香炉山深埋长隧洞TBM法及钻爆法施工方案研究

2021-10-18朱学贤吴俊苏利军刘波

人民长江 2021年9期

朱学贤吴俊苏利军刘波

摘要：滇中调水工程的控制性项目——香炉山隧洞长62.596km，具有超长距离、大断面、大埋深等特点，是目前在地壳活动性较强地区尚无施工先例的长距离深埋输水线路，施工难度极大。结合香炉山隧洞地形、地质情况以及施工支洞布置条件等，经多方比选确定了“TBM法+钻爆法”的总体施工方案，即在隧洞进出口以及主要不良地质洞段处设置施工支洞，采用钻爆法开挖规模较大的3条区域性断裂及部分不良地质洞段;其余地质条件较好洞段或无施工支洞布置条件段采用TBM法施工。以施工工期最优为目标，分析确定了钻爆法和TBM法施工分段长度，并制定了TBM組装、转场与拆卸方案。相关经验可供类似工程借鉴。

关键词：香炉山隧洞;隧洞掘进;钻爆法;TBM法;滇中引水工程

中图法分类号：U455

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0167-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.027

0 引言

滇中引水工程是国务院批复的《长江流域综合利用规划简要报告（1990年修订）》《全国水资源综合规划（2010～2030年）》和《长江流域综合规划（2012～2030年）》提出解决滇中地区严重缺水的特大型跨流域调水工程，以解决滇中地区的城镇生活及工业用水为主，兼顾农业和生态[1]。

滇中引水工程位于云南省境内，工程主要建设内容包括水源工程和输水工程2个部分。水源工程在金沙江石鼓段右岸无坝引水，经石鼓泵站提水，由引水渠（兼沉沙池）、进水塔、进水隧洞及涵管、地下泵站、出水隧洞、出水池和地面开关站等建筑物组成[2]。输水工程经香炉山隧洞、洱海东岸长育村、楚雄万家、昆明新庄、玉溪杞麓湖西岸至红河新坡背，总长664.236 km，主要建筑物包括隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵等，以隧洞为主，约占总干渠全长的92%。香炉山隧洞是滇中引水线路中最长的深埋隧洞，长62.596 km，穿越金沙江、澜沧江分水岭，为目前在地壳活动性较强地区尚无施工先例的长距离深埋输水线路，施工难度极大，是整个滇中引水工程控制性项目[2]。

1 香炉山隧洞地质概况

香炉山隧洞长62.596 km，埋深一般为600～1 000 m，最大埋深1 450 m，穿越打锣箐、白汉场谷地、汝南河、花椒箐、银河等水系，常年流水。沿线出露泥盆系下统冉家湾组（D1r）、中统穷错组（D2q）、二叠系玄武岩组（Pβ）、黑泥哨组（P2h）、三叠系下统青天堡组（T1q）、中统（T2a、T2b）、北衙组（T2b）、上统中窝组（T3z）、松桂组（T3sn）、燕山期不连续分布的侵入岩、第三系（E+N）及第四系（Q）等地层，岩性主要包括灰岩类、泥砂岩类、玄武岩类、片岩类等;穿越软岩长13.1 km，占比20.9%;穿越可溶岩长17.9 km，占比28.5%。区内褶皱、断裂发育，沿线分布有大栗树断裂（F9）、龙蟠-乔后断裂（F10）、丽江-剑川断裂（F11）、鹤庆-洱源断裂（F12）等全新世活动断裂。

香炉山隧洞区分布Ⅰ白汉场岩溶水系统、Ⅱ拉什海岩溶水系统、Ⅳ鹤庆-西山岩溶水系统Ⅳ-5子系统、Ⅴ清水江-剑川岩溶水系统Ⅴ-1与Ⅴ-2子系统。

灰岩类强溶蚀风化带厚度一般为200～400 m，灰岩夹片岩类强风化厚度一般为20～50 m，局部呈夹层风化，玄武岩类强风化厚度一般为20 m～40 m，局部50 m以上。隧洞深埋洞段应力主要为中等～高地应力水平，局部为极高地应力水平。局部存在高地温，黑泥哨组煤层有自燃倾向性。

香炉山隧洞围岩详细分类为：Ⅲ1类围岩长7.6 km，占隧洞长度的12.1%;Ⅲ2类围岩长13.0 km，占20.8%;Ⅳ类围岩长28.2 km，占45.1%;Ⅴ类围岩长13.7 km，占22.0%。Ⅳ、Ⅴ类围岩合计长约41.9 km，约占隧洞长度的67.1%，围岩稳定问题突出。香炉山隧洞工程地质剖面示意如图1所示。

2 香炉山隧洞结构型式

香炉山隧洞需满足135 m3/s的过流能力要求，从水力学角度和结构稳定性考虑，采用圆形断面。

隧洞TBM段拟采用敞开式TBM施工，开挖断面直径9.8 m，Ⅲ1、Ⅲ2类围岩内径8.5 m，Ⅳ～Ⅴ类围岩内径8.4 m。钻爆段Ⅲ1～Ⅴ类围岩内径8.3 m，活动断裂带内径8.8 m。

在香炉山围岩稳定分析及隧洞过活断层研究的基础上，按隧洞的不同施工方法、不同围岩类别、不同埋深级别及渗流情况组合提出各类支护与衬砌措施[3]。初期采用“锚喷支护+二次支护”的方式，初期锚喷支护型式根据不同围岩类别选取，必要时采用管棚或超前小导管及钢拱架加强支护。

钻爆段和TBM段部分典型支护结构分别示于图2～3。

3 香炉山隧洞总体施工方案

“长洞短打、分段掘进” [3-4]是超长隧洞施工的基本方法，但如何根据围岩条件、岩性分布情况、施工布置条件等，合理划分洞段和优选施工方案，既能充分发挥TBM的优势，延长掘进长度，提高施工效率;又能利用钻爆法开挖不良地质洞段，规避施工风险，达到工程造价最低、工期最优，是一个极为复杂而重要的问题[5]。本文将根据香炉山隧洞的工期要求，地形、地质情况[6]，施工支洞布置等条件，对香炉山隧洞总体施工方案进行研究。

3.1 施工方案综述

香炉山隧洞跨越金沙江与澜沧江分水岭，地形地质条件复杂。隧洞沿线地面高程一般为2 400～3 400 m，一般埋深为600～1 200 m，埋深大于600 m洞段累计长42.2 km，占隧洞总长67.4%，除在隧洞进出口以及中间两个槽谷外，其余洞段布置支洞较困难。因此，受地形条件的限制，若全部设置施工支洞采用钻爆法开挖香炉山隧洞，则施工支洞最长约7 km，施工工期长，施工难度极大[7-10]。

香炉山隧洞沿线穿越大栗树断裂（F9）等13条大断（裂）层，其中龙蟠-乔后断裂（F10）、丽江-剑川断裂（F11）和鹤庆-洱源断裂（F12）等为全新世活动断裂，主要地质问题有断层破碎带、高地应力下软岩大变形和局部岩爆、突水涌泥等，不良地质洞段占比大，且受限于目前TBM掘进技术装备[11]，不适宜全部采用TBM法施工[8]。

根据香炉山隧洞布置，以及沿线地质条件和施工支洞布置条件，经比较研究，采用“TBM法+钻爆法”组合的施工方案，即在隧洞进出口以及主要不良地质洞段处设置施工支洞，采用钻爆法开挖规模较大的3条区域性断裂及部分不良地质洞段[12-14];其余地质条件较好洞段或无施工支洞布置条件洞段采用TBM法施工[15]。具体为：香炉山隧洞进口至白汉场槽谷地势相对较低，通过布置施工支洞采用钻爆法施工;白汉场槽谷至汝南河槽谷，以及汝南河槽谷至隧洞出口处埋深大部分在800 m以上，难以布置施工支洞，这段采用2台TBM施工;白汉场槽谷、汝南河槽谷为大断裂及影响带所在位置，通过合理布置施工斜井采用钻爆法施工;隧洞出口段地势相对较低，通过布置施工平洞采用钻爆法施工[16]。

3.2 施工支洞布置情况及功能

根据香炉山隧洞“钻爆法+TBM法”组合施工方案，考虑隧洞沿线地质、地形条件，平衡施工工期原则等，施工支洞的布置及功能具体描述如下。

（1）1号、1-1号施工支洞。

香炉山隧洞1号、1-1号施工支洞布置在主洞的进口段，主要作为钻爆法开挖香炉山隧洞进口段以及大栗树断裂带（F9）的施工通道。其中1号施工支洞与主洞高差只有22 m左右，采用平洞型式;1-1号施工支洞与主洞高差达330 m左右，采用斜井型式。

（2）2号和3号施工支洞。

龙蟠-乔后断裂（F10）及影响带范围约3.5 km，为全新世活动断层，岩石破碎、地下水丰富，不适宜采用TBM法施工。断裂及影响带位于白汉场槽谷，槽谷与主洞的高差约350 m，可通过布置施工斜井进入，作为钻爆法开挖龙蟠-乔后断裂（F10）及影响带范围的施工通道。

（3）3-1号施工支洞。

香炉山隧洞在白汉场槽谷与汝南河槽谷间长约6 km的洞段埋深在600～1 000 m左右，布置施工支洞的围岩条件较差，此段主要为峨眉山组玄武岩，以III、IV围岩为主，基本适宜TBM法施工。在白汉场槽谷下游侧布置3-1号施工支洞，作为TBMa的施工通道。根据规范规定，为满足TBM皮带机出渣的要求，3-1号施工支洞坡度小于15°。

（4）4号和5号施工支洞。

丽江-剑川断裂（F11）、石灰窑断裂及影响带范围约6.0 km，岩石破碎、地下水丰富，不适宜采用TBM法施工。断裂及影响带位于汝南河槽谷，槽谷与主洞的高程相对较小，约500 m，可通过布置施工斜井进入，作为钻爆法开挖丽江-剑川断裂（F11）及影响带的施工通道。待此断裂及影响带施工完成后，TBMa转运通过隧洞，继续向下游掘进。

（5）7号施工支洞。

香炉山隧洞7号施工支洞距TBMa掘进末端长度约22 km，埋深在600～1 400 m，难以通过布置施工支洞采用钻爆法施工，只能采用TBM法施工。该支洞与主洞高差约120 m，可布置成平洞型式。

（6）8号施工支洞。

香炉山隧洞7号施工支洞距出口还有4.65 km，该段主洞的埋深较小，布置施工支洞的条件较好，在该段布置香炉山隧洞8号施工支洞作为主洞出口段施工通道。该支洞与主洞埋深约40 m，布置成平洞型式。

香炉山隧洞施工支洞布置特性列于表1。

3.3 施工分段分析

根据均衡施工原则，以控制工期的两台TBM施工为主线，按工期最优为目标进行TBM与相关钻爆段工期协调，和TBMa与TBMb工期协调，来具体确定钻爆法施工分段长度和TBM法施工分段长度。

香炉隧洞桩号000+000～015+900段内分布有大栗树断裂（F9）、龙蟠-乔后断裂（F10）等，不宜用TBM法施工，共布置1号、1-1号、2号、3号施工支洞作为施工通道，采用钻爆法施工。

桩号015+900～023+240段通过布置3-1号施工支洞作为TBMa施工通道，主要采用TBM法施工。其中桩号015+900～016+565段采用鉆爆法施工，并作为TBMa的组装室，待TBM在洞内组装完成后，向下游掘进桩号016+565～023+240段。

桩号023+240～028+800段内分布有丽江-剑川断裂（F11）、石灰窑断裂及影响带范围，TBM法施工适宜性差，布置4号、5号施工斜井作为施工通道，采用钻爆法施工。

桩号016+565～023+240调段施工完成后，TBMa转运通过桩号023+240～028+800，继续对桩号028+800～036+800段法施工。

桩号036+800～057+942段由7号施工支洞作为施工通道，采用TBMb由下游向上游施工。为加快施工进度，支洞先采用钻爆法施工，待TBM洞外组装完成后再采用TBM法施工，TBMb完成支洞挖掘后继续施工主洞。

鹤庆-洱源断裂（F12）及影响带长约300 m，根据超前地质预报确定采用TBM法还是钻爆法施工[16]。

桩号057+942～062+596段布置有香炉山隧洞8号施工支洞及香炉山隧洞出口作为施工通道，采用钻爆法施工。

综上所述，香炉山隧洞钻爆段长27.08 km，占整个隧洞总长的43.26%，最大独头钻爆长度3.94 km;TBM掘进段总长35.52 km，占整个隧洞总长的56.74%，共使用2台TBM，其中TBMa掘进段长14.68 km、TBMb掘进段长20.84 km（不含支洞1.91 km），最大独头掘进长度21.31 km。

从工程设计条件、地质条件、经济性、工期和施工环境安全等方面进行综合比选，最后从便于不良地质预报与处理方面考虑，该工程的两台TBM均选用敞开式[17]。

香炉山隧洞施工方案如图4所示。

3.4 TBM组装、转场与拆卸方案

3.4.1 TBM组装

3-1号施工支洞是TBMa始发通道，受地形条件的限制，支洞布置为14.31°的斜井，TBM组装后难以步进入洞，遂采用洞内组装方案[18]。

7号施工支洞作为TBMa始发通道，洞口场地开阔，具有场外组装条件，且支洞自身采用TBM法施工，故采用洞外组装方案。

3.4.2 TBM转场

对于TBMa，由于两个掘进段间为长5.56 km的钻爆开挖处理段，需要考虑TBM转场问题。转场同样有两种选择：① 整体滑行步进通过钻爆段至下一始发位置二次始发;② 洞内拆卸后，车运通过钻爆段后，在洞内二次组装后二次始发。对于洞内整体滑行方案，同样需扩大主洞断面且需布置滑轨底座，滑行时间也需约3个月。主洞钻爆段本身开挖洞径约10 m，由于洞室稳定要求，必须及时施作二衬，所以如采用洞内整体滑行方案，则需在二衬断面（直径8.4 m）内布置滑轨底座及滑行，即使不考虑TBM重载滑行对永久衬砌结构的影响，二衬净断面还需扩大至少到10.4 m，则相应主洞开挖断面需扩大至12.1 m，相当于需扩挖46.5%的断面，经济上不合理。故选择洞内拆卸、运输、二次组装的方案，由于拆卸洞和组装洞有条件让钻爆法提前施工，而洞内拆卸、运输、二次组装工期按3个月计，在工期上也与洞内整体滑行相当。故TBMa转场采用洞内拆运装方案，即对TBM主机进行简单拆卸转运（拆卸后的部件能车运通过即可），后配套不拆卸，整体牵引通过[19]。

而对于TBMb，由于鹤庆-洱源断裂（F12）采用钻爆法施工，具备洞内滑行通过条件，TBMb转场采用洞内整机滑行方案。

3.4.3 TBM拆卸

TBMa在转场通过4号、5号施工支洞控制钻爆段前需对主机进行一次拆卸，事先在4号施工支洞控制主洞上游侧设置好拆卸洞，对TBMa进行拆卸。

2台TBM完成最终掘进任务后，安排在洞内拆卸。TBMa和TBMb相继贯通于拆卸洞。由于不具备通过地表设支洞提前施工拆卸洞的条件，选择从先到达贯通点的TBM侧开挖旁通洞至刀盘前方扩挖拆卸洞。拆卸洞施工完成后，一台TBM驶入拆卸洞内开始拆卸，拆卸完成后再开始第二台TBM的拆卸，两台TBM拆卸后原路运出。

4 结语

根据香炉山隧洞工期要求、地形地质情况、断面结构以及施工支洞布置条件等，制定了“TBM法+钻爆法”组合的施工方案，按施工工期最优为目标，分析确定了钻爆法施工分段长度和TBM法施工分段长度，并对TBM组装、转场与拆卸方案进行了分析研究。

目前工程正在施工进行中，对于TBMa施工段，受丽江-剑川断裂（F11）影响，4号、5号施工斜井围岩破碎，自稳能力差，施工进度受到极大影响，计划在4号、5号施工斜井中间采取增加竖井工作面的措施，加快关键线路工期，同时也对4号、5号施工斜井采用超前灌浆等处理措施，积极推进斜井自身的施工进度。对于TBMb施工段，TBM已完成7号支洞掘进，正向主洞段掘进，施工进展顺利。

参考文献：

[1] 钮新强，吴德绪，倪锦初，等.滇中引水工程初步设计报告[R].武汉：长江勘測规划设计研究有限责任公司，2018.

[2] 朱学贤.滇中引水工程香炉山深埋隧洞施工长距离通风研究[J].人民长江，2021，52（2）：147-152.

[3] 钮新强.复杂地质条件下跨流域调水超长深埋隧洞设需研究的关键技术问题[J].隧道建设（中英文），2019，39（4）：523-536.

[4] 胡泉光.深埋长引水隧洞TBM施工关键技术探讨[J].人民长江，2015，46（7）：19-21.

[5] 赵延喜.深埋长引水隧洞TBM施工关键技术探讨[J].人民长江，2008，39（18）：54-56.

[6] 朱杰兵.TBM施工中岩石可钻性测试与评价技术综述[J].人民长江，2019，50（8）：143-150.

[7] 苏利军.深埋长隧洞不良地质风险勘察设计应对体系[J].人民长江，2020，51（7）：148-151.

[8] 许占良.开敞式TBM在管涔山隧道施工的适应性研究[J].铁道工程学报，2007，24（8）：53-57.

[9] 樊安顺.浅谈TBM施工输水长隧洞的关键技术[J].水利水电技术，2006，37（8）：37-38，44.

[10] 洪開荣.高黎贡山隧道TBM法施工重难点及关键技术分析[J].现代隧道技术，2018，55（4）：1-8.

[11] 康斌.引汉济渭秦岭输水隧洞硬岩TBM掘进施工技术[J].人民黄河，2020，42（2）：103-108.