观景口水利枢纽工程中机械施工探索分析

唐上丁

（重庆市观景口水利开发有限公司，401336，重庆）

一、工程地质概况

观景口水利枢纽输水线路位于川东的“平行岭谷”区，先后穿越4条大致平行的山体、3条河流和多条冲沟，地形较为复杂。地貌主要为构造剥蚀地貌与岩溶地貌两种类型。涉及的地质构造为桃子荡背斜、洛碛—老君山向斜、明月峡背斜、广福寺向斜等褶皱以及滴水岩断层带。输水线路经过地层由老至新依次为三叠系下统嘉陵江组、中统雷口坡组、上统须家河组；侏罗系下统珍珠冲组、中下统自流井组、中统新田沟组、下沙溪庙组、上沙溪庙组、上统遂宁组、蓬莱镇组以及第四系全新统地层。三叠系下统嘉陵江组、中统雷口坡组为碳酸岩地层，岩性主要为灰岩、白云岩夹岩溶角砾岩和岩溶充填物；三叠系上统须家河组岩性为砂岩夹泥岩；侏罗系下统珍珠冲组—上统蓬莱镇组岩性主要为泥岩夹粉砂岩、砂岩。

三叠系嘉陵江组微新、弱风化灰岩饱和单轴抗压强度平均值分别为54.42 MPa、44.03 MPa，属中硬岩类；三叠系须家河组微新砂岩饱和单轴抗压强度平均值为40.98 MPa，属中硬岩类；侏罗系微新、弱风化砂岩饱和单轴抗压强度平均值分别为31.98 MPa、28.26 MPa，分别属中硬岩、较软岩类；侏罗系微新—弱风化泥岩、微新—弱风化粉砂质泥岩、微新粉砂岩饱和单轴抗压强度平均值分别为7.37 MPa、5.91 MPa、10.47 MPa、12.97 MPa、8.28 MPa，属软岩类。

三叠系嘉陵江组微新灰岩饱和变形模量、弹性模量平均值分别为53.9 GPa、62.8 GPa；三叠系须家河组微新砂岩饱和变形模量、弹性模量平均值分别为15.6 GPa、20.6 GPa；侏罗系微新砂岩饱和变形模量、弹性模量平 均 值 分 别 为8.6 GPa、10.3 GPa；侏罗系微新粉砂岩饱和变形模量、弹性模量平均值分别为3.3 GPa、4.0 GPa；侏罗系微新泥岩、粉砂质泥岩饱和变形模量、弹性模量平均值分别为3.9 GPa、4.9 GPa。泥岩自由膨胀率小于1%，参考《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2009)、《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112—87），其属于非膨胀岩。

二、施工工法探索分析

1.钻爆法方案（初步设计方案）

隧洞采用内圆外马蹄形断面，净内径2.65 m，根据工程的围岩性质、施工及运用条件，隧洞支护设计采用喷锚支护和现浇混凝土衬砌组合式支护型式。顶拱120°范围内做回填灌浆；衬砌采用C30钢筋混凝土结构，混凝土保护层50 mm，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩采用30 cm衬砌厚度。由于隧洞洞径较小，施工机械配置受到诸多限制，混凝土衬砌和开挖支护无法平行作业，只能在开挖支护完成后再施作衬砌，不利于快速施工。为了缩短工期，施工设计考虑设置施工支洞和提前开工的方法，设置施工支洞可多开工作面，提前开工。

钻爆法施工方案即利用隧洞沿线的自然洞口和布置于适当位置的支洞创造的工作面，将隧洞施工分解成若干个掘进段，长洞短打，部分贯通或全部贯通后进行混凝土衬砌的施工方案。

隧洞施工尽量利用自然洞口施工，1号无压洞出口防护较为困难，结合永久检修洞设置1号施工支洞，从1号施工支洞向上游施工；2号无压洞进口防护较为困难，拟从出口向上游施工；3号无压洞出口为二圣河，防护水位较高，拟在出口结合永久检修洞设置2号施工支洞，分别从进口和出口处2号施工支洞相向施工；在4号无压洞的中间部位设置3号施工支洞，从支洞向上游施工，以避开4号无压洞进口的防护困难，从4号无压洞出口向上游施工；对于长度较大的5号无压洞段，设置一条施工支洞，即4号施工支洞。除4条施工支洞外，输水线路施工共利用自然洞口7个。经过设计后，主洞工作面最大控制长度为2 373 m，施工支洞总长度约553.83m，断面型式为马蹄形，断面尺寸为2.65 m×3.15 m（宽×高），顶拱角为180°。

经过研究和计算，认为输水隧洞施工对整个工期影响较大。隧洞施工的工期非常紧张，施工面众多，对施工组织要求极高，容错率较低；随着隧洞施工的进行，开挖循环速度也将降低，工期延误风险高，一旦出现征地移民滞后问题，工期将会延误。

2.悬臂掘进机施工方案

悬臂掘进机一般作为煤矿井下巷道采挖的主要设备，无法直接用于水工隧洞的施工。目前，越来越多的地区开始限制爆破施工，人力资源也逐渐吃紧，所以有较多的水工隧洞工程采用经过改造后的悬臂掘进机进行施工，代替传统钻爆法施工。

悬臂掘进机的施工原理是利用旋转截割头上的截齿切割岩体将岩石破碎剥离，然后把剥离下来的碎石通过带有星轮的铲板运送到皮带运输机上。悬臂掘进机的开挖能力主要取决于截割头的切割功率和定位切割面积。悬臂掘进机种类繁多，市场上使用较多的主要有五种系列：EBZ系列、XTE系列、XTR系列、STR系列、CTR系列。EBZ系列是基于煤矿悬臂掘进机的早期改进型号，其他型号和系列基本都是在其基础上持续改进而来，其中，EBZ系列、XTE系列主要适用于中小断面的隧洞施工，其余系列主要用于较大断面的隧洞施工。

根据常见隧道断面和目前的施工案例，认为选择悬臂掘进机需有两个必要条件：一是满足悬臂掘进机本身通行要求；二是根据悬臂掘进机定位切割面积参数并结合围岩强度、支护参数，将隧道断面分块开挖，以实现定位切割面积最大化。根据以往工程案例的总结可知：

①围岩强度小于30 MPa时，切割功率在200 kW及以上机型均能满足要求，工效较高。

②围岩强度处于30～60 MPa时，切割功率小于260 kW机型的故障率明显升高，工效明显降低；此时需选择260 kW及以上机型。

③围岩强度处于60～80MPa时，切割功率小于260kW的机型掘进困难；260 kW机型故障率明显升高，工效很低；此时需选择300kW及以上机型。

④围岩强度在80 MPa以上时，悬臂掘进机各机型工效均很低，与其他开挖方式相比处于劣势，不宜采用悬臂掘进机施工。

观景口水利枢纽输水隧洞的围岩强度为30～60 MPa，由于隧洞断面较小，所以需着重考虑在保障悬臂掘进机自身通行和施工经济性的前提下进行设备选型，定位切割面积参数作为次要因素。综上，本工程最终选择EBZ260H型悬臂掘进机作为隧洞施工方案之一。

3.超长距离岩石顶管施工方案

超长距离岩石顶管施工的原理是通过顶管机机头前方的刀盘旋转破碎岩体，位于始发工作井处的液压顶进装置推动顶管机机头以及机头后方的预制管道向前顶进，掌子面的岩土体在刀盘的旋转和挤压下被破碎，然后由渣土运输装置运出隧洞。在始发井的液压顶进装置顶进到一定距离后就会回缩，空出位置来，然后再在工作井内装入新的管道，再顶进，如此重复，直到掘进头和管道到达接收井的位置。顶管设备主要包括掘进机主体（带刀盘，具有破碎功能）、后方顶进系统、出渣系统、导向及定位系统、触变泥浆系统和洞渣处置装置六大部分。掘进机主体开挖围岩的原理跟盾构机基本一致，都是依靠刀盘上的滚刀、刮刀切削岩土体。与盾构机的根本区别在于顶管机提供推力的液压顶进装置被固定于始发井处，将预制的管道和顶管机主机同时向前顶进。而盾构机的液压顶进装置位于盾构机主机后部，只会将盾构机主机向前顶进，拼装的预制管片作为盾构机的反力装置，不会随主机向前顶进。

超长距离岩石顶管施工过程中，无须人员进入管道进行操作，预制管道的顶进和隧洞开挖同时进行，隧洞一次成型，无再施作二衬，隧洞施工效率极高、安全性极好、隧洞衬砌质量更好。顶管施工对各类岩土层均能适用，并能有效保持挖掘面的稳定，控制地表的隆起和沉降。

在本工程中使用超长距离岩石顶管技术进行隧洞施工，尚属国内水利行业的首次，无经验可依。为了防止顶管施工过程中出现卡管而无法顶进，同时，为了加快顶管施工速度，提出了具有可拆卸刀盘、可变径盾体、能够沿已成隧洞退回始发井的新型顶管设备设计方案。由于部分隧洞位于地下水水位以下，因此选择泥水平衡式顶管机。最终，选择德国海瑞克公司为本工程定制的AVN2000型岩石顶管机，该型顶管机最大开挖岩石单轴抗压强度达90 MPa，最大顶力达21 000 kN。

三、实际施工工效分析

1.悬臂掘进机施工工效分析

根据施工条件，选择1号无压隧洞作为悬臂掘进机施工的试验探索段，施工方向由1号无压隧洞进口向出口方向进行，计划施工距离为1337m，命名为1-1号隧洞，隧洞各段地质条件：

隧洞进口作为起点，0～650 m段，隧洞埋深14～102 m，位于地下水水位以下。围岩分类以Ⅳ类为主，局部地段为Ⅲ类，约占15%，进口段15 m为Ⅴ类。无不良地质现象。

隧洞650～1 540 m段，该段隧洞埋深85～235 m，洞室围岩岩层走向与洞轴线近于垂直，位于地下水水位以下。围岩以Ⅲ类为主，Ⅳ类约占15%。无不良地质现象。

悬臂掘进机施工中，在隧洞0～800 m段施工效率高，故障率低，最高日进尺达18 m，最高月进尺达168 m，平均月进尺为138 m。但是在隧洞800 m段之后，围岩强度提高，其单轴饱和抗压强度达到了60 MPa左右，围岩以Ⅲ类为主，悬臂掘进机故障率明显提高，截齿损耗加大，工效显著降低，平均月进尺骤降为66.9 m。最终由于隧洞围岩强度一直较高，岩体完整性较好，悬臂掘进机工效过低，在1-1号隧洞施工到1 189 m处换用钻爆法进行施工。总体来说，悬臂掘进机施工在围岩强度低、岩体完整性差的情况下，施工效率略高于钻爆法，但是在围岩强度高、岩体完整性好的情况下，其施工效率显著降低，与钻爆法相比处于劣势。

2.超长距离岩石顶管施工工效分析

选择2号无压隧洞作为顶管施工的试验探索段，工程地质条件如下：

隧洞进口为起点，0～200 m段，隧洞埋深14～54 m，洞室位于地下水水位以下，岩体完整性差，围岩分类为Ⅴ类，可能会出现岩溶塌陷、突水、涌泥、涌水等不良地质现象。

隧洞200～809 m段，隧洞埋深50～120 m，洞室位于地下水水位以下，围岩以Ⅲ类为主，Ⅳ类约占20%。

隧洞809 m至出口段，隧洞埋深10～50 m，洞室位于地下水水位附近，围岩以Ⅴ类为主，Ⅳ类约占30%。

超长距离顶管施工在实际施工过程中施工效率极高，最高日进尺达22.5 m，月进尺达398 m，而且隧洞一次成型无须再花时间施作衬砌。虽然在掘进到549 m处发生了卡管事故，但是通过对本次卡管事故的研究，揭示了卡管机理，形成了卡管脱困技术，为后期顶管技术的应用积累了宝贵经验。处理卡管事故共用时133 d，将处理卡管事故的时间计算在内，采用超长距离顶管施工技术贯通2号无压隧洞的时间共计358 d，平均月进尺105.5 m，隧洞一次成型无须施作衬砌，与钻爆法相比有显著优势。

同时，本工程采用的是新型具有可回退功能的顶管机，即使遭遇无法应对的顶管机机头卡死事故，也能够将顶管机沿已成隧洞回退至始发井吊出，然后再采用相应的处理办法继续进行隧洞施工。

3.钻爆法施工工效分析

在1-1号隧洞放弃使用悬臂掘进机后，采用了钻爆法施工，其平均月进尺为78.7 m，施工效率高于悬臂掘进机。在初步设计中，月进尺按118.0 m作为工期计算的依据，本次钻爆法施工由于隧洞较深，出渣路径较长，所以实际月进尺偏低。综上所述，按照钻爆法施工实际上难以达到初步设计的效率，超工期风险高。

四、结 论

通过对钻爆法、悬臂掘进机法、超长距离顶管法的工程实践得出以下结论：

①悬臂掘进机法的工效对隧洞围岩强度和围岩完整性较为敏感，随着围岩强度和围岩完整性的提高，悬臂掘进机法的工效会显著降低。在小断面隧洞施工中，由于断面较小，围岩完整性对施工的影响减弱，应着重考虑围岩强度的影响。同时，悬臂掘进机法即使在较高工效的情况下，施工速度也仅是钻爆法的约1.5倍，且适应性要弱于钻爆法。

②超长距离顶管法的工效极高，其掘进速度约为钻爆法的2倍，而且无须再施作二衬，大大缩短了工期。不良地质条件引起的卡管事故是其最大的风险，但是通过本工程的实践，形成了成套的卡管预防和卡管脱困技术，降低了风险。在小断面隧洞施工中，断面较小，洞室稳定性较好，卡管风险相对较小，开挖和二衬施作无法同步进行，因此，超长距离顶管法的优势更加显著。

综上所述，在小断面隧洞施工中，与钻爆法相比，悬臂掘进机法工效并不显著，且适应性较差，不建议优先选用；超长距离顶管法工效高，适应性好，安全风险低，对环境影响小，值得推广应用。