长大隧洞设计阶段施工方案的优化

　　深圳市供水网络干线是深圳新建境外引水工程的下游输水段, 位于深圳市境内, 承接由东江至深圳东部的东部供水水源工程, 串联市内5 个中型供水水库和已建的东深供水工程, 形成城市供水网络体系的重要组成部分。干线为自流输水运行方式,设计流量24 m3/ s , 纵坡1/ 2 000～1/ 3 000 , 总长48 km , 包括长大隧洞4 条, 占总长的60 % , 其中1 # 隧洞全长17188 km , 沿线以低山丘陵地貌为主,局部地段地质构造复杂, 涌水量大, Ⅳ、Ⅴ类软围岩所占比例超过75 % , 构成控制工程建设工期的关键因素。

　　本项目在技施阶段进一步进行了钻爆法与掘进机( TBM) 技术的方案比选。该项目于1998 年12月开工, 至2001 年2 月基本全部贯通, 总工期26个月, 完全满足工程质量、工程投资及工期控制指标。

　　1 　隧洞施工采用掘进机革新技术

　　近30 年来, 世界上较普遍采用掘进机技术进行长大隧道施工, 该技术主要是为了解决受地形条件影响采用传统的钻爆法无法增加工作面、受工作面限制工期得不到保障、出渣和通风排烟困难等问题而发展起来的。如跨英吉利海峡海底隧道, 全长150 km, 尤其是跨海区段无法增开新工作面, 只有采取全断面隧道掘进机(TBM)技术工程方可完成; 西康线秦岭隧道埋深大, 最大埋深1 600 m, 平均埋深超过1 000 m,无法采用辅助导坑, 独头掘进超过9 km, 采用传统钻爆法工期过长且通风排烟与出渣困难; 另外钻爆法施工工作条件较差, 人工费用高也是发达国家采用掘进机施工的重要原因。

　　掘进机在围岩较好地段能发挥较高的功效, 因此掘进机在中硬岩, 甚至高硬岩中得到了广泛应用。而在围岩较差区段功效显著降低, 如意大利Prato Isarco 隧道进入软弱围岩后, 掘进机平均利用率由3612 %下降到2114 %; 莱索托引水工程Muela 掘进机受不良岩石条件影响, 1993 年5 月掘进利用率仅占2610 %(平均掘进利用率占48 %) ,岩石支护占3310 % , 进度急剧放缓, 应用不尽广泛。当前在大型隧洞工程中, 一般采用掘进机和钻爆法相结合的施工方法, 在围岩较好地段采用掘进机掘进, 围岩较差或地质情况未探明区段采用传统钻爆法施工。如莱索托南水北调工程, 前期有82km 隧洞, 其中57 km 大部分为Ⅰ类硬岩(抗压强度为85～190 MPa 坚硬玄武岩) , 采用4 台硬岩掘进机, 负责开挖此段不需要衬砌的隧洞; 15 km 中硬岩(不良高度杏仁化的强度40～80 MPa 玄武岩地带) 需钢筋混凝土预制管片衬砌的隧洞, 采用双护盾伸缩式掘进机; 另有8 km 属Ⅳ、Ⅴ类软岩地段仍设计为钻爆法掘进, 全部用钢板和现浇混凝土衬砌。

　　深圳供水网络工程1 # 隧洞虽然长度达18 km ,但覆盖层平均约100 m , 尤其是沿线有多处浅埋地段适宜布置施工支洞, Ⅳ、Ⅴ类软弱围岩占75 %以上, 因此从掘进机自身特点来看, 承担1 # 隧洞施工并不完全能突出其优势, 功效不会太高。

　　2 　采用掘进机与钻爆法施工进度上的比较

　　根据瑞士费尔艾那和勒奇山2 条铁路隧道的有关资料情况看, 全长19 km 费尔艾那隧道采用717m 直径的开敞式掘进机掘进整1 年, 累计掘进和初期支护4 300 m , 月平均进度360 m , 其中1995 年5～12 月已施工段抗压强度30～100 MPa 围岩占75 %～80 %(相当于我国Ⅱ、Ⅲ类围岩) , 抗压强度在100～150 MPa 围岩占20 %～25 % , 不需要支护, 总体围岩情比1 # 隧洞围岩好, 8 个月共掘进和初期支护1 567 m , 月平均进度约200 m ;1996 年1～5 月地质较好, 隧道围岩分类Ⅳ、Ⅴ类占28 % , Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类占72 % , 5 个月累积掘进和支护了2 750 m , 平均月进度550 m。勒奇山隧道平均埋深800～1 000 m 之间, 围岩较好, 采用直径5103 m 掘进机施工, 平均月进度323 m。

　　根据开敞式掘进机在意大利阿尔卑斯地区隧道中的应用总结情况看: 掘进机平均日进尺、利用率同岩石类别有极大关系, Vaid’Arzino 隧道Ⅰ～ Ⅲ类围岩占8412 % , Ⅳ～ Ⅴ类占1518 % , 采用直径415 m 掘进机, 平均月进尺453 m , 掘进机平均利用率2516 % , 岩石加固作业占整个时间的4414 %。其中Ⅰ类围岩平均进尺45 m/ d , 掘进机利用率45 %;Ⅱ类围岩平均进尺2917 m/ d , 掘进机利用率32 %;Ⅲ类围岩平均进尺2712 m/ d , 掘进机利用率25 %;Ⅳ类围岩平均进尺1213 m/ d , 掘进机利用率16 %;Ⅴ类围岩平均进尺714 m/ d , 掘进机利用率5 %(需要大量加固, 原预计进尺只有2～4 m/ d) 。

　　Gerlos Ⅱ 隧道围岩较差, 采用直径4125 mRobbins1362204 开敞式隧道掘进机掘进, 围岩破碎地段因掘进机切削作业困难而耗费时间, 其围岩等级和进尺如下: Ⅰ类平均进尺32 m/ d ; Ⅱ类平均进尺16 m/ d ; Ⅲ类平均进尺815 m/ d ; Ⅳ类平均进尺712 m/ d ; Ⅴ类平均进尺514 m/ d ; 另有695 m地质破碎带, 对于掘进机掘进来说稳定性不够, 被迫改为人工开挖掘进, 平均进尺仅211 m/ d。根据对10 个国家65 个隧道实例研究得出的影响隧洞掘进性能参数可以看出, 影响隧洞掘进机进度主要有5 个因素: 一是地层, 主要内容有地质、岩石特性及地下水; 二是隧洞设计, 主要是直径和长度; 三是管理方法; 四是机械性能; 五是当地习惯。其中掘进机掘进进度随着切削直径增大而减小, 直径4 m 隧洞的最快掘进速度为119 m/ h , 直径515 m 隧洞最快掘进速度1155 m/ h , 直径815m 隧洞最快掘进速度降为110 m/ h 。

　　深圳市供水网络干线工程1 # 隧洞设计开挖断面约25 m2 , 可采用切削直径515 m 掘进机作业。综合上述隧道实例可以看出, 1 # 隧洞采用掘进机施工, 只有在围岩等级较好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩区段方可发挥较高效率, 月平均进度可达400～700m ; Ⅳ、Ⅴ类围岩区段由于掘进机切削作业困难,围岩支护加固耗时等因素不利影响, 掘进进度显著降低, 月平均进度200～300 m ; 地质破碎带、瓦斯、岩爆、沙涌与涌水量大等特殊地质构造地带为掘进机工作的近似无效区, 此区段同人工掘进进度差不多, 月平均进度在100 m 以下。供水网络干线1 # 隧洞若使用直径515 m 掘进机, 在Ⅳ、Ⅴ类围岩比例超过75 %、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩占25 %以下的情况下, 乐观估计月平均进度约300 m , 若考虑地质破碎带、大量涌水、涌沙、岩爆等特殊地质因素的影响, 进度会进一步降低。若施工单位从效益的考虑, 使用1 台掘进机独立掘进, 正洞至少需60 个月才能掘进贯通; 即使为加快进度, 采用2台掘进机掘进, 每月总进度约600 m , 根据施工能力, 掘进贯通时间需30 个月。再根据1 # 隧洞围岩情况设计, 制造掘进机和从国外运送到工地的时间, 应在3 个月以上; 工地组装、调试时间应在3个月以上, 还有衬砌收尾时间1 个月, 合计工期需37 个月。

　　按初步设计钻爆法施工, 将1 # 隧洞长洞短打,分作7 个工区12 处作业面同时施工, 若控制1 # 隧洞总体工期的工区施工单位能发挥技术优势, 进一步挖掘潜力, 合同工期完全可以比初步设计工期提前, 预计可比2 台掘进机同时施工工期提前5 个月以上。

　　3 　1 # 隧洞采用掘进机施工需考虑的因素

　　(1) 隧洞断面和支护结构需按掘进机施工原理和方法重新设计, 原已完成的按新奥法钻爆施工初步设计需废除。掘进机开挖断面主要是圆形, 极少数是将圆盘滚刀倾斜得到椭圆形开挖断面, 不能施工传统的上拱下直墙式断面, 断面的不同导致围岩支护方式与方法同传统钻爆法差别很大。

　　(2) 目前(设计时间1998 年) 国内掘进机仅2台, 分别为中国铁路工程总公司和中国铁路建筑总公司所有, 1998 年3 月份开始在秦岭隧道使用,最快要到1999 年底方可抽调过来, 而且其掘进断面直径约8 m , 若用在1 # 隧洞需请国外公司改装削刀盘。因此若采用掘进机施工, 必须请国外公司承担1 # 隧洞施工任务。

　　(3) 土地征用费用需增加。采用掘进机施工,须在进出口附近渣场堆放1 # 隧洞约63 万m3 虚渣,而进出口区已是当地居民的生产、生活用地, 永久性征地昂贵且可堆放高度较低, 若以6 m 堆高计,渣场需征用10 hm2 土地。按钻爆法施工确定的施工支洞情况, 渣场等生产、生活用地大部分位于山谷无人区, 渣场堆放高度大, 所用面积较小, 地价比较低廉。

　　(4) 根据本工程运行后的清淤工程量(已建东深供水工程隧洞、箱涵过流断面周边贝壳类螺仔层年积累厚度为2～3 cm) 和控制停水检修时间(15 d/ a) ,1 # 隧洞宜每5 km 左右设一检修通道。即使采用掘进机施工, 隧洞贯通后须专门设置检修通道。

　　(5) 与钻爆法相比较, 掘进机施工对围岩地质勘探资料要求较高, 尤其是软弱围岩区段, 全线隧道的详细地质情况是选择适合本工程实际的掘进机和施工方法的主要依据。1 # 隧洞若采用掘进机施工, 必须在现有资料基础上进一步进行详细勘察。

　　4 　采用钻爆法与掘进机施工费用比较

　　(1) 采用钻爆法施工, 参照东部供水工程第1 、2 、3 阶段费用和1 # 隧洞地质情况, 平洞掘进及支护造价约113 万元/ m , 外加649 m 斜井、竖井费用增加约600 万元, 斜井、竖井出渣增加费用约4 000万元, 总承包价约218 亿元。 外国公司采用掘进机施工1 # 隧洞, 正常费用参照《西班牙首次采用掘进机施工》情况: 1994 年西班牙Guadiaro - Majaceite 输水隧洞长1212 km ,内径419 m , 其中约3 km 的软弱围岩, 采用1 台掘进机施工, 合同单价为4 800 万美元(折合人民币319 亿元) 。1 # 隧洞长17188 km , 内径515 m ,其中软弱围岩占75 %以上, 为保证工期, 需采用2台掘进机施工, 类比单价约在6 亿元以上。

　　(2) 采用钻爆法施工地质勘探, 设计图纸已基本完成; 采用掘进机施工, 必须沿隧洞轴线作详细、精确的地质钻孔勘测, 钻孔密度不应大于200m/ 孔, 还需增加勘测、设计费用。

　　(3) 采用掘进机施工, 征用土地费用需显著增加, 工程完工后要重新用钻爆法设置竖井或斜井检修通道。

　　5 　技施阶段施工方案比选结论

　　(1) 根据1 # 隧洞平均覆盖层仅100 m 左右, 沿线均有设置施工支洞的条件和软弱围岩比例超过75 %的地质特点, 从工程工期、造价及其它综合因素分析, 采用长洞短打的传统钻爆法施工优于掘进机施工, 按原设计是完全可行的。

　　(2) 根据中国国情和深圳市政府自行投资(非世行贷款) 情况看, 使用国内施工能力强的专业队伍可以保证圆满完成任务, 工程造价控制和施工管理更利于业主。

　　(3) 本项目初步设计在工期上留有较大的余地,若施工单位能积极发挥技术优势, 可望比合同工期提前完成施工任务。

　　6 　工程设计及实践总结

　　上述内容如实地反映了深圳市供水网络干线工程1 # 隧洞在特定时期(1997～1998 年间) 、特定条件下的施工方案论证过程, 按照选定施工方案目前已完成主体工程施工, 并完全达到工程质量、投资、工期等控制指标要求, 工程实践证明了施工方案的选定是科学的、合理的, 总结可供借鉴的经验如下:

　　(1) 我国水资源短缺, 随着社会经济建设的快速发展, 水的问题必然依靠跨区域、跨流域长距离调水来协调区域间水资源的供求平衡问题, 即未来水利工程的重点之一将是远距离调水, 相应必然有大量的隧洞工程。隧洞工程施工方案的确定是工程造价和控制工期的关键点, 必须全面分析各种影响因素予以综合分析与研究, 任何一项因素的忽视均可能造成方案比选结论的偏差。

　　(2) 近年来, 为适应各行业大量隧洞工程建设的需要, 我国隧洞施工掘进机设备及技术发展很快,较“九五”初期情况有了根本性的改观, 深圳市供水网络干线工程设计期间控制和影响方案比选的设备、设备运距及工艺、施工企业等因素已不再受国外的相关情况限制, 因此大大简化方案比选的过程,也为国内掘进机技术发展提供了良好的应用前景。

　　(3) 隧洞传统的钻爆法与掘进机施工工艺及其适用条件有较大差异, 相比较而言掘进机施工较钻爆法施工更需要较为详尽的地质资料, 而现行隧洞工程地质勘测规程规范是在传统的钻爆法基础上总结和确定的, 因此在一定程度上不能满足掘进机施工方案确定的需要。因此, 长大隧洞的初步设计阶段应在肯定掘进机参加方案比选必要性条件下, 进一步调整地质勘测工作的深度和精度。

　　(4) 目前, 全球性信息化建设的迅猛发展, 为我们提供了一个广泛的信息资源共享空间。根据拟建隧洞工程的实际情况全面了解全国乃至全世界的类似工程实践经验和工程技术发展趋势, 可以比较准确地预先判断拟建工程在采取不同施工方案可能遇到的各种问题及其适合的解决办法, 使传统的类比法更具实用性和可靠度, 对提高隧洞工程设计水平具有重要的技术保障作用。

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