高樓山特長隧道TBM 法施工方案探討

田世雄，李玉平，連 鵬，楊寶林，姚志永

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

目前，公路隧道施工開挖方式豐富多樣。按開挖斷面情況有分部開挖法、臺階法和全斷面法；按開挖使用的主要設備有鉆爆法、機械銑挖法、盾構法及TBM 法等；不同的組合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、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地質條件與施工方案、施工條件、技術水平、裝備水平等的相匹配[1]。

TBM 施工法具有工期、效益、環境、安全、技術進步等優勢，但是前期費用投資較大，工程造價相比鉆爆法增加約1～3 億元[2]。

根據高樓山隧道實際地質情況，結合國內外施工案例，該隧道可采用的施工方案主要有：①傳統鉆爆法；②TBM 導洞擴挖法；③全斷面TBM 開挖法等。文章主要針對TBM 法施工進行比選研究。

2 工程概況

高樓山特長隧道是G8513 平涼至綿陽國家級高速公路武都至九寨溝（甘川界）段公路工程的關鍵控制性工程，隧道進口位于甘肅省隴南市文縣尖山村，出口位于文縣凡昌村，洞身穿越高樓山支脈。隧道全長12.27km（雙洞），為雙向四車道分離式特長石質山嶺隧道。高樓山隧道運營通風方式采用兩斜井通風方案，將整個隧道分為三區段通風，即在隧道的進出口段分別設計有1、2# 通風斜井。斜井既作為隧道運營通風道，同時作為施工輔助通道。隧道1# 斜井長1904.2m，最大縱坡為-8.75%，2# 斜井長2269.9m，最大縱坡為-12%[3]。

3 工程地質條件

隧道位于武都山字型構造體系南部，與龍門山構造帶相鄰，地質構造復雜，洞身最大埋深1680m。隧道進口段通過石坊-范家壩-尖山-臨江區域斷裂，出口段通過高峰壩-凡昌-明鏡寺區域斷裂，中部穿越關家溝-何家壩背斜。隧道穿越地層巖性主要為砂質板巖、變質砂巖和炭質板巖、變質砂礫巖等。圍巖級別：Ⅲ級占36%、Ⅳ級占55%、Ⅴ級占9%。主要不良地質有：斷裂帶，突涌水，高地應力區巖爆等[4]。

4 高樓山隧道TBM 法施工關鍵難點

（1）隧道項目區本身的復雜性。高樓山區域具有“山大溝深，峰谷交錯，坡陡彎急，且地下水位高”等特點。高樓山隧道具有“三高”“一大”的地域特點，以及“兩長”“兩多”“兩大”的工程特點[5]。

①“三高”：地應力高（最大主應力27～51MPa）、地震烈度高（動峰值加速度為0.20g，Ⅷ度地震區），地溫高（最高地溫可能超過30℃）；

②“一大”：溫差大（山上山下氣溫相差10℃）；

③“兩長”：斜井長（最長2.27km）、施工掘進通風距離長；

④“兩多”：即斷層破碎帶多（共穿越10 條斷層帶）和不良地質多（高地應力區巖爆、突涌水和溶洞等）；

⑤“兩大”：埋深大（最大埋深1680m，長達9km埋深超過500m），水量大（最大涌水量0.35m3/s）。

（2）隧址區復雜的工程地質條件。隧道掘進機（TBM）的應用與隧道工程地質密切相關，結合地質條件正確選擇TBM 型號，決定隧道TBM 法施工能否能夠成功運用于該隧道。

根據地質勘察報告，高樓山隧道強巖爆段3.8km 占隧道總長31.2%。參考西秦嶺隧道施工情況，通過超前地質預報，超前鉆孔釋放應力，加強超前、初期支護等方式，可以順利通過巖爆段，但對于大斷面TBM 施工尚存在一定的風險。斷層及影響帶主要位于隧道進口1.9km 范圍內及出口1.1km 范圍內，因此兩端洞口段落采用TBM 施工風險較大，效率較低，可利用掘進機組裝生產時間，采用鉆爆法施工該段。

（3）高樓山隧道隨處位置山脈高大，且附近為尖山自然保護區，斜井洞口位置限制因素多。由于通風需要，高樓山隧道需設置通風井。對于長大公路隧道而言，通風方式的正確選擇對于隧道工程的運營、施工及工程造價均非常關鍵。

通過論證比選，高樓山隧道需設置兩座通風井，采用雙斜井送排式與射流風機組合通風方案，受地形限制，最長斜井達2.27km，斜井最大縱坡-12%。按照整個隧道的工期安排，由于斜井縱坡較大，降低斜井自身成洞及輔助主洞施工的效率。

5 高樓山隧道TBM 法施工可行性分析

通過調研國內外TBM 施工案例，其施工的可行性主要取決于以下幾個方面。

5.1 地質條件

為保證TBM 掘進的施工效率，地質條件對TBM 掘進機的選型非常關鍵[4，5]。

（1）巖石單軸抗壓強度。高樓山隧道洞身圍巖大部分的單軸抗壓強度在30～60Mpa 之間，對TBM掘進機的適應性較好。

（2）巖石結構面的發育程度。高樓山隧道圍巖以片巖、變質砂巖及砂質板巖為主，節理裂隙發育，TBM 掘進效率較高。

（3）巖石的耐磨性。巖石的耐磨性對刀具的磨損起著決定作用。高樓山隧道主要地層巖性耐磨度：變質砂巖3～3.5Ab（1/10mm），板巖、片巖3～5Ab（1/10mm）。圍巖組成礦物為石英、長石、綠泥石、云母等，但是含量不高，不是影響掘進效率的主要因素。

（4）巖層產狀與隧道軸線夾角。當巖體主要結構面或優勢結構面的走向與隧道軸線間夾角小于45°，且結構面傾角（≤30°）較緩，隧道拱部常常會發生掉塊和坍塌，影響TBM工作或降低TBM工作效率，甚至危及TBM 安全。高樓山隧道巖體結構面傾角大多在70°以上，有利于采用TBM 掘進[6-8]。

（5）圍巖的初始地應力狀態。高樓山隧道地質勘察報告表明，深埋地段存在強巖爆，為TBM 施工的主要風險源。但經過超前處理等有效處理手段，可將其影響弱化，降低施工風險，如果采用TBM 導洞擴挖法，導洞形成后可有效釋放地應力，將為后續擴挖形成有利條件[9-11]。

5.2 施工輔助設備與TBM 掘進速度匹配的程度[12-13]

TBM 輔助施工設施主要包括出渣系統、運輸系統、供料系統、風水電系統等。

（1）出渣系統。目前TBM 施工出渣系統一般采用兩種方式，①采用有軌運輸出渣，②采用連續皮帶機出渣。皮帶機出渣具有效率高、對隧道環境影響小、受隧道縱坡影響小等優勢而被廣泛采用。結合本工程特點，擬選用連續皮帶機出渣方式，是有條件的。

（2）運輸系統。TBM 施工材料、人員、設備均需通過運輸系統運至工作面，因此運輸系統的效率必須與TBM 掘進能力相配套，結合隧道斷面，一般選擇有軌運輸。

（3）供料系統、風水電系統。遵循與TBM 掘進能力、耗能相配套的原則進行配置。結合隧址區實際情況，隧址區水電站較多，有白水江穿過，因此，項目區有充足的水、電資源。

6 高樓山隧道TBM 施工方案

根據高樓隧道實際地質情況，結合國內外施工案例，可采用的TBM 施工方案主要有：（1）小斷面TBM 導洞擴挖法；（2）全斷面TBM 開挖法[14-15]。

通過對通風方案的比選論證，確定TBM 施工法采用1 斜1 豎井通風方案。如果采用大斷面TBM 施工，可取消豎斜井，采用全橫向通風，但TBM 斷面直徑達14.1m，斷面大，施工風險較高[16-17]。

因此，對于施工方案設計主要結合通風方案展開?？紤]到本項目地形的復雜性，通過對有軌斜井和無軌斜井的比選論證，從施工安全的角度出發，斜井均采用無軌運輸方式。

6.1 小斷面TBM 導洞擴挖法+鉆爆法方案

結合高樓山隧道地質條件等實際情況，隧道進口段1.9km，出口段1.1km 為斷層及其影響帶，不宜采用TBM 法開挖施工，因此，為了降低TBM 施工風險，方案設計時，進出口段，利用TBM制造、運輸、組裝時間，斷層帶區域采用鉆爆法提前開挖施工。TBM小導洞擴挖法施工在中主要考慮了兩種方案：①采用一臺小斷面TBM 從隧道出口掘進方案；②采用兩臺小斷面掘進機從隧道進出口相向掘進小導洞擴挖方案。

（1）小斷面TBM(1 臺Φ5m)小導洞擴挖+鉆爆方案：1 斜+1 豎井分段縱向通風。隧道進、出口段采用鉆爆法施工，一臺小斷面敞開式TBM 硬巖掘進機施工左線隧道中間段，掘進機從左線出口始發，施工組織如圖1 所示。

圖1 方案一總體施工組織示意圖

經測算，29.2 個月實現隧道左線中間段落小導洞貫通，其中TBM 掘進小導洞段落長8.4km；然后從隧道兩端對小導洞進行擴挖，經15.9 個月擴挖實現隧道左線全斷面貫通，考慮機電、交安、消防、涂裝等各項工程施工時間，左線全斷面施工完成總工期為45.1 個月。斜井主要考慮輔助右洞施工，左、右線可同時貫通。因此，不考慮對掘進機進行轉場。

（2）小斷面TBM(2 臺)小導洞擴挖+鉆爆方案：1斜+1 豎井分段縱向通風。隧道進、出口段先采用鉆爆法施工，兩臺直徑5m 小斷面敞開式TBM 硬巖掘進機分別從隧道左右線出口始發，施工組織如圖2所示。

圖2 方案二總體施工組織示意圖

經測算，27.8 個月實現隧道中間段落小導洞貫通，其中TBM 掘進小導洞段落長7.8km（雙洞長度）；然后從隧道兩端對小導洞進行擴挖，經14.7 個月實現隧道全斷面貫通，考慮機電、交安、消防、涂裝等各項工程施工時間，施工總工期42.5 個月。

6.2 全斷面TBM 法+鉆爆法方案

根據高樓山隧道實際地質情況，施工時受到斷裂帶，高地應力等影響，隧道進口段1.9km，出口段1.1km 為斷層及其影響帶，不宜采用TBM 法開挖施工。因此，該區域施工宜應采用鉆爆法開挖，可以利用TBM制造、運輸、組裝時間提前施工。出口鉆爆法施工段，斷面需進行擴大（直徑擴大1.5m），滿足TBM 進入隧道的凈空要求。

（1）全斷面TBM（1 臺Φ12.7m）+鉆爆方案：全橫向通風+1 斜1 豎井分段縱向通風。一臺全斷面TBM 掘進機+鉆爆施工方案，TBM 主洞擬采用R=565cm，以便與鉆爆法擬定隧道凈空斷面相統一。該方案左洞采用TBM 施工，右洞采用鉆爆法施工，施工組織如圖3 所示。TBM 施工相對應的隧道凈空斷面尺寸與鉆爆法凈空斷面一致（D=11.3m），考慮襯砌結構厚度，采用直徑12.7m 的TBM 掘進機。

圖3 方案三總體施工組織示意圖

左洞采用全斷面TBM 施工，斷面較大，通過通風計算，可采用全橫向通風，右洞仍采用豎斜井通風，但相對小導洞擴挖法施工方案，斜豎井斷面減?。p小為40m2）即可滿足通風需要。

采用全斷面敞開式TBM 硬巖掘進機先施工單洞隧道，隧道中間段平均按420m/月掘進綜合進度估算。掘進機從左線出口始發，在理想的施工組織條件下，31.2 個月實現左線單洞貫通，其中TBM 掘進8.2km。

如果右線采用鉆爆法施工，36.6 個月實現右線貫通。機電、交安、消防、涂裝等各項工程施工時間，按照6 個月考慮，總工期42.6 個月。

如果左線貫通后，對TBM 進行轉場，轉至右洞施工，在理想的施工組織條件下，合計35.5 個月實現右洞貫通。該方案為了實現TBM 順利轉場進入右洞，鉆爆法斷面直徑需擴大約1.2m，滿足TBM 運行凈空，工程浪費較大，如果在洞內拼裝TBM 掘進機，所需拼裝洞室空間約達到20m×16m，因此，TBM 轉場方案不推薦采用。

（2）全斷面TBM（2 臺Φ14.1m）+鉆爆方案：全橫向通風。采用兩臺全斷面TBM 施工方案，如果采用上一方案相同的凈空斷面，左右線隧道均采用全橫向通風，斷面尺寸不能滿足通風道要求，還需要考慮設置豎斜井進行通風。

因此，從工程規模及經濟性考慮，將斷面進行適當擴大，取消豎斜井，同時滿足全橫向通風需要。通過計算，隧道凈空斷面直徑為12.5m，考慮襯砌結構厚度，采用直徑14.1m 的TBM 掘進機。

兩臺全斷面TBM 硬巖掘進機從隧道出口始發掘進，施工組織如圖4 所示。在掘進機始發前，應對進出口段落斷層及其影響帶，采用采用鉆爆法施工。考慮到實際地質情況，平均按400m/月的綜合掘進速度估算。

圖4 方案四總體施工組織示意圖

在理想的施工組織條件下，32 個月實現隧道貫通，其中TBM 掘進8.2km，鉆爆法施工4.1km（長度均為雙洞長度）。機電、交安、消防、涂裝等各項工程施工時間，按照6 個月考慮，總工期37.4 個月。

（3）全斷面TBM（1 臺Φ14.1m）+鉆爆方案：全橫向通風。該方案凈空斷面也采用全橫向通風方案。為滿足全橫向通風需要，左右洞均采用D=14.1m 圓形大斷面。

一臺全斷面TBM 硬巖掘進機從隧道左線出口始發掘進，同時進口采用鉆爆法施工，施工組織如圖5 所示?？紤]到實際地質情況，平均按400m/月掘進綜合速度估算。

圖5 方案五總體施工組織示意圖

在理想的施工組織條件下，32 個月實現隧道左線貫通，其中TBM 掘進8.2k（單洞長度），其余段落為鉆爆法掘進。

如果右線采用鉆爆法施工，37.9 個月實現右線貫通。機電、交安、消防、涂裝等各項工程施工時間，按照6 個月考慮，總工期43.9 個月。

6.3 施工方案對比（見表1）

表1 TBM+鉆爆法施工5 種施工方案對比

7 結論與討論

通過對以上各種施工方案的比較，對工期、投資的計算及TBM 施工的適應性分析論證，主要得出以下結論：

（1）高樓山隧道采用TBM 開挖法，從技術角度是可行性的。

（2）采用一臺小斷面TBM 小導洞擴挖+鉆爆方案（1 斜+1 豎井全縱向分段送排式通風）最經濟，投資估算25.2 億元，施工工期相對較長45.1 個月。

（3）采用兩臺全斷面TBM（φ14.1m）+鉆爆方案（全橫向通風）工期最短，32 個月即可完工，投資估算相對較大39.1 億元。

（4）綜合投資、工期及公路隧道斷面形狀的合理性等各種因素，高樓山隧道采用一臺全斷面TBM結合鉆爆施工方案（全橫向通風+1 斜1 豎井分段縱向通風），相對較為經濟合理，工期易于控制。投資估算28 億元，施工工期36.6 個月。

（5）在工程投資允許的情況下，從社會效益、技術進步角度考慮，采用TBM 施工方案，可大大縮短工程工期。早日實現隧道貫通，武都與文縣兩地之間通行時間大大縮短，方便車輛通行，可及早結束兩地之間翻越高樓山的歷史。