大瑞鐵路高黎貢山隧道開(kāi)敞式TBM施工適應(yīng)性研究

張金榮

（昆明鐵路局建設(shè)管理處，云南 昆明 650000）

TBM是英文Tunnel Boring Machine的簡(jiǎn)稱，中譯文為“掘進(jìn)機(jī)”，鐵道和交通部門習(xí)慣稱之為隧道掘進(jìn)機(jī)，是一種靠旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)刀盤,通過(guò)盤形滾刀破碎巖石而使隧洞全斷面一次成形的機(jī)器。

TBM是隧道施工中的一種先進(jìn)方法，近年來(lái)在我國(guó)隧道建設(shè)中得到了快速發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)也得到了快速發(fā)展。1997年，以西安～安康鐵路秦嶺隧道為標(biāo)志，我國(guó)鐵路首次采用掘進(jìn)機(jī)技術(shù)進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)施工。目前，我國(guó)已掌握了TBM設(shè)計(jì)、施工工藝，采用TBM是長(zhǎng)大隧道施工的主流趨勢(shì)。

大理至瑞麗鐵路位于云南省西部地區(qū)，東起廣大鐵路終點(diǎn)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(zhǎng)330km。

高黎貢山隧道位于大瑞鐵路怒江車站～龍陵車站區(qū)間，全長(zhǎng)34.538km。隧道穿越高黎貢山，最大埋深1155m，埋深超過(guò)400m的長(zhǎng)度約28km，占隧道全長(zhǎng)的81%，輔助坑道設(shè)置十分困難。根據(jù)隧道實(shí)際情況，若全隧采用鉆爆法施工，無(wú)法通過(guò)增設(shè)輔助坑道實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)隧短打”實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工期（64個(gè)月）的目標(biāo)。為滿足設(shè)計(jì)工期要求，需研究采用TBM施工，通過(guò)縮短隧道施工工期，達(dá)到滿足建設(shè)項(xiàng)目總工期的要求。

1 高黎貢山隧道TBM適應(yīng)性分析

1.1 地質(zhì)適應(yīng)性

1.1.1 工程地質(zhì)特點(diǎn)

隧道進(jìn)口段：DK192+302（隧道進(jìn)口）～DK206+300（鎮(zhèn)安斷層）長(zhǎng)約14km，主要地層巖性為侏羅系玄武巖、砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r，三疊系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，奧陶系砂巖、變質(zhì)砂巖、灰?guī)r、長(zhǎng)石石英砂巖，寒武系灰?guī)r、板巖、變質(zhì)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(zhèn)安斷層）～DK226+840（隧道出口）長(zhǎng)20.54km，主要地層巖性為為燕山期（15km）花崗巖，寒武系（2.3km）變質(zhì)砂巖、千枚巖、片巖，志留系（0.8km）灰?guī)r、白云巖夾砂巖，泥盆系（1.05km）白云巖、灰?guī)r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(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)

隧道進(jìn)口至鎮(zhèn)安斷層分布有12條斷層和3個(gè)向斜，其中4條斷層為可溶巖與非可溶巖接觸帶之?dāng)鄬樱?條斷層為富水?dāng)鄬樱?zhèn)安斷層等3條斷層為導(dǎo)熱斷層，鎮(zhèn)安斷層同時(shí)還是活動(dòng)斷層。

鎮(zhèn)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?dāng)鄬樱?條斷層發(fā)育在花崗巖地層內(nèi)，1條斷層為推測(cè)斷層，1條斷層為活動(dòng)斷層。

1.1.3 水文地質(zhì)特點(diǎn)

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

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

深部地下水循環(huán)系統(tǒng)（地下熱水）水熱活動(dòng)與巖漿侵入、變質(zhì)巖帶的分布和近期活動(dòng)性斷裂系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián)，主要分布于怒江斷裂帶、高黎貢山～三臺(tái)山及騰沖～梁河弧形構(gòu)造帶等深大斷裂附近的山麓。

1.1.4 地質(zhì)適應(yīng)性分析

開(kāi)敞式TBM主要用于巖石整體性較好、圍巖有一定自穩(wěn)能力的隧道施工，特別是在硬巖、中硬巖掘進(jìn)中，強(qiáng)大的支撐系統(tǒng)為刀盤提供了足夠的推力，能充分發(fā)揮TMB快速掘進(jìn)優(yōu)勢(shì)。高黎貢山隧道進(jìn)口段巖性復(fù)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(nèi)以燕山期花崗巖為主，巖性單一（僅4種地層），構(gòu)造影響小（7條斷裂帶），巖石完整性較好，巖石的天然抗壓強(qiáng)度為42～86Mpa，II、III級(jí)圍巖長(zhǎng)度占出口段總長(zhǎng)度的53%，圍巖自穩(wěn)能力較好，地下水不發(fā)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(jiàn)下表：

圍巖級(jí)別 II III IV V長(zhǎng)度（m） 2690 8195 5988 3667長(zhǎng)度百分比 13% 40% 29% 18%

隧道出口段：DK206+300～DK226+840長(zhǎng)20540m

使用開(kāi)敞式TBM施工，可直接觀測(cè)被開(kāi)挖的巖面，方便進(jìn)行地質(zhì)素描，同時(shí)可在刀盤附近安裝一些初期支護(hù)設(shè)備進(jìn)行圍巖加固處理，因此開(kāi)敞式TBM能適應(yīng)本隧道出口段施工。

1.2 隧道長(zhǎng)度適應(yīng)性

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

1.3 施工場(chǎng)地條件

TBM掘進(jìn)機(jī)設(shè)備系統(tǒng)龐大，拼裝長(zhǎng)度超過(guò)200 m，加之洞外配套設(shè)施等，均要求具備相應(yīng)的場(chǎng)地條件。高黎貢山隧道出口和2#斜井進(jìn)口場(chǎng)地開(kāi)闊，并緊鄰國(guó)道312線，具備TBM機(jī)械進(jìn)場(chǎng)及洞外拼裝條件。

1.4 運(yùn)輸條件

TBM掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)備重量大，最大部件達(dá)幾十噸甚至上百噸，對(duì)運(yùn)輸條件有著嚴(yán)格要求，高黎貢山隧道出口及2號(hào)斜井進(jìn)口緊鄰國(guó)道312線，交通便利，便道引入條件較好，只需根據(jù)TBM設(shè)備運(yùn)輸方案適當(dāng)修建運(yùn)輸便道即可將設(shè)備的大件、散件運(yùn)輸至拼裝場(chǎng)。

1.5 電力保障系統(tǒng)

針對(duì)TBM施工耗電大、用電要求高的特點(diǎn)，建設(shè)單位已經(jīng)和地方供電部門進(jìn)行了接洽，協(xié)調(diào)供電部門結(jié)合鐵路設(shè)計(jì)方案統(tǒng)籌考慮電網(wǎng)布局，確保電源滿足TBM施工需求，電力保障系統(tǒng)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(shè)置

隧道輔助坑道設(shè)置“貫通平導(dǎo)1座+斜井2座+豎井1座”。貫通平導(dǎo)位于線路左側(cè)預(yù)留II線線位上，與正洞間距30m，全長(zhǎng)34611m，縱坡與正洞縱坡基本一致；斜井共設(shè)2座，其中 1號(hào)斜井（主副井）設(shè)于線路D1K199+600右側(cè)，長(zhǎng)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(cè)，長(zhǎng)3895m，坡度10%，與線路交角約36°；1#豎井（主副井）位于D1K205+080右側(cè)30m，深度757m。

輔助坑道設(shè)置示意圖

2.1.2 工區(qū)劃分及施工工法

根據(jù)高黎貢山隧道地質(zhì)水文情況、建設(shè)工期要求及專家組意見(jiàn)，隧道共分為5個(gè)工區(qū)：進(jìn)口工區(qū)、1#斜井工區(qū)、1#豎井工區(qū)、2#斜井工區(qū)、出口工區(qū)。其中隧道進(jìn)口工區(qū)、1#斜井工區(qū)、1#豎井工區(qū)、2#斜井工區(qū)斜井采用鉆爆法施工；2#斜井施工平導(dǎo)及出口工區(qū)施工正洞及平導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。隧道基本內(nèi)徑7.70m，軌面以上凈空面積43.0m2，滿足行車速度要求。敞開(kāi)式TBM施工段采用圓形復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，按照V級(jí)圍巖擬定正洞TBM開(kāi)挖直徑為9.0m（下稱“大TBM”）。

平導(dǎo)TBM施工以錨噴支護(hù)為主，洞內(nèi)主要布置風(fēng)管、運(yùn)輸軌排、皮帶機(jī)、進(jìn)排水管道、電纜、照明線路等。考慮TBM快速掘進(jìn)，洞內(nèi)運(yùn)輸采用四軌三線，軌間距90cm，設(shè)置連續(xù)皮帶機(jī)出碴（寬800mm），TBM 直徑為5.6m（下稱“小TBM”），其中支護(hù)厚度18cm。

2.1.3 出口段TBM施工方案

采用“1臺(tái)大TBM+2臺(tái)小TBM”共3臺(tái)TBM方案，其中大TBM用于出口工區(qū)正洞施工，1臺(tái)小TBM用于出口工區(qū)平導(dǎo)施工，另1臺(tái)小TBM用于2#斜井進(jìn)入平導(dǎo)后的平導(dǎo)施工。2#斜井采用鉆爆法施工到達(dá)井底時(shí)，在井底設(shè)組裝洞室組裝一臺(tái)小TBM施工平導(dǎo)，小TBM在斷層破碎帶采用迂回導(dǎo)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(jìn)通過(guò)，繼續(xù)向前施工。正洞則利用平導(dǎo)迂回導(dǎo)坑進(jìn)行擴(kuò)挖，并鉆爆法施工正洞斷層破碎帶，大TBM步進(jìn)通過(guò)斷層帶后繼續(xù)施工。

出口工區(qū)承擔(dān)平導(dǎo)施工長(zhǎng)度10746m，其中小TBM施工9019m，鉆爆法平導(dǎo)迂回施工以及平導(dǎo)洞口鉆爆法施工共計(jì)1727m；

出口工區(qū)承擔(dān)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(jù)施工組織方案，按設(shè)計(jì)施工進(jìn)度指標(biāo)計(jì)算，正洞貫通時(shí)間為64.0個(gè)月，滿足設(shè)計(jì)工期要求；平導(dǎo)滯后貫通（66.8個(gè)月）；正洞貫通里程為DK209+239，大TBM施工總長(zhǎng)度為11.393km，出口小TBM施工平導(dǎo)長(zhǎng)度為9.019km，2#斜井工區(qū)小TBM施工平導(dǎo)長(zhǎng)度8.7km，鉆爆法施工平導(dǎo)0.110km，隧道施工組織設(shè)計(jì)示意圖如下：

3 TMB施工風(fēng)險(xiǎn)分析

由于對(duì)隧道地質(zhì)條件的判釋不可能做到十分精確，加上施工過(guò)程中總是存在不可預(yù)見(jiàn)因素，因此高黎貢山隧道采用開(kāi)敞式TBM施工仍然存在以下風(fēng)險(xiǎn)：

3.1 高地應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)

高黎貢山隧道最大埋深1155m，埋深大于400 m的長(zhǎng)度達(dá)28km，約占隧道全長(zhǎng)的81% 。在施工過(guò)程中可能遇到由于高地應(yīng)力引起的巖爆、圍巖大變形等問(wèn)題，過(guò)大的變形可能導(dǎo)致隧道塌方或襯砌厚度不足，甚至“卡機(jī)”，發(fā)揮不了TBM的掘進(jìn)優(yōu)勢(shì)。

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(fā)育，灰?guī)r地段有溶洞發(fā)育，一旦遇到較大規(guī)模的溶洞，掘進(jìn)機(jī)將被迫停止掘進(jìn)轉(zhuǎn)而處理溶洞，將直接造成進(jìn)度下降。

3.3 高地溫?zé)岷?/h3>

根據(jù)地質(zhì)勘察，鉆孔實(shí)測(cè)洞身地溫達(dá)35.2℃～36.8℃，全隧地溫預(yù)測(cè)如下表：

預(yù)測(cè)地溫28℃～37℃的長(zhǎng)度占隧道長(zhǎng)度的36%，高地溫可能會(huì)造成機(jī)械效率下降，施工環(huán)境劣化等問(wèn)題，直接影響施工進(jìn)度。

3.4 地下水

施工前，地下水的賦藏?zé)o法準(zhǔn)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(fā)生大規(guī)模涌水，仍然會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

3.5 圍巖失穩(wěn)

高黎貢山隧道出口段發(fā)育有多條斷層破碎帶及接觸帶，部分?jǐn)鄬悠扑閹Ъ敖佑|帶為推測(cè)斷層，位置關(guān)系不明，TBM在巖體破碎、含水及斷層破碎帶中施工時(shí)可能會(huì)遇到圍巖塌坍的情況，尤其是在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確時(shí)，可能造成TBM被埋的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用TBM施工在昆明鐵路局尚屬首次，尚有諸多技術(shù)問(wèn)題需要探索研究，經(jīng)過(guò)以上分析，高黎貢山隧道TBM施工適應(yīng)性結(jié)論如下：

（1）開(kāi)敞式TBM能夠適應(yīng)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(qū)可采用TBM洞外組裝、步進(jìn)后開(kāi)展正洞及平導(dǎo)掘進(jìn)，斷層破碎帶采用鉆爆法施工；2號(hào)斜井鉆爆法施工到達(dá)井底后井下組裝小TBM進(jìn)行平導(dǎo)施工。（3）按設(shè)計(jì)進(jìn)度指標(biāo)，高黎貢山隧道采用"1大+2小"開(kāi)敞式TBM施工最短工期為64個(gè)月，滿足設(shè)計(jì)工期要求。（4）高黎貢山隧道采用開(kāi)敞式TBM施工仍存在一定風(fēng)險(xiǎn)，在下階段施工中應(yīng)引起高度重視并提前制定詳細(xì)應(yīng)急方案，確保施工安全。

[1]姚宗弟，等.隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]李典璜，等.西安一安康鐵路秦嶺隧道TBM掘進(jìn)施工技術(shù)總結(jié)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2004.