大桥水库灌区二期工程太和隧洞施工方案分析

(四川省凉山州大桥水电开发有限责任公司，四川 西昌，615000)

1 工程概况

太和隧洞位于漫水湾右干渠第四流量段(桩号36+924～48+019)，全长11 095m。隧洞在邓家镇子渡槽出口后约400m处进洞，自北向南采用长隧洞穿越太和铁矿西侧山体，于马家山南麓出隧洞。设计流量为9.72m3/s，纵坡为1/1500。断面采用圆拱直墙型，洞顶采用120°圆弧形拱，隧洞底宽3.0m，直墙高2.16m，顶拱高度0.87m，顶拱半径1.96m。

2 地质概况

太和隧洞洞线长，穿越的地貌形态复杂，沟谷切割深，主要冲沟多有常年流水，隧洞洞身埋深较大，最大可达600多米。隧洞进、出口位于冲沟边，隧洞洞身从小麻柳沟、上堡子沟、拖石沟、羊圈沟等沟底下穿过，冲沟内及沟间缓脊等处多为当地居民生产、生活场所。

隧洞穿越的地层岩性主要为一套三叠纪碱性岩浆岩杂岩带，洞身在2#施工支洞以前段和过沟地带分布昔格达组地层及第四系地层等，陡牌拉达～仰天窝一带分布白垩系小坝组砂泥岩类。隧洞详细围岩特性见表1。

表1 太和隧洞围岩特性

从表1可知，太和隧洞穿越岩层复杂，围岩分布有极软岩的昔格达、小坝组粉砂质泥岩、泥质、碱性石英正长岩、坚硬岩的花岗岩，各类岩石的饱和抗压强度从不足1MPa到65MPa不等，岩性软硬相间。

桩号36+924～39+003段隧洞围岩以下更新统昔格达组(Q1x)半成岩的砂岩、泥岩等为主，砂岩、泥岩相接面地下水活动较强，为相对富水带。据太隧CZK1钻孔揭示，隧洞洞身位于一层厚约38.67m的昔格达组泥岩的底部，灰黑色，以粘土矿物为主，薄层状，手感光滑，泥质较为均一，强度极低，手搓可成泥状，易沿层纹断开，失水易开裂，遇水软化。

桩号41+698～42+164段为F2胡广断裂南延部份的断裂带及其影响带，马尔乃坚村民驻地房基处明见断层角砾岩，角砾径2cm～6cm，次棱居多，钙泥质胶结，角砾多全强风化，其透水性一般较弱。断裂带两侧岩体次级断裂、裂隙等发育，岩体破碎，断层影响带宽，影响带是地下水的主要活动场所。断裂带及其影响带宽160m～190m，断裂带产状为N30°～40°W/NE∠60°～80°，与洞轴线交角约63°。

桩号42+702～43+889段洞室围岩为土洞，物质成分为中更新统桐子林块碎石土，以岩浆岩块石含量高，并具半胶结半成岩状态，隙间冲填物为中粗砂居多，碎屑物中可见紫红色砂岩岩屑和碎石，总体透水性较差，围岩类别为Ⅴ类。

桩号45+869～46+074段为钻天坡断裂断层(F1)及其影响带，断层产状为N60°～80°E/NW∠70°～80°，断裂带宽约27.7m，南侧影响带宽度约38m，北侧影响带宽度约22.5m。断裂带由挤压形成的糜棱岩带、碎裂岩、片岩等组成，挤压带内明见透镜体构造，呈斜列排列，显示该断层为逆断层，结构面性状以压性兼扭性为主。

桩号39+713～39+859、桩号46+047～46+988、桩号46+988.7～47+765.9段为新鲜碱性花岗岩、新鲜碱性石英正长岩与碱性正长岩，岩石饱和强度为39.3MPa～62.9MPa，属中至坚硬岩。

3 施工方案比选

3.1 方案一：TBM施工方案

根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)各类围岩的工程地质特征及TBM适宜性判定如表2。

表2 隧洞围岩分类特征及TBM适宜性判定

根据表2并结合初设地质报告所下的结论“Ⅲ类围岩岩体完整性差、较破碎，围岩局部稳定性差，不利岩体地质条件组合对效率有影响，TBM适宜性分级属B、C级，以前者为主；Ⅳ类围岩较破碎，围岩不稳定，不适宜开敞式TBM施工，TBM适宜性分级属B级为主、部分C级；Ⅴ类围岩极不稳定，不适宜TBM施工”。

隧洞中Ⅲ类围岩占比为13.14%，长度为1458.2m；Ⅳ类围岩占比为20.93%，长度为2322.4m；Ⅴ类围岩占比为65.93%，长度为7314.9m(其中土洞长1186.3m，昔格达类洞长2078.8m)。

其中第一段36+924.2～39+003.0为昔格达组地层；第八段42+702.8～43+889.1为土洞；第五段41+698.1～42+164.4和第十一段45+869.4～46+047.2为断层破碎带及影响带。

TBM的适宜性主要与岩性、岩体结构、围岩类别相关。太和隧洞岩性组成复杂，软硬相间，围岩类别以Ⅴ类居多，占整个太和隧洞长度的65.93%。结合地质“隧洞围岩分类特征及TBM适宜性判定”的结论及太和隧洞的实际情况得出：太和隧洞不适宜TBM施工。

3.2 方案二：悬臂式掘进机施工方案

通过对近年来我省水利工程中悬臂式掘进机资料收集。悬臂式掘进机在我省毗河供水工程、武引二期供水工程、关刀桥水库工程中有所使用，上述三个地方均为川中、川南的红层地区，主要以软岩为主，岩石较软，抗压强度为20MPa～30MPa，岩性、围岩类别变化不大，适宜悬臂式掘进机施工，但在施工过程中遇到40MPa以上的硬岩、断层破碎带、隧洞富水段，仍然采用传统的钻爆法施工。四川省凉山州地质情况复杂，岩性变化大，到目前为止还没有一例水利工程使用悬臂式掘进机施工。

太和隧洞穿越了昔格达、小坝组粉砂质泥岩、泥质、碱性石英正长岩、坚硬岩的花岗岩等多种岩层，各类岩石的饱和抗压强度从不足1MPa到65MPa不等。其中Ⅴ类围岩长度为7314.9m，Ⅲ、Ⅳ类长度为3780.6m，根据地质资料显示：Ⅲ、Ⅳ类围岩多为新鲜碱性花岗岩和新鲜碱性正长岩，抗压强度为39.3MPa～62.9MPa不等。而40MPa以上强度的岩石，悬臂式掘进机在此类地层的开挖进尺会极大降低且对钻头磨损较大。

在桩号36+924.2～39+003.0、41+698.1～42+164.4、42+702.8～43+889.1、45+869.4～46+047.2段分别为昔格达洞段、土洞段、断层破碎带及影响带。这四部分洞段围岩条件差。悬臂式掘进机在施工以上洞段时，节约了钻孔、装药、爆破的时间，但施工期临时支护却成为了施工进度的控制性因素。以上洞段的控制性因素不在掘进机的开挖上，而是在隧洞施工期临时支护上。掘进机的优势在于连续掘进、无爆破震动，对隧洞围岩的扰动小，但在实施过程中需要及时地跟进支护，达不到连续掘进，因此悬臂式掘进机施工也不占优势。

由于太和隧洞地质情况复杂，不能够全线使用悬臂式掘进机进行施工，仍然需要布置施工支洞多作业面进行施工。针对悬臂式掘进机方案，共布置3座支洞方案，支洞相关特性见表3。

表3 悬臂式掘进机支洞布置特性

悬臂式掘进机方案中共布置3座支洞：

1#支洞与主洞交点桩号为39+274，长度为625m，坡度为8%；

2#支洞与主洞交点桩号为40+374，长度为768m，坡度为8%；

3#支洞与主洞交点桩号为43+139，长度为610m，坡度为30%。

控制性洞段为3#斜井～主洞出口之间，工期为54个月。

3.3 方案三：常规钻爆法施工方案

本方案采用常规钻爆法进行施工，选择合适的位置布置施工支洞多作业面钻爆掘进。在前期工作中根据太和隧洞主洞工程布置、地形及地质条件。结合工作面控制长度，对有条件布置施工支洞的沟道、可能的支洞口均进行了现场踏勘，受地形条件制约支洞均无布置平洞的条件，或为深长斜井或为坡度较缓的隧洞。经综合考虑，太和隧洞共布置4座支洞，总工期54个月。

主洞工作面洞身采用开挖进尺：Ⅲ类围岩110m/月，Ⅳ类围岩85m/月，Ⅴ类围岩45m/月，混凝土衬砌每个作业面按照120m/月进行。

斜井采用开挖进尺：Ⅲ类围岩45m/月，Ⅳ类围岩45m/月，Ⅴ类围岩35m/月，混凝土衬砌每个作业面按照120m/月进行。

支洞相关特性见表4。

表4 钻爆法施工支洞布置特性

1#支洞与主洞交点桩号为39+274，长度为625m，坡度为8%；

2#支洞与主洞交点桩号为40+374，长度为768m，坡度为8%；

3#支洞与主洞交点桩号为42+339，长度为539m，坡度为39%；

4#支洞与主洞交点桩号为44+423，长度为756m，坡度为47%。

控制性洞段为3#斜井、4#斜井之间，工期为54个月。

3.4 方案分析比较

根据前述内容可知太和铁矿隧洞不适宜TBM方案，在方案比较中只比较悬臂式掘进机方案和常规钻爆法施工方案。

悬臂式掘进机方案和常规钻爆法施工方案不同之处在于掘进机方案少了钻孔、装药、爆破三个环节，而散烟、安全处理、施工期临时支护、出渣等环节两个方案均一致。钻爆法方案比悬臂式掘进机方案多了一根施工支洞。钻爆法的控制工期为3#、4#斜井之间，控制长度为2075m；悬臂式掘进机控制工期为3#斜井～主洞出口，控制长度为4880m。

悬臂式掘进机方案中昔格达洞段、土洞、断层破碎带、40MPa以上的硬岩段采用传统钻爆法施工，剩下洞段采用悬臂式掘进机施工。经统计悬臂式掘进机施工段长度为3232.6m，钻爆法施工的长度为7857.4m。方案比较见表5。

表5 钻爆法和悬臂式掘进机方案对比

经过投资及工期对比得知：悬臂式掘进机比钻爆法施工可节约投资1334万元，工期均为54个月。虽然从数据面分析悬臂式掘进机方案占优，但是太和铁矿隧洞有特殊性，其地质条件差，施工过程中掘进机体现不出连续掘进的优势。大于40MPa岩石施工时，掘进机存在掘进慢、钻头磨损大等缺点。经过分析，适合太和隧洞悬臂式掘进机的长度仅3232.6m，占整个隧洞总长度的29%，且分布在不同的隧洞洞段。

最终经综合比较，推荐常规的钻爆法进行施工。

4 结语

水利工程施工方案与总进度，以及施工总布置相辅相成。施工方案选择需结合工程建设特点，从施工条件、地质条件、工期、投资、施工期安全及施工管理水平等多方面进行综合技术经济比较，以确定符合工程建设特点的最优施工方案。