復雜地質鐵路隧道敞開式TBM施工挑戰及思考

司景釗， 曾云川， 劉建兵

(1.中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 云桂鐵路云南有限責任公司， 云南 昆明 650011)

0 引言

TBM具有進度快、施工環境好的優點，但由于受工法轉換不靈活、超前加固困難等因素影響，復雜地質隧道一般不采用敞開式TBM施工。隨著我國綜合國力的增強和經濟的飛速發展，同時國內TBM設計制造技術不斷突破，雙模TBM等新型設備不斷涌現、TBM配套設備快速升級，復雜地質隧道采用TBM施工的可行性也在逐步提高。近年來，超過30 km的特長隧道逐漸增多，對輔助坑道設置極為困難的隧道，首選工法仍然是TBM法。隧道地質條件日趨復雜，對TBM設備設計研制[1]、工程勘察設計、施工提出了更高的要求。水利及鐵路復雜地質條件下采用TBM施工的項目，曾遭遇連續卡機、長期卡機、突水涌泥、設備報廢、工法改變等不同程度的困難,工期延誤嚴重、成本大幅增加。

國內外學者針對敞開式TBM在復雜地質條件下的施工技術做了不同程度的分析和研究。吳煜宇等[2]依據巖石的單軸抗壓強度、巖石的耐磨性和巖體的完整性將TBM施工條件下的隧洞圍巖分為A(好)、B(一般)、C(差)3級，對TBM施工圍巖條件做了初步的適應性判定，讓隧道設計和TBM設備選型有了新的思路。梁文灝等[3]結合秦嶺特長隧道闡述了TBM設計考慮因素、分析過程及設計情況。洪開榮等[4]分析總結了高黎貢山隧道TBM法施工重難點及關鍵技術，并對TBM主要功能參數及設備配備提出要求。周路軍等[5]結合川藏鐵路特殊的地質條件，對選型原則及TBM設備改進建議做了闡述。史林肯等[6]選取工程沿線地質力學參數,評價了隧洞開挖過程中復合地層圍巖的穩定性，研究了在TBM工況下深部復合地層交替變化的掌子面巖體在開挖過程中其圍巖在變形破壞等規律方面的明顯差異。趙偉等[7]研究了極硬巖條件、隧底少量積渣情況下敞開式TBM隧底皮帶機清渣系統。景琦[8]研究了敞開式TBM撐靴反力不足條件下的多種應對措施。文獻[9-15]分析了敞開式TBM穿越不良地質造成卡機、突涌、軟巖變形等不同難題的原因，從設備優化、超前加固、處理措施等不同角度研究了應對方案。但以上研究均未結合復雜地質敞開式TBM施工遭遇困難的影響程度、頻繁程度，綜合分析研究解決或降低敞開式TBM施工風險的對策。本文在上述研究總結的基礎上，結合高黎貢山隧道TBM施工過程中遇到的難點進行歸納，思考規避或降低復雜地質TBM施工隧道建設期遭遇類似困難的對策，以期為復雜地質敞開式TBM規范標準修訂、勘察設計施工提供參考，提高敞開式TBM在不良地質條件下的適應性，降低工程風險。

1 工程概況

新建大理至瑞麗鐵路保山至瑞麗段高黎貢山隧道，位于云南省龍陵縣境內，全長34 538 m，為亞洲第一鐵路長隧，隧道最大埋深約1 155 m。隧址位于云南高原西部邊緣，屬高黎貢山脈南延段，向東南方向大雪山附近與怒山余脈相接，屬高黎貢山古生界變質巖緊密褶皺和花崗巖體高山區。隧道出口段正洞(12.070 km)、平導(10 km)分別采用直徑為9.03、6.39 m的敞開式TBM施工,線間距30 m。TBM掘進段均位于直線上，最大縱坡9‰(上坡)。

2 地質情況

TBM掘進段主要地層巖性為燕山期花崗巖(8 810 m)、中泥盆系回賢組白云巖(290 m)、斷層角礫(90 m)、物探Ⅴ級異常帶(840 m)、志留系中上統灰巖、白云巖夾石英砂巖(460 m)。TBM掘進段圍巖巖性及主要參數如表1所示。

表1 TBM掘進段圍巖巖性及主要參數

TBM掘進段地下水主要為基巖裂隙水，最大涌水量預測45 300 m3/d。

高黎貢山隧道存在“三高”“四活躍”特征，地質條件異常復雜。TBM施工段主要不良地質為高烈度地震、巖爆及軟巖大變形、巖溶等，工程重、難點為高地應力軟巖變形和軟弱破碎洞段TBM施工。

3 施工情況

正洞采用連續皮帶機出渣、有軌運輸(四軌兩線)、仰拱采用預制仰拱塊、拱墻現澆襯砌；平導采用有軌運輸(四軌三線)、礦車出渣、鋪設仰拱預制塊。平導、正洞TBM分別于2017年11月25日、2018年2月1日開始掘進，平導TBM掘進4 475 m，卡機11次，綜合進度指標146 m/月；正洞TBM掘進5 145 m，卡機8次，綜合進度指標182 m/月。高黎貢山隧道TBM卡機統計見表2。

表2 高黎貢山隧道TBM卡機統計

4 施工挑戰及思考

4.1 地質勘察變動大及卡機成本高

4.1.1 存在問題

根據地勘結果，高黎貢山隧道TBM施工段Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比39.8%(含斷層破碎帶、蝕變巖)，TBM卡機主要集中在斷層破碎帶范圍內。實際揭示破碎圍巖程度、范圍較勘察有較大增幅，詳見表3。

表3 TBM已施工段圍巖情況對比表

正洞已掘進段Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比由36.6%增加至68.7%，平導已掘進段Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比由35.6%增加至65.8%，除斷層破碎帶卡機外，普通Ⅴ級圍巖節理密集發育時也能造成卡機，平均505 m卡機1次，處理時間7 d～9個月,頻繁的、長期的卡機造成TBM進展緩慢，卡機處理費用極高。

4.1.2 主要原因

《鐵路工程地質勘察規范》指出： 采用全斷面巖石掘進機(TBM)法施工的隧道，地質工作除符合常規規定外，還應查明影響掘進機的選型及地質條件,但沒有針對“查明影響掘進機選型及地質條件”作具體的條款陳述。TBM地質適應性差，需要有比礦山法隧道更為詳細、針對性的地質勘察要求。

TBM設備及后配套成本較高，施工過程中管理人員、生產人員均是礦山法隧道的2倍以上。目前概算中只計列卡機處理過程中構成工程實體工程數量的費用，且按現有定額計算其費用較低，而卡機處理的其他費用，如TBM停機維保、TBM停機保壓、通風、抽排水、風水電管線攤銷、運輸折舊等費用均未計列，造成現場成本急劇增加。

4.1.3 建議

1)增加TBM法隧道地質勘察專項要求，盡可能采用多物探方法結合、增加鉆孔取芯數量等，同時在常規的巖石參數試驗之外，通過磨片試驗及其他辦法對巖芯的微裂隙發育情況進行辨別，提高TBM適應性分析的準確度。

2)增加施工階段勘察，明確變形風險等級、橫縱斷面局部劣化程度、風險源、水環境對圍巖穩定性的影響程度等。

3)結合實際情況，開展復雜地質條件敞開式TBM施工定額測定工作。

4.2 圍巖分級標準

4.2.1 存在問題

受設備影響，敞開式TBM施工超前加固困難，圍巖局部破碎時，對施工進度、成本影響較大，TBM掘進后必須加強初期支護(見圖1)以確保安全。

圖1 局部圍巖破碎支護加強

4.2.2 主要原因

目前沒有針對鐵路TBM施工的圍巖分級標準，均執行《鐵路隧道工程勘察規范》，通過巖體特征、土體特征及地震波縱波波速進行圍巖分級，同時在施工過程中結合地下水發育程度、高地應力狀態進行分級修正。該圍巖分級標準及分級修正法在鉆爆法施工過程中能夠正常使用。TBM施工中由于超前加固困難，不良地質局部揭示時，為確保安全，初期支護必須加強，但根據目前的規范，圍巖級別難以調整。

4.2.3 建議

圍巖分級修正應充分考慮TBM施工特點，增加TBM工法修正項，實現支護參數與圍巖分級的一致性。

4.3 掘進斷面

高黎貢山隧道TBM段Ⅴ級圍巖噴射混凝土厚度20 cm，預留變形量5 cm，二次襯砌混凝土厚度30 cm，預留施工誤差10 cm，拱頂距離建筑限界頂部15 cm。拱部結構設計見圖2。

圖2 拱部結構設計圖(單位： cm)

4.3.1 存在問題

高黎貢山隧道4 400 m斷面掃描初期支護侵限情況見表4。

表4 4 400 m隧道初期支護侵限統計

初期支護侵限范圍大造成二次襯砌滯后TBM掘進4 km以上，同時侵限段處理存在極大的安全風險。

4.3.2 主要原因

敞開式TBM頂、側護盾具有回收和伸出功能，穿越軟巖變形地段時，可通過墊高邊刀、伸出護盾擴大開挖斷面，在變形嚴重時可通過適當的回收護盾(見圖3)，減輕盾殼承受壓力，加大敞開式TBM的通過能力。

圖3 敞開式TBM主機護盾油缸示意圖

地質條件復雜情況下，圍巖大范圍坍塌引起頂護盾被動回收，同時引起鋼筋排系統下沉，最大下沉量達26 cm以上，造成初期支護侵限(見圖4)。

圖4 坍塌引起初期支護侵限示意圖

4.3.3 建議

采用敞開式TBM施工的復雜地質隧道，預留量=頂護盾油缸行程(6～8 cm)+頂護盾厚度(7～10 cm)+圍巖預計變形量，確保施工進度和安全質量。

4.4 初期支護背后不密實

4.4.1 存在問題

敞開式TBM在軟弱破碎地層施工時，采用鋼筋排對盾尾主要作業區進行防護，但坍塌、超量出渣造成護盾及鋼筋排背后圍巖不密實甚至脫空，無法進行噴混凝土回填，僅能在噴混凝土封閉后，采用混凝土/砂漿或注漿回填。一般地質隧道采用敞開式TBM施工時，該情況僅為偶然事件，但復雜地質隧道采用敞開式TBM施工時，在Ⅳ、Ⅴ級圍巖及特殊地質洞段該現象頻發。地下水量較大時，水會帶走巖體中細顆粒物造成隧道頂部圍巖散堆，進而造成大規模塌方，甚至貫通地表。該原因造成2018年11月3日高黎貢山隧道D1K224+180～+220段(卡機段)發生貫穿地表的突涌，突涌量26 000 m3，地表塌陷情況見圖5。正洞TBM被困，處理用時11個月。

圖5 突涌地表陷坑

4.4.2 主要原因

由于敞開式TBM不具備超前加固的功能，且不能像盾構一樣閉胸加壓穩定掌子面，不良地質段掘進極易發生掉塊、塌方造成超量出渣，見圖6。

圖6 初期支護背后脫空圖

4.4.3 建議

TBM復雜地質隧道采用敞開式TBM時，提前將初期支護背后不密實(脫空)預處理措施、泄水預案等納入施工圖，施工過程中依據具體情況及預處理措施及時處理。

4.5 隧底清渣、排水

4.5.1 存在問題

高黎貢山隧道正洞、平導TBM施工、支護時間占總時間的比例分別為73.85%、80.83%，而掘進時間占總時間的比例分別為14.66%、11.07%，掘進時間遠低于常規TBM利用率(30%以上)，見表5和表6。

表5 平導TBM掘進時間分析表

表6 正洞TBM掘進時間分析表

4.5.2 主要原因

地質條件適宜時，敞開式TBM施工隧底積渣量少，易清理。高黎貢山隧道圍巖砂化嚴重，隧底積渣量極大(見圖7)，拱架安裝、錨桿鉆機行走、仰拱塊安裝等作業困難。尤其是L1區，目前無可適用設備清理積渣，均采用人工裝袋、搬運，效率極低，是影響TBM施工進度的主要原因之一。水量較大時，仰拱塊安裝區域積渣極難清理，需要安排專人、設備進行抽排，方能清理積渣并安裝仰拱塊。

圖7 隧底清渣圖

4.5.3 建議

地質復雜隧道采用敞開式TBM施工時，應充分考慮隧底清渣和積水抽排帶來的進度影響、資源成本等。

4.6 進度指標

4.6.1 存在問題

鐵路建設史上采用敞開式TBM施工的幾座隧道綜合進度指標見表7。

表7 鐵路隧道TBM施工綜合進度統計表

由表7可知： 由于中天山隧道是采用秦嶺隧道和磨溝嶺隧道使用過的舊設備，過程中多次停機大修，進度指標偏低。其他3座TBM法施工的鐵路隧道最低月綜合進度為238 m，而采用有軌運輸出渣、同樣為軟巖隧道的磨溝嶺隧道，TBM月綜合進度為248 m。

高黎貢山隧道大、小TBM月綜合進度指標分別僅有182、146 m，遠低于指導性施組300、350 m/月的指標，同時低于鐵路其他TBM施工隧道進度指標。

4.6.2 主要原因

高黎貢山隧道由于混合花崗巖強度低，且受構造運動、熱液侵蝕等因素影響，節理密集發育區域圍巖砂化、糜棱化嚴重，大量的Ⅴ級圍巖段需要立模現澆混凝土保證撐靴受力(見圖8)，加上隧底清渣量大、初期支護背后不密實需停機回填加固，綜合卡機因素，造成高黎貢山隧道TBM進度指標較低。

圖8 初期支護范圍立模現澆圖

4.6.3 建議

敞開式TBM施工復雜地質隧道月綜合進度指標計算時，參考高黎貢山隧道的TBM利用率14.66%，并根據具體情況適當浮動，提高工期、投資計劃的準確性。

4.7 棄渣松散系數

4.7.1 存在問題

松散系數的選擇對渣場容量、環評及環保成本、運輸成本有著決定性作用。高黎貢山隧道設計過程中，TBM施工段松散系數按1.3考慮。敞開式TBM施工棄渣形狀一般為7～10 cm大小的薄片狀，松散系數一般考慮1.5。而實際施工過程中，由于地質條件差，高黎貢山隧道棄渣均為砂狀，通過單天掘進長度與洞外汽車單車運輸量實測(17.4 m3/車)及運輸車次計算對比，高黎貢山隧道TBM施工段松散系數為1.89(見表8)。松散系數大幅增加造成棄渣場容量不足，需新增棄渣場。

表8 松散系數測定統計表

4.7.2 主要原因

結合工程實踐，松散系數影響因素主要有巖石的膠結指數m、巖體的飽和抗壓強度Rc、巖石完整性系數RQD等，具體的松散系數需試驗確定。設計過程中參考礦山法隧道棄渣松散系數1.3不能準確反映實際情況。

4.7.3 建議

在復雜地質隧道TBM設計施工過程中，應根據圍巖巖性參數，將渣土松散系數選擇在1.5～1.9,并結合松散系數考慮渣場容量，避免新增渣場造成的環評風險，同時在定額中結合松散系數考慮運輸成本、避免渣土運輸費用不足造成成本風險和工期風險。

4.8 污水處理

4.8.1 存在問題

TBM掘進方式易產生大量不易沉淀的石粉，隧道內污水長期呈乳白色，同時TBM自身不具備堵水功能，地下水涌出量大。高黎貢山隧道TBM施工段正洞平導總出水量達到1 500 m3/h，加上2臺TBM約200 m3/h的用水量(考慮高地溫風險，設備制冷能力加大，需水量增加)，隧道總排水量已經遠遠超過設計階段污水處理站40 m3/h、變更設計后320 m3/h的處理能力，目前只能通過加大絮凝劑添加量來臨時處理，以免發生環境事故。材料大量使用、頻繁清淤造成人工費、設備臺班大幅增加。

4.8.2 主要原因

設計過程中考慮清污分流，變更后污水站處理能力僅考慮2臺TBM用水的處理，但實際施工過程中，由于污染源增多、隧道涌水量加大，同時清污分流難以實現，造成污水處理站能力不足。

4.8.3 建議

采用敞開式TBM施工時，單臺TBM配套的污水處理站能力應結合水文地質、斷面尺寸、設備需水量、襯砌時機要求及排水組織等因素綜合考慮，同時考慮設立允許排水預警值、增加徑向堵水預設計及預留污水處理擴容能力等措施，以防發生環境事故。定額中考慮絮凝劑添加、過濾設備清洗及淤泥清理晾曬轉運等運營成本。由于TBM施工清污分流難以實現、污水處理站建設成本遠低于運營成本，建議綜合隧道滲水量、處置風險、堵水及污水處理成本綜合考慮TBM污水處理站能力，運營過程中根據排水量調整運營所需人機料配置。

4.9 監控量測

4.9.1 存在問題

高黎貢山隧道TBM已施工段監測點的監控量測工程量已達設計量的4.33倍，監控量測費用激增。

4.9.2 主要原因

根據現行的鐵路規范，即使圍巖穩定，監控量測作業仍然在襯砌前不能停測。鉆爆法段同一監測斷面監測周期基本在1月內，監測頻次為20～25次。

一般情況下，TBM掘進段監測斷面在監測20～30次之后，監控量測頻率降為1次/7 d。但上述多重原因造成同步襯砌難以實現，襯砌滯后掘進距離較長，而平導沒有襯砌，各監測斷面多年頻繁監測，造成高黎貢山隧道監控量測頻次、成本大幅增加。

4.9.3 建議

復雜地質隧道TBM施工過程中，穩定后監測按照1次/15 d的監測頻率計算，不襯砌段監控量測次數=初始監測次數(21～30次)+預計施工月數；襯砌段監控量測次數=初始監測次數(21～30次)+預計未襯砌段長度×2/襯砌月進度指標。

5 結論與討論

綜上所述，復雜地質采用敞開式TBM施工時，建議如下：

1) 完善TBM法隧道地質勘察具體要求，明確地質特性，提高TBM設備設計針對性。

2)結合TBM 施工特點，優化圍巖分級修正項，設置合理預留變形量、增強隧道斷面尺寸、支護參數的適應性。

3)棄渣松散系數合理范圍為1.5～1.9，復雜地質隧道敞開式TBM施工進度結合高黎貢山隧道TBM利用率考慮。

4)污水處理綜合考慮多種因素，保護生態環境。

5)規范標準與定額體系相結合，及時調整完善，提高概算與進度、成本的匹配性。

由于TBM在鐵路隧道施工過程中的樣本較少，前期研究方向、內容也僅結合少量樣本進行，復雜地質隧道敞開式TBM施工需要更多研究，如L1區隧底清渣及快速立模灌注設備、超前加固工藝設備、輕型材料加工襯砌臺車等多方面需繼續研究，以上問題逐步攻克方能徹底提高復雜地質敞開式TBM的適應性。

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