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)
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。
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]。
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]。
(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。
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。
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]。
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。
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。
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。
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。
表1 TBM+鉆爆法施工5 種施工方案對(duì)比
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。