TBM在雅家埂隧道平導(dǎo)施工中的應(yīng)用可行性分析*

崔國勇，黃永洪，常志旺，徐 丹

(1.中國中元國際工程有限公司，北京 100089； 2.甘孜州交通和城鄉(xiāng)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司， 四川 康定 626000； 3.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

0 引言

省道S434康定榆林經(jīng)磨西鎮(zhèn)至貓子坪公路位于四川省甘孜州康定市和瀘定縣，是四川旅游西環(huán)線中以“中國情歌城”為代表的康巴風(fēng)情旅游區(qū)以及以“冰川自然奇觀”為代表的海螺溝段的重要通道之一。S434段全長79.23km，其中新建和改建段長55.26km，雅家埂隧道屬特長隧道，長14.75km，隧道工期是制約整個(gè)項(xiàng)目的控制性因素，項(xiàng)目總投資64.4億元。原方案采用貫通平導(dǎo)+施工斜井+通風(fēng)斜井方案，全隧總工期52個(gè)月。為疏解甘孜州州府康定市的城市功能，打造成都后花園特色康養(yǎng)基地，配合甘孜新區(qū)的規(guī)劃建設(shè)，解決甘孜新區(qū)外部快速通道問題，甘孜州州委、州政府決定加快推進(jìn)雅家埂隧道項(xiàng)目建設(shè)，將總工期提前。經(jīng)專家反復(fù)論證，采用原方案無法保證項(xiàng)目順利完工。

為加快推進(jìn)S434建設(shè)，考慮采用TBM技術(shù)提升建設(shè)效率。既有榆磨公路等級(jí)較低、路線長、養(yǎng)護(hù)成本高，特別是翻越海拔3 830.000m的雅家埂山埡口段的34km公路更是坡陡彎急、傍山路險(xiǎn)、地質(zhì)松軟、災(zāi)害頻發(fā)。冬季康定端海拔3 800.000m以上、磨西端海拔3 690.000m以上路段長期被冰雪封蓋，車輛通行極為困難、交通事故頻發(fā)且道路經(jīng)常中斷；春季山上冰雪消融，雪水對(duì)坡體沖刷嚴(yán)重，經(jīng)常造成邊坡垮塌、滾石，嚴(yán)重危及行車安全；夏季降雨較大，山溝易形成泥石流，沖毀公路，2005年8月、2006年7月榆磨路先后遭受2次特大水災(zāi)、泥石流災(zāi)害，造成了公路交通長時(shí)間中斷。雅家埂隧道的順利建成將有效解決這一系列問題。因此，對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine，TBM)應(yīng)用于該項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)分析比較，最終確定采用雙護(hù)盾TBM來推進(jìn)此項(xiàng)目的順利實(shí)施。

1 工程概況

隧道地質(zhì)以英云閃長巖為主，巖體完整性較好，力學(xué)性質(zhì)較好，主要圍巖地質(zhì)參數(shù)如表1所示。隧道長度約14.75km，最大埋深為 1 215m，進(jìn)口海拔為 3 067m，出口海拔為 3 046.000m。隧道于 NK7+770(埋深約 540m)斜穿色拉哈—康定斷裂、于 NK19+790(埋深約 220m)斜穿磨西斷裂，穿越 5 條支斷層，隧道工程總體上位于斷深大活動(dòng)斷裂的下盤，距色拉哈—康定斷裂約1.5km，約4.7km長隧道距磨西斷裂430～530m。隧道III級(jí)圍巖占29.5%(長4 360m)，IV級(jí)圍巖占49.3%(長7 270m)， V級(jí)圍巖占21.2%(長3 125m)。

表1 雅家埂隧道主要圍巖地質(zhì)參數(shù)

2 TBM法可行性分析

TBM法在國內(nèi)水利、鐵路等行業(yè)已廣泛運(yùn)用多年，而且TBM掘進(jìn)圓形斷面適用于平導(dǎo)通道[1-3]。TBM掘進(jìn)將極大地提升設(shè)備施工效率、探明圍巖地質(zhì)條件、大幅度縮短工期、降低各類施工風(fēng)險(xiǎn)[4]。

平導(dǎo)先于主洞貫通，也極大地緩解了主洞鉆爆法施工的通風(fēng)難題，加之平導(dǎo)先行掘進(jìn)，徹底探明隧址區(qū)地質(zhì)條件，將極大地降低主洞鉆爆法施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步縮短主洞開挖工期[5]。

TBM掘進(jìn)深埋特長隧道具有顯著優(yōu)勢[6]，且掘進(jìn)需風(fēng)要求低，平導(dǎo)提前貫通有利于主洞施工通風(fēng)。四川省川西高原地區(qū)的特長隧道施工中，在高海拔、低氣溫、低氣壓和低含氧量的惡劣建設(shè)條件下，普遍存在長距離施工通風(fēng)和供氧的難題，例如，雀兒山隧道在施工過程中就多次出現(xiàn)洞內(nèi)施工人員暈厥、休克等人身安全事故，并導(dǎo)致工程建設(shè)額外增加通風(fēng)供氧費(fèi)用約4 000萬元。

本隧道地質(zhì)構(gòu)造簡單且圍巖條件較好，有利于TBM快速掘進(jìn)。根據(jù)本項(xiàng)目前期地質(zhì)勘察資料，圍巖級(jí)別以Ⅲ，Ⅳ級(jí)為主，占隧道總長近80%，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)[7]，TBM法開挖的適宜性和基礎(chǔ)條件總體良好。

3 TBM法與傳統(tǒng)鉆爆法工期分析

3.1 傳統(tǒng)鉆爆法工期分析

采用貫通平導(dǎo)+施工斜井+通風(fēng)斜井方案，于線路左側(cè)35m平行于主洞設(shè)置1座貫通平導(dǎo)，全長約14.755km，為保證出渣效率和施工通風(fēng)，并結(jié)合車行與人行橫通道的設(shè)置要求，平導(dǎo)與主洞之間約每隔265m設(shè)置1座橫通道。同時(shí)于NK9+000設(shè)置長度為2 200m 的施工斜井，于NK15+000設(shè)置長度為2 550m的施工斜井和長度為2 630m的通風(fēng)斜井，于NK19+200設(shè)置長度為875m的施工斜井。傳統(tǒng)鉆爆法方案布置如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)鉆爆法方案布置(單位:m)

隧道施工采用大型機(jī)械化配套，其施工進(jìn)度指標(biāo)如表2所示。

表2 雅家埂隧道鉆爆法方案施工進(jìn)度指標(biāo)

m·月-1

隧道分進(jìn)口工區(qū)、1號(hào)斜井工區(qū)、2號(hào)斜井工區(qū)、3號(hào)斜井工區(qū)和出口工區(qū)組織施工。本方案隧道設(shè)計(jì)土建工期為46個(gè)月(含施工準(zhǔn)備工期和二襯時(shí)間)，機(jī)電、消防工程6個(gè)月，總工期52個(gè)月。

3.2 TBM法工期分析

國內(nèi)水利、鐵路使用TBM的情況如表3所示，TBM的各種類型均在使用。敞開式TBM造價(jià)較其他兩類低，主要適應(yīng)于硬巖，能利用自身支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁以承受向前推進(jìn)的反作用力及反扭矩的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)。單護(hù)盾TBM只有1個(gè)護(hù)盾，多用于軟巖和破碎地層，由于無撐靴支撐，掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)機(jī)的前推力是靠護(hù)盾尾部的推進(jìn)油缸支撐在管片上獲得，由于單護(hù)盾的掘進(jìn)需靠襯砌管片來承受后坐力，因此在安裝管片時(shí)必須停止掘進(jìn)，施工進(jìn)度較慢[8]。雙護(hù)盾TBM在遇到軟巖時(shí)，若軟巖不能承受支撐板的壓應(yīng)力，則由盾尾推進(jìn)液壓缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌塊上或鋼圈梁上以推進(jìn)刀盤破巖前進(jìn)；遇到硬巖時(shí)，與敞開式掘進(jìn)機(jī)的工作原理相同，靠支撐板撐緊洞壁，由主推進(jìn)液壓缸推進(jìn)刀盤破巖前進(jìn)。因此，雙護(hù)盾TBM適用性最強(qiáng)，施工進(jìn)度最快。結(jié)合雅家埂隧道的地質(zhì)情況，本項(xiàng)目選擇雙護(hù)盾TBM。該設(shè)備為德國海瑞克(廣州)公司生產(chǎn)，核心部件全部為原裝進(jìn)口。TBM主機(jī)部分長11.7m，刀盤直徑為9 130mm，設(shè)備重約230t，隧道襯砌后內(nèi)徑8.1m。結(jié)合目前國內(nèi)TBM使用情況，雅家埂隧道施工周期按平導(dǎo)III級(jí)700m/月、IV級(jí)508m/月、V級(jí)292m/月考慮，不考慮斷裂帶，結(jié)合地質(zhì)分布情況，平均進(jìn)尺為518m/月。

表3 國內(nèi)水利、鐵路使用TBM情況(開工時(shí)間截至2017年)

3.2.1平導(dǎo)TBM法施工組織

采用常規(guī)鉆爆法從隧道出口NK20+430方向掘進(jìn)，穿越磨西斷裂帶后約300m，TBM始發(fā)施工。在充分調(diào)研地質(zhì)磨西斷層前提下(如磨西斷層不是很破碎、隧道出口巖石較完整的前提下)，也可鉆爆開挖50m左右，TBM即可始發(fā)。此后始終采用TBM開挖至NK8+800位置(即進(jìn)口色拉哈—康定斷裂帶)位置，進(jìn)口位置NK5+675—NK8+800段為斷層密集區(qū)域，盡量采用鉆爆法施工。在NK8+800位置選取好巖石位置做拆機(jī)洞進(jìn)行洞內(nèi)拆機(jī)。

出口300m開挖及進(jìn)口3 125m采用鉆爆法施工，磨西斷層寬度取200m，出口鉆爆300m大約歷時(shí)5個(gè)月，期間進(jìn)行洞外TBM始發(fā)組裝場施工2個(gè)月。隧道進(jìn)口鉆爆段3 125m區(qū)域與出口段鉆爆同時(shí)施工，因?yàn)閿鄬用芗瘏^(qū)按照月均100m(中間設(shè)置1個(gè)支洞開挖計(jì)算)共需31個(gè)月，襯砌工作同步實(shí)施按滯后1個(gè)月考慮，共需32個(gè)月。

從TBM開挖到結(jié)束共約11 330m。其中Ⅳ級(jí)圍巖6 970m，進(jìn)尺500m/月左右，穿越F111，F(xiàn)92 較大斷層時(shí)考慮800m，歷時(shí)2.7個(gè)月，剩余6 170m， 需12.4個(gè)月。Ⅲ級(jí)圍巖4 360m，進(jìn)尺700m/月左右，需6.2個(gè)月。掘進(jìn)工期21.3個(gè)月，加上前期準(zhǔn)備5個(gè)月，總掘進(jìn)工期為26.3個(gè)月，而后利用5個(gè)月時(shí)間進(jìn)行仰拱施作回填及路面、通風(fēng)、機(jī)電等施工，總工期約31.3個(gè)月。

3.2.2主洞鉆爆法施工組織

主洞與平導(dǎo)施工同步進(jìn)行，距離約35m。TBM掘進(jìn)過后即可進(jìn)行橫向?qū)Ф词┕ぁ９卜?段進(jìn)行，總工期為36個(gè)月。分段如下。

1)NK5+675—NK8+800進(jìn)口段1個(gè)作業(yè)面，開挖約32個(gè)月，施工期為第1個(gè)月至第32個(gè)月。

2)NK8+800—NK11+500段通過平導(dǎo)增加2個(gè)作業(yè)面，開挖約8個(gè)月，施工期為第24.5個(gè)月到第32.5個(gè)月。

3)NK11+500—NK15+500段為通過平導(dǎo)增加2個(gè)作業(yè)面，開挖約14.5個(gè)月，施工期為第17.5個(gè)月至第32個(gè)月。

4)NK15+500—NK20+130段通過平導(dǎo)增加2個(gè)作業(yè)面，開挖約13.6個(gè)月，施工期為第9.4個(gè)月至第23個(gè)月。主洞從磨西側(cè)NK20+430施工5個(gè)月后繼續(xù)開挖至平導(dǎo)，在NK17+300增加2個(gè)作業(yè)面停止，施工期為第5個(gè)月至第10個(gè)月。

5)NK20+130—NK20+430段開挖約5個(gè)月。

其中，進(jìn)口段及出口段不占用總工期，控制工期為內(nèi)部支洞工期影響。TBM皮帶機(jī)及支洞運(yùn)輸車陸續(xù)作為主洞石渣及混凝土運(yùn)輸主要通道線。內(nèi)部NK11+500—NK15+500段占用時(shí)間最長，主洞施工完成總工期約36個(gè)月。采用TBM進(jìn)行平導(dǎo)施工配合主洞開挖，總體工期可保證。

4 TBM法與傳統(tǒng)鉆爆法造價(jià)分析

4.1 鉆爆法造價(jià)分析

鉆爆法開挖斷面根據(jù)不同地質(zhì)情況開挖斷面不一，開挖斷面面積為43.39～60.38m2，平均開挖斷面面積為47.04m2。鉆爆法綜合開挖單價(jià)為326元/m2， 平導(dǎo)開挖費(fèi)用約2.27億元；3個(gè)施工斜井、1個(gè)通風(fēng)斜井費(fèi)用約1.60億元，總開挖造價(jià)3.87億元，預(yù)估支護(hù)費(fèi)用1億元，總造價(jià)4.87億元。

4.2 TBM法造價(jià)分析

TBM法造價(jià)預(yù)估5.99億元。主要構(gòu)成為：①水泥砂漿豆礫石回填間隙、管片安裝、管片制造及鋼筋等計(jì)算31 414元/m，合計(jì)約46 350萬元；②油脂油品及工器具、刀具及刀件配件、備品備件和易損件、TBM開挖電費(fèi)、TBM運(yùn)維費(fèi)計(jì)算10 561元/m，共12 180萬元；③TBM設(shè)備運(yùn)輸費(fèi)用800萬元；④安裝和調(diào)試費(fèi)620萬元。

TBM法比傳統(tǒng)鉆爆法施工增加工程投資1.12億元左右。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過對(duì)項(xiàng)目區(qū)域高速公路交通量分布情況進(jìn)行分析，結(jié)合未來交通量增長情況，未來汽車交通量約5 365輛/d。修建S434線汽車綜合運(yùn)輸成本約166.52元/百車公里，原路線情況下，運(yùn)輸成本約218.52元/百車公里，采用TBM法縮短工期16個(gè)月時(shí)間內(nèi)，擬建項(xiàng)目降低汽車運(yùn)營成本效益0.4億元。根據(jù)甘孜州勞動(dòng)力資源現(xiàn)狀及預(yù)測的人均單位工作時(shí)間的GDP，計(jì)算旅客單位時(shí)間價(jià)值45.9元/(h·人)， 旅客節(jié)約時(shí)間效益2.7億元，擬建項(xiàng)目減少交通事故的效益忽略不計(jì)。綜上，采用TBM法綜合經(jīng)濟(jì)效益比采用傳統(tǒng)爆破法提高1.98億元。

6 結(jié)語

為加快推進(jìn)省道S434線盡早貫通，本文通過收集并分析國內(nèi)TBM的使用情況，對(duì)兩種方案在工期和造價(jià)上進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

1)從地質(zhì)條件、施工進(jìn)度安排、雙護(hù)盾TBM適用性上，雅家埂隧道采用雙護(hù)盾TBM方案可行。

2)平導(dǎo)采用TBM法+主洞爆破法方案比貫通平導(dǎo)+施工斜井+通風(fēng)斜井方案在工期上有很大優(yōu)勢，增加的投資額也在可控范圍內(nèi)，綜合效益提高較大。

3)該項(xiàng)目屬于特長隧道，施工難度大，地質(zhì)情況復(fù)雜，下階段將繼續(xù)開展施工進(jìn)度和投資的實(shí)際跟蹤研究。