TBM 在朔州隧道施工的適用性探討

于 春

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

當前，我國鐵路長大隧道多采用長隧短打的施工方法，即通過設置若干個輔助坑道來增加工作面，加快施工進度，如烏鞘嶺隧道、關角隧道、太行山隧道等。但隨著建設工期的加快、環境保護和施工安全意識的提高，體現以人為本的建設理念，加快機械化、工廠化進程，逐步減少分步法施工，推廣全斷面施工技術，長大隧道采用TBM 掘進機施工已是今后的發展方向。本文就新建鐵路大準至朔黃鐵路聯絡線朔州隧道采用TBM 施工的可行性進行分析、研究，以期給今后類似工程提供借鑒和參考。

1 工程設計概況

朔州隧道起訖里程為DK128+662～DK139+955，全長11293 m，為全線最長的隧道和控制工程。隧道位于管涔山東南部，進口軌面高程為1547.71 m，出口軌面高程為1523.59 m。該區海拔最高處為龍霸山，高程約為2147.2 m，最低海拔位于調繪區南端的小北岔村東，高程約為1444.0 m，最大高差約703.2 m，一般相對高差300～400 m，屬中低山地貌。山勢陡峻，坡陡溝深，多呈“V”型谷。僅北部平魯區的黃石崖村、打鷹溝村等附近地貌為黃土臺塬及山間河谷區，地形較平坦－開闊。

隧道設計為雙線隧道，洞身最大埋深約540 m。洞身DK139+602.34(右線為DK139+612.33)至出口段位于R=1200 m(右線R=1204.39 m)的曲線上，其余段落均位于直線上，洞內設計縱坡為3.0‰、～7.0‰的人字坡。

2 工程地質概況

隧道區地層為第四系全新統殘坡積碎石土;第四系上更新統坡、風積砂質黃土;第四系中更新統坡、風積黏質黃土及坡積碎石土;奧陶系上統石灰巖、白云巖;奧陶系中統石灰巖夾頁巖;奧陶系下統亮甲山組石灰巖、白云巖;奧陶系下統冶里組石灰巖夾頁巖;寒武系上統石灰巖。

朔州隧道洞身主要通過石灰巖地層，局部為石灰巖夾頁巖地層;洞身發育有D1、D2 褶皺和7條斷層帶，褶皺構造對隧道工程的影響較小;除F2、F3 對隧道工程影響較小外，其余5 處斷層構造均對隧道工程有一定程度的影響。

區內地表水不發育，溝谷均為干溝，僅在降水時才有洪水流過，短暫洪流過后又為干溝。地下水主要為碳酸鹽巖巖溶裂隙水、松散巖類孔隙水。除斷層破碎帶處外，其他區域水量較小，對隧道危害小。

隧道地表巖溶現象不明顯，未發現大的溶蝕洞，工區范圍內巖溶為微弱－弱發育。

朔州隧道洞身圍巖級別為:Ⅱ級圍巖2955 m，Ⅲ級圍巖4085 m，Ⅳ級圍巖3195 m，Ⅴ級圍巖1058 m。其中Ⅱ級圍巖約占隧道全長的26.2%，Ⅲ級圍巖約占隧道全長的36.2%。

3 TBM 的施工特點及國內較大斷面的應用概況

3.1 TBM 法的施工特點

TBM(全斷面隧道掘進機)是一種靠旋轉并推進刀盤，通過滾刀破碎巖石而使隧道全斷面一次成形的機器。TBM 施工與鉆爆法施工相比，具有以下特點。

快速:TBM 是一種集機、電、液壓、傳感、信息技術于一體的隧道施工成套設備，可以實現連續掘進，能同時完成破巖、出碴、支護等作業，實現了工廠化施工，流水線作業。掘進速度為鉆爆法的5～20 倍。

優質:TBM 采用滾刀進行破巖，避免了爆破作業，成洞周圍巖層不會受爆破震動而破壞，洞壁完整光滑，超挖量小。

高效:TBM 施工速度快，縮短了工期，較大地提高了經濟效益和社會效益;同時由于超挖量小，節省了大量襯砌費用。TBM 施工用人少，降低了勞動強度、材料消耗。

安全:TBM 施工改善了作業人員的洞內勞動條件，減輕了體力勞動量，避免了爆破施工可能造成的人員傷亡，事故大大減少。同時，護盾保護加上及時襯砌支護，使施工人員和設備更安全。TBM 采用圓形斷面，襯砌結構受力合理、穩定安全。

環保:TBM 施工不用炸藥爆破，施工現場環境污染小;減少了長大隧道的輔助坑道數量，保護了生態環境。

文明:機械化程度高、勞動強度降低、工作條件與環境得以改善，實現了現代文明施工。

經濟:就長隧洞施工，可減少支洞數量及相應的臨建、水、電、路等設施，縮短工期，提高經濟及社會效益。

3.2 TBM 國內較大斷面的應用概況

TBM 是高科技設備的集成，要充分發揮其優勢還需具備熟練掌握TBM 的高素質操作管理人員，依此來保證TBM 及后配套設備的高度完好率。國內較大斷面采用TBM 施工的主要工程見下表1。

表1 國內較大斷面TBM 的工程應用概況

4 朔州隧道采用TBM 的適用性分析

4.1 工程地質條件分析

TBM 掘進機適用于中硬巖層的開挖，最適宜開挖巖石單軸抗壓強度介于50～150 MPa 的巖層，對TBM 施工影響較大的不良地質主要有:軟弱地層、長距離斷裂帶、巖溶、涌水、圍巖變形等。

朔州隧道進口地表為第四系坡、風積砂質黃土，呈硬塑狀，厚18～20 m 不等，砂質黃土具濕陷性，其下為第四系黏質黃土、碎石土，工程地質條件較差;隧道出口為強～弱風化的石灰巖夾頁巖，強風化層厚2～5 m，受F7 斷層的影響，出口處巖體較破碎，節理裂隙較發育，巖層產狀呈水平狀，工程地質條件較一般。

隧道洞身地層有奧陶系上統石灰巖夾白云巖、奧陶系中統石灰巖夾頁巖、奧陶系下統亮甲山組白云巖、奧陶系冶里組石灰巖夾頁巖、寒武系石灰巖。洞身穿越地層相對較簡單，主要為石灰巖、巖質較硬，局部為石灰巖夾頁巖，巖體較完整;地下水主要為基巖裂隙水和巖溶水，水量較小。受區內F1～F7 斷層影響，斷層帶內巖體呈破碎狀。鉆探取樣實測干燥狀態下石灰巖抗壓強度介于64～103 MPa 之間，飽水狀態下石灰巖抗壓強度介于45.7～78.5 MPa 之間。朔州隧道TBM 適應性分析情況見下表2。

表2 朔州隧道TBM 適應性分析一覽表

綜合本隧的工程地質、水文地質條件分析，從巖體巖性、單軸抗壓強度、完整性及隧道區構造、不良地質、地下水等方面考慮，朔州隧道除進口端第四系地層及斷層破碎帶段，其余段落采用敞開式TBM 掘進施工基本可行;但該段掘進施工可能存在巖溶、高地應力、涌水等風險。

4.2 TBM 運輸、組裝場地條件

TBM 屬大型專用設備，對施工場地及運輸方案有特殊要求。朔州隧道進口位于朔州市平魯區窩窩會村后，交通條件相對較便利，洞口處地勢相對較低，進口處沿溝谷小路經改造后可做為TBM 進場便道，洞口場地相對較開闊，進口前方為挖方路基，該段路基先行施工后，可以初步滿足TBM 的場地條件。

隧道出口位于朔州市朔城區小北岔村，洞口前方為“小神線”公路其支線，局部彎道較急，交通條件一般，要滿足TBM 設備進場，必須對現有道路進行改造。隧道出口緊接小北岔特大橋，出口洞口標高較高，小北岔特大橋橋高約30～50 m，場地相對狹窄，TBM 進場需搭建便橋，因此，隧道出口段不宜采用TBM 掘進機施工。

4.3 施工組織設計及工期

依據朔州隧道特有的地質及場地環境條件，進口DK128+662～DK129+335 段洞身穿越砂質黃土、碎石土，地層條件較差，考慮采用鉆爆法施工。隧道出口端洞外緊接小北岔特大橋，施工場地相對狹窄，不具備TBM 的現場拼裝及進場條件，同時，出口段穿越5條斷層破碎帶，因此對于隧道出口端考慮鉆爆法施工，以靈活應對施工風險。因此，隧道進口端先采用鉆爆法先行施工，待通過黃土、碎石土地段后，采取敞開式TBM 進行掘進，出口端全部采用鉆爆法施工。從施組來看，采取“1 臺TBM+鉆爆法”施工方案，工期基本滿足要求，與鉆爆法相比，優勢并不明顯，且TBM 施工段落相對較短。

4.4 TBM 襯砌斷面研究

目前，國內雙線鐵路隧道尚未出現TBM 設備的應用，四川錦屏電站引水隧洞中TBM 施工，其斷面直徑為12.4 m，經研究，適宜本線雙線鐵路隧道的襯砌斷面直徑約12 m，采用錦屏電站引水隧洞的TBM 勢必造成工程的浪費及施工難度的加大;采用WirthTB880E 型掘進機所有動力裝置及配套設備僅為8.8 m 直徑隧道斷面設計，能否改裝為雙線隧道所用，尚無先例。國外類似設備，其斷面和本隧道亦差距較大，改造難度較大。

4.5 工程投資分析

結合本隧道地質條件、洞口場地條件，朔州隧道進口采用一臺TBM，TBM 施工段落約5.4k m，對于斷層破碎帶及圍巖較差的進出口地段仍采用鉆爆法施工。通過施組分析，工期并沒有比鉆爆法明顯縮短，費用卻增加較多，同時也帶來了一些不明確的風險。因此，在施工段落較短的情況下，從經濟角度來看，本隧采用TBM 施工明顯不經濟。

5 結論及建議

綜合本隧工程條件、地質條件、施工場地條件及施工組織、襯砌斷面、隧道技術和經濟等方面進行分析，朔州隧道工程無法有效利用國內現有TBM 進行施工;若采取新購置TBM 則投資增加較多，前期研制、運輸、組裝時間長，工期并沒有明顯優勢，且施工存在一定的風險。

因此，從確保工期、控制投資、靈活應對施工風險等方面綜合考慮，朔州隧道施工不宜采用TBM 法施工，推薦采用鉆爆法施工。

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