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長大隧洞設計階段施工方案的優(yōu)化

更新時間:2009-10-19 15:27:29 來源:|0 瀏覽0收藏0

  深圳市供水網絡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, 承接由東江至深圳東部的東部供水水源工程, 串聯市內5 個中型供水水庫和已建的東深供水工程, 形成城市供水網絡體系的重要組成部分。干線為自流輸水運行方式,設計流量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,局部地段地質構造復雜, 涌水量大, Ⅳ、Ⅴ類軟圍巖所占比例超過75 % , 構成控制工程建設工期的關鍵因素。

  本項目在技施階段進一步進行了鉆爆法與掘進機( TBM) 技術的方案比選。該項目于1998 年12月開工, 至2001 年2 月基本全部貫通, 總工期26個月, 完全滿足工程質量、工程投資及工期控制指標。

  1  隧洞施工采用掘進機革新技術

  近30 年來, 世界上較普遍采用掘進機技術進行長大隧道施工, 該技術主要是為了解決受地形條件影響采用傳統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機(TBM)技術工程方可完成; 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,無法采用輔助導坑, 獨頭掘進超過9 km, 采用傳統鉆爆法工期過長且通風排煙與出渣困難; 另外鉆爆法施工工作條件較差, 人工費用高也是發(fā)達國家采用掘進機施工的重要原因。

  掘進機在圍巖較好地段能發(fā)揮較高的功效, 因此掘進機在中硬巖, 甚至高硬巖中得到了廣泛應用。而在圍巖較差區(qū)段功效顯著降低, 如意大利Prato Isarco 隧道進入軟弱圍巖后, 掘進機平均利用率由3612 %下降到2114 %; 萊索托引水工程Muela 掘進機受不良巖石條件影響, 1993 年5 月掘進利用率僅占2610 %(平均掘進利用率占48 %) ,巖石支護占3310 % , 進度急劇放緩, 應用不盡廣泛。當前在大型隧洞工程中, 一般采用掘進機和鉆爆法相結合的施工方法, 在圍巖較好地段采用掘進機掘進, 圍巖較差或地質情況未探明區(qū)段采用傳統鉆爆法施工。如萊索托南水北調工程, 前期有82km 隧洞, 其中57 km 大部分為Ⅰ類硬巖(抗壓強度為85~190 MPa 堅硬玄武巖) , 采用4 臺硬巖掘進機, 負責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度40~80 MPa 玄武巖地帶) 需鋼筋混凝土預制管片襯砌的隧洞, 采用雙護盾伸縮式掘進機; 另有8 km 屬Ⅳ、Ⅴ類軟巖地段仍設計為鉆爆法掘進, 全部用鋼板和現澆混凝土襯砌。

  深圳供水網絡工程1 # 隧洞雖然長度達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, 因此從掘進機自身特點來看, 承擔1 # 隧洞施工并不完全能突出其優(yōu)勢, 功效不會太高。

  2  采用掘進機與鉆爆法施工進度上的比較

  根據瑞士費爾艾那和勒奇山2 條鐵路隧道的有關資料情況看, 全長19 km 費爾艾那隧道采用717m 直徑的開敞式掘進機掘進整1 年, 累計掘進和初期支護4 300 m , 月平均進度360 m , 其中1995 年5~12 月已施工段抗壓強度30~100 MPa 圍巖占75 %~80 %(相當于我國Ⅱ、Ⅲ類圍巖) , 抗壓強度在100~150 MPa 圍巖占20 %~25 % , 不需要支護, 總體圍巖情比1 # 隧洞圍巖好, 8 個月共掘進和初期支護1 567 m , 月平均進度約200 m ;1996 年1~5 月地質較好, 隧道圍巖分類Ⅳ、Ⅴ類占28 % , Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類占72 % , 5 個月累積掘進和支護了2 750 m , 平均月進度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 掘進機施工, 平均月進度323 m。

  根據開敞式掘進機在意大利阿爾卑斯地區(qū)隧道中的應用總結情況看: 掘進機平均日進尺、利用率同巖石類別有極大關系, Vaid’Arzino 隧道Ⅰ~ Ⅲ類圍巖占8412 % , Ⅳ~ Ⅴ類占1518 % , 采用直徑415 m 掘進機, 平均月進尺453 m , 掘進機平均利用率2516 % , 巖石加固作業(yè)占整個時間的4414 %。其中Ⅰ類圍巖平均進尺45 m/ d , 掘進機利用率45 %;Ⅱ類圍巖平均進尺2917 m/ d , 掘進機利用率32 %;Ⅲ類圍巖平均進尺2712 m/ d , 掘進機利用率25 %;Ⅳ類圍巖平均進尺1213 m/ d , 掘進機利用率16 %;Ⅴ類圍巖平均進尺714 m/ d , 掘進機利用率5 %(需要大量加固, 原預計進尺只有2~4 m/ d) 。

  Gerlos Ⅱ 隧道圍巖較差, 采用直徑4125 mRobbins1362204 開敞式隧道掘進機掘進, 圍巖破碎地段因掘進機切削作業(yè)困難而耗費時間, 其圍巖等級和進尺如下: Ⅰ類平均進尺32 m/ d ; Ⅱ類平均進尺16 m/ d ; Ⅲ類平均進尺815 m/ d ; Ⅳ類平均進尺712 m/ d ; Ⅴ類平均進尺514 m/ d ; 另有695 m地質破碎帶, 對于掘進機掘進來說穩(wěn)定性不夠, 被迫改為人工開挖掘進, 平均進尺僅211 m/ d。根據對10 個國家65 個隧道實例研究得出的影響隧洞掘進性能參數可以看出, 影響隧洞掘進機進度主要有5 個因素: 一是地層, 主要內容有地質、巖石特性及地下水; 二是隧洞設計, 主要是直徑和長度; 三是管理方法; 四是機械性能; 五是當地習慣。其中掘進機掘進進度隨著切削直徑增大而減小, 直徑4 m 隧洞的最快掘進速度為119 m/ h , 直徑515 m 隧洞最快掘進速度1155 m/ h , 直徑815m 隧洞最快掘進速度降為110 m/ h 。

  深圳市供水網絡干線工程1 # 隧洞設計開挖斷面約25 m2 , 可采用切削直徑515 m 掘進機作業(yè)。綜合上述隧道實例可以看出, 1 # 隧洞采用掘進機施工, 只有在圍巖等級較好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖區(qū)段方可發(fā)揮較高效率, 月平均進度可達400~700m ; Ⅳ、Ⅴ類圍巖區(qū)段由于掘進機切削作業(yè)困難,圍巖支護加固耗時等因素不利影響, 掘進進度顯著降低, 月平均進度200~300 m ; 地質破碎帶、瓦斯、巖爆、沙涌與涌水量大等特殊地質構造地帶為掘進機工作的近似無效區(qū), 此區(qū)段同人工掘進進度差不多, 月平均進度在100 m 以下。供水網絡干線1 # 隧洞若使用直徑515 m 掘進機, 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, 樂觀估計月平均進度約300 m , 若考慮地質破碎帶、大量涌水、涌沙、巖爆等特殊地質因素的影響, 進度會進一步降低。若施工單位從效益的考慮, 使用1 臺掘進機獨立掘進, 正洞至少需60 個月才能掘進貫通; 即使為加快進度, 采用2臺掘進機掘進, 每月總進度約600 m , 根據施工能力, 掘進貫通時間需30 個月。再根據1 # 隧洞圍巖情況設計, 制造掘進機和從國外運送到工地的時間, 應在3 個月以上; 工地組裝、調試時間應在3個月以上, 還有襯砌收尾時間1 個月, 合計工期需37 個月。

  按初步設計鉆爆法施工, 將1 # 隧洞長洞短打,分作7 個工區(qū)12 處作業(yè)面同時施工, 若控制1 # 隧洞總體工期的工區(qū)施工單位能發(fā)揮技術優(yōu)勢, 進一步挖掘潛力, 合同工期完全可以比初步設計工期提前, 預計可比2 臺掘進機同時施工工期提前5 個月以上。

  3  1 # 隧洞采用掘進機施工需考慮的因素

  (1) 隧洞斷面和支護結構需按掘進機施工原理和方法重新設計, 原已完成的按新奧法鉆爆施工初步設計需廢除。掘進機開挖斷面主要是圓形, 極少數是將圓盤滾刀傾斜得到橢圓形開挖斷面, 不能施工傳統的上拱下直墻式斷面, 斷面的不同導致圍巖支護方式與方法同傳統鉆爆法差別很大。

  (2) 目前(設計時間1998 年) 國內掘進機僅2臺, 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 年底方可抽調過來, 而且其掘進斷面直徑約8 m , 若用在1 # 隧洞需請國外公司改裝削刀盤。因此若采用掘進機施工, 必須請國外公司承擔1 # 隧洞施工任務。

  (3) 土地征用費用需增加。采用掘進機施工,須在進出口附近渣場堆放1 # 隧洞約63 萬m3 虛渣,而進出口區(qū)已是當地居民的生產、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,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、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, 地價比較低廉。

  (4) 根據本工程運行后的清淤工程量(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) 和控制停水檢修時間(15 d/ a) ,1 # 隧洞宜每5 km 左右設一檢修通道。即使采用掘進機施工, 隧洞貫通后須專門設置檢修通道。

  (5) 與鉆爆法相比較, 掘進機施工對圍巖地質勘探資料要求較高, 尤其是軟弱圍巖區(qū)段, 全線隧道的詳細地質情況是選擇適合本工程實際的掘進機和施工方法的主要依據。1 # 隧洞若采用掘進機施工, 必須在現有資料基礎上進一步進行詳細勘察。

  4  采用鉆爆法與掘進機施工費用比較

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

  (2) 采用鉆爆法施工地質勘探, 設計圖紙已基本完成; 采用掘進機施工, 必須沿隧洞軸線作詳細、精確的地質鉆孔勘測, 鉆孔密度不應大于200m/ 孔, 還需增加勘測、設計費用。

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

  5  技施階段施工方案比選結論

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

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

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

  6  工程設計及實踐總結

  上述內容如實地反映了深圳市供水網絡干線工程1 # 隧洞在特定時期(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, 并完全達到工程質量、投資、工期等控制指標要求, 工程實踐證明了施工方案的選定是科學的、合理的, 總結可供借鑒的經驗如下:

  (1) 我國水資源短缺, 隨著社會經濟建設的快速發(fā)展, 水的問題必然依靠跨區(qū)域、跨流域長距離調水來協調區(qū)域間水資源的供求平衡問題, 即未來水利工程的重點之一將是遠距離調水, 相應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和控制工期的關鍵點, 必須全面分析各種影響因素予以綜合分析與研究, 任何一項因素的忽視均可能造成方案比選結論的偏差。

  (2) 近年來, 為適應各行業(yè)大量隧洞工程建設的需要, 我國隧洞施工掘進機設備及技術發(fā)展很快,較“九五”初期情況有了根本性的改觀, 深圳市供水網絡干線工程設計期間控制和影響方案比選的設備、設備運距及工藝、施工企業(yè)等因素已不再受國外的相關情況限制, 因此大大簡化方案比選的過程,也為國內掘進機技術發(fā)展提供了良好的應用前景。

  (3) 隧洞傳統的鉆爆法與掘進機施工工藝及其適用條件有較大差異, 相比較而言掘進機施工較鉆爆法施工更需要較為詳盡的地質資料, 而現行隧洞工程地質勘測規(guī)程規(guī)范是在傳統的鉆爆法基礎上總結和確定的, 因此在一定程度上不能滿足掘進機施工方案確定的需要。因此, 長大隧洞的初步設計階段應在肯定掘進機參加方案比選必要性條件下, 進一步調整地質勘測工作的深度和精度。

  (4) 目前, 全球性信息化建設的迅猛發(fā)展, 為我們提供了一個廣泛的信息資源共享空間。根據擬建隧洞工程的實際情況全面了解全國乃至全世界的類似工程實踐經驗和工程技術發(fā)展趨勢, 可以比較準確地預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, 使傳統的類比法更具實用性和可靠度, 對提高隧洞工程設計水平具有重要的技術保障作用。

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