引汉济渭二期南干线1#隧洞TBM结合钻爆法施工关键技术探讨

刘 媛

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 工程概况

引汉济渭二期输配水工程南干线输水线路总长103.1 km，其中1#隧洞穿越秦岭北麓中低山区，全长68.83 km，占总线路的67%。隧洞进口位于黑河金盆水库右岸，出口位于子午镇东S107国道北侧，设计流量 47 m3/s、30 m3/s，设计比降 1/2500，自黄池沟配水枢纽无压流输水至西安子午水厂[1]。

2 工程地质

2.1 主要工程地质条件

南干线1#隧洞位于秦岭北麓中低山区，隧洞整体为傍山浅埋隧洞。沿线主要出露二云石英片岩、黑云母斜长片麻岩、花岗岩及长阳起云母片岩等。其中0+000～44+330洞段以二云石英片岩夹多层长阳起片岩为主（长度约36.18 km），次为黑云母斜长片麻岩夹长阳起片岩（长度约8.15 km）；44+330～65+720洞段以花岗岩为主（17.82 km），夹有多层云母斜长片麻岩（3.57 km）；65+720～68+830洞段为第四系洪积松散堆积层。

根据洞室围岩分类成果，南干线1#隧洞围岩类别有如下特点：

（1）Ⅴ类围岩约占全洞总长的14.6%，Ⅳ类围岩占全洞总长的34.9%，且主要分布于隧洞进、出口段及桩号44+330以前洞段；

（2）Ⅱ、Ⅲ类围岩占洞室总长的50.5%，主要分布在桩号44+330后的花岗岩洞段；

（3）0+000～44+330的变质岩洞段，Ⅴ类围岩约占该洞段长度的9.8%，Ⅳ类围岩约占该洞段长度的46.4%，Ⅲ类围岩仅占该洞段长度的43.8%；

（4）44+330～64+930的花岗岩洞段，Ⅱ、Ⅲ类围岩占该洞段长度的87.3%；Ⅳ、Ⅴ类围岩仅占该洞段长度的12.7%；

（5）Ⅳ、Ⅴ类围岩与Ⅱ、Ⅲ类围岩呈相间交互分布，尤其是0+000～44+330段洞室围岩以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主，与Ⅲ类围岩相间交互分布现象尤为明显。隧洞围岩类别统计表见表1。

表1 南干线1#隧洞围岩类别统计表

2.2 主要工程地质问题评价及处理措施

1）区域活动断裂对线路的影响及处理措施

南干线1#隧洞主洞虽已基本避开了秦岭北缘断裂带，但仍存在一定的影响，且该范围内的隧洞以Ⅴ类围岩为主，活断层对隧洞工程的危害有蠕动破坏和错动破坏。穿越活断层处的结构采用柔性的复合衬砌结构，该段隧洞采用钢筋混凝土复合衬砌与扩大断面相结合方案，断面向外扩挖0.3 m，由最外层橡胶垫层一次衬砌，里层钢筋混凝土二次衬砌组成，并在二次衬砌的分缝处采用波纹管连接的形式，利用外柔内刚的复合衬砌消蚀和缓冲活断层发生的地震突变，衬砌断面见图1。

图1 1#隧洞穿越活断层处断面图

2）洞室围岩稳定问题及处理措施

根据《陕西省引汉济渭二期工程可行性研究工程地质勘察报告》，第四系洞段岩性复杂，结构不均，又位于地下水位以下，成洞条件极差，成洞难度大，1#隧洞Ⅳ、Ⅴ类围岩占洞室总长的49.5%，且Ⅳ、Ⅴ类围岩与Ⅱ、Ⅲ类围岩呈混杂交错分布，另外穿越多条断层，断层极易发生涌水、突泥问题。施工中，对第四系Ⅴ类围岩洞段采用钻爆法先行施工，开挖过程中，加强跟进支护措施，在断层破碎带、地下水发育区段，采用超前小导管、超前管棚注浆进行预支护加固，严防洞体坍塌。

3）隧洞涌水、突泥问题及处理措施

根据《环境水文地质专题研究报告》，采用大气降水入渗法、裘布依公式法、水文地质比拟法对主洞及施工支洞隧洞正常涌水量进行预测，集中涌水点单点可能最大涌水量1260.6 m3/d～18166.5 m3/d，突水、突泥灾害是目前隧洞施工中风险最大的灾害之一。对可能发生突水突泥地段、规模、危害程度等进行分析，确定其风险等级，并在施工过程中进行必要的动态调整；其次对突水突泥不良地段采取有效注浆堵水措施；并设置安全逃生系统，包括声光报警、应急通信及电视监控、逃生通道及疏散标志、应急照明及供电系统、逃生装备、排水设备。

4）隧洞岩爆、大变形问题及处理措施

依据地勘报告，隧洞穿越云母石英片岩、绿泥石绿帘石片岩的Ⅳ、Ⅴ类围岩富水地段可能存在大变形问题，在软弱地层中开挖会使应力迅速接近或超过岩体强度，岩体将处于塑性平衡状态直至崩塌。对围岩岩性为云母石英片岩、绿泥石绿帘石片岩区Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段，洞室开挖时在侧墙、顶拱预留15 cm变形量。

5）隧洞地温、放射性及有害气体问题及处理措施

估算隧洞埋深425 m以下的地段温度＞28℃，最大埋深处原岩温度约为31.7℃，据此认为隧洞埋深大于425 m的洞段存在轻微热害，对地下隧洞施工有一定的影响。高地温对衬砌结构的影响主要为混凝土开裂，考虑到高地温洞段受热水断层的影响，地质条件具有一定的不确定性，衬砌结构受结构变形后温度残余应力等不利因素的影响，在常温计算配筋成果基础上适当加大钢筋的配置。

根据放射性实测成果，1#洞整体天然放射性环境对隧道施工是安全的，环境放射性水平对输水洞线中的水体产生的影响是很小的，局部花岗岩洞段可能存在放射性轻微超标问题，施工中做好防护和通风换气措施。

3 隧洞施工关键技术

3.1 施工方法选择

岩石隧洞常用的开挖方法有钻爆法和TBM掘进法。钻爆法对围岩适应性强，开挖方式灵活多样，便于全线施工，但施工支洞数量多，需大量使用火工材料，对生态环境和自然景观影响较大。TBM法掘进速度快、机械化程度高、安全环保，但受地质条件因素影响较大，对围岩适应性差[2]。

南干线1#隧洞穿越秦岭北麓中低山区，环境影响要求较高，根据“将施工支洞减到最少、对环境影响降到最低”的原则[1]，通过对TBM+钻爆法与全段钻爆法进行综合比较分析，确定南干线1#隧洞采用TBM+钻爆法是较优的施工方案。该方案避开楼观台风景名胜区、楼观台国家森林公园、秦岭植物园等环境敏感点，较全线钻爆法减少12条施工支洞，充分发挥TBM掘进速度快、施工质量稳定、安全作业条件好、对生态环境影响小的优点。同时，对隧洞进、出口及断层破碎带洞段，采用钻爆法施工，充分发挥钻爆法的机动性和灵活性，降低施工风险。

3.2 TBM与钻爆施工段的合理布置

结合地形地质条件及掘进机的合理掘进长度，对南干线1#隧洞TBM与钻爆施工段布置如下：隧洞进口6.3 km及出口3.97 km，地层条件复杂，洞室埋深相对较浅，成洞条件极差，成洞难度大，采用钻爆法施工；隧洞桩号6+300～40+700段，围岩以Ⅲ、Ⅳ类微风化二云石英片岩为主，采用2台双护盾式TBM掘进机施工；隧洞桩号48+700～64+822段，围岩以Ⅱ、Ⅲ类微风化花岗岩为主，采用2台开敞式TBM掘进机施工。

四台TBM掘进施工50.18 km，常规钻爆施工18.65 km。沿线共布设支洞5条，总长4.92 km；施工竖井1座，井深66.5 m。施工布局见图2。

图2 南干线1#隧洞TBM+钻爆法方案平面布置图

3.3 TBM选型设计

掘进机的型式主要分为开敞式和护盾式。双护盾式掘进机适用于地质条件比较差、需要保护的洞段，其特点是管片衬砌与隧洞掘进同步进行。开敞式掘进机适合于地层岩性比较均一、围岩渗透性低、洞室埋藏深、地表无大河谷通过洞段，其特点是功率大，掘进速度快，但衬砌不能与掘进同步进行。两种型式比较表见表2。

南干线1#隧洞1号、2号TBM施工段，地质复杂多变，围岩条件差，采用双护盾式掘进机；3号、4号TBM施工段，洞室围岩以Ⅱ、Ⅲ类花岗岩为主，地质情况单一、围岩稳定性好、强度高，采用开敞式掘进机。

表2 开敞式TBM和双护盾TBM比较表

3.4 TBM洞内快速组装、始发及拆解技术

布置4台TBM掘进机，布置组装洞两处，一处设在12○号施工支洞与主洞交汇处，桩号为21+670～22+330；另一处设在15○号施工支洞与主洞交汇处，桩号为52+420～53+340。每个组装洞室组装两台TBM掘进机，“一洞双机”组装后逆向掘进。组装洞室采用钻爆法施工。

12○号支洞组装洞组装1号和2号TBM掘进机，根据需要组装洞分为三段：主机安装洞长130 m，城门洞型，宽12.1 m，高16 m，顶拱尺寸r=9.89 m，拱部角度99°29′；步进洞长170 m，城门洞型，成洞尺寸7.5 m×7.6 m；始发洞长30 m，圆形，成洞尺寸D=7.3 m，见图3。

图3 1号、2号TBM机组装拆卸、步进、始发横断面图

15号支洞组装洞组装3号和4号TBM掘进机，根据需要组装洞分为三段：主机安装洞长130 m，城门洞型，宽11 m，高14 m，顶拱尺寸r=9.56 m，拱部角度94°10′；步进洞长300 m，城门洞型，成洞尺寸6.4 m×6.5 m；始发洞长30 m，圆形，成洞尺寸D=6.2 m，见图4。

图4 3号、4号TBM组装拆卸、步进、始发横断面图

3.5 不良地质洞段处理

南干线1#隧洞穿越f4、f9、f17等19条断层破碎带，穿越就峪、田峪、涝峪、沣峪4处浅埋洞段。其中TBM掘进段通过14处断层破碎带、2处浅埋洞段。

在断层破碎带、地下水发育区段，采用超前小导管预支护并注浆加固。超前小导管采用外径42 mm，壁厚3.5 mm的钢制花管，单根长3.5 m，环向间距30cm，外插角5°～10°，纵向搭接长度1 m，管身设6 mm～8 mm的注浆孔，孔间距15 cm，梅花形布置，前段加工成锥形，尾部长30 cm，作为不钻孔的止浆段。

TBM在峪口浅埋段和断层破碎带区段掘进时，在拱部180°范围内采用超前管棚预支护并注浆加固。超前管棚采用外径108 mm，壁厚6 mm的钢制花管，单根长30 m，环向间距40 cm，外插角3°，纵向搭接长度5 m。

4 结语

针对南干线1#隧洞施工中的关键技术问题，拟采用以下方案保证隧洞安全快速施工：①采用4台TBM和钻爆法联合施工，可以充分发挥了两种隧洞施工方法的优点；②TBM施工段与钻爆法施工段的合理布置，降低了施工风险，保证隧洞安全、高速掘进；③“一洞双机”逆向组装后掘进的始发技术，减少了施工支洞数量，充分利用了组装洞室，节省了工程投资；④通过对不良地质洞段采用超前支护措施进行加固，保证掘进机安全、快速通过。