田世雄，李玉平，連 鵬，楊寶林，姚志永

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

目前，公路隧道施工開挖方式豐富多樣。按開挖斷面情況有分部開挖法、臺(tái)階法和全斷面法；按開挖使用的主要設(shè)備有鉆爆法、機(jī)械銑挖法、盾構(gòu)法及TBM 法等；不同的組合衍生出多樣性的施工方法。任何一種施工方法都有其適用條件、相對(duì)優(yōu)勢(shì)、局限性，施工方法是施工方案的基礎(chǔ)和支撐，隧道建設(shè)的關(guān)鍵在于地質(zhì)條件與施工方案、施工條件、技術(shù)水平、裝備水平等的相匹配[1]。

TBM 施工法具有工期、效益、環(huán)境、安全、技術(shù)進(jìn)步等優(yōu)勢(shì)，但是前期費(fèi)用投資較大，工程造價(jià)相比鉆爆法增加約1～3 億元[2]。

根據(jù)高樓山隧道實(shí)際地質(zhì)情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)外施工案例，該隧道可采用的施工方案主要有：①傳統(tǒng)鉆爆法；②TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法；③全斷面TBM 開挖法等。文章主要針對(duì)TBM 法施工進(jìn)行比選研究。

2 工程概況

高樓山特長(zhǎng)隧道是G8513 平?jīng)鲋辆d陽(yáng)國(guó)家級(jí)高速公路武都至九寨溝（甘川界）段公路工程的關(guān)鍵控制性工程，隧道進(jìn)口位于甘肅省隴南市文縣尖山村，出口位于文縣凡昌村，洞身穿越高樓山支脈。隧道全長(zhǎng)12.27km（雙洞），為雙向四車道分離式特長(zhǎng)石質(zhì)山嶺隧道。高樓山隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方式采用兩斜井通風(fēng)方案，將整個(gè)隧道分為三區(qū)段通風(fēng)，即在隧道的進(jìn)出口段分別設(shè)計(jì)有1、2# 通風(fēng)斜井。斜井既作為隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)道，同時(shí)作為施工輔助通道。隧道1# 斜井長(zhǎng)1904.2m，最大縱坡為-8.75%，2# 斜井長(zhǎng)2269.9m，最大縱坡為-12%[3]。

3 工程地質(zhì)條件

隧道位于武都山字型構(gòu)造體系南部，與龍門山構(gòu)造帶相鄰，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，洞身最大埋深1680m。隧道進(jìn)口段通過石坊-范家壩-尖山-臨江區(qū)域斷裂，出口段通過高峰壩-凡昌-明鏡寺區(qū)域斷裂，中部穿越關(guān)家溝-何家壩背斜。隧道穿越地層巖性主要為砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖和炭質(zhì)板巖、變質(zhì)砂礫巖等。圍巖級(jí)別：Ⅲ級(jí)占36%、Ⅳ級(jí)占55%、Ⅴ級(jí)占9%。主要不良地質(zhì)有：斷裂帶，突涌水，高地應(yīng)力區(qū)巖爆等[4]。

4 高樓山隧道TBM 法施工關(guān)鍵難點(diǎn)

（1）隧道項(xiàng)目區(qū)本身的復(fù)雜性。高樓山區(qū)域具有“山大溝深，峰谷交錯(cuò)，坡陡彎急，且地下水位高”等特點(diǎn)。高樓山隧道具有“三高”“一大”的地域特點(diǎn)，以及“兩長(zhǎng)”“兩多”“兩大”的工程特點(diǎn)[5]。

①“三高”：地應(yīng)力高（最大主應(yīng)力27～51MPa）、地震烈度高（動(dòng)峰值加速度為0.20g，Ⅷ度地震區(qū)），地溫高（最高地溫可能超過30℃）；

②“一大”：溫差大（山上山下氣溫相差10℃）；

③“兩長(zhǎng)”：斜井長(zhǎng)（最長(zhǎng)2.27km）、施工掘進(jìn)通風(fēng)距離長(zhǎng)；

④“兩多”：即斷層破碎帶多（共穿越10 條斷層帶）和不良地質(zhì)多（高地應(yīng)力區(qū)巖爆、突涌水和溶洞等）；

⑤“兩大”：埋深大（最大埋深1680m，長(zhǎng)達(dá)9km埋深超過500m），水量大（最大涌水量0.35m3/s）。

（2）隧址區(qū)復(fù)雜的工程地質(zhì)條件。隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）的應(yīng)用與隧道工程地質(zhì)密切相關(guān)，結(jié)合地質(zhì)條件正確選擇TBM 型號(hào)，決定隧道TBM 法施工能否能夠成功運(yùn)用于該隧道。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，高樓山隧道強(qiáng)巖爆段3.8km 占隧道總長(zhǎng)31.2%。參考西秦嶺隧道施工情況，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，超前鉆孔釋放應(yīng)力，加強(qiáng)超前、初期支護(hù)等方式，可以順利通過巖爆段，但對(duì)于大斷面TBM 施工尚存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。斷層及影響帶主要位于隧道進(jìn)口1.9km 范圍內(nèi)及出口1.1km 范圍內(nèi)，因此兩端洞口段落采用TBM 施工風(fēng)險(xiǎn)較大，效率較低，可利用掘進(jìn)機(jī)組裝生產(chǎn)時(shí)間，采用鉆爆法施工該段。

（3）高樓山隧道隨處位置山脈高大，且附近為尖山自然保護(hù)區(qū)，斜井洞口位置限制因素多。由于通風(fēng)需要，高樓山隧道需設(shè)置通風(fēng)井。對(duì)于長(zhǎng)大公路隧道而言，通風(fēng)方式的正確選擇對(duì)于隧道工程的運(yùn)營(yíng)、施工及工程造價(jià)均非常關(guān)鍵。

通過論證比選，高樓山隧道需設(shè)置兩座通風(fēng)井，采用雙斜井送排式與射流風(fēng)機(jī)組合通風(fēng)方案，受地形限制，最長(zhǎng)斜井達(dá)2.27km，斜井最大縱坡-12%。按照整個(gè)隧道的工期安排，由于斜井縱坡較大，降低斜井自身成洞及輔助主洞施工的效率。

5 高樓山隧道TBM 法施工可行性分析

通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外TBM 施工案例，其施工的可行性主要取決于以下幾個(gè)方面。

5.1 地質(zhì)條件

為保證TBM 掘進(jìn)的施工效率，地質(zhì)條件對(duì)TBM 掘進(jìn)機(jī)的選型非常關(guān)鍵[4，5]。

（1）巖石單軸抗壓強(qiáng)度。高樓山隧道洞身圍巖大部分的單軸抗壓強(qiáng)度在30～60Mpa 之間，對(duì)TBM掘進(jìn)機(jī)的適應(yīng)性較好。

（2）巖石結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度。高樓山隧道圍巖以片巖、變質(zhì)砂巖及砂質(zhì)板巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，TBM 掘進(jìn)效率較高。

（3）巖石的耐磨性。巖石的耐磨性對(duì)刀具的磨損起著決定作用。高樓山隧道主要地層巖性耐磨度：變質(zhì)砂巖3～3.5Ab（1/10mm），板巖、片巖3～5Ab（1/10mm）。圍巖組成礦物為石英、長(zhǎng)石、綠泥石、云母等，但是含量不高，不是影響掘進(jìn)效率的主要因素。

（4）巖層產(chǎn)狀與隧道軸線夾角。當(dāng)巖體主要結(jié)構(gòu)面或優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的走向與隧道軸線間夾角小于45°，且結(jié)構(gòu)面傾角（≤30°）較緩，隧道拱部常常會(huì)發(fā)生掉塊和坍塌，影響TBM工作或降低TBM工作效率，甚至危及TBM 安全。高樓山隧道巖體結(jié)構(gòu)面傾角大多在70°以上，有利于采用TBM 掘進(jìn)[6-8]。

（5）圍巖的初始地應(yīng)力狀態(tài)。高樓山隧道地質(zhì)勘察報(bào)告表明，深埋地段存在強(qiáng)巖爆，為TBM 施工的主要風(fēng)險(xiǎn)源。但經(jīng)過超前處理等有效處理手段，可將其影響弱化，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，如果采用TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法，導(dǎo)洞形成后可有效釋放地應(yīng)力，將為后續(xù)擴(kuò)挖形成有利條件[9-11]。

5.2 施工輔助設(shè)備與TBM 掘進(jìn)速度匹配的程度[12-13]

TBM 輔助施工設(shè)施主要包括出渣系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、風(fēng)水電系統(tǒng)等。

（1）出渣系統(tǒng)。目前TBM 施工出渣系統(tǒng)一般采用兩種方式，①采用有軌運(yùn)輸出渣，②采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣。皮帶機(jī)出渣具有效率高、對(duì)隧道環(huán)境影響小、受隧道縱坡影響小等優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用。結(jié)合本工程特點(diǎn)，擬選用連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式，是有條件的。

（2）運(yùn)輸系統(tǒng)。TBM 施工材料、人員、設(shè)備均需通過運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至工作面，因此運(yùn)輸系統(tǒng)的效率必須與TBM 掘進(jìn)能力相配套，結(jié)合隧道斷面，一般選擇有軌運(yùn)輸。

（3）供料系統(tǒng)、風(fēng)水電系統(tǒng)。遵循與TBM 掘進(jìn)能力、耗能相配套的原則進(jìn)行配置。結(jié)合隧址區(qū)實(shí)際情況，隧址區(qū)水電站較多，有白水江穿過，因此，項(xiàng)目區(qū)有充足的水、電資源。

6 高樓山隧道TBM 施工方案

根據(jù)高樓隧道實(shí)際地質(zhì)情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)外施工案例，可采用的TBM 施工方案主要有：（1）小斷面TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法；（2）全斷面TBM 開挖法[14-15]。

通過對(duì)通風(fēng)方案的比選論證，確定TBM 施工法采用1 斜1 豎井通風(fēng)方案。如果采用大斷面TBM 施工，可取消豎斜井，采用全橫向通風(fēng)，但TBM 斷面直徑達(dá)14.1m，斷面大，施工風(fēng)險(xiǎn)較高[16-17]。

因此，對(duì)于施工方案設(shè)計(jì)主要結(jié)合通風(fēng)方案展開。考慮到本項(xiàng)目地形的復(fù)雜性，通過對(duì)有軌斜井和無軌斜井的比選論證，從施工安全的角度出發(fā)，斜井均采用無軌運(yùn)輸方式。

6.1 小斷面TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法+鉆爆法方案

結(jié)合高樓山隧道地質(zhì)條件等實(shí)際情況，隧道進(jìn)口段1.9km，出口段1.1km 為斷層及其影響帶，不宜采用TBM 法開挖施工，因此，為了降低TBM 施工風(fēng)險(xiǎn)，方案設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)出口段，利用TBM制造、運(yùn)輸、組裝時(shí)間，斷層帶區(qū)域采用鉆爆法提前開挖施工。TBM小導(dǎo)洞擴(kuò)挖法施工在中主要考慮了兩種方案：①采用一臺(tái)小斷面TBM 從隧道出口掘進(jìn)方案；②采用兩臺(tái)小斷面掘進(jìn)機(jī)從隧道進(jìn)出口相向掘進(jìn)小導(dǎo)洞擴(kuò)挖方案。

（1）小斷面TBM(1 臺(tái)Φ5m)小導(dǎo)洞擴(kuò)挖+鉆爆方案：1 斜+1 豎井分段縱向通風(fēng)。隧道進(jìn)、出口段采用鉆爆法施工，一臺(tái)小斷面敞開式TBM 硬巖掘進(jìn)機(jī)施工左線隧道中間段，掘進(jìn)機(jī)從左線出口始發(fā)，施工組織如圖1 所示。

圖1 方案一總體施工組織示意圖

經(jīng)測(cè)算，29.2 個(gè)月實(shí)現(xiàn)隧道左線中間段落小導(dǎo)洞貫通，其中TBM 掘進(jìn)小導(dǎo)洞段落長(zhǎng)8.4km；然后從隧道兩端對(duì)小導(dǎo)洞進(jìn)行擴(kuò)挖，經(jīng)15.9 個(gè)月擴(kuò)挖實(shí)現(xiàn)隧道左線全斷面貫通，考慮機(jī)電、交安、消防、涂裝等各項(xiàng)工程施工時(shí)間，左線全斷面施工完成總工期為45.1 個(gè)月。斜井主要考慮輔助右洞施工，左、右線可同時(shí)貫通。因此，不考慮對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)。

（2）小斷面TBM(2 臺(tái))小導(dǎo)洞擴(kuò)挖+鉆爆方案：1斜+1 豎井分段縱向通風(fēng)。隧道進(jìn)、出口段先采用鉆爆法施工，兩臺(tái)直徑5m 小斷面敞開式TBM 硬巖掘進(jìn)機(jī)分別從隧道左右線出口始發(fā)，施工組織如圖2所示。

圖2 方案二總體施工組織示意圖

經(jīng)測(cè)算，27.8 個(gè)月實(shí)現(xiàn)隧道中間段落小導(dǎo)洞貫通，其中TBM 掘進(jìn)小導(dǎo)洞段落長(zhǎng)7.8km（雙洞長(zhǎng)度）；然后從隧道兩端對(duì)小導(dǎo)洞進(jìn)行擴(kuò)挖，經(jīng)14.7 個(gè)月實(shí)現(xiàn)隧道全斷面貫通，考慮機(jī)電、交安、消防、涂裝等各項(xiàng)工程施工時(shí)間，施工總工期42.5 個(gè)月。

6.2 全斷面TBM 法+鉆爆法方案

根據(jù)高樓山隧道實(shí)際地質(zhì)情況，施工時(shí)受到斷裂帶，高地應(yīng)力等影響，隧道進(jìn)口段1.9km，出口段1.1km 為斷層及其影響帶，不宜采用TBM 法開挖施工。因此，該區(qū)域施工宜應(yīng)采用鉆爆法開挖，可以利用TBM制造、運(yùn)輸、組裝時(shí)間提前施工。出口鉆爆法施工段，斷面需進(jìn)行擴(kuò)大（直徑擴(kuò)大1.5m），滿足TBM 進(jìn)入隧道的凈空要求。

（1）全斷面TBM（1 臺(tái)Φ12.7m）+鉆爆方案：全橫向通風(fēng)+1 斜1 豎井分段縱向通風(fēng)。一臺(tái)全斷面TBM 掘進(jìn)機(jī)+鉆爆施工方案，TBM 主洞擬采用R=565cm，以便與鉆爆法擬定隧道凈空斷面相統(tǒng)一。該方案左洞采用TBM 施工，右洞采用鉆爆法施工，施工組織如圖3 所示。TBM 施工相對(duì)應(yīng)的隧道凈空斷面尺寸與鉆爆法凈空斷面一致（D=11.3m），考慮襯砌結(jié)構(gòu)厚度，采用直徑12.7m 的TBM 掘進(jìn)機(jī)。

圖3 方案三總體施工組織示意圖

左洞采用全斷面TBM 施工，斷面較大，通過通風(fēng)計(jì)算，可采用全橫向通風(fēng)，右洞仍采用豎斜井通風(fēng)，但相對(duì)小導(dǎo)洞擴(kuò)挖法施工方案，斜豎井?dāng)嗝鏈p?。p小為40m2）即可滿足通風(fēng)需要。

采用全斷面敞開式TBM 硬巖掘進(jìn)機(jī)先施工單洞隧道，隧道中間段平均按420m/月掘進(jìn)綜合進(jìn)度估算。掘進(jìn)機(jī)從左線出口始發(fā)，在理想的施工組織條件下，31.2 個(gè)月實(shí)現(xiàn)左線單洞貫通，其中TBM 掘進(jìn)8.2km。

如果右線采用鉆爆法施工，36.6 個(gè)月實(shí)現(xiàn)右線貫通。機(jī)電、交安、消防、涂裝等各項(xiàng)工程施工時(shí)間，按照6 個(gè)月考慮，總工期42.6 個(gè)月。

如果左線貫通后，對(duì)TBM 進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)至右洞施工，在理想的施工組織條件下，合計(jì)35.5 個(gè)月實(shí)現(xiàn)右洞貫通。該方案為了實(shí)現(xiàn)TBM 順利轉(zhuǎn)場(chǎng)進(jìn)入右洞，鉆爆法斷面直徑需擴(kuò)大約1.2m，滿足TBM 運(yùn)行凈空，工程浪費(fèi)較大，如果在洞內(nèi)拼裝TBM 掘進(jìn)機(jī)，所需拼裝洞室空間約達(dá)到20m×16m，因此，TBM 轉(zhuǎn)場(chǎng)方案不推薦采用。

（2）全斷面TBM（2 臺(tái)Φ14.1m）+鉆爆方案：全橫向通風(fēng)。采用兩臺(tái)全斷面TBM 施工方案，如果采用上一方案相同的凈空斷面，左右線隧道均采用全橫向通風(fēng)，斷面尺寸不能滿足通風(fēng)道要求，還需要考慮設(shè)置豎斜井進(jìn)行通風(fēng)。

因此，從工程規(guī)模及經(jīng)濟(jì)性考慮，將斷面進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)大，取消豎斜井，同時(shí)滿足全橫向通風(fēng)需要。通過計(jì)算，隧道凈空斷面直徑為12.5m，考慮襯砌結(jié)構(gòu)厚度，采用直徑14.1m 的TBM 掘進(jìn)機(jī)。

兩臺(tái)全斷面TBM 硬巖掘進(jìn)機(jī)從隧道出口始發(fā)掘進(jìn)，施工組織如圖4 所示。在掘進(jìn)機(jī)始發(fā)前，應(yīng)對(duì)進(jìn)出口段落斷層及其影響帶，采用采用鉆爆法施工。考慮到實(shí)際地質(zhì)情況，平均按400m/月的綜合掘進(jìn)速度估算。

圖4 方案四總體施工組織示意圖

在理想的施工組織條件下，32 個(gè)月實(shí)現(xiàn)隧道貫通，其中TBM 掘進(jìn)8.2km，鉆爆法施工4.1km（長(zhǎng)度均為雙洞長(zhǎng)度）。機(jī)電、交安、消防、涂裝等各項(xiàng)工程施工時(shí)間，按照6 個(gè)月考慮，總工期37.4 個(gè)月。

（3）全斷面TBM（1 臺(tái)Φ14.1m）+鉆爆方案：全橫向通風(fēng)。該方案凈空斷面也采用全橫向通風(fēng)方案。為滿足全橫向通風(fēng)需要，左右洞均采用D=14.1m 圓形大斷面。

一臺(tái)全斷面TBM 硬巖掘進(jìn)機(jī)從隧道左線出口始發(fā)掘進(jìn)，同時(shí)進(jìn)口采用鉆爆法施工，施工組織如圖5 所示。考慮到實(shí)際地質(zhì)情況，平均按400m/月掘進(jìn)綜合速度估算。

圖5 方案五總體施工組織示意圖

在理想的施工組織條件下，32 個(gè)月實(shí)現(xiàn)隧道左線貫通，其中TBM 掘進(jìn)8.2k（單洞長(zhǎng)度），其余段落為鉆爆法掘進(jìn)。

如果右線采用鉆爆法施工，37.9 個(gè)月實(shí)現(xiàn)右線貫通。機(jī)電、交安、消防、涂裝等各項(xiàng)工程施工時(shí)間，按照6 個(gè)月考慮，總工期43.9 個(gè)月。

6.3 施工方案對(duì)比（見表1）

表1 TBM+鉆爆法施工5 種施工方案對(duì)比

7 結(jié)論與討論

通過對(duì)以上各種施工方案的比較，對(duì)工期、投資的計(jì)算及TBM 施工的適應(yīng)性分析論證，主要得出以下結(jié)論：

（1）高樓山隧道采用TBM 開挖法，從技術(shù)角度是可行性的。

（2）采用一臺(tái)小斷面TBM 小導(dǎo)洞擴(kuò)挖+鉆爆方案（1 斜+1 豎井全縱向分段送排式通風(fēng)）最經(jīng)濟(jì)，投資估算25.2 億元，施工工期相對(duì)較長(zhǎng)45.1 個(gè)月。

（3）采用兩臺(tái)全斷面TBM（φ14.1m）+鉆爆方案（全橫向通風(fēng)）工期最短，32 個(gè)月即可完工，投資估算相對(duì)較大39.1 億元。

（4）綜合投資、工期及公路隧道斷面形狀的合理性等各種因素，高樓山隧道采用一臺(tái)全斷面TBM結(jié)合鉆爆施工方案（全橫向通風(fēng)+1 斜1 豎井分段縱向通風(fēng)），相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)合理，工期易于控制。投資估算28 億元，施工工期36.6 個(gè)月。

（5）在工程投資允許的情況下，從社會(huì)效益、技術(shù)進(jìn)步角度考慮，采用TBM 施工方案，可大大縮短工程工期。早日實(shí)現(xiàn)隧道貫通，武都與文縣兩地之間通行時(shí)間大大縮短，方便車輛通行，可及早結(jié)束兩地之間翻越高樓山的歷史。