复杂地质铁路隧道敞开式TBM施工挑战及思考

　　摘要:为降低复杂地质条件下敞开式TBM施工极易发生的工期延误、成本大幅增加、环保事故等风险，以高黎贡山隧道敞开式TBM施工为背景，结合铁路隧道定额体系和规范标准，针对施工过程中遭遇的卡机、初期支护背后脱空、开挖断面不足、隧道清渣排水困难、弃渣松散系数选择不准、掘进指标不合理以及污水处理能力不足等影响较大的问题，从地质、设计和施工方面进行分析思考，提出以下建议:1)完善TBM法隧道地质勘察具体要求，明确地质特性，提高TBM设备设计针对性;2)结合TBM施工特点，优化围岩分级修正项，设置合理预留变形量、增强隧道断面尺寸、支护参数的适应性;3)弃渣松散系数合理范围为1.5～1.9，复杂地质隧道敞开式TBM施工进度指标结合高黎贡山隧道的TBM利用率14.66%考虑;4)污水处理综合考虑多种因素，保护生态环境;5)规范标准与定额体系相结合，及时调整完善，提高概算与进度、成本的匹配性。

　　关键词:铁路隧道;敞开式TBM;复杂地质;地质勘察;规范标准;定额体系;围岩分级

　　0引言

　　TBM具有进度快、施工环境好的优点，但由于受工法转换不灵活、超前加固困难等因素影响，复杂地质隧道一般不采用敞开式TBM施工。随着我国综合国力的增强和经济的飞速发展，同时国内TBM设计制造技术不断突破，双模TBM等新型设备不断涌现、TBM配套设备快速升级，复杂地质隧道采用TBM施工的可行性也在逐步提高。近年来，超过30km的特长隧道逐渐增多，对辅助坑道设置极为困难的隧道，首选工法仍然是TBM法。隧道地质条件日趋复杂，对TBM设备设计研制[1]、工程勘察设计、施工提出了更高的要求。水利及铁路复杂地质条件下采用TBM施工的项目，曾遭遇连续卡机、长期卡机、突水涌泥、设备报废、工法改变等不同程度的困难，工期延误严重、成本大幅增加。

　　国内外学者针对敞开式TBM在复杂地质条件下的施工技术做了不同程度的分析和研究。吴煜宇等[2]依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3级，对TBM施工围岩条件做了初步的适应性判定，让隧道设计和TBM设备选型有了新的思路。梁文灏等[3]结合秦岭特长隧道阐述了TBM设计考虑因素、分析过程及设计情况。洪开荣等[4]分析总结了高黎贡山隧道TBM法施工重难点及关键技术，并对TBM主要功能参数及设备配备提出要求。

　　周路军等[5]结合川藏铁路特殊的地质条件，对选型原则及TBM设备改进建议做了阐述。史林肯等[6]选取工程沿线地质力学参数，评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性，研究了在TBM工况下深部复合地层交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面的明显差异。赵伟等[7]研究了极硬岩条件、隧底少量积渣情况下敞开式TBM隧底皮带机清渣系统。景琦[8]研究了敞开式TBM撑靴反力不足条件下的多种应对措施。

　　文献[9-15]分析了敞开式TBM穿越不良地质造成卡机、突涌、软岩变形等不同难题的原因，从设备优化、超前加固、处理措施等不同角度研究了应对方案。但以上研究均未结合复杂地质敞开式TBM施工遭遇困难的影响程度、频繁程度，综合分析研究解决或降低敞开式TBM施工风险的对策。本文在上述研究总结的基础上，结合高黎贡山隧道TBM施工过程中遇到的难点进行归纳，思考规避或降低复杂地质TBM施工隧道建设期遭遇类似困难的对策，以期为复杂地质敞开式TBM规范标准修订、勘察设计施工提供参考，提高敞开式TBM在不良地质条件下的适应性，降低工程风险。

　　1工程概况

　　新建大理至瑞丽铁路保山至瑞丽段高黎贡山隧道，位于云南省龙陵县境内，全长34538m，为亚洲第一铁路长隧，隧道最大埋深约1155m。隧址位于云南高原西部边缘，属高黎贡山脉南延段，向东南方向大雪山附近与怒山余脉相接，属高黎贡山古生界变质岩紧密褶皱和花岗岩体高山区。隧道出口段正洞(12.070km)、平导(10km)分别采用直径为9.03、6.39m的敞开式TBM施工，线间距30m。TBM掘进段均位于直线上，最大纵坡9‰(上坡)。

　　2地质情况

　　TBM掘进段主要地层岩性为燕山期花岗岩(8810m)、中泥盆系回贤组白云岩(290m)、断层角砾(90m)、物探Ⅴ级异常带(840m)、志留系中上统灰岩、白云岩夹石英砂岩(460m)。TBM掘进段地下水主要为基岩裂隙水，最大涌水量预测45300m3/d。高黎贡山隧道存在“三高”“四活跃”特征，地质条件异常复杂。TBM施工段主要不良地质为高烈度地震、岩爆及软岩大变形、岩溶等，工程重、难点为高地应力软岩变形和软弱破碎洞段TBM施工。

　　3施工情况

　　正洞采用连续皮带机出渣、有轨运输(四轨两线)、仰拱采用预制仰拱块、拱墙现浇衬砌;平导采用有轨运输(四轨三线)、矿车出渣、铺设仰拱预制块。平导、正洞TBM分别于2017年11月25日、2018年2月1日开始掘进，平导TBM掘进4475m，卡机11次，综合进度指标146m/月;正洞TBM掘进5145m，卡机8次，综合进度指标182m/月。

　　4施工挑战及思考

　　4.1地质勘察变动大及卡机成本高

　　4.1.1存在问题根据地勘结果，高黎贡山隧道TBM施工段Ⅳ、Ⅴ级围岩占比39.8%(含断层破碎带、蚀变岩)，TBM卡机主要集中在断层破碎带范围内。实际揭示破碎围岩程度、范围较勘察有较大增幅。

　　4.1.2主要原因《铁路工程地质勘察规范》指出:采用全断面岩石掘进机(TBM)法施工的隧道，地质工作除符合常规规定外，还应查明影响掘进机的选型及地质条件，但没有针对“查明影响掘进机选型及地质条件”作具体的条款陈述。TBM地质适应性差，需要有比矿山法隧道更为详细、针对性的地质勘察要求。TBM设备及后配套成本较高，施工过程中管理人员、生产人员均是矿山法隧道的2倍以上。目前概算中只计列卡机处理过程中构成工程实体工程数量的费用，且按现有定额计算其费用较低，而卡机处理的其他费用，如TBM停机维保、TBM停机保压、通风、抽排水、风水电管线摊销、运输折旧等费用均未计列，造成现场成本急剧增加。

　　4.1.3建议1)增加TBM法隧道地质勘察专项要求，尽可能采用多物探方法结合、增加钻孔取芯数量等，同时在常规的岩石参数试验之外，通过磨片试验及其他办法对岩芯的微裂隙发育情况进行辨别，提高TBM适应性分析的准确度。2)增加施工阶段勘察，明确变形风险等级、横纵断面局部劣化程度、风险源、水环境对围岩稳定性的影响程度等。

　　4.2围岩分级标准

　　4.2.1存在问题受设备影响，敞开式TBM施工超前加固困难，围岩局部破碎时，对施工进度、成本影响较大，TBM掘进后必须加强初期支护以确保安全。

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　　5结论与讨论

　　综上所述，复杂地质采用敞开式TBM施工时，建议如下：

　　1)完善TBM法隧道地质勘察具体要求，明确地质特性，提高TBM设备设计针对性。2)结合TBM施工特点，优化围岩分级修正项，设置合理预留变形量、增强隧道断面尺寸、支护参数的适应性。3)弃渣松散系数合理范围为1.5～1.9，复杂地质隧道敞开式TBM施工进度结合高黎贡山隧道TBM利用率考虑。4)污水处理综合考虑多种因素，保护生态环境。

　　5)规范标准与定额体系相结合，及时调整完善，提高概算与进度、成本的匹配性。由于TBM在铁路隧道施工过程中的样本较少，前期研究方向、内容也仅结合少量样本进行，复杂地质隧道敞开式TBM施工需要更多研究，如L1区隧底清渣及快速立模灌注设备、超前加固工艺设备、轻型材料加工衬砌台车等多方面需继续研究，以上问题逐步攻克方能彻底提高复杂地质敞开式TBM的适应性。

　　参考文献(References):

　　[1]杨延栋，陈馈，张啸.复杂地质条件TBM研制关键技术及应用[J].隧道建设(中英文)，2019，39(6):1052.YANGYandong，CHENKui，ZHANGXiao.DevelopmentandapplicationofkeytechnologiesforTBMusedincomplexgeologicalconditions[J].TunnelConstruction，2019，39(6):1052.

　　[2]吴煜宇，吴湘滨，尹俊涛，等.关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究[J].水文地质工程地质，2006(5):126.WUYuyu，WUXiangbin，YINJuntao，etal.ResearchwithrelationtorockclassificationofTBMtunnels[J].Hydrogeology&EngineeringGeology，2006(5):126.

　　[3]梁文灏，刘培硕.秦岭特长隧道采用TBM施工设计方案综述[J].隧道及地下工程，1996，17(4):10.LIANGWenhao.LIUPeishuo.SummaryofTBMconstructiondesignschemesofQinlingsuper-longtunnel[J].TunnelandUndergroundEngineering，1996，17(4):10.

　　作者：司景钊1，曾云川2，刘建兵2