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第五届全国生态城市道路与地下道路规划设计、施工、新材料应用技术大会 2019-09-09
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南水北调西线第一期工程深埋长大输水隧洞

时间:2010年08月08日来源:本站原创 作者:景来红 牛广尧 杨维九 点击:
 南水北调西线第一期工程深埋长大输水隧洞
设计及施工初步方案
 
景来红牛广尧杨维九
(黄河勘测规划设计有限公司)
 
[摘要]南水北调西线第一期工程从雅砻江、大渡河六条支流筑坝引水,年调水量40亿m3。工程的最大难点在于深埋长大输水隧洞的设计与施工。本文简要介绍了南水北调西线工程总体规划,第一期工程建设条件及工程布置方案,重点对深埋长大输水隧洞的设计、输水洞管片衬砌以及TBM掘进施工等相关问题进行了论述,并提出了需要深入研究的关键技术问题。
[关键词] 南水北调西线工程 第一期工程深埋长大输水隧洞TBM施工
1南水北调西线工程总体规划
黄河流域是中华民族的发祥地,总面积达79.5万km2。流域内有超过1.1亿的人口和1.97亿亩的耕地;黄河流域水资源短缺,多年平均天然年径流总量仅580亿m3;黄河流域水土流失严重,多年平均年输沙量16亿t,是世界上输沙量最大,含沙量最高的河流;黄河流域矿产资源极为丰富,中游地区是中国西部地区十大矿产资源集中区之一。黄河流域的经济发展、社会进步在中国社会及生产发展格局中占有重要位置,黄河的安澜关系着黄河两岸及下游保护区广大地区人民生命财产的安全。
黄河是中国西北、华北地区的重要水源,不仅要维持流域内经济社会发展对水资源的需求,同时还要向邻近地区供水,保持必要的输沙入海水量及河道内生态基流。随着经济社会的迅速发展,用水量大大增加,黄河水资源供需矛盾日益突出:河道内生态环境用水被挤占,水环境状况日趋恶化,沿黄主要城镇供水安全、河道内生物多样性乃至生存条件均已受到威胁;输沙能力下降,主河槽由于泥沙淤积不断萎缩,进一步加剧了“地上悬河”的防洪难度。
据预测,在充分节水条件下,黄河上中游地区,正常来水年份,2010年缺水40亿m3,2030年缺水110亿m3;中等枯水年份,2010年缺水100亿m3,2030年缺水170亿m3。由此可见,水资源问题已成为黄河流域及临近地区,特别是西北地区经济社会可持续发展的重大制约因素,同时,也成为黄河治理开发的重大制约因素,未来黄河缺水的形势将更加严峻。
南水北调西线工程是改善黄河水资源严重短缺形势、促进国家西部大开发战略实施的重大基础设施。南水北调东线、中线、西线三条线路,形成与长江、黄河、淮河和海河相互联结的“四横三纵”的总体格局,对从长江调取的水量,利用黄河贯穿中国从西部到东部的天然优势,对水量重新调配,可协调东、中、西部经济社会发展对水资源的需求关系,实现水资源南北调配、东西互济的优化配置目标。南水北调西线工程在此水资源网络格局中,具有十分重要的地位和作用。

南水北调工程东、中、西线总体布局示意图
 
南水北调西线工程调水入黄河上游河道,利用黄河干流骨干水库构成的水沙调控体系,科学管理调度,将促进水资源、能源资源和矿产资源优化配置和开发,带动西部地区的产业结构升级和调整;为国家扶贫战略实施提供基础,推进东中西部均衡发展、共同富裕;从根本上解决黄河的断流问题,并为修复黄河河道的基本功能补充急缺水量;为遏制西北地区土地荒漠化发展,保护和改善生态环境创造条件。
从1952年8月起开始的南水北调西线工程研究工作,范围涉及通天河、金沙江、雅砻江、大渡河等广大地区,经历了超前期、规划两个大的阶段,取得了大量地形、地质、地震、水文、气象、社会经济、生态环境等基础资料,共研究了抽水和自流共200多个方案,形成了南水北调西线工程总体规划。本着“由小到大,由近及远,由易到难”的思路,西线工程分三期实施,第一期工程从雅砻江、大渡河支流调水40亿m3,第二期工程从雅砻江干流调水50亿m3方案,第三期工程从金沙江调水80亿m3,西线工程总调水量170亿m3。从2001年开始,开展西线第一期工程项目建议书阶段设计工作,目前已有了初步设计成果。
 
 
 
 
 
 
 
 
 

南水北调西线工程规划总体布局图
2第一期工程建设条件
2.1地理位置
南水北调西线工程第一期工程地处青藏高原东南部边缘地带,位于四川省的甘孜、色达、壤塘、阿坝县,青海省班玛县和甘肃省玛曲县境内。输水线路涉及雅砻江、大渡河、黄河三大流域。
2.2气候条件
工程区地处青藏高原,属高原寒温带湿润区,低气压、缺氧、寒冷是其气候的基本特点。根据第一期工程坝址附近甘孜、阿坝、色达及炉霍等气象站统计资料,年平均气温为0℃~6.4℃;极端最低气温为-34.0℃~-36.3℃,极端最高气温为23.7℃~31.0℃。地面气压大都在600hPa~700hPa之间,相当于海平面气压的60%~70%左右,空气中的含氧量相当于海平面的60%~72%。年平均风速一般为1.5m/s,最大风速超过24m/s。
受西部季风的影响,年雨量分布具有西北少,东南部多,且全年降水集中的特点。年降雨量在648.7mm~727.3mm之间,6月~9月为主降雨期,降雨强度小,持续时间长,降雨量占全年的70%以上,5月~10月降雨量占全年的90%以上。
全年平均降雪量超过100mm,全年实际降雪日数为79天~102天,积雪日数为43天~54天,最大积雪厚度在20cm以下。
2.3地形条件
第一期工程区地貌特征是西北高,东南略低,属高山区或极高山区。东北部大部分为高原丘陵区,地势相对舒缓开阔,草原及湿地发育,并有少量冰缘地貌;西南部为雅砻江、大渡河流域河谷切割区,河谷深窄,峡谷居多,属中等切割~深切割高山区,滑坡、崩塌、泥石流等外动力地质现象较发育。工程区内山脉、河流受断裂构造的控制,其延伸方向与构造线一致。
2.4工程地质条件
输水线路区地层岩性主要为三叠纪的砂岩、板岩不等厚互层,砂岩饱和抗压强度50~100MPa,属中等-坚硬岩石;板岩饱和抗压强度20~50MPa,属相对软弱岩石。岩层产状为走向300~330°,倾向NE或SE,倾角50°~76°。
工程区主要发育有NW向断裂,大多形成于中生代,在时空分布上具有明显的继承性、区域性和分段活动性特征。褶皱构造一般呈紧闭状,岩层大多陡倾,紧密挤压带或密集的逆冲断层带是工程区断裂构造的基本模式。
线路区地震动峰值加速度为0.05~0.15g,线路北部黄河、阿柯河流域一带为0.05g,线路区中部大部分区域为0.10g,线路南端泥曲、达曲附近为0.15g。
工程区地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水在河谷平原和盆地的含水层主要为砂砾石层。基岩风化带裂隙水一般富水性较弱,透水性向深部衰减,透水率为10~20Lu之间,属弱透水到中等透水。构造裂隙水较为复杂,部分构造裂隙水具承压性。深部裂隙带透水率减小,一般小于5Lu;深部完整基岩透水率一般小于1Lu。部分断层带附近地下水有气体逸出。
根据地质分类,输水线路围岩以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主,约占隧洞总长的90%,Ⅳ类围岩约占9.3%,断层带为Ⅴ类围岩,仅约为0.7%。
2.5当地社会经济及交通条件
第一期工程地处西部地区,为藏族等少数民族聚居区,藏族人口占90%以上,人烟比较稀少,以牧业生产为主,兼有农业,当地公路密度小,交通不便,区域技术经济比较落后。施工中当地可利用的资源有限,工程建设所需设备、物资材料主要靠公路长距离运输到工地,工程技术供应相对困难。
3 第一期工程设计
3.1第一期工程总布置概况
南水北调西线第一期工程从雅砻江支流达曲、泥曲及大渡河支流色曲、杜柯河、玛柯河、克曲等支流建坝蓄水,通过长距离输水隧洞将水直接引入黄河上游干流,工程由“六坝、七洞”组成。工程区海拔3500m~4700m,引水枢纽处河床海拔3400m~3600m。第一期工程控制流域面积1.96万km2,设计引水流量40亿m3
“六坝”即调水河流的六座大坝:即达曲的阿安,泥曲的仁达,色曲的洛若,杜柯河的珠安达,玛柯河的贡杰和阿柯河的克柯坝,仁达、贡杰坝址采用混凝土面板堆石坝,阿安、珠安达坝址采用沥青心墙堆石坝,克柯坝址采用混凝土重力坝,洛若坝址采用混凝土面板堆石坝与混凝土重力坝组合坝型。坝高30~160m,最高坝为贡杰混凝土面板坝,坝高160.0m。各引水枢纽根据调洪计算结果,分别设置一座溢洪道及一条(或两条)泄洪洞。各调水河流须保持一定的生态基流,阿安、仁达、珠安达和贡杰等四座高坝利用生态基流下泄水能布置了4座生态电站,除克柯坝外利用的各水库引水水能布置5座引水电站。9座电站总装机98.4MW,年发电总量5.56亿kW.h。
“七洞”即为输水线路受沿线河流和冲沟切割,将隧洞分为7个自然段。输水线路全长255.93km,其中隧洞总长252.6km,最长自然分段72.3km,洞与洞连接段为渡槽或倒虹吸。隧洞平均埋深500m,最大埋深达1150m。
水库与输水隧洞连接采用并联方式,输水隧洞在坝后经过,分别通过水库引水支洞或发电引水洞引水进入输水隧洞,再经输水隧洞输水进入黄河。
本工程为特大型工程,工程等别一等。永久建筑物依据各自规模和重要性分别为1、2级;次要建筑物为3级;临时建筑物为4级。输水隧洞为1级建筑物。

图3.南水北调西线第一期工程推荐方案总布置图
3.2输水隧洞设计
南水北调西线第一期工程隧洞总长度252.7km,沿线岩性多为砂岩、板岩及砂板岩互层。岩石单轴饱和抗压强度20~100MPa。在400m埋深范围,最大水平主应力约20MPa,总的方向为NE~NEE。各段隧洞长度、岩组概况见表1。隧洞平均埋深约500m,地下水位略低于地面线。各洞段不同埋深洞段所占比重见表2,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩物理力学指标见表3。西线隧洞的衬砌型式,相应于不同的施工方法(TBM或D/B)分别采用管片或现浇钢筋混凝土。输水隧洞底坡全程1/1416,各段输水隧洞的洞径随水量的加入逐步加大,设计洞径4.28m ~8.68m。TBM开挖洞径5.08m~9.88m,预制混凝土管片衬砌厚度30~50cm。钻爆法最大开挖洞径为10.88m,最大衬砌厚度0.9m。
 
表1                  各洞段围岩类别统计表(推荐方案)

隧洞区间
长度
(km)
沿线各种岩组长度所占比重(%) 沿线各类围岩长度所占比重(%)
S+b S//b b+S 其它 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类 Ⅴ类
达曲-泥曲 13.320 100.00         93.95   6.05
泥曲-色曲 25.375 76.52 13.80 9.68     80.22 12.12 7.66
色曲-杜柯河 46.956 54.13 25.73 15.12 5.02 11.71 71.04 17.25  
杜柯河-玛柯河 30.148 52.14 18.41 29.46   56.89 35.29 7.82  
玛柯河-克曲 63.345 35.12 64.88     30.53 69.47    
克曲-黄河 73.526 41.08 46.44 3.94 8.54 32.08 55.70 6.17 6.05
全线 252.670 50.00 38.15 8.44 3.42 25.95 64.05 7.15 2.85
注:S+b表砂岩夹板岩岩组;b+S表板岩夹砂岩岩组;S//b表砂板岩互层岩组。
表2                   各洞段埋深指标统计表(推荐方案)

洞段
隧洞长度
(km)
岩性 最大埋深
(m)
不同埋深隧洞长度所占比重(%) 
埋深>200m 埋深>400m 埋深>500m 埋深>600m 埋深>800m 埋深>1000m
达曲-泥曲 13.320 S+b 890 84.01 67.10 54.14 38.63 12.01  
泥曲-色曲 25.375 S+b,S//b,b+S 853 90.92 67.63 39.38 22.02 1.37  
色曲-杜柯河 46.956 S+b,S//b,b+S 1150 97.90 78.38 73.19 67.02 39.53 6.40
杜柯河-玛柯河 30.148 S+b,S//b,b+S 913 93.32 79.69 72.70 66.75 18.77  
玛柯河-阿柯河 63.345 S+b,S//b,脉岩 999 93.46 75.61 59.99 37.07 13.07  
阿柯河-黄河 73.526 S+b,S+b+Ls,S//b,b+S 863 74.34 32.84 17.78 6.08 0.89  
全线 252.670   1150 87.95 62.92 49.30 35.73 13.89 1.19
 
表3                Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩物理力学指标

围岩类别
容重            (kN/m3) 24.01 23.03 21.56
抗压强度        (MPa) 70 50 30
弹性模量        (MPa) 15000 6000 1500
单位弹性抗力系数(kN/m3) 4165000 2695000 1029000
凝聚力           (MPa) 1.6 0.9 0.4
内摩擦角         ( °) 50 40 30
泊松比 0.225 0.275 0.325
坚固系数 6 3 1.5
 
3.2.1洞径设计
采用圆形断面均匀流流量基本计算公式:
Q=CA
对计算结果影响较大的因素有糙率、年输水期、明流洞净空余幅。现浇钢筋混凝土衬砌与预制钢筋混凝土衬砌,综合糙率系数取为0.0145;按每年11个月考虑输水期;明流洞净空余幅,取20%。各段隧洞设计内径见表4。
表4  项目建议书阶段各段管片衬砌隧洞主要特征指标

隧洞编号
1# 2# 3# 4# 5# 6# 7#
隧洞内径(m) 4.28 5.62~6.29 7.35 7.35~8.15 8.68 8.68 8.68
洞长(km) 13.32 72.33 30.15 63.34 6.57 7.92 59.04
衬砌管片厚(m) 0.35 0.40 0.40 0.40~0.50 0.50 0.50 0.50
每环管片数 4 6 6 8 8 8 8
 
 
3.2.2隧洞围岩稳定分析
根据工程经验,围岩周边径向位移相对值小于5%时,可以采用护盾式TBM施工。比较不同计算方法与准则后,采用摩尔-库仑强度理论准则、有限差分法计算各段隧洞围岩变形。计算成果显示,岩性为s + b、s//b的洞段,围岩变形较小;岩性为b+s的洞段,围岩变形相对较大。围岩变形随地应力的增加而增大,高地应力区Ⅲ类围岩径向最大位移可达开挖半径的6.2%;沿线90%洞段围岩变形较小,可以采用护盾式TBM施工。
3.2.3隧洞衬砌方式选择
输水、埋深大、隧洞长,寒冷缺氧,是西线工程的基本特点。因此,从施工角度,只能采用TBM施工为主、钻爆法为辅的施工方案;
从施工方便角度,各段隧洞进出口段以及预计挤压变形较大的断层破碎带等Ⅳ、Ⅴ类围岩段,采用钻爆法施工,对应洞段采用现浇钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度暂按开挖洞径的1/10计取,采用C30混凝土。其余以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主的洞段暂考虑采用双护盾TBM施工,相应采用单层预制钢筋混凝土管片衬砌,C50混凝土。
3.2.4衬砌结构强度计算
采用梁—弹簧模型计算管片及钢筋混凝土整体衬砌结构。主要考虑衬砌自重、外水压力、围岩压力、弹性抗力及运行期、施工期、检修期相应荷载组合,按限裂设计。其中,围岩压力采用普氏法确定;外水压力,考虑堵、排措施后,最大折减系数采用0.3。混凝土整体衬砌径向变形按不超过设计内径的1/400控制,管片衬砌径向变形按不超过设计内径的1/300控制。
根据工程经验并参考计算成果,各段隧洞最终采用的管片衬砌厚度(限裂设计)见表1。采用高强混凝土的管片,最小配筋率取0.4%,以提高构件的延性。考虑施工因素,最大配筋率不超过3%。管片衬砌设计含筋率85~105kg/m3,平均89.2 kg/m3,其中69%洞段需采取堵、排结合措施降低外水压力。现浇混凝土衬砌含筋率为55~120 kg/m3,局部为180 kg/m3,平均为65.9 kg/m3。现浇混凝土衬砌较厚,可承担较大的外水压力,只需适当增加配筋量及采取排水措施即可满足承载力要求。无论管片还是现浇混凝土衬砌,均采用双层配筋,内外层配筋量相同。
3.2.5固结灌浆
Ⅳ、Ⅴ类围岩,固结灌浆孔排距3m,孔深6~8m,灌浆压力4~5MPa;Ⅱ、Ⅲ类围岩,原则上不进行固结灌浆。外水头超过700m的洞段,孔排距2m,孔深12m,灌浆压力8MPa。
3.2.6排水
顶拱范围每环设4个排水孔,环距3m。孔深:Ⅱ、Ⅲ类围岩,孔深3m;Ⅳ、Ⅴ类围岩,孔深入岩石0.2m。
深埋长隧洞施工研究
4.1隧洞施工方案选择
地下隧洞工程施工国内外常用的施工方法主要是钻爆法和TBM掘进法。这两种方法从施工方法和施工技术方面比较各有特点。钻爆法的最大优点是施工方法灵活,适用性强,可适合任何隧洞断面,并可根据不同的地形地质情况,采用不同的开挖方法和支护措施,实现安全掘进。缺点主要是施工工序复杂,施工速度慢,独头掘进长度受到一定限制,对长大隧道工程,往往需要长洞短打,增加施工支洞和辅助通道。TBM隧洞掘进技术则适合长隧洞施工的需要,以其高度的机械化程度,将隧洞掘进、出渣、支护以及隧洞衬砌等工作实行工厂化生产,连续作业,实现快速、高效、安全、文明施工。但是TBM的应用受隧洞地质条件影响因素较大,对围岩地质适应性较钻爆法差。
南水北调西线第一期工程输水隧洞施工方案研究主要考虑如下因素:
(1)隧洞地层岩性适合TBM掘进施工。影响TBM掘进效率的地质因素主要是岩石的强度、构造及裂隙发育程度、岩石的硬度等。本工程输水隧洞围岩以Ⅱ、Ⅲ围岩为主,约占隧洞总长的90%,穿过的地层主要为三叠纪砂、板岩不等厚互层岩体,饱和抗压强度20~100MPa,属软弱~中等坚硬岩石,岩石矿物成分主要以钙质为主,砂岩中石英含量较少。故本工程砂、板岩地层比较适合于TBM掘进施工。
(2)本工程超长隧洞有利于发挥TBM快速、高效的优点。国内外工程经验,大于3km的隧洞可考虑TBM施工,大于6km的隧洞,应优先选择TBM施工,与常规的钻爆法相比,不但施工速度快、质量好,而且也相对较经济。
(3)根据工程地形条件及工期要求,应优先考虑TBM掘进及预制管片衬砌施工方案。受高海拔、深切割、大起伏复杂地形条件限制,隧洞施工支洞布置比较困难,没有长洞短打条件,钻爆法施工不能满足工程总工期的要求。必须考虑以TBM掘进为主的施工方法,并考虑采用预制混凝土管片衬砌的隧洞支护形式。
(4)TBM掘进适合工程特殊的气候特点。本工程地处青藏高原东南部,寒冷、缺氧等特殊气候条件,对人工及设备效率,特别是内燃机设备效率影响较大。应以人为本,优先选择机械化程度高、使用人工数量少,劳动强度低、以电力为动力的TBM设备。
(5)局部不良地质洞段宜采用钻爆法配合TBM施工。输水隧洞要穿过较大的断层和断层破碎带以及以板岩为主的相对软弱围岩段,在高埋深、大洞径情况下,地质灾害及较大围岩挤压变形都不利于发挥TBM快速、高效的优点,更适宜采用常规的钻爆法施工。
综合以上分析,本工程深埋长隧洞施工拟采用以TBM法为主、钻爆法为辅的施工方案。Ⅱ~Ⅲ类围岩稳定性较好,采用TBM掘进;在断层带及其断层影响带处一般为Ⅳ、Ⅴ类围岩,采用钻爆法施工; 对于埋深较大、板岩为主洞段,由于围岩塑性变形和挤压变形影响,也考虑采用钻爆法施工。
4.2 隧洞施工方案规划及辅助通道布置
首先根据输水隧洞不同洞段地质情况,分段选择合适的开挖掘进方法,然后根据地形情况,布置施工支洞,合理控制单工作面掘进长度,控制隧洞施工工期,并布置施工通风竖井,满足施工通风需要。
输水隧洞施工共选用了13台不同直径的掘进机。隧洞最大开挖直径9.88m,单机工作面掘进长度一般控制在20km以内,最大长度达23km。共布置施工支洞13条,其中掘进机施工用支洞6条,钻爆法施工用支洞7条。施工支洞最大洞长3488m,控制坡度一般不超过10%,最大11.5%。独头通风距离一般不超过10km,最大为13km。共布置了通风竖井19座,竖井直径5m,最大竖井深581.43m。
输水隧洞总长252.6km,采用TBM施工洞段长度为204.14km,钻爆法施工洞段长度为48.46km,钻爆法施工洞段长度约占输水隧洞总长的19.18%。
4.3掘进机设备选型及施工进尺分析
(1)掘进机设备选型配套
输水隧洞长252.6km,隧洞穿越的地质条件复杂,软、硬不均,TBM掘进需穿过小的断层破碎带。根据工程地质条件,可供选择的硬岩掘进机主要有敞开式、双护盾等类型。为尽量缩短工程施工工期,设计采用预制管片衬砌。经过初步比选,目前暂考虑采用双护盾式掘进机进行隧洞掘进。
(2)TBM掘进进尺分析
影响TBM掘进速度的因素很多,主要取决于TBM本身的性能参数、地质条件、围岩软硬程度、隧洞洞径大小及施工管理水平等,TBM掘进进尺主要由纯掘进速度和掘进机利用率决定。
    结合本工程具体地形地质条件和施工特点,进行初步分析计算,并类比国内外长大隧洞工程TBM施工经验,掘进机小时掘进速度拟定为2.5~4.0m/h,利用率为30~50%,各段隧洞掘进进尺根据隧洞断面大小及地质情况不同有所差异,平均月进尺为360~510m/月。
4.4  TBM隧洞出渣运输
国内外隧洞施工中出渣运输方式主要有带式输送机、有轨运输和无轨运输等。 适宜于长隧洞出渣的运输方式为低污染的内燃机牵引的矿车(梭式矿车)和连续皮带机运输。对于本工程深埋长隧洞,两种运输方式相比各有优缺点:
带式输送机运输的特点是出渣连续,与掘进机的后配套出渣输送机相适应,无需等待渣车,出渣效率高;皮带机运输适应坡度大,通过主洞和支洞皮带机可直接将开挖料运输到洞外,不需要中间转运,施工管理方便,工人劳动强度低,洞内运输污染小。缺点是只能单向输送物料,洞外的混凝土预制管片、支护材料、刀头及机械零配件等都需另外配置运输设备,洞内需要布置两套不同形式的运输系统。
内燃机车牵引的有轨运输具有牵引力大、运输量大等特点,近年来,梭式矿车又在向大吨位、不摘钩自动卸车、更安全的方向发展,它适宜于长大隧洞的出渣,同时又能满足掘进机施工过程中洞外物流的运输问题。缺点是其动力为内燃机车,洞内污染较重,尤其是对在高原缺氧环境条件下的深埋长隧洞工程施工而言,隧洞的施工通风难度将增大。另外,隧洞的施工支洞坡度大,开挖石渣需要洞内二次转运,运行管理复杂。
国外长大隧洞TBM施工皮带机运输已比较普遍,国内习惯于采用内燃机车有轨运输方式,目前仅辽宁大伙房输水工程采用了皮带机运输方案。从大伙房隧洞工程使用情况看,皮带机运行良好,已充分显示了其快速、高效、方便的特点,对于长隧洞施工出渣系统不失为重要的发展方向。西线隧洞工程洞内运输拟采用皮带机出渣运输,皮带机带宽900~1000mm,带速2.0~2.5m/s。个别洞段由于断面较小,长度较短,采用有轨运输方式。
4.5 TBM隧洞施工通风
西线长隧洞施工洞径大、自然分段长,必须利用施工支洞、竖井辅助通风。结合隧洞施工通风方式的优缺点,TBM隧洞施工拟采用压入式和混合式机械通风方式。新鲜空气从支洞或竖井断面进入风机F1入口,通过大直径通风管道将新鲜空气送到TBM后配套系统,再经过TBM后配套系统上的辅助风机送到TBM施工作业面,施工作业面的污浊空气从主洞断面进入风机F2入口,再经支洞或竖井洞内通风管道排出洞外。风管拟采用柔性软管,轴流式风机供风。施工通风布置示意图见图4。

图4  施工通风布置示意图
 
隧洞采用TBM施工时,工作面风量应满足:①隧洞内工作人员呼吸新鲜空气量,风量按每人3.0~4.0m3/min;②内燃机工作所需的氧气及废气的稀释和排放,内燃机工作所需风量为3.0m3/min.kW;③洞内风速不应小于0.5m/s;④掌子面降温排尘风速0.5~1.0m/s。
通风机的风量、风压都必须满足长距离通风的要求,根据通风系统参数计算,选择大风量、优质、低噪、高效、节能的轴流式隧道通风机串联或并联的方式供风,13台TBM掘进工作面,共选用了31台不同型号的轴流式通风机。TBM最大开挖洞径9.88m,最大通风长度12.74km,最大通风管直径2.8m。
4.6隧洞施工中不良地质洞段预报及处理措施
西线深埋长隧洞TBM施工中可能遇到的不良地质问题主要有:不稳定围岩段塌方、软弱围岩挤压变形、高地应力岩爆、破碎断层带涌水、突泥、高地温、有害气体等不良地质问题,应加强地质超前预报和预防处理措施。
4.6.1 超前地质预报
由于隧洞深埋地下,工程地质条件和水文地质条件千差万别,为了较准确地预知工作面前方的工程地质情况,为采取相应正确的开挖、支护措施提供依据,首先进行超前地质预测预报。超前地质预测预报不仅是补证勘测地质资料的重要手段,更重要的是为施工技术方案的拟定和修正提供决策依据。特别是在不良地质洞段,一定要对围岩的自稳能力、TBM设备的适应性等方面有一个正确的评估,这对及时调整掘进参数和采取有效的支护措施以保证高效率、安全施工是非常必要和关键的。
目前,国内外超前地质预报的方法很多,本工程主要采用TBM施工,拟采用的超前地质预报措为以下几种方法:
(1)施工前进行详细、准确的地质调查,通过加密地质钻孔或利用平导洞提前详细探测;
(2)施工过程中采用放射性地震波,地质雷达、瞬变电磁等综合物探技术和设备进行较长距离的超前探测;
(3)施工过程中根据现场情况和经验进行短距离预测。如根据掌子面出露的岩石情况、皮带机上的渣料粒径、成份和形状、掘进机参数变化等进行综合判断;
(4)利用在TBM机上安装的超前钻机,可在刀盘上方以一定水平仰角范围内进行超前钻探,利用超前钻机,不但可以进行超前地质预报,也可以用其与TBM自身配备的注浆设备配合,对隧道前方的不良地质地段进行超前预注浆和超前管棚注浆加固。
4.6.2 不良地质处理措施
深埋长隧洞TBM施工中,如果发现有断层、涌水、塌方、高地温以及高地应力岩爆、软弱围岩挤压变形等不良地质问题,应及时采取预防和处理措施。常用的综合处理措施主要有:
(1)对于大的区域性断层破碎带,在TBM掘进到达之前,采用钻爆法提前施工处理,TBM通过时不掘进,从而使TBM能够安全、顺利通过可能发生大坍方的地段。
(2)在隧洞顶部120°范围内及时进行超前锚固支护、超前预注浆和超前管棚注浆加固围岩破碎带,防止工作面大块围岩冒落,减少塌方或避免塌方,保证TBM顺利掘进通过该地段。
(3)软弱围岩洞段可采用快速掘进方式通过,防止围岩挤压变形卡死掘进机盾壳。当掘进机通过可能发生较大挤压变形的岩层时,掘进机应具有可调整开挖直径的功能,为获得一定的超挖补偿,掘进机可以局部增大开挖直径。
(4) 遇到围岩破碎带,软弱断层带,掘进时应适当调整TBM掘进参数,采用短进尺,慢旋转,减缓掘进速度,尽量减少围岩扰动。
(5)TBM掘进通过岩爆洞段,可直接在掌子面喷洒高压水或通过注水孔向岩体内喷注高压水,以软化围岩,使岩石强度及弹性模量降低,加快围岩内部应力释放。
(6)掘进机施工期的涌水处理,主要采取引、排、封堵和排堵结合的处理措施。打超前排水孔进行放水,通过注浆堵水等措施处理后TBM再掘进施工。
(7)TBM通过高地温段掘进时,可加强通风、增大通风量,或安装冷却设备通冷水或冷风达到降温和散热的目的,使工作面保持常温。
(8)TBM后配套系统配备喷锚支护设备,掘进后,及时喷锚支护,必要时增设钢拱架支撑。
结束语
以上介绍的是第一期工程调水规模为40亿m3的明流洞输水方案设计情况。根据水利部要求,将原西线第一、二期工程水源结合,统一论证,连续建设,分步实施。目前正在开展西线第一、二期水源结合方案的研究工作。
南水北调西线第一期深埋长隧洞工程由于其特殊的工程条件及地理、气候环境条件,工程技术复杂,不确定因素多,工程难度大,国内外没有先例,是一个特大型的具有挑战性的工程。目前,工程设计处于项目建议书阶段,对工程的认识及工程技术问题探讨仅是本阶段的分析研究,随着阶段的深入和工作的进展,揭露的问题会越来越多,有待于更深入的探讨和研究。
需要深入研究的主要关键技术问题主要有:
(1)工程总体布置方案研究;
(2)适合南水北调西线工程环境、地质特点的掘进机选型;
(3)深埋长大输水隧洞衬砌结构研究;
(4)水文地质条件分析及涌水处理方案;
(5)隧洞开挖及后期维护过程中软岩洞段的围岩变形问题;
(6)长隧洞输水的水力学问题;
(7)不良地质预报和处理;
(8)通风系统布置方案研究;
(9)深、大竖井施工技术。
希望国内外同仁关心西线、支持西线、参与西线,共同推进南水北调西线工程!
 
作者简介:
 
景来红(1965-),男,1987年毕业于清华大学水利水电工程系水工专业,教授级高工。现任黄河勘测规划设计有限公司总工程师,南水北调西线工程设计总工程师。
牛广尧(1954-),男,1982年毕业于武汉水电学院水电工程施工专业,教授级高工,南水北调西线项目副设总,主要从事水利水电工程施工设计工作。
杨维九(1964-),男,1984年毕业于武汉水电学院水工建筑专业,高级工程师,南水北调西线项目副设总,主要从事水工方面工作。
 
 
 
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