文/傅支黔 陳煒韜 張子晗

獲獎等級：一等獎

項目名稱：青藏高原復(fù)雜地質(zhì)條件下圍巖雙護(hù)盾TBM公路隧道建造關(guān)鍵技術(shù)

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“青藏高原復(fù)雜地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM公路隧道建造關(guān)鍵技術(shù)”項目的依托工程——多雄拉隧道是派墨公路的控制性節(jié)點工程，也是首條穿越喜馬拉雅山脈的雙護(hù)盾TBM公路隧道。在施工過程中，建設(shè)者們將遇到擠壓性圍巖、巖爆、120米高水頭、破碎帶等不良地質(zhì)作用，并直接影響管片結(jié)構(gòu)安全。此外，多雄拉隧道施工前期采用的雙護(hù)盾TBM由于盾體長達(dá)11.75米，極易在施工中發(fā)生卡機(jī)事故。同時，由于設(shè)備盾體封閉，在洞內(nèi)無法直接觀察圍巖，從而無法實現(xiàn)信息化動態(tài)、快速施工。因此，該項目研究團(tuán)隊就雙護(hù)盾TBM公路建造的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

項目挑戰(zhàn)大 技術(shù)問題多

多雄拉隧道洞身段擠壓性圍巖、巖爆圍巖占比合計超過60%，最高水頭120米，最大地應(yīng)力32兆帕，穿越多雄拉背斜和兩個斷層破碎帶，最大破碎帶寬度200米。

隧道在建設(shè)前期面臨三大挑戰(zhàn)：首先，進(jìn)出口原始森林茂密、地形陡峭且山體寬厚、洞身地表終年積雪、無勘探便道等，勘測階段準(zhǔn)確探明地質(zhì)難；而施工階段由于雙護(hù)盾TBM受盾體包裹，地質(zhì)人員無法直接觀察圍巖，故采集地質(zhì)信息指導(dǎo)施工也相當(dāng)難。其次，對于雙護(hù)盾TBM擠壓性圍巖形變作用、巖爆沖擊作用無定量計算方法，管片結(jié)構(gòu)設(shè)計無據(jù)可依；隧道水頭120米太高，管片背后水壓力太大，必須進(jìn)行泄壓，但泄壓排水時管片背后水壓力計算又無規(guī)范指導(dǎo)，故結(jié)構(gòu)設(shè)計難。最后，雙護(hù)盾TBM最大弊端是盾體太長，施工中卡機(jī)預(yù)警和防卡機(jī)難度極大。如何成功解決這三大難，決定了隧道修建的成敗。

目前，國內(nèi)外在雙護(hù)盾TBM建造技術(shù)方面的研究，主要集中在卡機(jī)機(jī)理及脫困措施、施工過程三維數(shù)值仿真、超前地質(zhì)預(yù)報、淺埋隧道荷載計算方法、卡機(jī)施工處理等應(yīng)用性層面，總結(jié)歸納起來，存在三個方面的問題：首先，對于雙護(hù)盾TBM卡機(jī)和施工糾偏以被動為主，沒有建立一套可提前預(yù)警卡機(jī)、快速通過管片拼裝糾偏的方法。其次，管片與圍巖間豆粒石層的傳力機(jī)制不明；擠壓性圍巖和巖爆圍巖條件下雙護(hù)盾TBM隧道施工力學(xué)響應(yīng)機(jī)理不明，無擠壓性圍巖形變作用、巖爆圍巖沖擊作用計算方法；對于超過70米水頭條件下，結(jié)構(gòu)排水泄壓時水壓力分布規(guī)律和計算方法未見研究。最后，大部分已有研究成果，均需要在停機(jī)狀態(tài)采集圍巖地質(zhì)信息，然后再進(jìn)行圍巖級別判定，嚴(yán)重干擾和影響施工進(jìn)度，與雙護(hù)盾TBM快速施工不相匹配。

解關(guān)鍵難題 獲多項成果

為解決多雄拉隧道建設(shè)過程中面臨的困難，由中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司作為牽頭，聯(lián)合華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司、中國水利水電第十工程局有限公司、西南交通大學(xué)、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司組成科研聯(lián)合攻關(guān)小組，通過現(xiàn)場調(diào)查管片服役特性、現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬，理論分析、資料調(diào)研等綜合手段，對雙護(hù)盾TBM施工、管片設(shè)計和地質(zhì)信息采集等關(guān)鍵問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過研究，形成了“青藏高原復(fù)雜地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM公路隧道建造關(guān)鍵技術(shù)”，解決了雙護(hù)盾TBM隧道建造中眾多關(guān)鍵問題，成果直接指導(dǎo)工程設(shè)計和施工，保障了多雄拉隧道的順利貫通，并為同類工程采用雙護(hù)盾TBM施工提供參考和借鑒，推動雙護(hù)盾TBM在隧道建設(shè)中的應(yīng)用。

首先，該項技術(shù)保障了派墨公路多雄拉隧道、引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞、新疆引額供水工程喀雙隧洞的安全快速建設(shè)，確保了施工過程零事故。其中，雙護(hù)盾TBM雙?？焖倩┕まD(zhuǎn)換技術(shù)、施工臨災(zāi)預(yù)警方法經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，證明可有效降低卡機(jī)風(fēng)險，以油缸行程差和盾尾間隙為控制標(biāo)準(zhǔn)的姿態(tài)調(diào)控技術(shù)可有效提升隧道掘進(jìn)精度。此外，依托該項技術(shù)編制了《全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)導(dǎo)則》《巖石隧道掘進(jìn)機(jī)法技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范，形成了《雙護(hù)盾TBM噴錨支護(hù)施工工法》《雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)機(jī)頭脫困施工工法》《大直徑雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)長隧洞施工工法》和《四方格盾構(gòu)隧道管片BIM軟件》等，這也說明該項技術(shù)及應(yīng)用得到了國內(nèi)的高度認(rèn)可。

其次，該項技術(shù)已成功運(yùn)用在多雄拉越嶺隧道及相關(guān)水工隧洞等一系列青藏高原地區(qū)長大隧道的勘察設(shè)計當(dāng)中，相關(guān)研究成果為類似隧道工程設(shè)計、工法選擇提供了借鑒，推動了雙護(hù)盾TBM在隧道建設(shè)中的應(yīng)用。依托該項技術(shù)編制的《雙護(hù)盾TBM公路隧道設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》《高海拔隧道工程》《隧道與地下工程數(shù)值計算及工程應(yīng)用》等專著作，形成了大量知識產(chǎn)權(quán)成果。

最后，依托該項技術(shù)形成的“雙護(hù)盾TBM公路隧道地質(zhì)信息采集及圍巖分級評價方法”系國內(nèi)外首次系統(tǒng)針對雙護(hù)盾TBM施工開展的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)攻關(guān)。項目研究成果在多個國內(nèi)重大工程中得到充分應(yīng)用，成功指導(dǎo)了TBM掘進(jìn)施工。編制的《雙護(hù)盾TBM隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報》《水電工程地質(zhì)信息一體化》專著及大量專利成果，得到了業(yè)界的一致認(rèn)可，均表示項目研究成果破解了長久以來雙護(hù)盾TBM施工無法獲取有效地質(zhì)信息的重大難題。

助力多雄拉 開拓新市場

該項目的研究成果直接指導(dǎo)了多雄拉隧道的設(shè)計、施工，并基于不同圍巖條件下管片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法成果，提出了輕、中、重管片分類設(shè)計，在Ⅱ、Ⅲ級圍巖中突破現(xiàn)行規(guī)范，設(shè)計使用了C35鋼筋混凝土管片。提出的雙護(hù)盾TBM雙模轉(zhuǎn)換和姿態(tài)調(diào)控技術(shù)，解決了傳統(tǒng)雙護(hù)盾TBM無法噴錨支護(hù)和洞軸線快速糾偏的問題；施工過程中卡機(jī)臨災(zāi)預(yù)警方法的應(yīng)用避免了至少3次TBM卡機(jī)事故。項目研發(fā)的一系列全封閉環(huán)境下地質(zhì)信息采集裝置確保了信息化動態(tài)施工，實現(xiàn)了施工圍巖快速分級。這一系列技術(shù)的應(yīng)用，保障了隧道的順利建設(shè)，實現(xiàn)了施工安全零事故，使隧道提前5個月貫通，節(jié)約工程投資1.17億元。

此外，該項目研究提出的卡機(jī)臨災(zāi)預(yù)警方法、TBM卡機(jī)防控措施、結(jié)構(gòu)荷載計算方法等，已推廣應(yīng)用于長達(dá)39公里的引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧道和長達(dá)211公里的引額供水工程喀雙隧洞等重大TBM隧道工程的建設(shè)中，均取得良好效果。

未來，隨著川藏高速公路、川藏鐵路、滇藏鐵路和雅魯藏布江下游水電資源工程的陸續(xù)建設(shè)，大量長大隧道將采用TBM法在高原上施工。