周路軍,湯 印,卓 彬,王飛揚(yáng),齊 春,汪輝武,華 陽,王 闖

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031； 2.西南交通大學(xué),成都 610031)

引言

目前，我國鐵路隧道發(fā)展規(guī)模日益擴(kuò)大，伴隨而來的機(jī)械化水平日益提高，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)TBM能夠通過旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)圓形刀盤，并利用安裝在刀盤上的滾刀群對巖石的擠壓和滾切以破碎巖石，能陸續(xù)進(jìn)行掘進(jìn)和出渣作業(yè)，使隧道斷面一次成形。TBM可以看作是掘進(jìn)作業(yè)中必不可少的一部分，具有速度快、效率高等特點(diǎn)，其掘進(jìn)速度一般為傳統(tǒng)鉆爆法的3～10倍。因此，在隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。TBM分為敞開式TBM、單盾式TBM和雙盾式TBM，每種類型的機(jī)型都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同的地質(zhì)條件[1]。由于這些設(shè)備的成本非常高，影響了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，這勢必要求設(shè)計(jì)人員和管理人員選擇最合適的機(jī)型。

對于TBM選型的研究，國內(nèi)外學(xué)者已有諸多研究，如梅志榮[2]、張照太[3]等以大伙房輸水工程隧洞工程為工程案例，論述了TBM的發(fā)展和應(yīng)用，從地質(zhì)條件方面對特長輸水隧洞進(jìn)行TBM選型。洪松[4]從TBM自身的結(jié)構(gòu)出發(fā)，論述了深埋長隧道選型的依據(jù)，同樣提出地質(zhì)條件對TBM的選型起到關(guān)鍵作用。尹俊濤[5]從巖石力學(xué)和工程地質(zhì)兩方面對軟巖大變形、突水、巖爆等不良工程地質(zhì)條件下的TBM選型問題進(jìn)行了論述，同時(shí)給出了相應(yīng)的解決措施。朱方劍[6]、劉春[7]、陳藝平等[8]根據(jù)敞開式TBM、單護(hù)盾TBM、雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)性能，并參考國內(nèi)的施工經(jīng)驗(yàn)，以輸水隧洞工程為案例，綜合考慮了施工風(fēng)險(xiǎn)、施工靈活性、掘進(jìn)效率、經(jīng)濟(jì)性等因素，提出了適宜該工程的TBM機(jī)型。從以上案例可以看出，目前TBM的選型研究多集中在輸水隧洞工程中，而關(guān)于TBM選型在鐵路隧道中的研究相對較少。

川藏鐵路全段特長隧道基本位于崇山峻嶺、人跡罕至、氣候惡劣、高海拔等的特殊地理位置，環(huán)境地質(zhì)特殊，施工輔助坑道深長且難以布置，施工通風(fēng)距離超長，加之隧道具有巖爆、大變形和高地溫等復(fù)雜地質(zhì)特征，從地質(zhì)構(gòu)造、人員安全、經(jīng)濟(jì)預(yù)算等方面考慮，采用鉆爆法施工可能更加困難，這將不可避免地采用TBM施工，因此，如何合理地選擇最佳TBM型式是川藏鐵路隧道建設(shè)的重要問題[9]。

1 TBM類型及選型分析

1.1 TBM類型

在TBM發(fā)展史中出現(xiàn)過多種機(jī)型，如擴(kuò)孔式、搖臂式、敞開式和護(hù)盾式等?？紤]到TBM的耐久性、經(jīng)濟(jì)性和適用性，目前應(yīng)用最廣的機(jī)型為敞開式、護(hù)盾式(單護(hù)盾和雙護(hù)盾)以及復(fù)合式TBM[7]。而對于以巖石地層為主的鐵路隧道工程，可供選擇的TBM機(jī)型以敞開式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM為主。

因此，本節(jié)從地質(zhì)條件適應(yīng)性、施工人員安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面，對適用于鐵路隧道工程的TBM進(jìn)行分類并對其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹。

(1)敞開式TBM

敞開式TBM主要適用于巖性完整、裂隙較不發(fā)育且具有較好自穩(wěn)性的中硬巖地層[10]。敞開式TBM的造價(jià)相對較低，支護(hù)手段靈活，幾乎擁有鉆爆法施工的全部支護(hù)手段。同時(shí)，由于其護(hù)盾較短，護(hù)盾卡機(jī)的概率也相對較小。但由于施工人員和設(shè)備無護(hù)盾保護(hù)，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。見圖1。

圖1 敞開式TBM

(2)單護(hù)盾TBM

單護(hù)盾TBM適用于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的隧洞，尤其巖石強(qiáng)度較低的隧道。當(dāng)隧道開挖地層以軟弱圍巖為主，且隧道掘進(jìn)中大多以單護(hù)盾TBM進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，不能完全發(fā)揮雙護(hù)盾TBM作業(yè)優(yōu)越性時(shí)，采用單護(hù)盾TBM更合適[11]。單護(hù)盾TBM由于有了護(hù)盾以及管片的保護(hù)，施工環(huán)境相對于敞開式TBM更安全；由于采用管片襯砌，管片可為TBM提供反推力，使得單護(hù)盾TBM在軟巖中亦可掘進(jìn)[12]。但是由于其沒有獨(dú)立的支撐系統(tǒng)，管片安裝和掘進(jìn)不能同時(shí)進(jìn)行，使得掘進(jìn)效率低于雙護(hù)盾TBM。見圖2。

圖2 單護(hù)盾TBM

(3)雙護(hù)盾TBM

當(dāng)隧道圍巖軟硬變化頻繁且斷層破碎帶較多時(shí)，采用雙護(hù)盾TBM最為適宜[3]。這是由于雙護(hù)盾TBM能有效地切削單軸抗壓強(qiáng)度5～200 MPa的巖石，有利于縮短工期，但是造價(jià)昂貴。因此雙護(hù)盾TBM適合工期緊張、成本較充裕的隧洞工程[13]。雙護(hù)盾TBM相較于敞開式TBM和單護(hù)盾TBM，其護(hù)盾卡機(jī)的概率大且難于處理。見圖3。

圖3 雙護(hù)盾TBM

1.2 TBM選型考慮的主要因素

基于國內(nèi)外使用TBM進(jìn)行隧道掘進(jìn)的施工案例研究，TBM選型主要考慮的因素有如下3點(diǎn)。

(1)地質(zhì)條件適應(yīng)性

TBM在很大程度上取決于地質(zhì)條件，一旦確定了TBM的機(jī)型，就很難進(jìn)行更改。因此，TBM的選擇應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。在地質(zhì)條件方面，應(yīng)考慮TBM所處的斷裂帶情況、地下水分布、地應(yīng)力、巖石物理力學(xué)性質(zhì)和各種參數(shù)。

(2)設(shè)備和人員條件

TBM是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，每個(gè)TBM都要根據(jù)不同的地質(zhì)、支架和斷面直徑進(jìn)行制造，后續(xù)的防護(hù)、維護(hù)和零部件供應(yīng)關(guān)系到施工的成敗。由于項(xiàng)目位置十分偏遠(yuǎn)，工作人員經(jīng)常面臨不同的施工環(huán)境，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，施工管理者和組織者應(yīng)具備應(yīng)對各種情況的能力。

(3)工期要求和造價(jià)預(yù)算

不同類型的TBM掘進(jìn)速度大小不一，TBM開挖總工期應(yīng)滿足預(yù)定的隧道開挖所需工期的要求，因此，需要根據(jù)工程所要求的工期選擇合理的機(jī)型，但是制造不同的TBM所花費(fèi)的費(fèi)用也不相同，并且差異很大，因此，所選TBM應(yīng)符合工期要求、造價(jià)預(yù)算合理，做到安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一。

1.3 鐵路隧道TBM選型分析

根據(jù)國內(nèi)外鐵路隧道施工經(jīng)驗(yàn)，TBM施工的成功率取決于TBM機(jī)型的選擇是否正確，當(dāng)鐵路隧道長度大于3 km時(shí)，采用TBM施工最為適宜[14]。從開挖成本來看，隧道成本是開挖和襯砌的總和。目前，國內(nèi)的TBM開挖成本約為10%～25%，高于鉆爆法施工，由于TBM塌方體積3%-10%低于鉆爆法，它可以節(jié)省近50%的混凝土襯砌成本，所以組裝隧道成本不高于鉆爆法施工[15]。TBM隧道施工從經(jīng)濟(jì)成本、施工速度、環(huán)保、安全可靠等方面明顯優(yōu)于鉆爆法，川藏鐵路隧道工程是深埋長隧道，地質(zhì)條件復(fù)雜，應(yīng)選擇TBM施工。

不同機(jī)型面對地質(zhì)條件復(fù)雜的鐵路隧道均有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，地質(zhì)條件是鐵路隧道TBM選型的基礎(chǔ)，要考慮圍巖的完整性、硬度、巖性、成分等，敞開式TBM一般適用于圍巖條件較好、開挖后能自穩(wěn)的隧道，且圍巖的強(qiáng)度應(yīng)提供足夠的支護(hù)，掘進(jìn)時(shí)能及時(shí)識(shí)別地質(zhì)條件，及時(shí)處理不利地質(zhì)條件[16]。但當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，敞開式TBM支架無法工作，被迫關(guān)閉。同時(shí)在軟弱圍巖條件下，掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)方向難以控制。常用的雙盾式TBM，可以應(yīng)用于復(fù)雜地層的鐵路隧道施工[17]，當(dāng)斷層和破碎帶較多時(shí)，可對人員進(jìn)行保護(hù)，安全性較好。但是護(hù)盾式TBM的成本相對較高，造價(jià)大約比敞開式TBM高30%[18]。

表1從地質(zhì)條件適應(yīng)性、施工人員安全性、經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面對敞開式和單護(hù)盾、雙護(hù)盾TBM進(jìn)行綜合對比。

表1 TBM的機(jī)型分類及其適應(yīng)性

2 川藏鐵路隧道工程TBM選型

川藏鐵路可供選擇的TBM機(jī)型有：敞開式TBM，單護(hù)盾和雙護(hù)盾，本節(jié)重點(diǎn)結(jié)合川藏鐵路的地質(zhì)條件對TBM的選型進(jìn)行論述。

2.1 川藏鐵路隧道地質(zhì)概況

川藏鐵路雅安至林芝段線路穿越橫斷山脈，隧道多處通過長大越嶺地段，輔助坑道設(shè)置困難。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用均十分強(qiáng)烈，隧道主要不良地質(zhì)有巖爆、大變形、高烈度地震、活動(dòng)斷裂、斷層破碎帶、突水、涌泥、高地溫、巖溶、極硬巖、有毒有害氣體等。由此可見，川藏鐵路隧道工程勘察設(shè)計(jì)和施工難度極大。川藏鐵路沿線地質(zhì)構(gòu)造綱要見圖4。

圖4 川藏鐵路沿線地質(zhì)構(gòu)造綱要

2.2 川藏鐵路隧道對TBM的要求

隧道掘進(jìn)機(jī)選型，應(yīng)滿足以下要求。

(1)功能要求：所選TBM必須滿足川藏鐵路高海拔、復(fù)雜地質(zhì)條件的要求；符合鐵路隧道限界、運(yùn)輸、運(yùn)營、維護(hù)等要求。

(2)施工安全要求：噴錨初期支護(hù)在施工期間必須滿足結(jié)構(gòu)安全的需要；管片襯砌需同時(shí)滿足施工期間及運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)安全要求。特別是在川藏鐵路存在巖爆、大變形等不良地質(zhì)條件下的結(jié)構(gòu)安全。

(3)工期要求：TBM的工期要求是包含機(jī)械生產(chǎn)制造、施工前期準(zhǔn)備、掘進(jìn)襯砌、拆卸轉(zhuǎn)場全過程的工期要求。

(4)處理不良地質(zhì)靈活性的要求：由于川藏鐵路隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，存在巖爆、大變形、斷層破碎帶、高溫水熱、有害氣體、巖溶等，TBM需配置超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆探、超前鉆孔注漿加固等設(shè)備，以提前預(yù)報(bào)并采取措施，避免不良地質(zhì)對TBM隧道施工帶來的影響，且處理不同不良地質(zhì)的方法要靈活。

(5)線形條件要求：選用的TBM要能夠滿足鐵路隧道平面曲線轉(zhuǎn)彎半徑和縱向坡度的要求。即要求TBM掘進(jìn)方向能夠根據(jù)線型條件及時(shí)調(diào)整并有效控制，所配置的導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)能保證隧道最后貫通誤差要求。特別是用于橫洞、斜井等輔助隧道的小直徑TBM，應(yīng)適應(yīng)輔助坑道與正線施工條件要求[19]。

(6)長距離掘進(jìn)的要求：TBM連續(xù)掘進(jìn)距離長，要求TBM具有良好的性能，較長的使用壽命，充足的備件和配件。當(dāng)不具備開支洞的條件時(shí)，TBM長距離掘進(jìn)對長距離通風(fēng)、供電、運(yùn)輸及長距離給排水都提出了較高的要求。要求有可靠性高、能力強(qiáng)的通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)以及能高效率運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)輸系統(tǒng)。

2.3 川藏鐵路隧道TBM選型原則研究

川藏鐵路隧道區(qū)別于水工隧洞和礦井，對于襯砌的耐久性要求更高，斷面更大，選型應(yīng)按照安全和質(zhì)量優(yōu)先、兼顧工期成本的原則。TBM設(shè)備選型可按以下原則執(zhí)行。

(1)基于永久支護(hù)原則：根據(jù)川藏鐵路的地質(zhì)資料，線路區(qū)間的隧道工程大部分處于巖石地層，當(dāng)深埋隧道圍巖壓力較大、變形嚴(yán)重時(shí)，宜選用永久支護(hù)形式，此時(shí)建議選擇敞開式TBM。

(2)基于重大地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)原則：完整巖石為主，Ⅳ級(jí)以上硬巖地層占比較多時(shí)，選擇敞開式TBM；中等及以上巖爆段較長時(shí)，宜優(yōu)先采用護(hù)盾式；軟質(zhì)巖或軟硬相間巖石為主且地應(yīng)力較小時(shí)，選擇護(hù)盾式TBM。

(3)基于工期成本原則：對于巖層較好的區(qū)間隧道，應(yīng)從工期成本考慮選型。

2.4 川藏鐵路隧道TBM選型建議

川藏鐵路以高海拔、長距離、大埋深、不良地質(zhì)突出為主要特征，對人員設(shè)備的要求較高，TBM選型應(yīng)優(yōu)先考慮其地層、地質(zhì)適應(yīng)性，TBM應(yīng)充分考慮處治不良地質(zhì)的靈活性、工期和造價(jià)的影響[20]。

敞開式TBM的盾體較短，已開挖巖面可以更早暴露，方便施工人員對巖性的判斷以及選取合適的支護(hù)參數(shù)，且敞開式TBM支護(hù)體系基本同鉆爆法，支護(hù)和處理不良地質(zhì)的方式較為靈活。在中、硬巖層中，圍巖的穩(wěn)定性好且可以為敞開式TBM提供足夠的推力使其掘進(jìn)。護(hù)盾式TBM相比敞開式護(hù)盾較長，對掌子面巖性的判斷只能依靠巖渣的粒徑分布以及掘進(jìn)參數(shù)的改變[21]，對掌子面圍巖的認(rèn)識(shí)具有一定的不確定性和滯后性[4]，針對貧水?dāng)鄬蛹败浫鯂鷰r，仍能保持較高的掘進(jìn)速率[6]。

在隧洞主要為中、硬巖層(如二長花崗巖、花崗閃長巖)且不良地質(zhì)工程問題不突出時(shí)，建議優(yōu)先選擇敞開式TBM。

在軟弱破碎且地下水不發(fā)育的巖層中，開挖掌子面自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時(shí)間短，不建議采用敞開式TBM，可選用單護(hù)盾及雙護(hù)盾TBM。

3 TBM改進(jìn)意見

川藏鐵路隧道工程采用TBM施工段存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，為減少工程損失，建議TBM從以下方面進(jìn)行改進(jìn)。

(1)從TBM機(jī)械設(shè)計(jì)理念上全面提升設(shè)備能力，充分考慮高海拔對TBM設(shè)備降效的影響，增強(qiáng)各類型TBM的機(jī)械性能配置。

(2)搭載多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備，相互驗(yàn)證，并將物探設(shè)備及輸出裝置集成在TBM上，實(shí)時(shí)獲取預(yù)報(bào)信息，提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

(3)研配多種不同特性的刀具，開展理論設(shè)計(jì)、機(jī)械性能試驗(yàn)、多重備貨、試驗(yàn)段研究比選等工作。

(4)通過刀盤提升、擴(kuò)挖刀和更換邊塊方式，增強(qiáng)TBM擴(kuò)挖能力，可后配套應(yīng)預(yù)留足夠空間，防止卡盾和卡后配套。

(5)提高軸承-刀盤直徑比，設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)雙減速器，在低檔位、低轉(zhuǎn)速條件提供足夠脫困扭矩。

(6)配備適用性強(qiáng)的超前加固系統(tǒng)和及時(shí)支護(hù)系統(tǒng)，設(shè)備預(yù)留超前管棚作業(yè)空間，配置常態(tài)化L1區(qū)混凝土噴射裝置，提高在短距離巖爆、軟巖大變形、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶地段的通過能力。

(7)搭載微振監(jiān)測系統(tǒng)及多功能超前鉆機(jī)，以便巖爆預(yù)測和超前鉆孔釋放應(yīng)力，后配套搭載防護(hù)棚，以進(jìn)一步保證施工人員的安全。

(8)充分考慮開挖斷面的富裕量，保證TBM在無擴(kuò)挖的情況下具有充分的變形空間。

(9)增大主撐靴接地面積，配置高性能大功率抽水泵和氧氣發(fā)生器。

(10)川藏鐵路TBM使用臺(tái)數(shù)多且掘進(jìn)距離長，要求廠家對主軸承等關(guān)鍵配件在國內(nèi)留存足夠備件。

4 結(jié)論

本文結(jié)合川藏鐵路隧道的特點(diǎn)，針對其高海拔、大埋深、不良地質(zhì)突出的特征，建議TBM施工的隧道按以下方式選型。

(1)對于以巖石地層為主的鐵路隧道工程，可供選擇的TBM機(jī)型以敞開式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM為主。TBM的選擇應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，對于鐵路隧道TBM選型應(yīng)滿足地層要求，保證設(shè)備和施工人員的安全，并同時(shí)滿足工期要求和造價(jià)預(yù)算，同時(shí)兼顧安全、質(zhì)量和工期的要求，建議按照永久支護(hù)、重大地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、工期成本的原則選型。

(2)根據(jù)川藏鐵路的地質(zhì)資料，線路區(qū)間的隧道工程大部分處于巖石地層，當(dāng)深埋隧道圍巖壓力較大、變形嚴(yán)重時(shí)，宜選用永久支護(hù)形式，此時(shí)建議選擇敞開式TBM。完整巖石為主，Ⅳ級(jí)以上硬巖地層占比較多時(shí)，選擇敞開式TBM；中等及以上巖爆段較長時(shí)，宜優(yōu)先采用護(hù)盾式；軟質(zhì)巖或軟硬相間巖石為主且地應(yīng)力較小時(shí)，選擇護(hù)盾式TBM。

(3)根據(jù)資料調(diào)研和國內(nèi)TBM施工經(jīng)驗(yàn)，對機(jī)械設(shè)備、刀盤刀具改造、巖爆防護(hù)措施和軟巖大變形的變形預(yù)留量措施等方面提出了改進(jìn)意見。