李志軍， 陳 饋， 陳 橋， *， 周 毅， 李 增， 于京波， 張 嘯

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458；3. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 4. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

敞開式TBM在我國長大鐵路隧道、引水隧洞建造中應(yīng)用越來越廣泛，如西康鐵路秦嶺隧道、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、大瑞鐵路高黎貢山隧道、引漢濟渭秦嶺輸水隧洞等[1-3]。由于敞開式TBM開挖直徑相對固定，擴挖能力十分有限，難以足量擴挖，為保證襯砌厚度和斷面凈空同時滿足要求，在出現(xiàn)初期支護侵限后，往往只能采取撤換支護的措施，增加了隧道施工風險，影響了施工進度。

在隧道襯砌斷面優(yōu)化設(shè)計研究方面，文獻[4-6]從隧道結(jié)構(gòu)受力方面研究襯砌設(shè)計方案。文獻[7]從剛性接觸網(wǎng)、減小疏散通道寬度、縮小凈空有效面積等方面出發(fā)，對TBM施工隧道內(nèi)輪廓和斷面進行優(yōu)化，認為TBM+剛性接觸網(wǎng)可顯著降低隧道工程造價、減少隧道棄渣量,有利于TBM同步襯砌技術(shù)的實施，提高隧道防災能力。文獻[8-11]針對客運專線鐵路，研究隧道內(nèi)輪廓有效凈空面積大小、隧道開口、隧道結(jié)構(gòu)受力條件、排水系統(tǒng)布設(shè)及工程量大小等因素與緩解空氣動力學效應(yīng)的關(guān)系，以優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)。文獻[12]針對礦山法鐵路隧道復合式襯砌存在開挖成型難、超欠挖、襯砌厚度控制難等諸多斷面尺寸問題，從隧道斷面的尺寸預設(shè)和調(diào)整、斷面測量方法、欠挖處理、初期支護基面修整、拱墻襯砌臺車二次襯砌澆筑混凝土方量計算、斷面尺寸質(zhì)量控制等方面提出施工對策和建議，認為圍巖隧道預留變形量值和襯砌預留凈空值各有用途，不宜疊加使用，應(yīng)結(jié)合大數(shù)據(jù)，修訂各工序施工允許的隧道斷面尺寸誤差(偏差)驗收標準。文獻[13]認為我國鐵路隧道斷面尺寸及布置需要進一步優(yōu)化，單線TBM隧道可采用直徑為10.1 m的敞開式TBM。文獻[14]認為隧道復合式襯砌預留變形量值可根據(jù)圍巖級別、開挖跨度、埋置深度、施工方法和支護條件，采用工程類比法確定。

既有工程實踐經(jīng)驗表明，僅依靠TBM本身的擴挖能力緩解或解決不良地質(zhì)初期支護侵限是不夠的，選取合適的開挖直徑才是關(guān)鍵。但從上述文獻發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于隧道襯砌斷面設(shè)計的研究多集中于結(jié)構(gòu)形式、力學狀態(tài)的合理性等，從TBM結(jié)構(gòu)特點及施工角度探討TBM隧道開挖直徑的較少。在高應(yīng)力環(huán)境下，巖爆、節(jié)理密集帶、蝕變巖、軟巖變形、破碎地層等引起的坍塌、變形會直接影響成型隧道內(nèi)的凈空。由于從TBM刀盤后方至初期支護封閉段，有60～70 m長的段落初期支護結(jié)構(gòu)長時間未達到設(shè)計支護能力，因此在遇到不良地質(zhì)段時，要保證隧道的凈空，合理選擇TBM隧道的開挖直徑是關(guān)鍵性問題，也是源頭性問題。

1 依托工程概況

1.1 隧道線位

該高原鐵路隧道全長37.965 km，為全線控制性重點工程，設(shè)計采用4臺直徑10.2 m的敞開式TBM+鉆爆法聯(lián)合施工。全線設(shè)置有3座輔助坑道，從林芝(出口)至昌都(進口)方向依次為林芝鎮(zhèn)橫洞、捌弄曲溝斜井以及隆巴溝斜井，如圖1所示。隧道采用雙洞單線，軌面高程2 969～3 376 m，最大埋深1 687.85 m。

圖1 隧道平面線位示意圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.2.1 工程地質(zhì)概況

隧道進、出口及溝谷內(nèi)厚層地層為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖-洪積黏性土及碎石土層；隧道洞身地層主要為喜山期花崗巖、閃長巖及加里東期花崗巖，出口段分布有中—新元古代念青唐古拉巖群真巴巖組片麻巖地層，構(gòu)造巖類主要為斷層角礫及壓碎巖，隧道主要巖性分布如圖2所示。隧道洞身通過花崗巖長度約為29.835 km，閃長巖長度約為3.458 km，片麻巖長度約為3.365 km，第四系地層長度約為770 m。其中，花崗巖飽和單軸抗壓強度為55.4～163.9 MPa，平均為82.9 MPa；閃長巖飽和單軸抗壓強度為55.39～183.45 MPa，平均為88.9 MPa；片麻巖飽和單軸抗壓強度為60.11～145.24 MPa，平均為88.67 MPa。

圖2 隧道主要巖性分布示意圖

該高原鐵路隧道Ⅱ級圍巖長度為4.08 km，占隧道總長的10.75%；Ⅲ級圍巖長度為24.295 km，占隧道總長的63.99%；Ⅳ級圍巖長度為7.985 km，占隧道總長的21.03%；Ⅴ級圍巖長度為1.53 km，占隧道總長的4.03%；Ⅵ級圍巖長度為0.075 km，占隧道總長的0.20%。不同級別圍巖占比如圖3所示。

圖3 不同級別圍巖占比

1.2.2 水文地質(zhì)概況

該高原鐵路隧道區(qū)域?qū)儆谘鹏敳夭冀饔颍鶐r裂隙水含水巖組為隧址區(qū)主要含水巖組，其補給來源以大氣降水和冰雪水為主。預測隧道正線正常涌水量為73 182.59 m3/d，最大涌水量為187 266.805 m3/d。隧道總體以中等—弱富水為主，局部段落強富水，尤其是在節(jié)理密集帶和蝕變巖區(qū)，發(fā)生突涌水的可能性較大。

1.3 TBM面臨的主要地質(zhì)問題

設(shè)計地質(zhì)勘察報告揭示，TBM段隧道不良地質(zhì)問題主要有巖爆、節(jié)理密集帶和蝕變巖。

1.3.1 巖爆危害

隧道最大埋深為1 687.85 m，最大水平主應(yīng)力為45.52 MPa，強度應(yīng)力比為2.07～5.37，屬高地應(yīng)力—極高地應(yīng)力范疇[14]。TBM穿越Ⅱ、Ⅲ級圍巖地層，在極高地應(yīng)力作用下，極易發(fā)生硬巖巖爆。

全隧巖爆段長20.34 km，占全隧長度的53.58%。其中，強烈?guī)r爆段長3.715 km，占9.79%；中等巖爆段長11.77 km，占31.00%；輕微巖爆段長4.855 km，占12.79%，具體分布如圖4所示。巖爆對施工人員的人身安全、TBM裝備安全和隧道施工質(zhì)量均會造成不利影響，如引起TBM護盾收縮變形，拱架安裝不到位，鋼筋排、鋼拱架嚴重變形侵限等，如圖5所示。

圖4 隧道不同巖爆等級段所占比例

(a) (b) (c)

1.3.2 節(jié)理密集帶危害

全隧洞身通過17條節(jié)理密集帶，總計寬度約為3.5 km。節(jié)理密集帶平均寬度約為240 m，最大寬度約為500 m。節(jié)理密集帶位于Ⅳ級圍巖段，其傾角較陡，呈碎裂狀，富水自穩(wěn)能力差，施工中易坍塌，對施工人員與TBM設(shè)備安全、施工質(zhì)量造成不利影響。地質(zhì)鉆孔揭示的節(jié)理密集帶巖芯如圖6所示。TBM在節(jié)理密集帶掘進時，圍巖失穩(wěn)塌落會造成TBM護盾下沉，鋼筋排變形；另外，節(jié)理密集帶碎巖塊被高地應(yīng)力擠出造成鋼拱架出護盾時安裝不到位；更為嚴重的是，圍巖的嚴重松弛變形受高地應(yīng)力影響，持續(xù)擠壓“拱架+鋼筋排”，引起支護結(jié)構(gòu)的大變形，甚至侵限，如圖7所示。

(a) (b)

(a) (b) (c)

1.3.3 蝕變巖危害

蝕變巖是指受到構(gòu)造作用、熱液蝕變和地下水等因素影響，巖體局部發(fā)生風化蝕變的一類巖石。設(shè)計指出,該高原鐵路隧道蝕變巖主要分布于洞身，呈碎裂結(jié)構(gòu)。蝕變巖局部黏土礦物含量較高，可能存在膨脹性，以Ⅴ級圍巖為主。蝕變巖具有低強度、吸水膨脹、遇水松裂崩解、差異風化嚴重等特征，隧道開挖容易引起坍塌冒頂、涌水涌泥、擠出變形，造成TBM卡機。

1.4 隧道設(shè)計斷面

該高原鐵路隧道TBM開挖直徑為10.2 m，具體為： TBM段設(shè)計斷面基本內(nèi)輪廓直徑8.8 m，施工誤差10 cm，二次襯砌厚度30 cm，最大預留變形量為10 cm，最大初期支護厚度20 cm，如圖8所示。

隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖巖爆段和Ⅳ、Ⅴ級圍巖TBM段的襯砌斷面設(shè)計概況如表1所示。襯砌內(nèi)輪廓直徑=開挖直徑-2×(初期支護噴射混凝土厚度+預留變形量+二次襯砌厚度)。從表1中可以看出，雖然開挖直徑均為10.2 m，但不同等級圍巖的襯砌內(nèi)輪廓直徑變化范圍為9.00～9.44 m，最大相差0.44 m。初期支護噴射混凝土厚度變化范圍為5～20 cm； 預留變形量為3～10 cm，其中Ⅱ級圍巖巖爆段預留變形量為3 cm，Ⅲ級圍巖巖爆段為5 cm，Ⅳ級圍巖為8 cm，Ⅴ級圍巖為10 cm； Ⅱ、Ⅲ級圍巖巖爆段，Ⅳ、Ⅴ級圍巖的二次襯砌厚度均為30 cm。

圖8 該高原鐵路隧道TBM段標準設(shè)計斷面(單位： m)

2 典型TBM隧道不良地質(zhì)初期支護變形侵限情況

2.1 Ⅱ、Ⅲ級圍巖高地應(yīng)力巖爆段侵限情況

引漢濟渭秦嶺輸水隧洞全長81.78 km，最大埋深2 050 m，TBM開挖直徑為8.02 m。隧洞巖性主要為印支期花崗巖、石英巖，巖石強度達96.7～307.9 MPa，實測最大水平地應(yīng)力為65.4 MPa，強度應(yīng)力比為1.47～4.7。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，引漢濟渭秦嶺輸水隧洞高地應(yīng)力巖爆主要發(fā)生在拱頂部位150°、掌子面后方6 m的范圍內(nèi)，80%的巖爆會在掌子面開挖后的2 d內(nèi)發(fā)生，且60%為強烈?guī)r爆。2019年8月12日，嶺南段TBM隧洞因強烈(最大能量58.9萬J)滯后性巖爆導致5榀拱架(HW150，間距45 cm)拱部范圍局部變形，右側(cè)腰部凸出侵限近15 cm，拱頂均有不同程度下沉侵限。巖爆導致拱架安裝器環(huán)形梁斷裂、弧形齒斷裂錯位且整體嚴重變形，無法進行拱架拼裝作業(yè)，現(xiàn)場被迫停機15 d[15]。通過分析測量數(shù)據(jù)，秦嶺輸水隧洞嶺南TBM施工段共掘進11 031 m，經(jīng)歷輕微巖爆段3 905 m，中等巖爆段1 785.7 m，強烈?guī)r爆段1 559 m，極強巖爆段29.4 m。在中等及以上巖爆地段，初期支護結(jié)構(gòu)基本上都發(fā)生了不同程度的侵限(半徑方向)。其中，中等巖爆段占總巖爆段的24.53%，初期支護普遍侵限30～110 mm；強烈?guī)r爆段占比21.42%，初期支護普遍侵限50～180 mm；極強巖爆段占比0.40%，初期支護普遍侵限60～320 mm。該隧洞設(shè)計預留變形量為5 cm，實際施工中，中等—強烈?guī)r爆引起的最大初期支護侵限量為其設(shè)計預留變形量的2.2～3.6倍。

表1 Ⅱ、Ⅲ級圍巖巖爆段和Ⅳ、Ⅴ級圍巖TBM段襯砌斷面設(shè)計概況

2.2 Ⅳ、Ⅴ級軟弱破碎圍巖段侵限情況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM在Ⅳ、Ⅴ級軟弱破碎地層掘進時出現(xiàn)圍巖變形、坍塌破壞[16]；西康鐵路秦嶺隧道存在自穩(wěn)能力較差的Ⅳ級(節(jié)理密集帶)、Ⅴ級(蝕變巖)圍巖[17]，TBM通過時因圍巖失穩(wěn)坍塌、拱架嚴重變形，部分拱架侵入襯砌凈空超過5 cm[18]；高黎貢山隧道已掘進段初期支護結(jié)構(gòu)侵限段長度達5.255 km，占已掘進長度6.18 km的85.03%，主要發(fā)生在破碎帶、斷層帶、巖性接觸帶等Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段。高黎貢山隧道不同級別圍巖下各侵限量長度占比如圖9所示。由圖可知，在Ⅳ級圍巖中，侵限量小于5 cm的長度占比為67.51%，侵限量在5～10 cm的占比19.55%，侵限量在10～15 cm的占比8.88%，侵限量在15～20 cm的占比4.06%；在Ⅴ級圍巖中，侵限量小于5 cm長度占比32.20%，侵限量在5～10 cm的占比33.82%，侵限量在10～15 cm的占比18.11%，侵限量在15～20 cm的占比14.75%。很顯然，高黎貢山隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段初期支護全部發(fā)生了侵限，只是存在侵限程度的差異而已。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，高黎貢山隧道Ⅳ級圍巖段侵限10 cm以內(nèi)的長度占比為87.06%，Ⅴ級圍巖侵限10 cm以內(nèi)的長度占比為66%，因此徑向凈空侵限10 cm以上的段落長度占比均較大，且Ⅳ、Ⅴ級圍巖侵限量已達到設(shè)計預留變形量的3.94～5.58倍，其設(shè)計預留變形量已明顯低于實際侵限量。

(a) Ⅳ級圍巖

(b)Ⅴ級圍巖

3 隧道TBM段初期支護侵限量預測分析

3.1 初期支護侵限原因

3.1.1 不良地質(zhì)條件下TBM護盾收縮導致隧道斷面凈空減小

以敞開式TBM頂護盾為例，在巖爆段及Ⅳ、Ⅴ級軟巖段施工時，為安裝鋼筋排，頂護盾由雙層鋼板焊接成水平放置的U形槽結(jié)構(gòu)(U形槽中放置鋼筋排)，如圖10所示。為避免施工中因圍巖收斂造成護盾被卡，護盾被設(shè)計成通過油缸沿徑向方向伸縮。圍巖穩(wěn)定時，護盾外側(cè)鋼板緊貼圍巖，鋼拱架緊貼鋼筋排，使其緊靠U形槽上檐，護盾無縮徑；當遇到巖爆或軟弱破碎圍巖時，大量圍巖碎塊擠壓護盾，造成護盾油缸過載，護盾油缸液壓控制系統(tǒng)壓力超限而被迫卸荷，致使護盾沿徑向收縮，隨著TBM掘進，圍巖碎塊露出護盾后進一步擠壓鋼筋排，造成鋼筋排緊靠U形槽下檐，此時隧道縮徑量(半徑方向)為護盾收縮量、護盾上層鋼板厚度和U形槽厚度之和，如圖11所示。

圖10 敞開式TBM頂護盾結(jié)構(gòu)

3.1.2 初期支護體系形成支護能力周期長

TBM施工過程中，隧道初期支護體系施作完成并達到設(shè)計支護能力并不是一蹴而就的。TBM刀盤后方至初期支護封閉段有60～70 m長的段落(掌子面至TBM噴漿橋的距離)為初期支護施作段。受TBM結(jié)構(gòu)特點及工法的影響，該段落初期支護體系是循序漸進完成，相應(yīng)的支護能力也是漸進式形成的。遇到不良地質(zhì)時，存在支護能力不足的可能性，有可能滯后25～30 d才能達到設(shè)計支護能力。在這期間，初期支護不足區(qū)域已開挖成型，原有的地層應(yīng)力狀態(tài)被破壞，而初期支護能力又沒有達標，隧道結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力狀態(tài)處于重構(gòu)過程中，高地應(yīng)力巖爆沖擊或軟弱破碎地層變形會引起隧道初期支護結(jié)構(gòu)變形，甚至侵限。

3.2 設(shè)計支護參數(shù)對比

該高原鐵路隧道TBM段與蘭渝鐵路西秦嶺隧道、西康鐵路秦嶺隧道、引漢濟渭秦嶺輸水隧洞和高黎貢山鐵路隧道TBM段不同圍巖級別對應(yīng)的設(shè)計支護參數(shù)如表2所示。

對比相同圍巖級別下的設(shè)計支護參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：

1)本文隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖巖爆段支護參數(shù)優(yōu)于蘭渝鐵路西秦嶺隧道和西康鐵路秦嶺隧道，但與引漢濟渭秦嶺輸水隧洞相比，無明顯的優(yōu)勢。本文隧道TBM段的巖性、埋深、巖石強度和強度應(yīng)力比等參數(shù)與引漢濟渭秦嶺輸水隧洞的相關(guān)參數(shù)非常相似，故推測發(fā)生類似量級巖爆的概率很高，但本文隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖巖爆段鋼拱架為HW100，間距為0.9 m，其抵抗巖爆沖擊的能力弱于引漢濟渭秦嶺輸水隧洞，而設(shè)計預留變形量與之相當，故推測因巖爆造成的初期支護變形侵限程度將會比秦嶺輸水隧洞更嚴重。

2)在Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖段，本文隧道初期支護相較其他工程并未有明顯的優(yōu)勢，尤其是Ⅳ級圍巖下采用HW100拱架，間距1.8 m，拱架支護能力低于蘭渝鐵路西秦嶺隧道和西康鐵路秦嶺隧道，拱架布置密度也低于高黎貢山隧道。本文隧道TBM開挖直徑大于高黎貢山隧道，但Ⅳ、Ⅴ級圍巖段初期支護未有明顯的優(yōu)勢，因此預測本文隧道TBM在節(jié)理密集帶、蝕變巖地層掘進時也將出現(xiàn)更為嚴重的初期支護結(jié)構(gòu)變形侵限問題。

表2 典型敞開式TBM隧道工程設(shè)計支護參數(shù)

3.3 設(shè)計斷面侵限量預測

該高原鐵路隧道TBM護盾內(nèi)、外層鋼板厚4 cm，鋼筋槽厚度5 cm，如圖12所示，護盾伸縮范圍為+7～-5 cm(正值表示伸出，負值表示縮回)。根據(jù)3.1.1節(jié)的分析，凈空損失量最大為14 cm(外層鋼板厚4 cm+鋼筋槽厚度5 cm+護盾縮回5 cm)。以隧道進口標段為例，當TBM遇到硬巖巖爆、節(jié)理密集帶、蝕變巖等時，不同襯砌斷面類型在該標段的使用長度及對應(yīng)的隧道縮徑量如表3所示。

圖12 某高原鐵路隧道TBM護盾結(jié)構(gòu)示意

對TBM在不良地質(zhì)中掘進時的隧道縮徑情況進行預測： 1)若巖爆、節(jié)理密集帶、蝕變巖引起的巖渣碎塊量較少，未引起護盾縮回，只造成鋼筋排緊貼鋼筋槽下檐，則隧道縮徑量(半徑方向)為9 cm，此時只有在Ⅳ、Ⅴ級圍巖下出現(xiàn)侵限，侵限段占TBM掘進段比例預計為17.4%。2)若巖爆劇烈，節(jié)理密集帶、蝕變巖地段圍巖失穩(wěn)嚴重，引起護盾縮回，則隧道縮徑量(半徑方向)會達到14 cm；Ⅲ圍巖中等及以上巖爆段，Ⅳ、Ⅴ級圍巖下均出現(xiàn)侵限，總侵限段占TBM掘進段比例預計為58.8%，其中，巖爆段侵限長度占總侵限段長度的70.4%。引漢濟渭秦嶺輸水隧洞中等—強烈?guī)r爆段，TBM護盾出現(xiàn)了不同程度的縮回和變形，本文隧道強度應(yīng)力比低于引漢濟渭秦嶺輸水隧洞平均值3.085的長度占比為70%。因此，預計本文隧道的巖爆情況比引漢濟渭秦嶺輸水隧洞的更嚴重，巖爆段TBM護盾收縮、支護結(jié)構(gòu)侵限風險更高。

表3 不同襯砌斷面侵限(半徑方向)情況

4 調(diào)增TBM開挖直徑應(yīng)對侵限的必要性探討

4.1 護盾結(jié)構(gòu)

受敞開式TBM護盾結(jié)構(gòu)特點的影響，在不良地質(zhì)段TBM會出現(xiàn)不同程度的縮徑。此外，本文隧道設(shè)計斷面未考慮TBM護盾厚度，加劇了不良地質(zhì)段隧道支護侵限的風險，故建議在原設(shè)計斷面尺寸的基礎(chǔ)上至少增加護盾外層鋼板厚度4 cm和鋼筋槽厚度5 cm，即開挖直徑增加2×(4 cm+5 cm)=18 cm，由原設(shè)計的10.2 m增加至10.38 m。由表3可知，護盾縮回時侵限段長度預計達到19 328 m，占TBM掘進段的58.8%，當開挖直徑調(diào)整為10.38 m時，理論上可解決Ⅲ、Ⅳ級圍巖段的侵限，占理論總侵限段的96.5%；若開挖直徑繼續(xù)調(diào)整為10.48 m，理論上解決了余下3.5%的侵限段，但開挖直徑從10.38 m調(diào)整為10.48 m后解決的侵限段長度已遠低于從10.2 m調(diào)整為10.38 m時解決的長度。

4.2 鋼管片支護結(jié)構(gòu)

為提高初期支護的及時性，快速形成支護能力，在敞開式TBM上搭載鋼管片拼裝系統(tǒng)。TBM在強烈?guī)r爆段、節(jié)理密集帶、蝕變巖帶等不良地質(zhì)段掘進時，若在護盾內(nèi)側(cè)拼裝全環(huán)鋼管片，圍巖出護盾后可由鋼管片作臨時支護，為后續(xù)施作錨桿、鋼筋網(wǎng)片和鋼拱架爭取時間。首先，利用錨桿鉆機穿過鋼管片上預設(shè)的注漿孔施作預應(yīng)力中空注漿錨桿；然后，通過錨桿注水泥漿或水泥砂漿固結(jié)不良地質(zhì)段的圍巖；待圍巖穩(wěn)定后拆下鋼管片安裝鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架，噴射混凝土，再繼續(xù)下一階段掘進。TBM搭載鋼管片拼裝系統(tǒng)如圖13所示。沿護盾周邊布置18根輔助油缸，油缸僅用于輔助鋼管片安裝，不提供推進力。

(a) 縱剖面圖 (b) 橫剖面圖

每環(huán)鋼管片分為6塊： 底管片、底左管片、底右管片、頂左管片、頂右管片、頂管片。除頂管片為梯形結(jié)構(gòu)形式，其余均為平行四邊形結(jié)構(gòu)形式。每塊鋼管片共有14個螺栓孔(環(huán)縫2個，縱縫12個)，采用M24高強度(10.9級)螺栓連接；每塊管片預留多個錨桿/注漿孔和1個起吊孔，如圖14所示。鋼管片與鋼拱架支護的過渡段如圖15所示，在鋼拱架上焊接鋼管片支撐，為安裝多環(huán)鋼管片提供反力。

圖14 鋼管片安裝結(jié)構(gòu)

圖15 鋼管片與鋼拱架支護過渡段

采用鋼管片支護結(jié)構(gòu)后，由于鋼管片在護盾內(nèi)拼裝，且鋼管片自身也有一定厚度，因此這種結(jié)構(gòu)對隧道內(nèi)凈空及開挖直徑有一定的要求，如圖16所示。

圖16 鋼管片支護結(jié)構(gòu)下隧道開挖直徑組成示意圖(單位： cm)

若該高原鐵路隧道采用鋼管片支護結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程設(shè)計邊界條件，隧道基本輪廓線直徑為880 cm，二次襯砌厚度為30 cm，施工誤差為10 cm，擬設(shè)計的鋼管片厚度為16 cm，鋼管片與護盾盾尾之間的間隙為1 cm，護盾厚13 cm，則采用鋼管片支護結(jié)構(gòu)下TBM開挖直徑=隧道基本輪廓線直徑880 cm+2×二次襯砌厚度30 cm+2×施工誤差10 cm+2×鋼管片厚度16 cm+2×鋼管片與護盾盾尾之間間隙1 cm+2×護盾厚度13 cm+2×護盾縮回量5 cm+2×刀具磨損量1.5 cm=1 033 cm，即如果采用鋼管片臨時代替當前初期支護結(jié)構(gòu)(錨桿+鋼筋排/網(wǎng)+噴射混凝土)也需要調(diào)增TBM開挖直徑。

5 工程成本變化分析

TBM刀盤直徑增加后增加的工程成本主要包括掘進成本(不含TBM設(shè)備攤銷費)、初期支護成本和二次襯砌成本3大類。由于擴徑量為定值，故與之相關(guān)的掘進成本和初期支護成本相對也為定值；由于開挖后隧道初期支護結(jié)構(gòu)變形量難以準確預計，只有待實際施工過程中，根據(jù)初期支護結(jié)構(gòu)的變形量實測值動態(tài)確定二次襯砌的內(nèi)凈空輪廓線，并以此統(tǒng)計二次襯砌成本的實際增加量。以隧道進口標段為例，在不計二次襯砌成本增加的情況下，TBM直徑由10.20 m擴徑至10.33 m引起掘進成本(不含TBM設(shè)備攤銷費)增加4 440萬元，初期支護成本增加205萬元，合計為4 645萬元。

6 結(jié)論與討論

1)在TBM裝備結(jié)構(gòu)特點、初期支護體系施作方式和不良地質(zhì)共同作用下，本文隧道TBM段Ⅲ級圍巖中等及以上巖爆段、節(jié)理密集帶(Ⅳ級圍巖)和蝕變巖段(Ⅴ級圍巖)存在初期支護侵限風險，預測各段落侵限量將分別達到1 cm、7 cm和14 cm，預測侵限段長度將占TBM掘進長度的58.8%左右。

2)建議在設(shè)計TBM隧道襯砌斷面時，不僅要考慮基本內(nèi)輪廓、施工誤差、襯砌厚度、預留變形量等因素，也要考慮在不良地質(zhì)段施工時TBM護盾厚度及鋼筋排下沉對隧道內(nèi)凈空的影響；對于該高原鐵路隧道，若考慮護盾外層鋼板厚度及鋼筋排下沉量，將TBM開挖直徑調(diào)增至10.38 m理論上可減少約96.5%的侵限段。

3)為提高初期支護的及時性，快速形成支護能力，建議在強烈?guī)r爆段、節(jié)理密集帶和蝕變巖段等不良地質(zhì)段采用鋼管片作臨時支護，為施作初期支護并形成支護能力留夠時間，但需要將TBM開挖直徑適當調(diào)增，該工程建議由10.2 m調(diào)整為10.33 m。

4)以隧道進口標段為例，在不計二次襯砌成本增加的情況下，TBM由直徑10.20 m擴徑至10.33 m引起的掘進成本(不含TBM設(shè)備攤銷費)增加4 440萬元，初期支護成本增加205萬元，合計為4 645萬元，但刀盤擴徑可降低支護侵限拆換費用。刀盤擴徑帶來的利弊需要在實際施工中進行驗證。

由于工程地質(zhì)的復雜性和不確定性，本文所預測的該高原鐵路TBM隧道不良地質(zhì)段下的侵限量與實際值會存在一定的偏差。針對該段TBM隧道不良地質(zhì)提出的隧道開挖直徑調(diào)增量建議值，僅供行業(yè)同仁討論；所提出的采用TBM設(shè)備安裝鋼管片支護結(jié)構(gòu)應(yīng)對強烈?guī)r爆問題，其有效性和優(yōu)化改進方式均需要在工程實踐中進行驗證和探索。

致謝

高黎貢山隧道工程司景釗、王亞鋒，引漢濟渭輸水隧洞工程游金虎、陳小強為本文提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)，在此表示感謝！