大瑞鐵路高黎貢山隧道開敞式TBM施工適應性研究

張金榮

（昆明鐵路局建設管理處，云南 昆明 650000）

TBM是英文Tunnel Boring Machine的簡稱，中譯文為“掘進機”，鐵道和交通部門習慣稱之為隧道掘進機，是一種靠旋轉并推進刀盤,通過盤形滾刀破碎巖石而使隧洞全斷面一次成形的機器。

TBM是隧道施工中的一種先進方法，近年來在我國隧道建設中得到了快速發展，隧道掘進機也得到了快速發展。1997年，以西安～安康鐵路秦嶺隧道為標志，我國鐵路首次采用掘進機技術進行隧道設計施工。目前，我國已掌握了TBM設計、施工工藝，采用TBM是長大隧道施工的主流趨勢。

大理至瑞麗鐵路位于云南省西部地區，東起廣大鐵路終點站大理站，穿蒼山、筆架山、大光山、高黎貢山等山脈，西至瑞麗，線路全長330km。

高黎貢山隧道位于大瑞鐵路怒江車站～龍陵車站區間，全長34.538km。隧道穿越高黎貢山，最大埋深1155m，埋深超過400m的長度約28km，占隧道全長的81%，輔助坑道設置十分困難。根據隧道實際情況，若全隧采用鉆爆法施工，無法通過增設輔助坑道實現“長隧短打”實現設計工期（64個月）的目標。為滿足設計工期要求，需研究采用TBM施工，通過縮短隧道施工工期，達到滿足建設項目總工期的要求。

1 高黎貢山隧道TBM適應性分析

1.1 地質適應性

1.1.1 工程地質特點

隧道進口段：DK192+302（隧道進口）～DK206+300（鎮安斷層）長約14km，主要地層巖性為侏羅系玄武巖、砂巖、泥巖、泥灰巖、灰巖，三疊系白云巖、白云質灰巖，奧陶系砂巖、變質砂巖、灰巖、長石石英砂巖，寒武系灰巖、板巖、變質砂巖、粉砂巖、千枚巖、片巖，燕山期混合花崗巖等，約12種地層巖性，巖層軟硬不均，變化頻繁。

隧道出口段：DK206+300（鎮安斷層）～DK226+840（隧道出口）長20.54km，主要地層巖性為為燕山期（15km）花崗巖，寒武系（2.3km）變質砂巖、千枚巖、片巖，志留系（0.8km）灰巖、白云巖夾砂巖，泥盆系（1.05km）白云巖、灰巖夾石英砂巖等地層，共4種地層巖性，巖性較為單一。

1.1.2 地質構造特點

隧道進口至鎮安斷層分布有12條斷層和3個向斜，其中4條斷層為可溶巖與非可溶巖接觸帶之斷層，6條斷層為富水斷層，鎮安斷層等3條斷層為導熱斷層，鎮安斷層同時還是活動斷層。

鎮安斷層至隧道出口共分布有7條斷層，其中2條斷層為可溶巖與非可溶巖接觸帶之斷層，4條斷層發育在花崗巖地層內，1條斷層為推測斷層，1條斷層為活動斷層。

1.1.3 水文地質特點

高黎貢山地下水分為淺表地下水循環系統（地下冷水）與深部地下水循環系統（地下熱水）。

淺表地下水循環系統（地下冷水）主要受地表水系、地形地貌和構造形跡控制，總體上從北向南徑流，在區內集中化排泄的程度不高。

深部地下水循環系統（地下熱水）水熱活動與巖漿侵入、變質巖帶的分布和近期活動性斷裂系統密切關聯，主要分布于怒江斷裂帶、高黎貢山～三臺山及騰沖～梁河弧形構造帶等深大斷裂附近的山麓。

1.1.4 地質適應性分析

開敞式TBM主要用于巖石整體性較好、圍巖有一定自穩能力的隧道施工，特別是在硬巖、中硬巖掘進中，強大的支撐系統為刀盤提供了足夠的推力，能充分發揮TMB快速掘進優勢。高黎貢山隧道進口段巖性復雜，巖層軟硬不均，斷破碎帶帶多，不適合采用TBM施工，適宜采用靈活性高的鉆爆法施工。隧道出口段約20km范圍內以燕山期花崗巖為主，巖性單一（僅4種地層），構造影響小（7條斷裂帶），巖石完整性較好，巖石的天然抗壓強度為42～86Mpa，II、III級圍巖長度占出口段總長度的53%，圍巖自穩能力較好，地下水不發育，涌水量較小，隧道洞壁能承受TBM的水平（X型）支撐力，適宜采用TBM施工。隧道圍巖情況見下表：

圍巖級別 II III IV V長度（m） 2690 8195 5988 3667長度百分比 13% 40% 29% 18%

隧道出口段：DK206+300～DK226+840長20540m

使用開敞式TBM施工，可直接觀測被開挖的巖面，方便進行地質素描，同時可在刀盤附近安裝一些初期支護設備進行圍巖加固處理，因此開敞式TBM能適應本隧道出口段施工。

1.2 隧道長度適應性

TBM造價較高，一般適用于隧道長度大于10km以上的特長隧道施工，高黎貢山隧道出口段長20.54km，采用TBM施工的段落總長超過10km（斷層破碎帶采用鉆爆法施工后TBM步進通過），本隧道出口段長度適應采用TBM施工。

1.3 施工場地條件

TBM掘進機設備系統龐大，拼裝長度超過200 m，加之洞外配套設施等，均要求具備相應的場地條件。高黎貢山隧道出口和2#斜井進口場地開闊，并緊鄰國道312線，具備TBM機械進場及洞外拼裝條件。

1.4 運輸條件

TBM掘進機系統設備重量大，最大部件達幾十噸甚至上百噸，對運輸條件有著嚴格要求，高黎貢山隧道出口及2號斜井進口緊鄰國道312線，交通便利，便道引入條件較好，只需根據TBM設備運輸方案適當修建運輸便道即可將設備的大件、散件運輸至拼裝場。

1.5 電力保障系統

針對TBM施工耗電大、用電要求高的特點，建設單位已經和地方供電部門進行了接洽，協調供電部門結合鐵路設計方案統籌考慮電網布局，確保電源滿足TBM施工需求，電力保障系統可靠。

2 施工方案與工期分析

2.1 施工方案

2.1.1 輔助坑道設置

隧道輔助坑道設置“貫通平導1座+斜井2座+豎井1座”。貫通平導位于線路左側預留II線線位上，與正洞間距30m，全長34611m，縱坡與正洞縱坡基本一致；斜井共設2座，其中 1號斜井（主副井）設于線路D1K199+600右側，長3676m，坡度8.8%，與線路交角76°；2#斜井（主副井）位于線路D1K216+000右側，長3895m，坡度10%，與線路交角約36°；1#豎井（主副井）位于D1K205+080右側30m，深度757m。

輔助坑道設置示意圖

2.1.2 工區劃分及施工工法

根據高黎貢山隧道地質水文情況、建設工期要求及專家組意見，隧道共分為5個工區：進口工區、1#斜井工區、1#豎井工區、2#斜井工區、出口工區。其中隧道進口工區、1#斜井工區、1#豎井工區、2#斜井工區斜井采用鉆爆法施工；2#斜井施工平導及出口工區施工正洞及平導采用TBM施工。

2.1.3 TBM直徑擬定

高黎貢山隧道按160km/h單線隧道標準進行設計。隧道基本內徑7.70m，軌面以上凈空面積43.0m2，滿足行車速度要求。敞開式TBM施工段采用圓形復合式襯砌結構，按照V級圍巖擬定正洞TBM開挖直徑為9.0m（下稱“大TBM”）。

平導TBM施工以錨噴支護為主，洞內主要布置風管、運輸軌排、皮帶機、進排水管道、電纜、照明線路等。考慮TBM快速掘進，洞內運輸采用四軌三線，軌間距90cm，設置連續皮帶機出碴（寬800mm），TBM 直徑為5.6m（下稱“小TBM”），其中支護厚度18cm。

2.1.3 出口段TBM施工方案

采用“1臺大TBM+2臺小TBM”共3臺TBM方案，其中大TBM用于出口工區正洞施工，1臺小TBM用于出口工區平導施工，另1臺小TBM用于2#斜井進入平導后的平導施工。2#斜井采用鉆爆法施工到達井底時，在井底設組裝洞室組裝一臺小TBM施工平導，小TBM在斷層破碎帶采用迂回導坑鉆爆法施工斷層破碎帶，斷層破碎帶處理完畢后小TBM步進通過，繼續向前施工。正洞則利用平導迂回導坑進行擴挖，并鉆爆法施工正洞斷層破碎帶，大TBM步進通過斷層帶后繼續施工。

出口工區承擔平導施工長度10746m，其中小TBM施工9019m，鉆爆法平導迂回施工以及平導洞口鉆爆法施工共計1727m；

出口工區承擔正洞施工13120m，其中大TBM施工11393m,鉆爆法施工洞口段、斷層段共1727m。

2.2 施工工期分析

根據施工組織方案，按設計施工進度指標計算，正洞貫通時間為64.0個月，滿足設計工期要求；平導滯后貫通（66.8個月）；正洞貫通里程為DK209+239，大TBM施工總長度為11.393km，出口小TBM施工平導長度為9.019km，2#斜井工區小TBM施工平導長度8.7km，鉆爆法施工平導0.110km，隧道施工組織設計示意圖如下：

3 TMB施工風險分析

由于對隧道地質條件的判釋不可能做到十分精確，加上施工過程中總是存在不可預見因素，因此高黎貢山隧道采用開敞式TBM施工仍然存在以下風險：

3.1 高地應力風險

高黎貢山隧道最大埋深1155m，埋深大于400 m的長度達28km，約占隧道全長的81% 。在施工過程中可能遇到由于高地應力引起的巖爆、圍巖大變形等問題，過大的變形可能導致隧道塌方或襯砌厚度不足，甚至“卡機”，發揮不了TBM的掘進優勢。

3.2 巖溶

隧道出口段位于高黎貢山南麓斜坡地帶可溶巖垂直滲流帶，巖溶弱發育，灰巖地段有溶洞發育，一旦遇到較大規模的溶洞，掘進機將被迫停止掘進轉而處理溶洞，將直接造成進度下降。

3.3 高地溫熱害

根據地質勘察，鉆孔實測洞身地溫達35.2℃～36.8℃，全隧地溫預測如下表：

預測地溫28℃～37℃的長度占隧道長度的36%，高地溫可能會造成機械效率下降，施工環境劣化等問題，直接影響施工進度。

3.4 地下水

施工前，地下水的賦藏無法準確探明，盡管高黎貢山隧道采用了人字坡，TBM施工為順坡排水，但如果發生大規模涌水，仍然會造成嚴重的后果。

3.5 圍巖失穩

高黎貢山隧道出口段發育有多條斷層破碎帶及接觸帶，部分斷層破碎帶及接觸帶為推測斷層，位置關系不明，TBM在巖體破碎、含水及斷層破碎帶中施工時可能會遇到圍巖塌坍的情況，尤其是在超前地質預報不準確時，可能造成TBM被埋的風險。

4 結束語

采用TBM施工在昆明鐵路局尚屬首次，尚有諸多技術問題需要探索研究，經過以上分析，高黎貢山隧道TBM施工適應性結論如下：

（1）開敞式TBM能夠適應高黎貢山隧道出口段約20km的施工。（2）高黎貢山隧道出口工區可采用TBM洞外組裝、步進后開展正洞及平導掘進，斷層破碎帶采用鉆爆法施工；2號斜井鉆爆法施工到達井底后井下組裝小TBM進行平導施工。（3）按設計進度指標，高黎貢山隧道采用"1大+2小"開敞式TBM施工最短工期為64個月，滿足設計工期要求。（4）高黎貢山隧道采用開敞式TBM施工仍存在一定風險，在下階段施工中應引起高度重視并提前制定詳細應急方案，確保施工安全。

[1]姚宗弟，等.隧道掘進機技術[M].北京:機械工業出版社,2005.

[2]李典璜，等.西安一安康鐵路秦嶺隧道TBM掘進施工技術總結[M].北京：中國鐵道出版社,2004.