变化采取相应措施进行处理。

5.4.2.1 一般涌水段处理

根据发电洞的地质条件，破碎带宽度较小的断层可能出现一般涌水情况，同时围岩的自稳能力也较差，采用超前小导管注浆阻水和加固围岩，其处理措施：

（1）TBM停止掘进，除进行必要的排水外，在护盾上打注浆小导管，超前预注浆，封堵裂隙水，隔离水源，阻塞水点，减少洞内涌水量。应保证刀盘前有至少5m的不透水层作为止浆盘，灌注水泥浆液堵水防渗。

（2）护盾后，利用锚杆钻机打注浆锚杆注水泥水玻璃双液浆，灌浆方式采用分段下行式注浆，注浆孔钻进一段压一段。为防止浆液回流渗入掌子面与刀盘之间及减少浆液渗入量，解决方法为在实际工作面前方设置止浆塞，止浆塞深度应超过10m。

（3）在富水区加环向透水管，利用凿槽或麻绳等将水引至仰拱处，以便有效喷浆封闭。

5.4.2.2 较大涌水段处理

根据发电洞的地质条件，破碎带宽超过20m的断层带涌水量可能较大，同时破碎带处围岩自稳能力也差，为确保掘进机安全通过，涌水段采取“洞内超前预注浆堵水+大管棚超前加固”的综合处理措施，同时加强排水。

5.4.3 高地应力岩爆处理措施［20-21］

岩爆是高应力地区地下洞室中围岩脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动力失稳现象。具体处理措施可有以下方式。

5.4.3.1 改善围岩物理性能

喷雾洒水卸压法，在干燥的围岩表面上洒水或用高压水冲洗隧洞拱顶、掌子面和侧壁，目的是增加岩石湿度，一定程度上可以降低表层围岩的强度，松弛岩体中积累的高构造应力。此外，在可能发生岩爆的掌子面上，还可通过TBM刀盘导向孔进行超前钻孔，孔深20m，释放岩体中的高构造应力，同时向岩体高压均匀注水。

5.4.3.2 及时一次支护

对不同烈度的岩爆一般采取不同的加固处理措施。对轻微岩爆段，采取向工作面及隧道壁面喷水来促进围岩软化，从而消除或缓解岩爆程度；对中等岩爆段，可设法远距离向岩爆区岩面喷射水，待岩爆缓解，基本无岩爆迹象后进行找顶，撬除已松裂的岩片、岩块，进行喷混凝土，随后在岩爆区钻孔安装锚杆、挂网喷混凝土，及时进行一次支护。

6 结语

本工程河道顺直，采用钻爆法施工发电洞线沿河道布置，布置施工支河道布置，布置施工支洞方便，且施工支洞长度较短，形成的工作作业面较多，隧洞单工作面长度较小，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

吴 均（1979-），男（汉族），四川遂宁人，工程师，主要从事水工设计研究工作，（Tel）15099190722。