長大隧洞設(shè)計(jì)階段施工方案的優(yōu)化

　　深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線是深圳新建境外引水工程的下游輸水段, 位于深圳市境內(nèi), 承接由東江至深圳東部的東部供水水源工程, 串聯(lián)市內(nèi)5 個(gè)中型供水水庫和已建的東深供水工程, 形成城市供水網(wǎng)絡(luò)體系的重要組成部分。干線為自流輸水運(yùn)行方式,設(shè)計(jì)流量24 m3/ s , 縱坡1/ 2 000～1/ 3 000 , 總長48 km , 包括長大隧洞4 條, 占總長的60 % , 其中1 # 隧洞全長17188 km , 沿線以低山丘陵地貌為主,局部地段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜, 涌水量大, Ⅳ、Ⅴ類軟圍巖所占比例超過75 % , 構(gòu)成控制工程建設(shè)工期的關(guān)鍵因素。

　　本項(xiàng)目在技施階段進(jìn)一步進(jìn)行了鉆爆法與掘進(jìn)機(jī)( TBM) 技術(shù)的方案比選。該項(xiàng)目于1998 年12月開工, 至2001 年2 月基本全部貫通, 總工期26個(gè)月, 完全滿足工程質(zhì)量、工程投資及工期控制指標(biāo)。

　　1 　隧洞施工采用掘進(jìn)機(jī)革新技術(shù)

　　近30 年來, 世界上較普遍采用掘進(jìn)機(jī)技術(shù)進(jìn)行長大隧道施工, 該技術(shù)主要是為了解決受地形條件影響采用傳統(tǒng)的鉆爆法無法增加工作面、受工作面限制工期得不到保障、出渣和通風(fēng)排煙困難等問題而發(fā)展起來的。如跨英吉利海峽海底隧道, 全長150 km, 尤其是跨海區(qū)段無法增開新工作面, 只有采取全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)技術(shù)工程方可完成; 西康線秦嶺隧道埋深大, 最大埋深1 600 m, 平均埋深超過1 000 m,無法采用輔助導(dǎo)坑, 獨(dú)頭掘進(jìn)超過9 km, 采用傳統(tǒng)鉆爆法工期過長且通風(fēng)排煙與出渣困難; 另外鉆爆法施工工作條件較差, 人工費(fèi)用高也是發(fā)達(dá)國家采用掘進(jìn)機(jī)施工的重要原因。

　　掘進(jìn)機(jī)在圍巖較好地段能發(fā)揮較高的功效, 因此掘進(jìn)機(jī)在中硬巖, 甚至高硬巖中得到了廣泛應(yīng)用。而在圍巖較差區(qū)段功效顯著降低, 如意大利Prato Isarco 隧道進(jìn)入軟弱圍巖后, 掘進(jìn)機(jī)平均利用率由3612 %下降到2114 %; 萊索托引水工程Muela 掘進(jìn)機(jī)受不良巖石條件影響, 1993 年5 月掘進(jìn)利用率僅占2610 %(平均掘進(jìn)利用率占48 %) ,巖石支護(hù)占3310 % , 進(jìn)度急劇放緩, 應(yīng)用不盡廣泛。當(dāng)前在大型隧洞工程中, 一般采用掘進(jìn)機(jī)和鉆爆法相結(jié)合的施工方法, 在圍巖較好地段采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn), 圍巖較差或地質(zhì)情況未探明區(qū)段采用傳統(tǒng)鉆爆法施工。如萊索托南水北調(diào)工程, 前期有82km 隧洞, 其中57 km 大部分為Ⅰ類硬巖(抗壓強(qiáng)度為85～190 MPa 堅(jiān)硬玄武巖) , 采用4 臺(tái)硬巖掘進(jìn)機(jī), 負(fù)責(zé)開挖此段不需要襯砌的隧洞; 15 km 中硬巖(不良高度杏仁化的強(qiáng)度40～80 MPa 玄武巖地帶) 需鋼筋混凝土預(yù)制管片襯砌的隧洞, 采用雙護(hù)盾伸縮式掘進(jìn)機(jī); 另有8 km 屬Ⅳ、Ⅴ類軟巖地段仍設(shè)計(jì)為鉆爆法掘進(jìn), 全部用鋼板和現(xiàn)澆混凝土襯砌。

　　深圳供水網(wǎng)絡(luò)工程1 # 隧洞雖然長度達(dá)18 km ,但覆蓋層平均約100 m , 尤其是沿線有多處淺埋地段適宜布置施工支洞, Ⅳ、Ⅴ類軟弱圍巖占75 %以上, 因此從掘進(jìn)機(jī)自身特點(diǎn)來看, 承擔(dān)1 # 隧洞施工并不完全能突出其優(yōu)勢, 功效不會(huì)太高。

　　2 　采用掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法施工進(jìn)度上的比較

　　根據(jù)瑞士費(fèi)爾艾那和勒奇山2 條鐵路隧道的有關(guān)資料情況看, 全長19 km 費(fèi)爾艾那隧道采用717m 直徑的開敞式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)整1 年, 累計(jì)掘進(jìn)和初期支護(hù)4 300 m , 月平均進(jìn)度360 m , 其中1995 年5～12 月已施工段抗壓強(qiáng)度30～100 MPa 圍巖占75 %～80 %(相當(dāng)于我國Ⅱ、Ⅲ類圍巖) , 抗壓強(qiáng)度在100～150 MPa 圍巖占20 %～25 % , 不需要支護(hù), 總體圍巖情比1 # 隧洞圍巖好, 8 個(gè)月共掘進(jìn)和初期支護(hù)1 567 m , 月平均進(jìn)度約200 m ;1996 年1～5 月地質(zhì)較好, 隧道圍巖分類Ⅳ、Ⅴ類占28 % , Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類占72 % , 5 個(gè)月累積掘進(jìn)和支護(hù)了2 750 m , 平均月進(jìn)度550 m。勒奇山隧道平均埋深800～1 000 m 之間, 圍巖較好, 采用直徑5103 m 掘進(jìn)機(jī)施工, 平均月進(jìn)度323 m。

　　根據(jù)開敞式掘進(jìn)機(jī)在意大利阿爾卑斯地區(qū)隧道中的應(yīng)用總結(jié)情況看: 掘進(jìn)機(jī)平均日進(jìn)尺、利用率同巖石類別有極大關(guān)系, Vaid’Arzino 隧道Ⅰ～ Ⅲ類圍巖占8412 % , Ⅳ～ Ⅴ類占1518 % , 采用直徑415 m 掘進(jìn)機(jī), 平均月進(jìn)尺453 m , 掘進(jìn)機(jī)平均利用率2516 % , 巖石加固作業(yè)占整個(gè)時(shí)間的4414 %。其中Ⅰ類圍巖平均進(jìn)尺45 m/ d , 掘進(jìn)機(jī)利用率45 %;Ⅱ類圍巖平均進(jìn)尺2917 m/ d , 掘進(jìn)機(jī)利用率32 %;Ⅲ類圍巖平均進(jìn)尺2712 m/ d , 掘進(jìn)機(jī)利用率25 %;Ⅳ類圍巖平均進(jìn)尺1213 m/ d , 掘進(jìn)機(jī)利用率16 %;Ⅴ類圍巖平均進(jìn)尺714 m/ d , 掘進(jìn)機(jī)利用率5 %(需要大量加固, 原預(yù)計(jì)進(jìn)尺只有2～4 m/ d) 。

　　Gerlos Ⅱ 隧道圍巖較差, 采用直徑4125 mRobbins1362204 開敞式隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn), 圍巖破碎地段因掘進(jìn)機(jī)切削作業(yè)困難而耗費(fèi)時(shí)間, 其圍巖等級(jí)和進(jìn)尺如下: Ⅰ類平均進(jìn)尺32 m/ d ; Ⅱ類平均進(jìn)尺16 m/ d ; Ⅲ類平均進(jìn)尺815 m/ d ; Ⅳ類平均進(jìn)尺712 m/ d ; Ⅴ類平均進(jìn)尺514 m/ d ; 另有695 m地質(zhì)破碎帶, 對(duì)于掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)來說穩(wěn)定性不夠, 被迫改為人工開挖掘進(jìn), 平均進(jìn)尺僅211 m/ d。根據(jù)對(duì)10 個(gè)國家65 個(gè)隧道實(shí)例研究得出的影響隧洞掘進(jìn)性能參數(shù)可以看出, 影響隧洞掘進(jìn)機(jī)進(jìn)度主要有5 個(gè)因素: 一是地層, 主要內(nèi)容有地質(zhì)、巖石特性及地下水; 二是隧洞設(shè)計(jì), 主要是直徑和長度; 三是管理方法; 四是機(jī)械性能; 五是當(dāng)?shù)亓?xí)慣。其中掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)度隨著切削直徑增大而減小, 直徑4 m 隧洞的最快掘進(jìn)速度為119 m/ h , 直徑515 m 隧洞最快掘進(jìn)速度1155 m/ h , 直徑815m 隧洞最快掘進(jìn)速度降為110 m/ h 。

　　深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線工程1 # 隧洞設(shè)計(jì)開挖斷面約25 m2 , 可采用切削直徑515 m 掘進(jìn)機(jī)作業(yè)。綜合上述隧道實(shí)例可以看出, 1 # 隧洞采用掘進(jìn)機(jī)施工, 只有在圍巖等級(jí)較好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖區(qū)段方可發(fā)揮較高效率, 月平均進(jìn)度可達(dá)400～700m ; Ⅳ、Ⅴ類圍巖區(qū)段由于掘進(jìn)機(jī)切削作業(yè)困難,圍巖支護(hù)加固耗時(shí)等因素不利影響, 掘進(jìn)進(jìn)度顯著降低, 月平均進(jìn)度200～300 m ; 地質(zhì)破碎帶、瓦斯、巖爆、沙涌與涌水量大等特殊地質(zhì)構(gòu)造地帶為掘進(jìn)機(jī)工作的近似無效區(qū), 此區(qū)段同人工掘進(jìn)進(jìn)度差不多, 月平均進(jìn)度在100 m 以下。供水網(wǎng)絡(luò)干線1 # 隧洞若使用直徑515 m 掘進(jìn)機(jī), 在Ⅳ、Ⅴ類圍巖比例超過75 %、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖占25 %以下的情況下, 樂觀估計(jì)月平均進(jìn)度約300 m , 若考慮地質(zhì)破碎帶、大量涌水、涌沙、巖爆等特殊地質(zhì)因素的影響, 進(jìn)度會(huì)進(jìn)一步降低。若施工單位從效益的考慮, 使用1 臺(tái)掘進(jìn)機(jī)獨(dú)立掘進(jìn), 正洞至少需60 個(gè)月才能掘進(jìn)貫通; 即使為加快進(jìn)度, 采用2臺(tái)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn), 每月總進(jìn)度約600 m , 根據(jù)施工能力, 掘進(jìn)貫通時(shí)間需30 個(gè)月。再根據(jù)1 # 隧洞圍巖情況設(shè)計(jì), 制造掘進(jìn)機(jī)和從國外運(yùn)送到工地的時(shí)間, 應(yīng)在3 個(gè)月以上; 工地組裝、調(diào)試時(shí)間應(yīng)在3個(gè)月以上, 還有襯砌收尾時(shí)間1 個(gè)月, 合計(jì)工期需37 個(gè)月。

　　按初步設(shè)計(jì)鉆爆法施工, 將1 # 隧洞長洞短打,分作7 個(gè)工區(qū)12 處作業(yè)面同時(shí)施工, 若控制1 # 隧洞總體工期的工區(qū)施工單位能發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢, 進(jìn)一步挖掘潛力, 合同工期完全可以比初步設(shè)計(jì)工期提前, 預(yù)計(jì)可比2 臺(tái)掘進(jìn)機(jī)同時(shí)施工工期提前5 個(gè)月以上。

　　3 　1 # 隧洞采用掘進(jìn)機(jī)施工需考慮的因素

　　(1) 隧洞斷面和支護(hù)結(jié)構(gòu)需按掘進(jìn)機(jī)施工原理和方法重新設(shè)計(jì), 原已完成的按新奧法鉆爆施工初步設(shè)計(jì)需廢除。掘進(jìn)機(jī)開挖斷面主要是圓形, 極少數(shù)是將圓盤滾刀傾斜得到橢圓形開挖斷面, 不能施工傳統(tǒng)的上拱下直墻式斷面, 斷面的不同導(dǎo)致圍巖支護(hù)方式與方法同傳統(tǒng)鉆爆法差別很大。

　　(2) 目前(設(shè)計(jì)時(shí)間1998 年) 國內(nèi)掘進(jìn)機(jī)僅2臺(tái), 分別為中國鐵路工程總公司和中國鐵路建筑總公司所有, 1998 年3 月份開始在秦嶺隧道使用,最快要到1999 年底方可抽調(diào)過來, 而且其掘進(jìn)斷面直徑約8 m , 若用在1 # 隧洞需請(qǐng)國外公司改裝削刀盤。因此若采用掘進(jìn)機(jī)施工, 必須請(qǐng)國外公司承擔(dān)1 # 隧洞施工任務(wù)。

　　(3) 土地征用費(fèi)用需增加。采用掘進(jìn)機(jī)施工,須在進(jìn)出口附近渣場堆放1 # 隧洞約63 萬m3 虛渣,而進(jìn)出口區(qū)已是當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)、生活用地, 永久性征地昂貴且可堆放高度較低, 若以6 m 堆高計(jì),渣場需征用10 hm2 土地。按鉆爆法施工確定的施工支洞情況, 渣場等生產(chǎn)、生活用地大部分位于山谷無人區(qū), 渣場堆放高度大, 所用面積較小, 地價(jià)比較低廉。

　　(4) 根據(jù)本工程運(yùn)行后的清淤工程量(已建東深供水工程隧洞、箱涵過流斷面周邊貝殼類螺仔層年積累厚度為2～3 cm) 和控制停水檢修時(shí)間(15 d/ a) ,1 # 隧洞宜每5 km 左右設(shè)一檢修通道。即使采用掘進(jìn)機(jī)施工, 隧洞貫通后須專門設(shè)置檢修通道。

　　(5) 與鉆爆法相比較, 掘進(jìn)機(jī)施工對(duì)圍巖地質(zhì)勘探資料要求較高, 尤其是軟弱圍巖區(qū)段, 全線隧道的詳細(xì)地質(zhì)情況是選擇適合本工程實(shí)際的掘進(jìn)機(jī)和施工方法的主要依據(jù)。1 # 隧洞若采用掘進(jìn)機(jī)施工, 必須在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)勘察。

　　4 　采用鉆爆法與掘進(jìn)機(jī)施工費(fèi)用比較

　　(1) 采用鉆爆法施工, 參照東部供水工程第1 、2 、3 階段費(fèi)用和1 # 隧洞地質(zhì)情況, 平洞掘進(jìn)及支護(hù)造價(jià)約113 萬元/ m , 外加649 m 斜井、豎井費(fèi)用增加約600 萬元, 斜井、豎井出渣增加費(fèi)用約4 000萬元, 總承包價(jià)約218 億元。 外國公司采用掘進(jìn)機(jī)施工1 # 隧洞, 正常費(fèi)用參照《西班牙首次采用掘進(jìn)機(jī)施工》情況: 1994 年西班牙Guadiaro - Majaceite 輸水隧洞長1212 km ,內(nèi)徑419 m , 其中約3 km 的軟弱圍巖, 采用1 臺(tái)掘進(jìn)機(jī)施工, 合同單價(jià)為4 800 萬美元(折合人民幣319 億元) 。1 # 隧洞長17188 km , 內(nèi)徑515 m ,其中軟弱圍巖占75 %以上, 為保證工期, 需采用2臺(tái)掘進(jìn)機(jī)施工, 類比單價(jià)約在6 億元以上。

　　(2) 采用鉆爆法施工地質(zhì)勘探, 設(shè)計(jì)圖紙已基本完成; 采用掘進(jìn)機(jī)施工, 必須沿隧洞軸線作詳細(xì)、精確的地質(zhì)鉆孔勘測, 鉆孔密度不應(yīng)大于200m/ 孔, 還需增加勘測、設(shè)計(jì)費(fèi)用。

　　(3) 采用掘進(jìn)機(jī)施工, 征用土地費(fèi)用需顯著增加, 工程完工后要重新用鉆爆法設(shè)置豎井或斜井檢修通道。

　　5 　技施階段施工方案比選結(jié)論

　　(1) 根據(jù)1 # 隧洞平均覆蓋層僅100 m 左右, 沿線均有設(shè)置施工支洞的條件和軟弱圍巖比例超過75 %的地質(zhì)特點(diǎn), 從工程工期、造價(jià)及其它綜合因素分析, 采用長洞短打的傳統(tǒng)鉆爆法施工優(yōu)于掘進(jìn)機(jī)施工, 按原設(shè)計(jì)是完全可行的。

　　(2) 根據(jù)中國國情和深圳市政府自行投資(非世行貸款) 情況看, 使用國內(nèi)施工能力強(qiáng)的專業(yè)隊(duì)伍可以保證圓滿完成任務(wù), 工程造價(jià)控制和施工管理更利于業(yè)主。

　　(3) 本項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)在工期上留有較大的余地,若施工單位能積極發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢, 可望比合同工期提前完成施工任務(wù)。

　　6 　工程設(shè)計(jì)及實(shí)踐總結(jié)

　　上述內(nèi)容如實(shí)地反映了深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線工程1 # 隧洞在特定時(shí)期(1997～1998 年間) 、特定條件下的施工方案論證過程, 按照選定施工方案目前已完成主體工程施工, 并完全達(dá)到工程質(zhì)量、投資、工期等控制指標(biāo)要求, 工程實(shí)踐證明了施工方案的選定是科學(xué)的、合理的, 總結(jié)可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)如下:

　　(1) 我國水資源短缺, 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展, 水的問題必然依靠跨區(qū)域、跨流域長距離調(diào)水來協(xié)調(diào)區(qū)域間水資源的供求平衡問題, 即未來水利工程的重點(diǎn)之一將是遠(yuǎn)距離調(diào)水, 相應(yīng)必然有大量的隧洞工程。隧洞工程施工方案的確定是工程造價(jià)和控制工期的關(guān)鍵點(diǎn), 必須全面分析各種影響因素予以綜合分析與研究, 任何一項(xiàng)因素的忽視均可能造成方案比選結(jié)論的偏差。

　　(2) 近年來, 為適應(yīng)各行業(yè)大量隧洞工程建設(shè)的需要, 我國隧洞施工掘進(jìn)機(jī)設(shè)備及技術(shù)發(fā)展很快,較“九五”初期情況有了根本性的改觀, 深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線工程設(shè)計(jì)期間控制和影響方案比選的設(shè)備、設(shè)備運(yùn)距及工藝、施工企業(yè)等因素已不再受國外的相關(guān)情況限制, 因此大大簡化方案比選的過程,也為國內(nèi)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)發(fā)展提供了良好的應(yīng)用前景。

　　(3) 隧洞傳統(tǒng)的鉆爆法與掘進(jìn)機(jī)施工工藝及其適用條件有較大差異, 相比較而言掘進(jìn)機(jī)施工較鉆爆法施工更需要較為詳盡的地質(zhì)資料, 而現(xiàn)行隧洞工程地質(zhì)勘測規(guī)程規(guī)范是在傳統(tǒng)的鉆爆法基礎(chǔ)上總結(jié)和確定的, 因此在一定程度上不能滿足掘進(jìn)機(jī)施工方案確定的需要。因此, 長大隧洞的初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)在肯定掘進(jìn)機(jī)參加方案比選必要性條件下, 進(jìn)一步調(diào)整地質(zhì)勘測工作的深度和精度。

　　(4) 目前, 全球性信息化建設(shè)的迅猛發(fā)展, 為我們提供了一個(gè)廣泛的信息資源共享空間。根據(jù)擬建隧洞工程的實(shí)際情況全面了解全國乃至全世界的類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程技術(shù)發(fā)展趨勢, 可以比較準(zhǔn)確地預(yù)先判斷擬建工程在采取不同施工方案可能遇到的各種問題及其適合的解決辦法, 使傳統(tǒng)的類比法更具實(shí)用性和可靠度, 對(duì)提高隧洞工程設(shè)計(jì)水平具有重要的技術(shù)保障作用。

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