川藏鐵路隧道TBM選型及改進研究

周路軍,湯 印,卓 彬,王飛揚,齊 春,汪輝武,華 陽,王 闖

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031； 2.西南交通大學,成都 610031)

引言

目前，我國鐵路隧道發展規模日益擴大，伴隨而來的機械化水平日益提高，全斷面隧道掘進機TBM能夠通過旋轉和推進圓形刀盤，并利用安裝在刀盤上的滾刀群對巖石的擠壓和滾切以破碎巖石，能陸續進行掘進和出渣作業，使隧道斷面一次成形。TBM可以看作是掘進作業中必不可少的一部分，具有速度快、效率高等特點，其掘進速度一般為傳統鉆爆法的3～10倍。因此，在隧道施工中得到了廣泛的應用。TBM分為敞開式TBM、單盾式TBM和雙盾式TBM，每種類型的機型都有其各自的優缺點，適合不同的地質條件[1]。由于這些設備的成本非常高，影響了項目的經濟性，這勢必要求設計人員和管理人員選擇最合適的機型。

對于TBM選型的研究，國內外學者已有諸多研究，如梅志榮[2]、張照太[3]等以大伙房輸水工程隧洞工程為工程案例，論述了TBM的發展和應用，從地質條件方面對特長輸水隧洞進行TBM選型。洪松[4]從TBM自身的結構出發，論述了深埋長隧道選型的依據，同樣提出地質條件對TBM的選型起到關鍵作用。尹俊濤[5]從巖石力學和工程地質兩方面對軟巖大變形、突水、巖爆等不良工程地質條件下的TBM選型問題進行了論述，同時給出了相應的解決措施。朱方劍[6]、劉春[7]、陳藝平等[8]根據敞開式TBM、單護盾TBM、雙護盾TBM掘進性能，并參考國內的施工經驗，以輸水隧洞工程為案例，綜合考慮了施工風險、施工靈活性、掘進效率、經濟性等因素，提出了適宜該工程的TBM機型。從以上案例可以看出，目前TBM的選型研究多集中在輸水隧洞工程中，而關于TBM選型在鐵路隧道中的研究相對較少。

川藏鐵路全段特長隧道基本位于崇山峻嶺、人跡罕至、氣候惡劣、高海拔等的特殊地理位置，環境地質特殊，施工輔助坑道深長且難以布置，施工通風距離超長，加之隧道具有巖爆、大變形和高地溫等復雜地質特征，從地質構造、人員安全、經濟預算等方面考慮，采用鉆爆法施工可能更加困難，這將不可避免地采用TBM施工，因此，如何合理地選擇最佳TBM型式是川藏鐵路隧道建設的重要問題[9]。

1 TBM類型及選型分析

1.1 TBM類型

在TBM發展史中出現過多種機型，如擴孔式、搖臂式、敞開式和護盾式等。考慮到TBM的耐久性、經濟性和適用性，目前應用最廣的機型為敞開式、護盾式(單護盾和雙護盾)以及復合式TBM[7]。而對于以巖石地層為主的鐵路隧道工程，可供選擇的TBM機型以敞開式TBM、單護盾TBM和雙護盾TBM為主。

因此，本節從地質條件適應性、施工人員安全性和經濟性等方面，對適用于鐵路隧道工程的TBM進行分類并對其各自的優缺點進行介紹。

(1)敞開式TBM

敞開式TBM主要適用于巖性完整、裂隙較不發育且具有較好自穩性的中硬巖地層[10]。敞開式TBM的造價相對較低，支護手段靈活，幾乎擁有鉆爆法施工的全部支護手段。同時，由于其護盾較短，護盾卡機的概率也相對較小。但由于施工人員和設備無護盾保護，存在一定安全風險。見圖1。

圖1 敞開式TBM

(2)單護盾TBM

單護盾TBM適用于地質條件較為復雜的隧洞，尤其巖石強度較低的隧道。當隧道開挖地層以軟弱圍巖為主，且隧道掘進中大多以單護盾TBM進行掘進作業，不能完全發揮雙護盾TBM作業優越性時，采用單護盾TBM更合適[11]。單護盾TBM由于有了護盾以及管片的保護，施工環境相對于敞開式TBM更安全；由于采用管片襯砌，管片可為TBM提供反推力，使得單護盾TBM在軟巖中亦可掘進[12]。但是由于其沒有獨立的支撐系統，管片安裝和掘進不能同時進行，使得掘進效率低于雙護盾TBM。見圖2。

圖2 單護盾TBM

(3)雙護盾TBM

當隧道圍巖軟硬變化頻繁且斷層破碎帶較多時，采用雙護盾TBM最為適宜[3]。這是由于雙護盾TBM能有效地切削單軸抗壓強度5～200 MPa的巖石，有利于縮短工期，但是造價昂貴。因此雙護盾TBM適合工期緊張、成本較充裕的隧洞工程[13]。雙護盾TBM相較于敞開式TBM和單護盾TBM，其護盾卡機的概率大且難于處理。見圖3。

圖3 雙護盾TBM

1.2 TBM選型考慮的主要因素

基于國內外使用TBM進行隧道掘進的施工案例研究，TBM選型主要考慮的因素有如下3點。

(1)地質條件適應性

TBM在很大程度上取決于地質條件，一旦確定了TBM的機型，就很難進行更改。因此，TBM的選擇應結合地質條件和技術經濟可行性。在地質條件方面，應考慮TBM所處的斷裂帶情況、地下水分布、地應力、巖石物理力學性質和各種參數。

(2)設備和人員條件

TBM是一個復雜的機械系統，每個TBM都要根據不同的地質、支架和斷面直徑進行制造，后續的防護、維護和零部件供應關系到施工的成敗。由于項目位置十分偏遠，工作人員經常面臨不同的施工環境，施工風險較大，施工管理者和組織者應具備應對各種情況的能力。

(3)工期要求和造價預算

不同類型的TBM掘進速度大小不一，TBM開挖總工期應滿足預定的隧道開挖所需工期的要求，因此，需要根據工程所要求的工期選擇合理的機型，但是制造不同的TBM所花費的費用也不相同，并且差異很大，因此，所選TBM應符合工期要求、造價預算合理，做到安全性、可靠性、經濟性相統一。

1.3 鐵路隧道TBM選型分析

根據國內外鐵路隧道施工經驗，TBM施工的成功率取決于TBM機型的選擇是否正確，當鐵路隧道長度大于3 km時，采用TBM施工最為適宜[14]。從開挖成本來看，隧道成本是開挖和襯砌的總和。目前，國內的TBM開挖成本約為10%～25%，高于鉆爆法施工，由于TBM塌方體積3%-10%低于鉆爆法，它可以節省近50%的混凝土襯砌成本，所以組裝隧道成本不高于鉆爆法施工[15]。TBM隧道施工從經濟成本、施工速度、環保、安全可靠等方面明顯優于鉆爆法，川藏鐵路隧道工程是深埋長隧道，地質條件復雜，應選擇TBM施工。

不同機型面對地質條件復雜的鐵路隧道均有各自的優點和缺點，地質條件是鐵路隧道TBM選型的基礎，要考慮圍巖的完整性、硬度、巖性、成分等，敞開式TBM一般適用于圍巖條件較好、開挖后能自穩的隧道，且圍巖的強度應提供足夠的支護，掘進時能及時識別地質條件，及時處理不利地質條件[16]。但當故障發生時，敞開式TBM支架無法工作，被迫關閉。同時在軟弱圍巖條件下，掘進機的掘進方向難以控制。常用的雙盾式TBM，可以應用于復雜地層的鐵路隧道施工[17]，當斷層和破碎帶較多時，可對人員進行保護，安全性較好。但是護盾式TBM的成本相對較高，造價大約比敞開式TBM高30%[18]。

表1從地質條件適應性、施工人員安全性、經濟性等幾個方面對敞開式和單護盾、雙護盾TBM進行綜合對比。

表1 TBM的機型分類及其適應性

2 川藏鐵路隧道工程TBM選型

川藏鐵路可供選擇的TBM機型有：敞開式TBM，單護盾和雙護盾，本節重點結合川藏鐵路的地質條件對TBM的選型進行論述。

2.1 川藏鐵路隧道地質概況

川藏鐵路雅安至林芝段線路穿越橫斷山脈，隧道多處通過長大越嶺地段，輔助坑道設置困難。構造運動導致內外動力地質作用均十分強烈，隧道主要不良地質有巖爆、大變形、高烈度地震、活動斷裂、斷層破碎帶、突水、涌泥、高地溫、巖溶、極硬巖、有毒有害氣體等。由此可見，川藏鐵路隧道工程勘察設計和施工難度極大。川藏鐵路沿線地質構造綱要見圖4。

圖4 川藏鐵路沿線地質構造綱要

2.2 川藏鐵路隧道對TBM的要求

隧道掘進機選型，應滿足以下要求。

(1)功能要求：所選TBM必須滿足川藏鐵路高海拔、復雜地質條件的要求；符合鐵路隧道限界、運輸、運營、維護等要求。

(2)施工安全要求：噴錨初期支護在施工期間必須滿足結構安全的需要；管片襯砌需同時滿足施工期間及運營期間的結構安全要求。特別是在川藏鐵路存在巖爆、大變形等不良地質條件下的結構安全。

(3)工期要求：TBM的工期要求是包含機械生產制造、施工前期準備、掘進襯砌、拆卸轉場全過程的工期要求。

(4)處理不良地質靈活性的要求：由于川藏鐵路隧道地質條件復雜，存在巖爆、大變形、斷層破碎帶、高溫水熱、有害氣體、巖溶等，TBM需配置超前地質預報、超前鉆探、超前鉆孔注漿加固等設備，以提前預報并采取措施，避免不良地質對TBM隧道施工帶來的影響，且處理不同不良地質的方法要靈活。

(5)線形條件要求：選用的TBM要能夠滿足鐵路隧道平面曲線轉彎半徑和縱向坡度的要求。即要求TBM掘進方向能夠根據線型條件及時調整并有效控制，所配置的導向系統應能保證隧道最后貫通誤差要求。特別是用于橫洞、斜井等輔助隧道的小直徑TBM，應適應輔助坑道與正線施工條件要求[19]。

(6)長距離掘進的要求：TBM連續掘進距離長，要求TBM具有良好的性能，較長的使用壽命，充足的備件和配件。當不具備開支洞的條件時，TBM長距離掘進對長距離通風、供電、運輸及長距離給排水都提出了較高的要求。要求有可靠性高、能力強的通風系統、供電系統、給排水系統以及能高效率運轉的運輸系統。

2.3 川藏鐵路隧道TBM選型原則研究

川藏鐵路隧道區別于水工隧洞和礦井，對于襯砌的耐久性要求更高，斷面更大，選型應按照安全和質量優先、兼顧工期成本的原則。TBM設備選型可按以下原則執行。

(1)基于永久支護原則：根據川藏鐵路的地質資料，線路區間的隧道工程大部分處于巖石地層，當深埋隧道圍巖壓力較大、變形嚴重時，宜選用永久支護形式，此時建議選擇敞開式TBM。

(2)基于重大地質風險原則：完整巖石為主，Ⅳ級以上硬巖地層占比較多時，選擇敞開式TBM；中等及以上巖爆段較長時，宜優先采用護盾式；軟質巖或軟硬相間巖石為主且地應力較小時，選擇護盾式TBM。

(3)基于工期成本原則：對于巖層較好的區間隧道，應從工期成本考慮選型。

2.4 川藏鐵路隧道TBM選型建議

川藏鐵路以高海拔、長距離、大埋深、不良地質突出為主要特征，對人員設備的要求較高，TBM選型應優先考慮其地層、地質適應性，TBM應充分考慮處治不良地質的靈活性、工期和造價的影響[20]。

敞開式TBM的盾體較短，已開挖巖面可以更早暴露，方便施工人員對巖性的判斷以及選取合適的支護參數，且敞開式TBM支護體系基本同鉆爆法，支護和處理不良地質的方式較為靈活。在中、硬巖層中，圍巖的穩定性好且可以為敞開式TBM提供足夠的推力使其掘進。護盾式TBM相比敞開式護盾較長，對掌子面巖性的判斷只能依靠巖渣的粒徑分布以及掘進參數的改變[21]，對掌子面圍巖的認識具有一定的不確定性和滯后性[4]，針對貧水斷層及軟弱圍巖，仍能保持較高的掘進速率[6]。

在隧洞主要為中、硬巖層(如二長花崗巖、花崗閃長巖)且不良地質工程問題不突出時，建議優先選擇敞開式TBM。

在軟弱破碎且地下水不發育的巖層中，開挖掌子面自穩能力差，自穩時間短，不建議采用敞開式TBM，可選用單護盾及雙護盾TBM。

3 TBM改進意見

川藏鐵路隧道工程采用TBM施工段存在較大的施工風險，為減少工程損失，建議TBM從以下方面進行改進。

(1)從TBM機械設計理念上全面提升設備能力，充分考慮高海拔對TBM設備降效的影響，增強各類型TBM的機械性能配置。

(2)搭載多種超前地質預報設備，相互驗證，并將物探設備及輸出裝置集成在TBM上，實時獲取預報信息，提高超前地質預報的準確性和及時性。

(3)研配多種不同特性的刀具，開展理論設計、機械性能試驗、多重備貨、試驗段研究比選等工作。

(4)通過刀盤提升、擴挖刀和更換邊塊方式，增強TBM擴挖能力，可后配套應預留足夠空間，防止卡盾和卡后配套。

(5)提高軸承-刀盤直徑比，設置驅動電機雙減速器，在低檔位、低轉速條件提供足夠脫困扭矩。

(6)配備適用性強的超前加固系統和及時支護系統，設備預留超前管棚作業空間，配置常態化L1區混凝土噴射裝置，提高在短距離巖爆、軟巖大變形、斷層破碎帶、節理密集帶地段的通過能力。

(7)搭載微振監測系統及多功能超前鉆機，以便巖爆預測和超前鉆孔釋放應力，后配套搭載防護棚，以進一步保證施工人員的安全。

(8)充分考慮開挖斷面的富裕量，保證TBM在無擴挖的情況下具有充分的變形空間。

(9)增大主撐靴接地面積，配置高性能大功率抽水泵和氧氣發生器。

(10)川藏鐵路TBM使用臺數多且掘進距離長，要求廠家對主軸承等關鍵配件在國內留存足夠備件。

4 結論

本文結合川藏鐵路隧道的特點，針對其高海拔、大埋深、不良地質突出的特征，建議TBM施工的隧道按以下方式選型。

(1)對于以巖石地層為主的鐵路隧道工程，可供選擇的TBM機型以敞開式TBM、單護盾TBM和雙護盾TBM為主。TBM的選擇應結合地質條件和技術經濟可行性，對于鐵路隧道TBM選型應滿足地層要求，保證設備和施工人員的安全，并同時滿足工期要求和造價預算，同時兼顧安全、質量和工期的要求，建議按照永久支護、重大地質風險、工期成本的原則選型。

(2)根據川藏鐵路的地質資料，線路區間的隧道工程大部分處于巖石地層，當深埋隧道圍巖壓力較大、變形嚴重時，宜選用永久支護形式，此時建議選擇敞開式TBM。完整巖石為主，Ⅳ級以上硬巖地層占比較多時，選擇敞開式TBM；中等及以上巖爆段較長時，宜優先采用護盾式；軟質巖或軟硬相間巖石為主且地應力較小時，選擇護盾式TBM。

(3)根據資料調研和國內TBM施工經驗，對機械設備、刀盤刀具改造、巖爆防護措施和軟巖大變形的變形預留量措施等方面提出了改進意見。