對隧道TBM導洞擴挖法施工的探討與展望

王立川，陳海勇，王占軍，徐潤澤，潘建平，陳宏宇

(1.成都鐵路局，四川成都 610082;2.中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075;3.北京中鐵隧建筑有限公司，北京 100022;4.中信重工洛陽礦山機械工程設計研究院，河南洛陽 471039;5.中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司，廣東深圳 518083;6.中鐵十八局集團有限公司三南項目部，重慶 400800;7.中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著我國基礎設施建設步伐的加快、設計理念的轉變及技術裝備水平的提高，長大隧道(洞)在公路、鐵路、水利工程設計中所占比例越來越大，高速鐵路、雙線鐵路、大跨公路隧道越來越多，這些隧道橫斷面較大甚至超大，獨頭挖掘長度也不斷增加。如何實現長大隧道的安全、投資、工期及其風險控制，已成為隧道工程設計、施工和施工組織技術需研究的關鍵問題之一。長大隧道的施工組織方案及其成效，對長大隧道施工各方面的成敗起著決定性的作用。

目前，隧道挖掘方法非常豐富:按分部情況有全斷面法、分部開挖法;按使用的主要設備有鉆爆法、TBM法、盾構法、機械銑挖法。而不同的組合則會衍生出多樣性的施工方法。任何一種施工方法都有其適用條件、相對優勢及局限性。施工方法是施工方案的基礎和支撐，隧道建設的關鍵在于施工方案與地質條件、施工條件、技術水平、裝備水平相匹配。

以中硬巖為主的長大隧道的可選施工方法主要有全斷面鉆爆法、全斷面TBM法、鉆爆臺階法、鉆爆導洞擴挖法及TBM導洞擴挖法。相較于全斷面及臺階鉆爆法，鉆爆導洞擴挖法具有很多優點［1］。該法已成功應用于南昆鐵路米花嶺隧道(單洞單線9 392 m)的進口段，人工配合小機具開挖超前小導洞(2.5 m×2.5 m)，相較于全斷面法擴挖速度提高2～3倍，使該隧提前4個月建成，為南昆鐵路提前4個月通車創造了條件。該法在京九鐵路五指山隧道(單洞雙線)的局部應用，實現了26個月建成4 465 m長隧。在梅坎鐵路雁洋隧道鉆爆導洞擴挖法實施時，提取了較系統準確的經濟技術數據，工程獲得了工期提前約30%和可觀的經濟效益。

在全社會工薪高企、物價高漲及其粘性效應明顯和土木建筑行業技能型員工日益空殼化的情況下，TBM導洞擴挖法相較于鉆爆導洞擴挖法，具有工期、效益、環境及安全等各方面優勢。TBM導洞擴挖法相較于全斷面TBM法，具有挖掘斷面利用率高、風險小及造價低的優勢。

國內已有不少專家、學者做過TBM導洞擴挖法方面的研究，如:文獻［2］介紹了小直徑TBM導洞擴挖法，并對雙線鐵路隧道TBM選型、導洞位置、施工組織方案進行了研究;文獻［3］提出長15～20 km的鐵路客運專線特長隧道的TBM導洞鉆爆擴挖法的設想;文獻［4］介紹了“TBM導洞+擴挖”法在意大利、日本、瑞士等國的應用情況，并重點介紹了意大利、日本在應用該法中所取得的經驗教訓;文獻［5］在調研國外使用TBM導洞擴挖法工程實例的基礎上，總結了該工法的優點和適用性，就TBM直徑及導洞位置進行比選，并給出了選擇建議;文獻［6］綜述性地總結了隧道開挖方法的選擇;文獻［7］對鉆爆導洞擴挖法的進度、成本、效益進行了一定深度的量化研究。可見，國外對TBM導洞擴挖法已有成功案例［5］，且取得了一些經驗;國內雖有研究和設想，但尚未見有TBM導洞擴挖法的案例。這與本世紀之前重裝備技術落后且機械成本高而勞動力充盈且人工成本低的國情有關，也與工程建設特別是鐵路工程建設領域的體(機)制具有抑制創新的作用和輕視知識產權的保護有關。隨著大陸人口紅利的枯竭和政策導向更重視民生所引起的人工成本急劇增加和重裝備產業的迅速升級，TBM導洞擴挖法的成本劣勢會逐步衰減而衍生出條件式優勢，且更具可行性。本文綜合性地介紹導洞法的概念及其作用，分析導洞法的特點及適用條件，并依托3座隧道為工程背景，對TBM導洞擴挖法的關鍵工序——開挖及初期支護的工期方案進行模擬，并比對模擬方案工期與實際或施工圖設計工期，最后總結TBM導洞擴挖法的適用條件、使用方法、經濟效益，并展望其應用前景。

1 導洞和導洞法

1.1 含義

業界至今未對導洞做概念界定，處于“一個對象、各自表述”階段。“導”系“指引，帶領，啟發，引起，傳遞”之意，導洞是在隧道和地下工程修建中，率先在設計的斷面內挖掘的遠小于設計斷面的洞室;導洞法則是在隧道和地下工程的部分甚至全部區段，先施作導洞再擴大斷面的施工方法或方案;以TBM施作導洞就是TBM導洞法。

1.2 導洞的斷面形狀

據工程和工法需求并結合施工資源特征，導洞的斷面形式常設置為梯形、矩形、馬蹄形、城門洞形及圓形等。

1.3 導洞的相對位置

按導洞(近似)幾何形心與設計斷面形心的相對位置關系，分為頂、上、中、下、側導洞5種，可根據工程施工需要綜合考量而定，即使在一個工程項目或一座隧道的不同區段也可施作于不同的位置。從施工通風和不良地質處置的角度考慮，宜多采取上導洞;應對鉆爆擴挖的明顯不利影響，一般不采用頂和側導洞。

1.4 導洞法的分類

按導洞貫通前、后進行擴挖分為先通導洞法和平行導洞法，即導洞貫通后再進行擴挖的稱先通導洞法;導洞未貫通就在其后方一定距離以平行作業方式進行擴挖的稱平行導洞法。

2 鉆爆導洞法特點和作用

2.1 作用和優點

1)探明并確認地質情況。提前探明地質，疏緩富水地層水壓，這在勘察工作時常不足的國情下，尤為珍貴;導洞貫通后可集中進行全隧地質確認，利于控制工期和投資(成本)風險。

2)降低施工階段安全風險。貫通的導洞創造了提前處置不良地質的技術和施工資源時空，避免大斷面遭遇不良地質所引起的施工安全風險和施工組織倉促甚至混亂;由于導洞斷面小，遭遇不良地質時所造成損失也小;較低爆破振速減少對隧道開挖輪廓線外緣圍巖體的擾動，有利于減少甚至避免掉塊或坍塌的發生。

3)提高施工企業經濟效益。導洞的臨空作用，使民爆品和器材的綜合消耗大幅降低;導洞擴挖法特別有利于提高擴挖階段的光面爆破效果，擴挖炮眼利用率一般都在95%以上，甚至出現100%，拱、墻部炮痕保存率分別達90%、85%以上;綜合民爆品和器材消耗低于全斷面或臺階法施工，且隧道設計斷面愈大差距就愈明顯，設計時速120 km的鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖炸藥綜合降耗單線5% ～7%、雙線15% ～20%，雷管綜合降耗單線10%、雙線18%，Ⅳ級圍巖綜合降耗略低于上述數據;以雙線隧道1 km為例估算，民爆品可節約5～6萬元、炮眼利用率提高可節約人機電費約40萬元，噴射混凝土節約約30萬元。

導洞變形量測規律對全斷面變形規律和量值進行預測。通過貫通的導洞提前實施的貫通測量可大幅壓減系統和偶然測量誤差，從而大幅壓縮超挖工作量;良好的開挖成型不僅可避免不必要的應力集中對圍巖自承力的損害及由此可能引起的安全事故，也可減少找平噴混凝土量;設計時速120 km的鐵路隧道、Ⅱ～Ⅳ級圍巖斷面可少挖掘巖石 0.7～1.5 m3/單線 m、0.95～2.2 m3/雙線m，當然相應節約相應數量的噴射混凝土和襯砌混凝土。

4)改善施工通風效果，節約通風費用。長大隧道的施工通風費用遠高于鐵路行業的概預算水平，導洞貫通后形成全隧自然風流可補償機械通風，在施工通風方案調整后，明顯改善通風效果，提高作業效率，利于作業人員健康;綜合起來比全斷面法或臺階法節約通風費單線50%、雙線65%，一般隧道獨頭挖掘長度大于1 km后綜合施工通風費用在5～8元/m3。

不納入工期提前的管理費和施工資源使用費節約，3)+4)合并，一般設計時速120 km的鐵路雙線隧道Ⅱ、Ⅲ和部分Ⅳ級圍巖地段，工程成本節約2 000～3 000元/m;因定額限制，該特征主要表現為施工企業的效益而非工程投資的降低。

5)提高工程質量。良好的擴挖成型有利于初期支護平順和防水層合格鋪設，從而提高隧道防水效果;降低擾動的圍巖體有利于對隧道工后變形的約束。

6)工期優勢。地質適宜、組織得當時，可加快施工進度、縮短工期。

7)便于工序緊湊，利于出產片石。擴挖時洞碴拋擲距離明顯小于全斷面法或臺階法，縮短設備退避距離，利于施工安全和提高工效;導洞擴挖后圍巖－支護體系趨向穩定的時間縮短，有利于滿足襯砌緊跟的技術條件，工序緊湊;擴挖時，對炮孔布置和裝藥量進行適當調整，在Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段合格片石、塊石率可達45%～55%，可作為路基及支擋工程的片(塊)石原料，甚至可銷售片(塊)石。

8)有利于年輕技術人員的測量技能和地質認識錘煉。導洞施工對施工放樣測量精度要求低，可減少控制復測頻次，允許出現不偏出隧道設計輪廓線的誤差甚至錯誤、允許出現測量的失誤;導洞施工放樣測量可作為年輕技術人員的施工測量實習、鍛煉、培養場所，彌補當前高校畢業生的測量技能低下的不足。一般導洞無支護或很少支護，使地層直觀呈現于眼前，對剛剛走出校門的學生或有一定工作閱歷的地質盲是現實的課堂，利于年輕技術人才地質認識的培養。

2.2 局限和缺點

1)地質條件、隧道長度和斷面大小的局限。若地質條件差即軟弱破碎圍巖所占比例高，則需較大量的臨時支護且速度優勢難以發揮;先通導洞法必然存在相當的工序作業時間，隧道長度可能成為工期的限制因素;軟弱圍巖所占比例與導洞法所適用的隧道長度呈負相關關系，導洞進度能力與其所適用的隧道長度呈正相關關系;若隧道斷面過小，則相對于導洞工作量而言擴挖工作量很小甚至導洞斷面利用不充分，其成本優勢將喪失。

2)臨時支護。軟弱圍巖段導洞必然的臨時支護將產生相應的材料消耗和拆除工作量。

3)管線路二次拆安。施工用管線路須多拆安一次。

4)施工企業資金負面效應。因鐵路甚至其他行業尚無對應的預算定額，小斷面挖掘巖體的成本明顯高于一次性大斷面挖掘巖體的成本，按簡單幾何法計算工作量的成洞系數計量方式，可能引起資金負面效應;但明智的建設單位可通過調整成洞系數或其他手段緩解乃至消除這種效應。

5)平行導洞法的施工安全風險。目前尚不能很好地解決平行導洞法施工時，導洞與擴挖的施工干擾，根本問題是解決管線路過渡和擴挖面處的安全防護。

2.3 適應條件

1)地質條件。當軟弱圍巖比例過高時，若采用導洞法則須對導洞實施較多的支護措施，可能是不經濟的;導洞法特別適用于以中硬、硬巖為主的隧道。

2)斷面的大小。斷面較大的隧道，全斷面與導洞斷面面積之比為2.5～3且導洞外輪廓與隧道設計外輪廓相距1.0～1.5 m時比較經濟。

3)長度與工期。平行導洞法除具備成本(投資)優勢外還有明顯的進度(工期)優勢，在相同工期條件下可減少輔助導坑的數量，但擴挖與導洞界面處的過渡技術措施難題尚未解決，需探索和慎重決策;先通導洞法的主要優勢在于成本(投資)優勢，當地質和工期基本確立時，其適應的隧道長度受到限制。文獻［7］中有基本的測算，當然以TBM施作導洞，其進度更快，故TBM導洞法可適用于更長的隧道。

4)雙洞。按作者多年編制施工組織設計的經驗和文獻［7］的測算估量，導洞擴挖法在“平行雙洞”的情況下可能更具優勢，本文將在TBM導洞法背景下予以初步研究。

2.4 對圍巖的二次擾動

導洞挖掘后引起的周邊圍巖松弛區(即應力重分布區)并非無限擴大而處于有閾，一般都在隧道設計斷面的范圍內，而導洞法施工主要選擇以中硬巖及其以上地層為主的隧道，且導洞的相對位置是可調整的;爆破振動波具有更多向物性值弱的介質分配的特點，因已有導洞作為臨空面，擴挖時爆破對隧道設計輪廓周邊圍巖的影響不僅不會加大，而且有明顯的減少趨勢，2次爆破綜合單位體積巖石炸藥消耗量不大于全斷面或臺階法的相應藥量，便是一個明證。導洞法更充分地體現“新奧法”(NATM)之“利用圍巖自身承載力和允許圍巖應力有限釋放”的基本思想。因此，對導洞法施工引起圍巖產生過大的二次擾動的擔心是不必要的。

3 TBM導洞法的特點

TBM導洞法除基本具備鉆爆導洞法的上述特點外，主要具有如下特征:

1)隧道長度與工期方面。因專用TBM消弭了制造周期及具有導洞進度更快的特點，因此可適用于更長和(或)工期要求更高的隧道。

2)操作人員技能方面。TBM是集電子、信息、遙測、遙控等高新技術于一體的集成式高端、高科技裝備，必然對操作者的文化素質和技能提出更高的要求，且要求操作者相對穩定。

3)施工環境。隧道一定區域內的電力供給應充沛，道橋荷載等級要與TBM的運輸需求基本適應或較方便地加固后滿足運輸需求。

4)徹底消除對圍巖二次擾動的顧慮。

4 TBM導洞法模擬案例

為初步探索TBM導洞擴挖法的施工組織特征，以3座地質差異較大的特長隧道為工程依托，進行以關鍵工序——挖掘和初期支護的工期目標為對象的施工組織方案模擬。渝利鐵路萬壽山隧道和大梁隧道以實際工期、陜西寶雞至坪坎公路秦嶺隧道以施工圖工期為對比基準。

4.1 依托隧道工程概況

萬壽山和二號大梁隧道均為已建成運營的設計時速200 km的國家I級單洞雙線特長鐵路隧道，秦嶺隧道為設計時速80 km的雙洞雙向6車道特長公路隧道。其主要相關要素如表1所示。

表1 依托隧道工程基本概況表Table 1 Tunnel cases

4.2 主要假設條件

1)TBM拼裝和拆卸時長。因進洞前150～200 m采用鉆爆法施工，關鍵線路不計列TBM轉運時間;TBM拼裝時長40 d，洞內拆機40 d，洞外拆機20 d。

2)TBM導洞的相對位置。按下導洞始發后伺機過渡至上(中)導洞布置導洞縱斷面，出洞或到達前再過渡至下導洞，便于TBM始發和到達接收。

3)軟弱破碎圍巖段處置。單洞隧道，Ⅴ、Ⅵ級和部分必要的Ⅳ圍巖地段在導洞施工通過后或貫通后已進行了地質改良、加固，臺架式鉆爆法擴挖通過時均按Ⅳ級圍巖進度指標安排;雙洞隧道，Ⅴ、Ⅵ級和必要的Ⅳ圍巖地段在導洞施工通過后或貫通后已進行了地質改良、加固，臨洞已以臺架式鉆爆法完成開(擴)挖和初期支護，TBM按空推通過，臺架式鉆爆法擴挖基本按Ⅳ級圍巖進度指標安排;后文所述“4.3主要能力指標”已考慮了導洞必要的臨時支護的耗時。

4)TBM轉彎半徑。按300 m考慮。

5)雙洞隧道的聯絡通道。均按導洞通過后、臺架式擴挖前完成開挖和初期支護，不占工期關鍵線路。

6)輔助導坑的長度與斷面。模擬方案均按輔助導坑長度800 m雙車道(國產16～20 t載質量車)無軌運輸斷面設置。

7)模擬方案不考慮可能的大型溶腔、暗河、涌突水的影響。

8)不考慮正反坡的施工指標差異。

4.3 主要能力與進度指標

1)TBM始發前的150～200 m常規臺架式鉆爆法的進度指標按文獻［2］指標約1.5倍采用。

2)TBM每天工作12～16 h，各級圍巖中的日進度分別按Ⅱ級28 m/d、Ⅲ級30 m/d、Ⅳ級17 m/d、Ⅴ級5 m/d采用，每月施工29 d;因此，導洞內會車道施作、設備維修、擴挖前Ⅴ和Ⅵ級及部分必要的Ⅳ圍巖軟弱破碎圍巖地段的預加固、改良和提前實施的開(擴)挖和初期支護工作處置，均不占工期關鍵線路。

3)因Ⅲ+級支護參數和工法與Ⅳ級差異不大，大斷面擴挖施工時均按Ⅳ級指標處理。

4)進度指標體系(主要指開挖和初期支護)見表2。

4.4 方案組合

模擬方案組合情況見表3。

4.5 案例初步測算情況

4.5.1 萬壽山隧道

1)模擬方案形象進度圖見圖1。

2)模擬結論要點匯總。

2)模擬方案結論要點匯總見表4。

4.5.2 大梁隧道

1)模擬方案形象進度圖見圖2。

2)模擬方案結論要點匯總見表5。

4.5.3 秦嶺隧道

1)模擬方案形象進度圖見圖3。

2)模擬方案結論要點匯總見表6。

4.6 模擬方案比較研究結論

4.6.1 直觀性結論

1)從工期角度看，對10 km以上的單洞特長隧道，不能奢望用1臺TBM單向導洞法取代工期性輔助導坑;對10 km以上的雙洞特長隧道，各用1臺TBM相向平行導洞法則有望取代工期性輔助導坑。

表2 模擬方案進度指標表Table 2 Indexes of simulated construction programs m/月

表3 方案模擬組合Table 3 Simulated program groups

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圖1 萬壽山隧道模擬形象進度圖Fig.1 Simulated construction schedule of Wanshoushan tunnel

表4 萬壽山隧道測算情況(與實際工期31.5個月相比)Table 4 Simulation results of Wanshoushan tunnel

圖2 大梁隧道模擬形象進度圖Fig.2 Simulated construction schedule of Daliang tunnel

表5 大梁隧道測算情況(與實際工期33個月相比)Table 5 Simulation results of Daliang tunnel

圖3 秦嶺隧道模擬形象進度圖Fig.3 Simulated construction schedule of Qinling tunnel

表6 秦嶺隧道測算情況(與施工圖工期左線50、右線51個月相比)Table 6 Simulation results of Qinling tunnel

2)在10 km以上的單洞無輔助導坑特長隧道中，TBM平行導洞法比TBM先通導洞法有一定的優勢;而在10 km以上的雙洞無輔助導坑特長隧道中，TBM平行導洞法比TBM先通導洞法有明顯的優勢。在10 km以上的單洞單輔助導坑特長隧道中，TBM平行導洞法比TBM先通導洞法并無明顯優勢，輔助導坑與正洞交叉口的位置選擇對施工平衡性影響顯著;在10 km以上的雙洞單輔助導坑特長隧道中，TBM平行導洞法比TBM先通導洞法有一定的優勢。

3)在10 km以上的單或雙洞單輔助導坑特長隧道中，2臺TBM相向實施TBM導洞法利于平衡施工，但隧長中部附近地形條件須滿足輔助導坑(斜、橫)設置條件;為便于TBM接收并開展擴挖作業，為TBM拆運和擴挖的大運量計，輔助導坑(斜、橫)須按雙車道設置。

4)在10 km以上的單洞單輔助導坑特長隧道中，2臺TBM同向實施TBM導洞法(含用TBM施工輔助導坑后直接轉入TBM導洞法)并無明顯優勢且對施工平衡性影響顯著;除非地質研判比較準確且保留或新設一座輔助導坑(斜、橫)的地形條件比較合適。

5)在10 km以上的單洞單輔助導坑特長隧道中，平行TBM導洞法相對于先通TBM導洞法的優勢，隨著軟弱破碎圍巖比例的增大而愈加明顯。

6)在10 km以上的雙洞單輔助導坑特長隧道中，TBM導洞法具有巨大優勢;平行TBM導洞法相對于先通TBM導洞法的優勢不明顯。

4.6.2 簡析性結論

基于本文依托工程中鐵隧道設計文件對軟弱破碎圍巖比例高的隧道和公路隧道設計文件對有軌運輸斜井進度指標能力認知的冒進以及平行TBM導洞法尚未見成熟案例的基本事實，經簡單分析后結論如下:

1)因軟弱破碎圍巖的臨時支護工作量和潛在的施工安全風險因素，當軟弱破碎圍巖的比例高尤其是涌突水概率大時，單洞特長隧道應慎重采取TBM導洞法;在雙洞特長隧道中，因具可進入臨洞以臺架式鉆爆法完成軟弱破碎圍巖的開(擴)挖和初期支護(TBM空推通過)的特征和TBM導洞法所具備的工期顛覆性優勢的巨大誘惑，經必要的施工安全風險評估和主要基于臨時支護工作量的經濟性比對，仍可采取TBM導洞法。

2)與鉆爆法一樣，地質勘查和研判與選線的正確和準確性，對TBM導洞法的風險和施工組織的均衡性將產生深刻的影響。

3)處于項目非工期控制性地位的、以中硬巖為主的3～7 km大斷面隧道(無論單或雙洞)，可無憂地實施TBM導洞法。

4)擴挖與導洞界面處的過渡技術措施問題尚未解決，應慎重采取平行TBM導洞法。

5)在單輔助導坑隧道中，2臺TBM相向實施TBM導洞法的快速和可能的施工平衡性特征非常明顯;因此，即使新設輔助導坑較長或很長，只要輔助導坑能在TBM到達前修建完畢并完成正洞挖掘和初期支護300 m，其成本(投資)優勢非常明顯。

6)西南尤其是川渝地區廣泛分布的泥巖、砂巖、砂質泥巖、泥質砂巖及其互層地層，具有實施TBM導洞法的天然地質優勢。

7)TBM導洞法工期優勢所換取的輔助導坑的減少或取消，不僅是對效益(投資)的貢獻，更是對環境維護與保護的貢獻。

4.7 對TBM功能和TBM導洞法的期待

1)期待TBM附加地質超前預報和鉆孔50 m以上的功能。

2)可適當增加導洞法用TBM直徑，使之與國內巖石地層中的地鐵區間隧道斷面適配并預留管片安裝設備的位置，以提高導洞法用TBM的實用性和使用率。

3)期待業界翹楚企業和有志之士，探索和破解平行TBM導洞法的擴挖與導洞界面處過渡技術措施的難題。

5 對隧道TBM導洞法的展望

1)在中硬巖為主、大斷面、項目非工期控制性(尤其是長度為3～7 km)隧道施工中，只要滿足工期要求，可放心采用TBM導洞法。

2)在中硬巖為主、大斷面、工期控制性的特長隧道施工中，若基本具備設置輔助導坑條件且滿足工期需求，亦可放心采用TBM導洞法。

3)鑒于雙洞隧道的施工組織特殊性，即便是軟弱破碎圍巖比例較高，采用2臺TBM導洞法分洞相向施工、伺機開展從導洞進入臨洞施工、TBM空推通過的施工組織值得研究和實施。

4)一旦破解了擴挖與導洞界面處管線和運輸過渡的技術難題(仰拱棧橋的思路可供參考)，平行TBM導洞法必將大放異彩，前景廣闊。

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