杜闖東， 周路軍， 朵生君， 賀 飛

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 511457； 2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031； 3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043；4. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

川藏鐵路(Sichuan-Tibet railway)東起成都，向西經(jīng)雅安、康定、昌都、林芝，終至拉薩，成都至雅安段已于2018年12月開通運(yùn)營，林芝至拉薩段正在建設(shè)，目前開工建設(shè)的是最為艱難復(fù)雜的雅安至林芝段，面臨著“極端地質(zhì)災(zāi)害”和“工程異常艱巨”兩大挑戰(zhàn)[1-2]。建設(shè)川藏鐵路對維護(hù)國家統(tǒng)一、促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)、鞏固邊疆穩(wěn)定，對推動西部地區(qū)特別是川藏兩省區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，具有十分重要的意義。為認(rèn)真貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院“科學(xué)規(guī)劃、技術(shù)支撐、保護(hù)生態(tài)、安全可靠”，“高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量”和“科學(xué)施工、安全施工、綠色施工” 推進(jìn)川藏鐵路建設(shè)的總體指導(dǎo)思想和明確要求，必須提高川藏鐵路隧道的機(jī)械化施工水平，推廣應(yīng)用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)將是科學(xué)高效建成川藏鐵路的有效途徑之一。

目前，TBM已經(jīng)成為國內(nèi)外隧道(洞)工程施工的重要選擇，被廣泛應(yīng)用于水利隧洞、城市軌道、市政交通和鐵路隧道等領(lǐng)域。長期以來，工程技術(shù)人員和業(yè)內(nèi)專家對TBM技術(shù)進(jìn)行了大量的研究、總結(jié)和創(chuàng)新。文獻(xiàn)[3-5]對我國TBM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，并對TBM的應(yīng)用特點(diǎn)和適應(yīng)性進(jìn)行了分析研究，進(jìn)一步明確了各類TBM的工程適應(yīng)性和選型建議；文獻(xiàn)[6-7]對近年來我國隧道、地下工程發(fā)展，以及硬巖掘進(jìn)機(jī)的創(chuàng)新與實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)和研究，分析了我國隧道技術(shù)和國內(nèi)外TBM應(yīng)用現(xiàn)狀，并開展了大量復(fù)雜地層TBM針對性設(shè)計(jì)研究；文獻(xiàn)[8-9]結(jié)合TBM在引松供水工程總干線四標(biāo)段的掘進(jìn)施工情況，研究了TBM的各項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)與主要設(shè)計(jì)參數(shù), 分析了TBM掘進(jìn)各種地層(特別是灰?guī)r地層)的特點(diǎn)及工程適應(yīng)性；文獻(xiàn)[10-13]結(jié)合引漢濟(jì)渭、新疆ABH和錦屏水電站等工程在復(fù)雜不良地層(特別是高地應(yīng)力巖爆、斷層)中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、預(yù)防處理和脫困施工，分析了巖爆發(fā)生的時(shí)空特征規(guī)律、三維地震波法和微震監(jiān)測在TBM隧道中的應(yīng)用價(jià)值，提出了TBM高地應(yīng)力巖爆分級防控準(zhǔn)則、技術(shù)方案和“裝備-掘進(jìn)-支護(hù)”三者協(xié)同的分級防控理論技術(shù)體系，總結(jié)了斷層破碎帶等地層中的處理方法和脫困經(jīng)驗(yàn)；文獻(xiàn)[14-16]結(jié)合大瑞鐵路高黎貢山隧道的地質(zhì)特征(軟弱破碎帶卡機(jī)、高壓突涌水等施工風(fēng)險(xiǎn))、工程重難點(diǎn)和TBM應(yīng)用情況，提出高適應(yīng)性TBM的針對性設(shè)計(jì)方案, 提出TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、鋼筋排和鋼拱架聯(lián)合噴射混凝土及時(shí)支護(hù)、合理調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)等一系列方案與措施。各行業(yè)間對TBM的廣泛應(yīng)用和創(chuàng)新研究，有力促進(jìn)了TBM技術(shù)的發(fā)展，也為下一步川藏鐵路隧道TBM的應(yīng)用提供了一系列案例參考和技術(shù)支撐。

川藏鐵路通過前期大量地質(zhì)勘察和研究工作，多條隧道擬采用TBM工法施工。文獻(xiàn)[17-18]在調(diào)研國內(nèi)外眾多TBM工程的基礎(chǔ)上，對川藏鐵路TBM施工適應(yīng)性及選型進(jìn)行分析，對川藏鐵路隧道TBM應(yīng)用提出了一些針對性措施和建議?？傮w來看，目前對川藏鐵路隧道TBM應(yīng)用研究的文章還比較少，且基于川藏鐵路特殊的區(qū)域地質(zhì)和環(huán)境條件，尚有許多不同的看法。為了使TBM能在川藏鐵路隧道進(jìn)一步合理應(yīng)用和成功推進(jìn)，本文結(jié)合川藏鐵路隧道的建設(shè)總體要求、地質(zhì)條件、環(huán)境特征和各類型TBM特點(diǎn)，從前期專題研究深度參與者和先行標(biāo)參建者的角度，充分吸收了前期相關(guān)各方的階段性調(diào)查研究成果，通過進(jìn)一步的深入分析和系統(tǒng)總結(jié)，綜合性給出了川藏隧道TBM工法選擇原則、適應(yīng)性和選型結(jié)論，并針對川藏鐵路隧道的重大不良地質(zhì)，對TBM的針對性設(shè)計(jì)、施工措施和工程推進(jìn)等方面提出了一些建議和思考，以期為川藏鐵路或類似TBM隧道工程建設(shè)提供一定借鑒。

1 川藏鐵路隧道工程概況

川藏鐵路雅安至林芝段新建正線長度約1 010 km，自東向西橫貫“橫斷山脈群”，山高谷深，建設(shè)區(qū)具有“陡峻的高原地形、劇烈的板塊活動、頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害、敏感的生態(tài)環(huán)境、惡劣的氣候條件、薄弱的基礎(chǔ)設(shè)施”等6大特征。雅安至林芝段是川藏鐵路地形最為艱難險(xiǎn)峻、地理環(huán)境和地質(zhì)條件最為復(fù)雜的一段，勘察設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營各階段都面臨巨大挑戰(zhàn)，安全和建設(shè)管理風(fēng)險(xiǎn)高、難度大,是迄今為止世界上修建技術(shù)難度最大的鐵路工程。

本線路段的長大隧道眾多，輔助坑道設(shè)置條件差。初步設(shè)計(jì)階段新建隧道69座，約841.5 km，占線路總長度83%。10 km以上隧道有36座，20 km以上隧道有15座，30 km以上隧道有6座，最長的易貢隧道長42.374 km。海拔在3 000 m以上隧道共45座，總長約630 km；海拔在3 500 m以上隧道共36座，總長約470 km；海拔在4 000 m以上隧道共13座，總長約200 km。海拔最高隧道為果拉山隧道，正洞最高海拔4 469 m。隧道線路線型和所穿越地層具有“大埋深、大坡度、高海拔、高應(yīng)力、高地?zé)帷⒏邏核?、巖質(zhì)差、不連續(xù)、差異大”等工程特點(diǎn)。設(shè)計(jì)方案還可能繼續(xù)優(yōu)化，現(xiàn)階段隧道設(shè)計(jì)長度統(tǒng)計(jì)見表1。15座20 km以上隧道主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 川藏鐵路雅安至林芝段隧道長度分布

表2 15座20 km以上隧道主要參數(shù)

2 川藏鐵路隧道TBM工法選擇及適應(yīng)性分析

川藏鐵路長大隧道眾多，并具有高寒高海拔的環(huán)境特征，隧道施工作業(yè)勞動強(qiáng)度大，人工和普通施工機(jī)械的工效均嚴(yán)重降低。TBM工法具有掘進(jìn)速度快、作業(yè)環(huán)境好、對生態(tài)環(huán)境影響小、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)，在高原更能充分發(fā)揮TBM施工“高效、環(huán)保、安全、優(yōu)質(zhì)” 等特點(diǎn)，可較好解決傳統(tǒng)鉆爆法長大隧道輔助坑道設(shè)置困難和工效低等方面的施工難題。在適宜條件下采用TBM施工將是加快推進(jìn)川藏鐵路建設(shè)的重要手段，并可提高我國隧道的修建技術(shù)水平，也更符合國家“高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量”建成川藏鐵路的總體要求。因此，針對川藏鐵路各長大(尤其是特長)隧道的具體工程地質(zhì)和施工環(huán)境條件，應(yīng)深入開展TBM工法選擇、設(shè)備選型和適應(yīng)性分析等相關(guān)研究。

2.1 川藏鐵路隧道TBM工法選擇

對于川藏鐵路TBM隧道的選擇,要充分考慮本工程的隧道地質(zhì)條件、區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)、隧道位置、施工環(huán)境條件、工期、TBM工法適應(yīng)性和各類型TBM的優(yōu)缺點(diǎn)等，綜合確定TBM隧道的選擇原則，并結(jié)合川藏鐵路TBM隧道各工點(diǎn)的具體情況進(jìn)行綜合比較和具體分析。川藏鐵路隧道TBM工法選擇的總體原則是TBM隧道前期地質(zhì)勘查已經(jīng)基本準(zhǔn)確、TBM掘進(jìn)段沒有長大段落不良地層、嚴(yán)重不良地層段有條件采用超前或輔助工法處理。如果不良地質(zhì)洞段較短，需要針對性地進(jìn)行TBM適應(yīng)性設(shè)計(jì)并與輔助工法相結(jié)合，以保證TBM安全穿越；如果不良地質(zhì)圍巖洞段所占TBM掘進(jìn)段總長度比例較大，會大概率增加TBM掘進(jìn)難度，或造成頻繁卡機(jī)，嚴(yán)重影響工期和成本，則需要放棄TBM施工工法。主要考慮因素如下：

1)地質(zhì)勘察盡量準(zhǔn)確。從已經(jīng)施工的TBM鐵路隧道來看，大部分隧道的地質(zhì)勘察是比較詳細(xì)的，也較好地指導(dǎo)了TBM施工。而高黎貢山隧道TBM之所以目前遇到頻繁卡機(jī)和噴涌等問題，也大多是由于對本工程的地質(zhì)勘察不明和認(rèn)識不足。

2)TBM選用需規(guī)避重大風(fēng)險(xiǎn)(即極端不良地質(zhì)占比大，易造成長期被困和重大安全事故等情況)。強(qiáng)烈?guī)r爆、極強(qiáng)巖爆要考慮TBM掘進(jìn)降效的工期影響[12-13]，如錦屏電站和引漢濟(jì)渭等工程，雖然TBM巖爆防控和施工技術(shù)有了很大提高，但要防止出現(xiàn)嚴(yán)重設(shè)備損壞和人員傷亡事故；當(dāng)高地應(yīng)力軟巖大變形、寬大斷層及嚴(yán)重軟弱破碎帶、嚴(yán)重突水涌泥地段、巖溶發(fā)育等不良地質(zhì)段落區(qū)段較長，會對TBM施工產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此不推薦采用TBM。

3)對于巖體較完整、有一定自穩(wěn)性的次硬巖—硬巖地層，斷裂、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育或有條件處理的特長隧道，可采用TBM。

4)考慮川藏鐵路高海拔、大直徑TBM的特點(diǎn)，正洞TBM獨(dú)頭掘進(jìn)距離不宜超過16 km；獨(dú)頭通風(fēng)距離不宜超過10 km，困難情況下不宜超過15 km(目前新疆EH工程TBM最長獨(dú)頭掘進(jìn)15.4 km，通風(fēng)距離11 km，效果比較好；引大濟(jì)湟工程TBM獨(dú)頭通風(fēng)距離達(dá)15 km，但效果較差)。

5)在目前施工和技術(shù)條件下，TBM隧道的開挖斷面不宜太大，TBM施工的正線隧道均采用雙洞單線隧道。目前國內(nèi)外的長大鐵路TBM隧道基本都是采用雙洞單線方式。

2.2 川藏鐵路隧道TBM適應(yīng)性分析

對TBM的適應(yīng)性起決定性影響的主要在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)2個(gè)方面。尤其川藏鐵路隧道地處青藏高原南部印度板塊與亞歐板塊擠壓造山帶，高能地質(zhì)環(huán)境突出，但受地形和人類活動條件限制，地質(zhì)勘察工作開展困難，因此TBM施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。川藏鐵路隧道極端不良地質(zhì)主要包括極硬巖、強(qiáng)巖爆、軟弱大變形、斷層破碎帶、突泥突水和巖溶等，此類圍巖屬于TBM適應(yīng)性極差的地質(zhì)條件，這些不良地質(zhì)因素可能會使TBM進(jìn)尺困難、難以穿越、被卡被困，帶來極大的工程風(fēng)險(xiǎn)，這對TBM自身的適應(yīng)性提出了更高要求。

2.2.1 川藏鐵路隧道對TBM適應(yīng)性總體要求

川藏鐵路隧道具有超長距離、大埋深、地質(zhì)條件復(fù)雜、勘察難以準(zhǔn)確和施工條件差等特點(diǎn)，相關(guān)不利因素的疊加對隧道的建設(shè)技術(shù)和TBM的適應(yīng)性提出了更高要求，也對我國的TBM設(shè)計(jì)制造和施工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。結(jié)合TBM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出川藏鐵路隧道對TBM適應(yīng)性總體要求。

1)隧道功能要求。TBM開挖和襯砌斷面要滿足川藏鐵路設(shè)計(jì)斷面要求，永久內(nèi)襯斷面不小于φ8.8 m，并滿足轉(zhuǎn)彎半徑、縱坡和初期支護(hù)等基本功能需求。

2)工期和指標(biāo)要求。TBM掘進(jìn)能力要滿足川藏鐵路隧道各級圍巖限定指標(biāo)和工期要求，包含掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)制造、施工的前期準(zhǔn)備、掘進(jìn)襯砌、拆卸轉(zhuǎn)場全過程的工期要求。

3)長距離掘進(jìn)要求。TBM要具有良好的性能、較長的使用壽命及充足的備件和配件。

4)處理局部不良地質(zhì)的靈活性。需配置超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆探、注漿加固和較強(qiáng)的應(yīng)急支護(hù)等設(shè)備，根據(jù)地層揭示情況，提前采取加固和加強(qiáng)措施，必要時(shí)采取適當(dāng)?shù)妮o助方法預(yù)處理局部不良地質(zhì)。

5)施工安全要求。噴錨、拱錨網(wǎng)噴或薄管片(鋼管片)等初期支護(hù)必須滿足施工期間結(jié)構(gòu)安全，永久(或單層管片)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。

6)氣候環(huán)境要求。滿足川藏高原氣候和自然環(huán)境特點(diǎn)要求，適應(yīng)高寒缺氧和惡劣自然環(huán)境條件。

2.2.2 川藏鐵路隧道TBM適應(yīng)性分類與評價(jià)

川藏鐵路雅安至林芝段，地層時(shí)代從震旦系至新生界均有分布，地層巖性十分復(fù)雜。主要巖性有以砂巖、板巖、千枚巖、片麻巖為主的沉積巖、變質(zhì)巖，以花崗巖、閃長巖、輝長巖為主的侵入巖，以灰?guī)r、大理巖為主的可溶巖。全線硬質(zhì)巖以花崗巖、片麻巖為主，局部段落分布有閃長巖、輝長巖、灰?guī)r、大理巖、砂巖等，隧道段硬質(zhì)巖占比約47%。針對每座長大隧道不同地層巖性和地質(zhì)條件，可按照以下方法進(jìn)行TBM適應(yīng)性分類和評價(jià)分析，分類和評價(jià)都達(dá)到A類(級)的推薦采用TBM工法，達(dá)到B類(級)的則應(yīng)有條件并考慮輔助工法或預(yù)處理措施方可采用TBM，達(dá)到C類(級)及以下的則不建議采用TBM。

2.2.2.1 川藏鐵路長大隧道TBM適應(yīng)性分類

通過對隧道地質(zhì)條件、施工風(fēng)險(xiǎn)、輔助坑道設(shè)置條件、施工工期等方面的綜合比選，將川藏鐵路長大隧道的TBM適應(yīng)性分為以下5類。

A類： 工程地質(zhì)條件好(硬巖為主)、構(gòu)造影響?。汇@爆法輔助坑道設(shè)置極其困難、工期長(100個(gè)月以上)、工期風(fēng)險(xiǎn)大；適合TBM施工的隧道。

B類： 工程地質(zhì)條件好(硬巖為主)、構(gòu)造影響?。汇@爆法輔助坑道設(shè)置條件好；適合TBM施工的隧道。

C類： 工程地質(zhì)條件較好(較軟巖—硬巖為主)、構(gòu)造影響小；鉆爆法輔助坑道設(shè)置困難、工期較長；TBM施工正洞有一定的風(fēng)險(xiǎn)，可研究小TBM施工平導(dǎo)的適應(yīng)性。

D類： 工程地質(zhì)條件較差、構(gòu)造影響較大；鉆爆法輔助坑道設(shè)置困難、工期較長、工期風(fēng)險(xiǎn)大；根據(jù)揭示的地質(zhì)資料，TBM施工風(fēng)險(xiǎn)較大，需進(jìn)一步研究TBM施工的可行性。

E類： 工程地質(zhì)條件差、構(gòu)造影響大；鉆爆法輔助坑道設(shè)置條件好、工期短；不適合TBM施工的隧道。

2.2.2.2 隧道圍巖TBM工作條件分級

川藏鐵路各長大隧道應(yīng)根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、巖體完整程度、巖石磨蝕性等指標(biāo)將隧道圍巖進(jìn)行分類、分級，并按照各級圍巖將掘進(jìn)機(jī)工作條件適應(yīng)性由好到差再分成A、B、C 3級。具體的分級如表3所示，通過查證，本表的數(shù)據(jù)早期由中鐵西南科學(xué)研究院相關(guān)科研人員根據(jù)西康鐵路秦嶺隧道TBM施工研究提出，后來經(jīng)過了眾多學(xué)者的應(yīng)用修正，但到目前為止仍有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

表3 隧道圍巖掘進(jìn)機(jī)工作條件分級表

2.3 川藏鐵路初步設(shè)計(jì)推薦TBM隧道分析

川藏鐵路在前期勘察資料基礎(chǔ)上，充分考慮隧道地質(zhì)條件、施工風(fēng)險(xiǎn)、輔助坑道設(shè)置條件、施工工期、工程投資等因素，根據(jù)上述隧道的TBM工法選擇、適應(yīng)性分類和掘進(jìn)機(jī)工作條件適應(yīng)性分級等原則和川藏鐵路隧道的自身特點(diǎn)，對20多座重點(diǎn)隧道進(jìn)行了TBM適應(yīng)性綜合分析。按照適合TBM施工的隧道盡量考慮選用TBM，經(jīng)綜合比選，初步選擇了包括易貢、德達(dá)等隧道在內(nèi)的近10座長大隧道計(jì)劃采用TBM施工(最高達(dá)到了44臺，包括輔助坑道TBM施工計(jì)劃)。后來在初步設(shè)計(jì)方案報(bào)審過程中，經(jīng)過多輪的評審論證和深化研究，綜合各方面的影響因素，孜拉山、果拉山、伯舒拉嶺和色季拉山4座隧道推薦采用TBM(共10臺)施工，除色季拉山隧道已經(jīng)開工外，另外3座隧道設(shè)計(jì)方案還在持續(xù)優(yōu)化審查中。初步確定的4座TBM隧道概況見表4。

表4 川藏鐵路4座TBM隧道概況及工籌分析表

3 川藏鐵路隧道TBM選型

TBM隧道的工法選擇、適應(yīng)性分析及設(shè)備選型等是與TBM隧道施工密不可分的多個(gè)方面，在做好隧道TBM工法選擇和適應(yīng)性分析的同時(shí)，還要結(jié)合TBM選型及針對性設(shè)計(jì)等進(jìn)行綜合分析和專項(xiàng)論證。不同機(jī)型的TBM針對不同地層巖性和地質(zhì)條件，其適用性及經(jīng)濟(jì)性存在很大差異，選用TBM類型不同，導(dǎo)致的工程工期和成本、工程可靠性和壽命也不同，因此TBM選型正確是隧道成功貫通的前提。根據(jù)支護(hù)模式和支撐方式不同，TBM可分為敞開式TBM和護(hù)盾式TBM，其中護(hù)盾式TBM又分為單護(hù)盾和雙護(hù)盾2種，這3種類型的TBM一般均采用非閉胸、硬巖刀盤、刀盤刮碴、中心皮帶機(jī)出碴的基本設(shè)計(jì)。另外，很多TBM(盾構(gòu))廠家還研發(fā)制造出了雙模或多模式的TBM(盾構(gòu))。

3.1 各類型TBM特點(diǎn)及適應(yīng)性分析

3.1.1 綜合分析

隧道TBM選型得當(dāng)可以提高掘進(jìn)速度、縮短工期、降低施工成本。相反，不恰當(dāng)?shù)腡BM選型會延誤工期，增加施工成本，甚至無法持續(xù)掘進(jìn)。川藏鐵路長大隧道地層以巖層為主，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，為提高TBM掘進(jìn)效率，川藏鐵路隧道所用TBM應(yīng)以敞開式、單護(hù)盾和雙護(hù)盾3種類型為主。

敞開式TBM： 采用拱、錨、網(wǎng)、噴等支護(hù)方式，無全環(huán)管片，依靠撐靴提供推進(jìn)反力，掘進(jìn)效率高，綜合成本低，總體上適用于硬質(zhì)巖層。

單護(hù)盾TBM： 沒有撐靴，同步安裝全環(huán)管片，隧道一次成型，管片背后回填碎石骨料并注漿固結(jié)，依靠管片提供推進(jìn)反力，合適圍巖成洞效率高，總體上適用于軟質(zhì)巖層。

雙護(hù)盾TBM： 設(shè)伸縮盾和撐靴，原則上同步安裝全環(huán)管片，管片背后回填碎石骨料并注漿固結(jié)，可由管片或撐靴2種方式提供推進(jìn)反力，合適圍巖成洞效率更高，總體上適用于硬質(zhì)與軟質(zhì)巖交替巖層，但不能有較大和明顯的接觸破碎帶或斷層破碎帶。

3.1.2 特點(diǎn)對比分析

1)地質(zhì)適應(yīng)性方面。3種類型的TBM實(shí)際上都要求開挖地層具有一定自穩(wěn)性，護(hù)盾式TBM對于不良地層的適應(yīng)性并非明顯高于敞開式TBM[3]，因有管片保護(hù)，直觀判斷在巖爆的安全性上要優(yōu)于敞開式TBM，但在永久結(jié)構(gòu)安全性上還存在較大爭議。敞開式TBM護(hù)盾后的主機(jī)區(qū)域可見洞壁，在應(yīng)對地層變化上主動性更強(qiáng)，目前技術(shù)水平下，可通過針對性的設(shè)計(jì)顯著提升敞開式TBM對不良地質(zhì)的適應(yīng)能力。

2)卡機(jī)和脫困方面。敞開式TBM護(hù)盾較短且可通過油缸徑向伸縮，相對于護(hù)盾式TBM而言不易被卡，且在需要超前地質(zhì)處理或卡機(jī)脫困時(shí)有較大作業(yè)空間，實(shí)施較為便利；雙護(hù)盾TBM盾體更長，導(dǎo)致卡機(jī)概率相對更高，處理難度更大。

3)成洞效率和施工環(huán)境方面。護(hù)盾式TBM在穩(wěn)定地層的施工特點(diǎn)是綜合成洞速度快、作業(yè)環(huán)境友好，也確實(shí)拓寬了TBM對不同工程的適應(yīng)性需求。但川藏鐵路隧道斷面比較大，可以實(shí)現(xiàn)一定的同步襯砌施工，并通過針對性設(shè)計(jì)和管理提升，大大改善現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境。

4)質(zhì)量和成本方面。護(hù)盾式TBM受管片安裝和管片背后回填限制，建設(shè)成本會增加，施工效率相對較低，管片受力、接縫防水和回填質(zhì)量也很難保證，特別是大斷面管片隧道；敞開式TBM可根據(jù)圍巖情況實(shí)時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和襯砌結(jié)構(gòu)，并給予圍巖和初期支護(hù)充分的暴露時(shí)間，以達(dá)到質(zhì)量可控、經(jīng)濟(jì)合理的效果。

當(dāng)然，影響TBM選型的因素還非常多，但從3種TBM類型特點(diǎn)和不同點(diǎn)等方面進(jìn)行全面對比分析后，可明顯看出3種類型TBM適應(yīng)特性和范圍，如表5所示。

表5 3種類型TBM適應(yīng)特性對比表

3.2 川藏鐵路隧道TBM選型分析

TBM選型不僅要考慮地質(zhì)適應(yīng)性，還要考慮工程質(zhì)量、工程風(fēng)險(xiǎn)、工程工期和工程成本，相關(guān)各方和行業(yè)人士會因?yàn)樗窘嵌群头治鰴?quán)重的不同產(chǎn)生不同的看法，因此，對于川藏TBM的選型也有多種不同的聲音?；谝酝罅抗こ虒?shí)踐經(jīng)驗(yàn)和川藏鐵路隧道的特點(diǎn)，在通過多輪評審后，目前川藏鐵路初步設(shè)計(jì)4座TBM隧道的10臺TBM全部推薦采用敞開式。

1)綜合要素分析。應(yīng)從地質(zhì)條件出發(fā)，分析工程質(zhì)量、工程風(fēng)險(xiǎn)、工程進(jìn)度、工程成本等多種因素，抓住關(guān)鍵因素進(jìn)行TBM選型分析?？偨Y(jié)既有工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合川藏鐵路隧道特點(diǎn)，提出“地質(zhì)適應(yīng)原則、風(fēng)險(xiǎn)控制原則、工期成本原則、相容有利原則”4個(gè)TBM選型原則。在不同工程和不同單位，4個(gè)原則體現(xiàn)的權(quán)重可能不同，一般情況下遵循的優(yōu)先順序?yàn)椋?地質(zhì)適應(yīng)原則、風(fēng)險(xiǎn)控制原則、工期成本原則、相容有利原則。

2)從地質(zhì)關(guān)鍵因素角度分析。如果隧道圍巖整體條件好，軟弱(質(zhì))圍巖洞段較短，支護(hù)量不大，采用敞開式TBM具有顯著的成本和進(jìn)度優(yōu)勢；如果存在軟硬質(zhì)巖交替，軟質(zhì)圍巖洞段比例較長，但不會頻繁被卡被困，采用雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)支護(hù)一次成洞，具有一定的工期優(yōu)勢；單護(hù)盾TBM掘進(jìn)和管片安裝不能同步，施工進(jìn)度較慢，一般用于以軟質(zhì)圍巖洞段為主、撐靴無法支撐洞壁的工程，而川藏鐵路選擇TBM工法的隧道絕大部分洞段為硬質(zhì)圍巖，所以單護(hù)盾TBM沒有特定的適宜條件和優(yōu)勢；然而，在一般巖爆洞段，通常護(hù)盾式TBM比敞開式TBM安全性更高。

3)從風(fēng)險(xiǎn)控制角度分析。川藏鐵路隧道大部分均為超長超大深埋復(fù)雜隧道，地質(zhì)條件很難完全查明，存在斷層破碎帶、軟巖大變形、巖爆及高地溫等重大風(fēng)險(xiǎn)，雙護(hù)盾TBM長期被卡被困的風(fēng)險(xiǎn)更大；采用預(yù)制管片支護(hù)靈活性相對較差，管片襯砌接縫多，在接縫處的防水性、耐久性以及全隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體性等方面還有待進(jìn)一步研究。

4)從技術(shù)可靠性角度分析。雖然隧道地質(zhì)條件是決定TBM選型的關(guān)鍵因素，但在應(yīng)對不良地質(zhì)方面的TBM設(shè)計(jì)制造、施工技術(shù)及其創(chuàng)新能力等決定了TBM工法和類型的被選擇性；根據(jù)川藏線目前揭示的工程地質(zhì)情況、圍巖巖性、隧道長度及輔助坑道設(shè)置條件等，現(xiàn)階段應(yīng)以敞開式TBM為主；后續(xù)也可根據(jù)詳勘地質(zhì)資料及各隧道實(shí)際情況，進(jìn)一步分析各隧道各洞段的TBM選型及針對性設(shè)計(jì)；另外，針對個(gè)別工點(diǎn)輔助坑道，在地質(zhì)條件允許的情況下也可考慮護(hù)盾式TBM或雙模TBM等。

4 川藏鐵路隧道TBM設(shè)備配置及施工措施

川藏鐵路通過大量前期地質(zhì)勘查和論證工作，目前推薦采用TBM的隧道基本規(guī)避了大部分嚴(yán)重不良地質(zhì)隧道，或者在較大不良地質(zhì)段有條件采用輔助工法進(jìn)行處理。但是，目前4座TBM隧道都是長大隧道，不能完全規(guī)避所有不良地質(zhì)和復(fù)雜的環(huán)境條件，比如： 大埋深高地應(yīng)力條件下的硬巖巖爆和少量軟巖變形，局部的斷層、軟弱破碎帶、突水涌泥和長大隧道的大涌水量，以及高海拔和高地溫等環(huán)境影響。TBM設(shè)備還應(yīng)有相應(yīng)的針對性設(shè)計(jì)，并且在建設(shè)和施工管理過程中采取積極的管控措施，具體如下。

1)川藏鐵路隧道TBM設(shè)備配置應(yīng)結(jié)合地質(zhì)勘察資料、隧道施工組織、外部環(huán)境、工程投資等因素綜合選擇，并做相應(yīng)的針對性設(shè)計(jì)，對TBM設(shè)備性能進(jìn)行優(yōu)化。重點(diǎn)考慮巖爆、斷層破碎帶、軟巖變形、突水涌泥、高地溫、高海拔的針對性設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)造，確保制造質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

2)在TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和防突水涌泥方面，需要研究多種物探系統(tǒng)、地質(zhì)鉆探系統(tǒng)、巖爆監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在TBM上的有效集成搭載技術(shù)，力爭實(shí)現(xiàn)“地勘先行、超前預(yù)報(bào)、鉆探驗(yàn)證、處治得當(dāng)”。隧道設(shè)置“人”字坡，TBM盡量從兩端順坡掘進(jìn)，反坡掘進(jìn)時(shí)應(yīng)按地勘涌水量，加大TBM和隧道抽排水設(shè)備能力。

3)在TBM應(yīng)對巖爆方面，搭載微震監(jiān)測地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆機(jī)、徑向錨桿鉆機(jī)、鋼筋排和拱架(鋼管片)安裝等系統(tǒng)，加大頂護(hù)盾盾體強(qiáng)度、油缸頂升和抗沖擊能力，增強(qiáng)重點(diǎn)設(shè)備和作業(yè)區(qū)域的巖爆防護(hù)設(shè)計(jì)。

4)在TBM應(yīng)對斷層破碎帶和軟巖變形方面，完善刀盤提升、擴(kuò)挖設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)，加大刀盤、推進(jìn)系統(tǒng)和皮帶機(jī)功率，增強(qiáng)TBM整體脫困能力；加大鋼筋排存儲范圍和超前加固能力；重點(diǎn)加強(qiáng)L1區(qū)快速高效錨噴支護(hù)能力，增強(qiáng)應(yīng)急噴射混凝土(或人工噴射)靈活性、及時(shí)性(緊靠擴(kuò)盾)、覆蓋范圍和物料供給能力；并可考慮鋼管片拼裝支護(hù)和輔助推進(jìn)系統(tǒng)；進(jìn)一步研究撐靴模注、換填工藝、早強(qiáng)材料；合理空間布局，配備實(shí)用、高效的清碴系統(tǒng)等。

5)在TBM連續(xù)長距離掘進(jìn)、高海拔作業(yè)環(huán)境和高地溫方面，重點(diǎn)在如刀盤、主驅(qū)動、連續(xù)皮帶機(jī)等關(guān)鍵部件采用超長壽命設(shè)計(jì)，優(yōu)化電氣系統(tǒng)選型，提高設(shè)備線路阻抗系數(shù)，合理設(shè)置TBM的物流供應(yīng)和運(yùn)輸通道，加強(qiáng)通風(fēng)和降溫措施。

6)在TBM掘進(jìn)與支護(hù)系統(tǒng)匹配方面，川藏TBM首先是重點(diǎn)考慮在長距離完整(適合)地層中滿足快速高效掘進(jìn)的功能要求，然后再重點(diǎn)提升TBM應(yīng)對局部不良地質(zhì)的支護(hù)系統(tǒng)可靠性和自動化水平，并能較好適應(yīng)不同支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化，真正實(shí)現(xiàn)川藏鐵路隧道TBM快速高效施工、減少作業(yè)人員和降低勞動強(qiáng)度的目標(biāo)。

針對川藏鐵路隧道各種不良地層和存在的風(fēng)險(xiǎn)，基于敞開式TBM，要在前面建議的基礎(chǔ)上，廣泛開展系統(tǒng)的技術(shù)研究和創(chuàng)新，重點(diǎn)提高TBM應(yīng)對巖爆、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶和高地應(yīng)力軟巖變形等方面的能力。如： 重點(diǎn)研究鋼筋排、拱架(包括鋼管片)安裝機(jī)、噴射機(jī)械手、錨桿鉆機(jī)、超前鉆注一體機(jī)和撐靴模注換填等系統(tǒng)在L1區(qū)的系統(tǒng)集成，開發(fā)論證雙結(jié)構(gòu)、新型結(jié)構(gòu)、輔助推進(jìn)、高效清碴和物料供應(yīng)等技術(shù)穩(wěn)定性及可靠性。其TBM支護(hù)系統(tǒng)集成和新型復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別如圖1和圖2所示。同時(shí)，還要廣泛開展針對性工業(yè)試驗(yàn)和應(yīng)用驗(yàn)證，以便在川藏鐵路隧道施工中能真正發(fā)揮作用。具體施工風(fēng)險(xiǎn)分析和對策見表6。

圖1 川藏鐵路隧道TBM支護(hù)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)概念圖

圖2 川藏鐵路隧道TBM新型復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念圖

表6 川藏鐵路不良地質(zhì)TBM施工風(fēng)險(xiǎn)及對策

5 川藏鐵路隧道TBM應(yīng)用思考

川藏鐵路通過半個(gè)多世紀(jì)的前期考察論證、規(guī)劃選線、勘測設(shè)計(jì)和技術(shù)研究，做了充分的技術(shù)儲備，成功推進(jìn)了成都—雅安段和拉薩—林芝段的建設(shè)；在此基礎(chǔ)上，近年來對雅安—林芝段又開展了大量的持續(xù)研究和深化的勘察設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在雅安—林芝段已正式開工建設(shè)，初步設(shè)計(jì)推薦4座隧道采用TBM工法，這是在充分調(diào)研、論證基礎(chǔ)上做出的決策，也是工程建設(shè)和時(shí)代發(fā)展的必要選擇。必須客觀面對川藏鐵路的工程特點(diǎn)和TBM技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，深入開展TBM應(yīng)用研究和實(shí)踐，不辱工程人的使命和擔(dān)當(dāng)，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度推動川藏鐵路隧道TBM技術(shù)的高質(zhì)量應(yīng)用和發(fā)展。在此，提出幾點(diǎn)思考與大家共同探討。

1)TBM施工法是發(fā)展比較成熟的隧道施工技術(shù)，各類TBM特點(diǎn)和適應(yīng)條件也比較清晰，對TBM設(shè)備進(jìn)行針對性創(chuàng)新設(shè)計(jì)很有必要，但不能對TBM技術(shù)快速突破期望過高，不宜讓TBM應(yīng)對大量的、多種疊加(會造成設(shè)計(jì)的相互矛盾和沖突)的不良地質(zhì)，使其應(yīng)用超出TBM的適應(yīng)性和應(yīng)用初衷。現(xiàn)階段的工法選擇和選型應(yīng)立足于目前成熟的TBM技術(shù)本身，有預(yù)案、有條件地依賴工藝和技術(shù)創(chuàng)新。

2)目前川藏鐵路雅林段先行標(biāo)已經(jīng)開工，剩余段也在緊鑼密鼓地推進(jìn)，但川藏鐵路建設(shè)周期長，沿線環(huán)境、地質(zhì)復(fù)雜，TBM設(shè)計(jì)制造和施工技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)速度快，過程中還應(yīng)加強(qiáng)和深化全線長大隧道的施工勘察和動態(tài)設(shè)計(jì)工作，深入論證現(xiàn)有隧道TBM適應(yīng)性和擴(kuò)大應(yīng)用的可行性，包括一些輔助坑道或新增工程。

3)TBM一般適用于地質(zhì)條件好的地層，在軟弱圍巖復(fù)雜地質(zhì)中使用TBM，TBM的高效優(yōu)勢會被削弱。然而，對于沒有輔助坑道施作條件的長大隧道，鉆爆法難以完成施工任務(wù)，特別是川藏鐵路長大隧道施工，TBM仍然是首選工法，但對于TBM隧道圍巖的地質(zhì)、巖性條件要有基本的判斷。根據(jù)筆者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，TBM掘進(jìn)圍巖適應(yīng)性分級總體建議如表7所示。

表7 TBM掘進(jìn)圍巖適應(yīng)性分級建議表

4)近年來，通過對多座深埋隧道(特別是引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺南段)在巖爆地層中的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和理論研究，并隨著巖爆微震監(jiān)測等預(yù)報(bào)技術(shù)的成熟應(yīng)用，巖爆地層的TBM施工技術(shù)有了很大提升，可以應(yīng)對中等以上及強(qiáng)烈?guī)r爆洞段的隧道施工，但應(yīng)充分考慮強(qiáng)烈及以上巖爆地層掘進(jìn)TBM設(shè)備局部損壞修復(fù)、支護(hù)加強(qiáng)和應(yīng)力釋放等待降效等對工程成本和工期的影響。

5)隧道TBM洞段中斷層破碎帶、高地應(yīng)力軟巖、突泥涌水及巖溶嚴(yán)重發(fā)育等軟弱不良(或V級以上富水)地層則成為制約TBM應(yīng)用的重要影響因素，段落占比宜不超過TBM掘進(jìn)總長度的10%，密集系數(shù)平均不超過2處/km，針對每個(gè)TBM隧道要定量分析不良地質(zhì)長度、規(guī)模和嚴(yán)重程度，綜合分析對TBM掘進(jìn)的影響程度，嚴(yán)重部分要有輔助超前處理措施，即不能盲目讓TBM進(jìn)入嚴(yán)重不良地層。

6)先期開工的色季拉山隧道共采用4臺敞開式TBM雙向掘進(jìn)，目前已經(jīng)開始TBM設(shè)備的設(shè)計(jì)制造。前期已經(jīng)開展了一系列的科研開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，但不能閉門造車，要客觀理性、重心前移、注重現(xiàn)場，避免類似工程出現(xiàn)的問題并從中吸取經(jīng)驗(yàn)，對新開發(fā)的技術(shù)要做好工廠試驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證，要在保證TBM總體性能可靠的基礎(chǔ)上進(jìn)行先行先試和技術(shù)創(chuàng)新。

6 結(jié)論

1)根據(jù)川藏鐵路的環(huán)境特征和各類TBM的適應(yīng)性，并從川藏鐵路各隧道的地質(zhì)條件、埋深、結(jié)構(gòu)耐久性和場地條件等方面考慮，現(xiàn)階段推薦的4座TBM隧道和敞開式TBM選型是合理并符合TBM技術(shù)現(xiàn)狀的。

2)敞開式TBM在隧道圍巖條件整體較好情況下，具有顯著的成本、進(jìn)度、安全和質(zhì)量優(yōu)勢，但不良地質(zhì)會嚴(yán)重削弱TBM工法的各項(xiàng)優(yōu)勢，故不能對TBM應(yīng)對嚴(yán)重不良地質(zhì)的技術(shù)創(chuàng)新期望過高，遇到大的不良地質(zhì)段落隧道要規(guī)避采用TBM，或有應(yīng)對預(yù)案和補(bǔ)救措施。

致謝

國鐵集團(tuán)(中國國家鐵路集團(tuán)有限公司)在川藏鐵路雅安至林芝段開建前期，密集組織多家施工單位、設(shè)計(jì)院、設(shè)備制造商、高校和科研院所等深入開展了川藏鐵路一系列專題研究和指導(dǎo)叢書的編制，也重點(diǎn)開展了川藏鐵路隧道TBM的研究，本文重點(diǎn)參考了相關(guān)成果和內(nèi)容[19]，在此對相關(guān)單位和各位專家的辛勤付出深表感謝。