崔國勇，黃永洪，常志旺，徐 丹

(1.中國中元國際工程有限公司，北京 100089； 2.甘孜州交通和城鄉(xiāng)建設投資集團有限公司， 四川 康定 626000； 3.西南交通大學，四川 成都 610031)

0 引言

省道S434康定榆林經(jīng)磨西鎮(zhèn)至貓子坪公路位于四川省甘孜州康定市和瀘定縣，是四川旅游西環(huán)線中以“中國情歌城”為代表的康巴風情旅游區(qū)以及以“冰川自然奇觀”為代表的海螺溝段的重要通道之一。S434段全長79.23km，其中新建和改建段長55.26km，雅家埂隧道屬特長隧道，長14.75km，隧道工期是制約整個項目的控制性因素，項目總投資64.4億元。原方案采用貫通平導+施工斜井+通風斜井方案，全隧總工期52個月。為疏解甘孜州州府康定市的城市功能，打造成都后花園特色康養(yǎng)基地，配合甘孜新區(qū)的規(guī)劃建設，解決甘孜新區(qū)外部快速通道問題，甘孜州州委、州政府決定加快推進雅家埂隧道項目建設，將總工期提前。經(jīng)專家反復論證，采用原方案無法保證項目順利完工。

為加快推進S434建設，考慮采用TBM技術提升建設效率。既有榆磨公路等級較低、路線長、養(yǎng)護成本高，特別是翻越海拔3 830.000m的雅家埂山埡口段的34km公路更是坡陡彎急、傍山路險、地質(zhì)松軟、災害頻發(fā)。冬季康定端海拔3 800.000m以上、磨西端海拔3 690.000m以上路段長期被冰雪封蓋，車輛通行極為困難、交通事故頻發(fā)且道路經(jīng)常中斷；春季山上冰雪消融，雪水對坡體沖刷嚴重，經(jīng)常造成邊坡垮塌、滾石，嚴重危及行車安全；夏季降雨較大，山溝易形成泥石流，沖毀公路，2005年8月、2006年7月榆磨路先后遭受2次特大水災、泥石流災害，造成了公路交通長時間中斷。雅家埂隧道的順利建成將有效解決這一系列問題。因此，對隧道掘進機(tunnel boring machine，TBM)應用于該項目進行了詳細分析比較，最終確定采用雙護盾TBM來推進此項目的順利實施。

1 工程概況

隧道地質(zhì)以英云閃長巖為主，巖體完整性較好，力學性質(zhì)較好，主要圍巖地質(zhì)參數(shù)如表1所示。隧道長度約14.75km，最大埋深為 1 215m，進口海拔為 3 067m，出口海拔為 3 046.000m。隧道于 NK7+770(埋深約 540m)斜穿色拉哈—康定斷裂、于 NK19+790(埋深約 220m)斜穿磨西斷裂，穿越 5 條支斷層，隧道工程總體上位于斷深大活動斷裂的下盤，距色拉哈—康定斷裂約1.5km，約4.7km長隧道距磨西斷裂430～530m。隧道III級圍巖占29.5%(長4 360m)，IV級圍巖占49.3%(長7 270m)， V級圍巖占21.2%(長3 125m)。

表1 雅家埂隧道主要圍巖地質(zhì)參數(shù)

2 TBM法可行性分析

TBM法在國內(nèi)水利、鐵路等行業(yè)已廣泛運用多年，而且TBM掘進圓形斷面適用于平導通道[1-3]。TBM掘進將極大地提升設備施工效率、探明圍巖地質(zhì)條件、大幅度縮短工期、降低各類施工風險[4]。

平導先于主洞貫通，也極大地緩解了主洞鉆爆法施工的通風難題，加之平導先行掘進，徹底探明隧址區(qū)地質(zhì)條件，將極大地降低主洞鉆爆法施工的難度和風險，并進一步縮短主洞開挖工期[5]。

TBM掘進深埋特長隧道具有顯著優(yōu)勢[6]，且掘進需風要求低，平導提前貫通有利于主洞施工通風。四川省川西高原地區(qū)的特長隧道施工中，在高海拔、低氣溫、低氣壓和低含氧量的惡劣建設條件下，普遍存在長距離施工通風和供氧的難題，例如，雀兒山隧道在施工過程中就多次出現(xiàn)洞內(nèi)施工人員暈厥、休克等人身安全事故，并導致工程建設額外增加通風供氧費用約4 000萬元。

本隧道地質(zhì)構造簡單且圍巖條件較好，有利于TBM快速掘進。根據(jù)本項目前期地質(zhì)勘察資料，圍巖級別以Ⅲ，Ⅳ級為主，占隧道總長近80%，結合施工經(jīng)驗和文獻[7]，TBM法開挖的適宜性和基礎條件總體良好。

3 TBM法與傳統(tǒng)鉆爆法工期分析

3.1 傳統(tǒng)鉆爆法工期分析

采用貫通平導+施工斜井+通風斜井方案，于線路左側35m平行于主洞設置1座貫通平導，全長約14.755km，為保證出渣效率和施工通風，并結合車行與人行橫通道的設置要求，平導與主洞之間約每隔265m設置1座橫通道。同時于NK9+000設置長度為2 200m 的施工斜井，于NK15+000設置長度為2 550m的施工斜井和長度為2 630m的通風斜井，于NK19+200設置長度為875m的施工斜井。傳統(tǒng)鉆爆法方案布置如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)鉆爆法方案布置(單位:m)

隧道施工采用大型機械化配套，其施工進度指標如表2所示。

表2 雅家埂隧道鉆爆法方案施工進度指標

m·月-1

隧道分進口工區(qū)、1號斜井工區(qū)、2號斜井工區(qū)、3號斜井工區(qū)和出口工區(qū)組織施工。本方案隧道設計土建工期為46個月(含施工準備工期和二襯時間)，機電、消防工程6個月，總工期52個月。

3.2 TBM法工期分析

國內(nèi)水利、鐵路使用TBM的情況如表3所示，TBM的各種類型均在使用。敞開式TBM造價較其他兩類低，主要適應于硬巖，能利用自身支撐機構撐緊洞壁以承受向前推進的反作用力及反扭矩的全斷面巖石掘進機。單護盾TBM只有1個護盾，多用于軟巖和破碎地層，由于無撐靴支撐，掘進時掘進機的前推力是靠護盾尾部的推進油缸支撐在管片上獲得，由于單護盾的掘進需靠襯砌管片來承受后坐力，因此在安裝管片時必須停止掘進，施工進度較慢[8]。雙護盾TBM在遇到軟巖時，若軟巖不能承受支撐板的壓應力，則由盾尾推進液壓缸支撐在已拼裝的預制襯砌塊上或鋼圈梁上以推進刀盤破巖前進；遇到硬巖時，與敞開式掘進機的工作原理相同，靠支撐板撐緊洞壁，由主推進液壓缸推進刀盤破巖前進。因此，雙護盾TBM適用性最強，施工進度最快。結合雅家埂隧道的地質(zhì)情況，本項目選擇雙護盾TBM。該設備為德國海瑞克(廣州)公司生產(chǎn)，核心部件全部為原裝進口。TBM主機部分長11.7m，刀盤直徑為9 130mm，設備重約230t，隧道襯砌后內(nèi)徑8.1m。結合目前國內(nèi)TBM使用情況，雅家埂隧道施工周期按平導III級700m/月、IV級508m/月、V級292m/月考慮，不考慮斷裂帶，結合地質(zhì)分布情況，平均進尺為518m/月。

表3 國內(nèi)水利、鐵路使用TBM情況(開工時間截至2017年)

3.2.1平導TBM法施工組織

采用常規(guī)鉆爆法從隧道出口NK20+430方向掘進，穿越磨西斷裂帶后約300m，TBM始發(fā)施工。在充分調(diào)研地質(zhì)磨西斷層前提下(如磨西斷層不是很破碎、隧道出口巖石較完整的前提下)，也可鉆爆開挖50m左右，TBM即可始發(fā)。此后始終采用TBM開挖至NK8+800位置(即進口色拉哈—康定斷裂帶)位置，進口位置NK5+675—NK8+800段為斷層密集區(qū)域，盡量采用鉆爆法施工。在NK8+800位置選取好巖石位置做拆機洞進行洞內(nèi)拆機。

出口300m開挖及進口3 125m采用鉆爆法施工，磨西斷層寬度取200m，出口鉆爆300m大約歷時5個月，期間進行洞外TBM始發(fā)組裝場施工2個月。隧道進口鉆爆段3 125m區(qū)域與出口段鉆爆同時施工，因為斷層密集區(qū)按照月均100m(中間設置1個支洞開挖計算)共需31個月，襯砌工作同步實施按滯后1個月考慮，共需32個月。

從TBM開挖到結束共約11 330m。其中Ⅳ級圍巖6 970m，進尺500m/月左右，穿越F111，F(xiàn)92 較大斷層時考慮800m，歷時2.7個月，剩余6 170m， 需12.4個月。Ⅲ級圍巖4 360m，進尺700m/月左右，需6.2個月。掘進工期21.3個月，加上前期準備5個月，總掘進工期為26.3個月，而后利用5個月時間進行仰拱施作回填及路面、通風、機電等施工，總工期約31.3個月。

3.2.2主洞鉆爆法施工組織

主洞與平導施工同步進行，距離約35m。TBM掘進過后即可進行橫向?qū)Ф词┕?。共?段進行，總工期為36個月。分段如下。

1)NK5+675—NK8+800進口段1個作業(yè)面，開挖約32個月，施工期為第1個月至第32個月。

2)NK8+800—NK11+500段通過平導增加2個作業(yè)面，開挖約8個月，施工期為第24.5個月到第32.5個月。

3)NK11+500—NK15+500段為通過平導增加2個作業(yè)面，開挖約14.5個月，施工期為第17.5個月至第32個月。

4)NK15+500—NK20+130段通過平導增加2個作業(yè)面，開挖約13.6個月，施工期為第9.4個月至第23個月。主洞從磨西側NK20+430施工5個月后繼續(xù)開挖至平導，在NK17+300增加2個作業(yè)面停止，施工期為第5個月至第10個月。

5)NK20+130—NK20+430段開挖約5個月。

其中，進口段及出口段不占用總工期，控制工期為內(nèi)部支洞工期影響。TBM皮帶機及支洞運輸車陸續(xù)作為主洞石渣及混凝土運輸主要通道線。內(nèi)部NK11+500—NK15+500段占用時間最長，主洞施工完成總工期約36個月。采用TBM進行平導施工配合主洞開挖，總體工期可保證。

4 TBM法與傳統(tǒng)鉆爆法造價分析

4.1 鉆爆法造價分析

鉆爆法開挖斷面根據(jù)不同地質(zhì)情況開挖斷面不一，開挖斷面面積為43.39～60.38m2，平均開挖斷面面積為47.04m2。鉆爆法綜合開挖單價為326元/m2， 平導開挖費用約2.27億元；3個施工斜井、1個通風斜井費用約1.60億元，總開挖造價3.87億元，預估支護費用1億元，總造價4.87億元。

4.2 TBM法造價分析

TBM法造價預估5.99億元。主要構成為：①水泥砂漿豆礫石回填間隙、管片安裝、管片制造及鋼筋等計算31 414元/m，合計約46 350萬元；②油脂油品及工器具、刀具及刀件配件、備品備件和易損件、TBM開挖電費、TBM運維費計算10 561元/m，共12 180萬元；③TBM設備運輸費用800萬元；④安裝和調(diào)試費620萬元。

TBM法比傳統(tǒng)鉆爆法施工增加工程投資1.12億元左右。

5 經(jīng)濟效益分析

通過對項目區(qū)域高速公路交通量分布情況進行分析，結合未來交通量增長情況，未來汽車交通量約5 365輛/d。修建S434線汽車綜合運輸成本約166.52元/百車公里，原路線情況下，運輸成本約218.52元/百車公里，采用TBM法縮短工期16個月時間內(nèi)，擬建項目降低汽車運營成本效益0.4億元。根據(jù)甘孜州勞動力資源現(xiàn)狀及預測的人均單位工作時間的GDP，計算旅客單位時間價值45.9元/(h·人)， 旅客節(jié)約時間效益2.7億元，擬建項目減少交通事故的效益忽略不計。綜上，采用TBM法綜合經(jīng)濟效益比采用傳統(tǒng)爆破法提高1.98億元。

6 結語

為加快推進省道S434線盡早貫通，本文通過收集并分析國內(nèi)TBM的使用情況，對兩種方案在工期和造價上進行分析，主要結論如下。

1)從地質(zhì)條件、施工進度安排、雙護盾TBM適用性上，雅家埂隧道采用雙護盾TBM方案可行。

2)平導采用TBM法+主洞爆破法方案比貫通平導+施工斜井+通風斜井方案在工期上有很大優(yōu)勢，增加的投資額也在可控范圍內(nèi)，綜合效益提高較大。

3)該項目屬于特長隧道，施工難度大，地質(zhì)情況復雜，下階段將繼續(xù)開展施工進度和投資的實際跟蹤研究。