山西省东山供水工程9号隧洞TBM施工方案研究

张 亮

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 项目背景

山西省东山供水工程是山西省一项跨流域引调水工程，实现了省内汾河流域中游与漳河流域上游连通，是山西省大水网建设的骨干项目，为“山西大水网”第五横晋中-长治线的规划工程，也是我省“十二五”期间重点建设互连互通工程之一。工程输水管（洞）线全长254.64 km,其中隧洞长72.22 km,占整个线路的近1/3，埋深大，洞外水压力大，地质条件复杂。

9号隧洞是山西省晋中东山供水工程的控制性工程，全长22.648 km，进口段2.273 km为土洞段，其余20.375 km为岩石洞段。9号隧洞进口位于石塔村西的山坡，经牛家嘴、草批沟，穿过汾河与浊漳河的分水岭子金山，过黄风沟、涉水老、蔡家山、小峪沟、拾弓沟，出口位于集林坪村西的西坡。9号隧洞为无压隧洞，设计流量为6.0m3/s，设计纵坡1/2700。

该洞段为深埋长隧洞，适合TBM施工。初步设计中，TBM掘进洞段长为20.175 km，圆形断面洞径3.0 m。在TBM掘进洞段中部设置一个检修洞室及长1.09 km的检修支洞。并在掘进洞段末设置一个拆卸洞室。TBM从9号隧洞出口逆向滑进200 m的钻爆法洞段（圆形洞径3.88 m），掘进20.175 km后，在拆卸洞室解体，沿隧洞出口方向出洞。

本次研究建立在初设所选洞线和TBM方案不变的基础上，考虑工期以及经济等方面因素，对两种不同施工方案展开讨论。

2 施工方案

9号隧洞TBM施工段为圆形断面，开挖直径4.16 m。衬砌为C45（W10、F150）预制混凝土管片拼装式结构，四片管片组成一环，管片型式为六边形蜂窝状结构，厚25 cm，宽1.2 m，衬砌后净直径3.4 m。管片与围岩之间的空隙，顶拱及侧拱270°范围充填豆砾石并进行回填灌浆，豆砾石回填灌浆结石强度为C20；底拱90°范围采用M15水泥砂浆灌浆，以达到结构稳定和防渗止水效果。管片与管片环向缝之间用两个定位连接销锁定。

对施工中出水量大及断层破碎带洞段，采用超前预注浆堵水和加固围岩的方法施工。

2.1 TBM滑行出洞方案

TBM进口段进行钻爆法施工，在TBM到货前完成0.8 km开挖及一次支护，TBM通过后再进行二次衬砌；在TBM施工段后通过增设两条施工支洞，在TBM掘进14.35 km结束前，采用钻爆法完成5.225 km的开挖和一次支护，底拱90°范围内浇筑C20素混凝土，预埋TBM滑行轨道，TBM掘进段与钻爆法施工段贯通后，由TBM完成该段的管片衬砌，最后滑行通过土洞段和9-2号支洞出洞。

TBM进口段0.8 km的钻爆法施工洞段为城门洞型，一次支护后洞宽高均为4.3 m，一次支护后底拱预埋TBM滑行轨道。TBM施工段后新增的钻爆法施工洞段5.225 km断面为圆形，开挖直径2.23 m，一次支护后直径2.08 m，TBM通过时进行豆砾石回填灌浆和管片衬砌。土洞段和9-2号支洞为马蹄形断面，R1=2R2=4.4 m。新增的两条施工支洞（9-3号支洞、9-5号支洞）断面为3.65 m×3 m的城门洞型，进行一次支护及衬砌，支洞长度分别为398 m和572 m。洞线示意见图1（由于篇幅有限，图中尺寸非真实比例）。

图1 TBM滑行出洞方案示意图

2.2 TBM拆卸出洞方案

TBM进口段进行钻爆法施工，在TBM到货前完成0.8 km开挖及一次支护，TBM通过后再进行二次衬砌；在TBM施工段后通过增设三条施工支洞，在TBM掘进14.635 km结束前，采用钻爆法完成4.94 km的开挖、一次支护和二次衬砌，并提前在TBM贯通位置完成TBM拆卸洞室，TBM掘进段与钻爆法施工段贯通后，在拆卸洞室完成TBM解体。

TBM进口段0.8 km的钻爆法施工洞段为城门洞型，一次支护后洞宽高均为4.3 m，一次支护后底拱预埋TBM滑行轨道。在钻爆法末端处增设一个拆卸洞室，洞室尺寸为20 m×8.2 m×9.5 m（长×宽×高）。由于TBM在拆卸洞室拆卸，因此钻爆法的岩石洞段采用城门洞形断面，成洞断面为2.6 m×3.1 m。隧洞每10 m设一个伸缩缝。环向伸缩缝用651型橡胶止水带止水，缝内填聚乙烯高密度闭孔泡沫塑料板，内表面30 mm采用沥青砂浆填缝。

9-2号支洞与主洞交叉点下游的520 m土洞段的断面也调整为小马蹄形断面，成洞断面为R1=2R2=3.0 m。因为TBM不需要经过9-2号支洞滑行出洞，9-2号支洞洞线取直，断面改为城门洞型（3.65 m×3 m）。与新增的三条施工支洞（9-3号支洞、9-4号支洞、9-5号支洞）断面相同，均为3.65 m×3 m的城门洞型，进行一次支护及衬砌，支洞长度分别为356m、398 m、683 m和572 m。关于洞线示意和工期说明见图2。

图2 TBM拆卸出洞方案示意图

3 施工工期分析

TBM设备到货时间为2013年10月底，组装时间按60 d控制，2014年1月初开始进行钻爆法施工洞段的管片安装和掘进。TBM掘进月进尺为750 m。滑进安装管片衬砌进度为每天60 m。TBM拆卸出洞时间为40 d。

新增钻爆法施工洞段的施工准备期（包括招标、修建临时施工道路等）为2个月，2013年3月开始施工，只进行一次支护的洞段按综合日进尺2.5 m计算，进行二次衬砌的洞段按综合日进尺2 m计算。

3.1 TBM滑行出洞方案

进口段在TBM设备到货前有244 d的施工期，可完成800 m的开挖和一次支护（2013年3月1日～10月31日），TBM 2014年1月1日开始掘进，至2015年8月5日，历时582 d完成14.35 km掘进任务，新增钻爆法施工洞段于2013年3月1日开始2条支洞的开挖及洞内的一次支护，分别为：9-3号支洞（长398 m，工期为2013年3月1日～9月16日)，9-5号支洞（长572 m，工期为2013年3月1日～12月12日)。两条支洞打通后，分别向主洞两个方向进行钻爆法开挖及支护。这样钻爆段主洞（5.225 km）同时有四个掘进断面，预计工期分别为：

9-3号支洞向西侧掘进段（1550 m）2013年9月17日～2015年5月30日)

9-3号支洞向东侧掘进段（920 m）2013年9月17日～2014年9月20日)

9-5号支洞向西侧掘进段（1425 m）2013年12月13日～2015年7月6日)

9-5号支洞向东侧掘进段（1330 m）2013年12月13日～2015年5月29日)

至2015年7月6日完工，新增钻爆法施工洞段全面贯通。

于2015年8月5日进入空滑安装管片灌浆阶段。TBM通过钻爆法施工岩洞段（5225 m）经过4个月的安装管片灌浆，然后空滑通过钻爆法施工土洞段（520 m）及9-2号支洞（长550 m），于2015年12月6日开出。

3.2 TBM拆卸出洞方案

进口段在TBM设备到货前有244 d的施工期，可完成800 m的开挖和一次支护，TBM 2014年1月1日开始掘进，至2015年8月17日，历时593天完成14.635 km掘进任务，经过40 d的时间于2015年9月27日拆卸出洞。9号隧洞全面贯通。

TBM出口段钻爆法施工洞段从2013年3月1日开始3条支洞（1.653 km）及主洞（4.94 km）的开挖及洞内的支护衬砌，至2015年7月6日完工。9号隧洞于2015年9月27日全面贯通。分别为：9-3号支洞（长398 m，工期为2013年3月1日～9月16日)，9-4号支洞（长683 m，工期为2013年3月1日～2014年2月5日)，9-5号支洞（长572 m，工期为2013年3月1日～12月12日)。支洞打通后，分别向主洞两个方向进行钻爆法开挖及支护。钻爆段主洞（5.225 km）各个施工断面预计工期分别为：

9-3号支洞向西侧掘进段（720 m）2013年9月17日～2014年9月12日)

9-3号支洞向东侧掘进段（920 m）2013年9月17日～2014年12月21日)

9-4号支洞向西侧掘进段（760 m）2014年2月6日～2015年2月21日)

9-4号支洞向东侧掘进段（600 m）2014年2月6日～2014年12月3日)

9-5号支洞向西侧掘进段（1140 m）2013年12月13日～2015年7月6日)

9-5号支洞向东侧掘进段（800 m）2013年12月13日～2015年1月17日)

TBM拆卸出洞方案比TBM滑行出洞方案可提前70 d完工。

4 投资比较

TBM滑行出洞方案：包含800 m的出口钻爆段，14.35 km TBM段，5225 m的钻爆法开挖管片衬砌段，520 m的钻爆法开挖土洞段，以及三条施工支洞，其中9-3号支洞、9-5号支洞为岩洞（城门洞型3.65 m×3 m），9-2号支洞为马蹄形断面（R1=2R2=4.4 m）。估算工程直接费为36099万元。

TBM拆卸出洞方案：包含800 m的出口钻爆段，14.635 km TBM段，4940 m的钻爆法开挖衬砌段（拆卸洞室在此段内），727 m的钻爆法开挖土洞段，以及四条施工支洞，其中9-2号支洞、9-3号支洞、9-4号支洞、9-5号支洞均为城门洞型（3.65 m×3 m）。估算工程直接费为33119万元。

经比较，TBM拆卸出洞方案比TBM滑行出洞方案估算工程直接费少2980万元。

5 结论

通过以上方案比选，对东山供水工程9号隧洞预备TBM施工的洞段决定采用TBM拆卸出洞方案，施工进行中，如TBM施工洞段进展未能达到工期计划，则可由钻爆法施工洞段掘进进行弥补，使两段隧洞按时贯通，反之亦然，因此该方案能保证施工工期要求，并且经济费用上也更加合理，综合以上关键因素，选定为最适合本工程的施工方案。