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(zé)任公司， 云南 昆明 650011)

0 引言

TBM具有進度快、施工環(huán)境好的優(yōu)點，但由于受工法轉(zhuǎn)換不靈活、超前加固困難等因素影響，復(fù)雜地質(zhì)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(jīng)濟的飛速發(fā)展，同時國內(nèi)TBM設(shè)計制造技術(shù)不斷突破，雙模TBM等新型設(shè)備不斷涌現(xiàn)、TBM配套設(shè)備快速升級，復(fù)雜地質(zhì)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(shè)置極為困難的隧道，首選工法仍然是TBM法。隧道地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，對TBM設(shè)備設(shè)計研制[1]、工程勘察設(shè)計、施工提出了更高的要求。水利及鐵路復(fù)雜地質(zhì)條件下采用TBM施工的項目，曾遭遇連續(xù)卡機、長期卡機、突水涌泥、設(shè)備報廢、工法改變等不同程度的困難,工期延誤嚴(yán)重、成本大幅增加。

國內(nèi)外學(xué)者針對敞開式TBM在復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工技術(shù)做了不同程度的分析和研究。吳煜宇等[2]依據(jù)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(yīng)性判定，讓隧道設(shè)計和TBM設(shè)備選型有了新的思路。梁文灝等[3]結(jié)合秦嶺特長隧道闡述了TBM設(shè)計考慮因素、分析過程及設(shè)計情況。洪開榮等[4]分析總結(jié)了高黎貢山隧道TBM法施工重難點及關(guān)鍵技術(shù)，并對TBM主要功能參數(shù)及設(shè)備配備提出要求。周路軍等[5]結(jié)合川藏鐵路特殊的地質(zhì)條件，對選型原則及TBM設(shè)備改進建議做了闡述。史林肯等[6]選取工程沿線地質(zhì)力學(xué)參數(shù),評價了隧洞開挖過程中復(fù)合地層圍巖的穩(wěn)定性，研究了在TBM工況下深部復(fù)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(guī)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(tǒng)。景琦[8]研究了敞開式TBM撐靴反力不足條件下的多種應(yīng)對措施。文獻[9-15]分析了敞開式TBM穿越不良地質(zhì)造成卡機、突涌、軟巖變形等不同難題的原因，從設(shè)備優(yōu)化、超前加固、處理措施等不同角度研究了應(yīng)對方案。但以上研究均未結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)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(fēng)險的對策。本文在上述研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)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(guī)避或降低復(fù)雜地質(zhì)TBM施工隧道建設(shè)期遭遇類似困難的對策，以期為復(fù)雜地質(zhì)敞開式TBM規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)修訂、勘察設(shè)計施工提供參考，提高敞開式TBM在不良地質(zhì)條件下的適應(yīng)性，降低工程風(fēng)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(nèi)，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(zhì)巖緊密褶皺和花崗巖體高山區(qū)。隧道出口段正洞(12.070 km)、平導(dǎo)(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(zhì)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(tǒng)灰?guī)r、白云巖夾石英砂巖(460 m)。TBM掘進段圍巖巖性及主要參數(shù)如表1所示。

表1 TBM掘進段圍巖巖性及主要參數(shù)

TBM掘進段地下水主要為基巖裂隙水，最大涌水量預(yù)測45 300 m3/d。

高黎貢山隧道存在“三高”“四活躍”特征，地質(zhì)條件異常復(fù)雜。TBM施工段主要不良地質(zhì)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(yīng)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(xù)皮帶機出渣、有軌運輸(四軌兩線)、仰拱采用預(yù)制仰拱塊、拱墻現(xiàn)澆襯砌；平導(dǎo)采用有軌運輸(四軌三線)、礦車出渣、鋪設(shè)仰拱預(yù)制塊。平導(dǎo)、正洞TBM分別于2017年11月25日、2018年2月1日開始掘進，平導(dǎo)TBM掘進4 475 m，卡機11次，綜合進度指標(biāo)146 m/月；正洞TBM掘進5 145 m，卡機8次，綜合進度指標(biāo)182 m/月。高黎貢山隧道TBM卡機統(tǒng)計見表2。

表2 高黎貢山隧道TBM卡機統(tǒng)計

4 施工挑戰(zhàn)及思考

4.1 地質(zhì)勘察變動大及卡機成本高

4.1.1 存在問題

根據(jù)地勘結(jié)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(nèi)。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(dǎo)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(jié)理密集發(fā)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(zhì)勘察規(guī)范》指出： 采用全斷面巖石掘進機(TBM)法施工的隧道，地質(zhì)工作除符合常規(guī)規(guī)定外，還應(yīng)查明影響掘進機的選型及地質(zhì)條件,但沒有針對“查明影響掘進機選型及地質(zhì)條件”作具體的條款陳述。TBM地質(zhì)適應(yīng)性差，需要有比礦山法隧道更為詳細、針對性的地質(zhì)勘察要求。

TBM設(shè)備及后配套成本較高，施工過程中管理人員、生產(chǎn)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(gòu)成工程實體工程數(shù)量的費用，且按現(xiàn)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(fēng)、抽排水、風(fēng)水電管線攤銷、運輸折舊等費用均未計列，造成現(xiàn)場成本急劇增加。

4.1.3 建議

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

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

3)結(jié)合實際情況，開展復(fù)雜地質(zhì)條件敞開式TBM施工定額測定工作。

4.2 圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)

4.2.1 存在問題

受設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，均執(zhí)行《鐵路隧道工程勘察規(guī)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(jié)合地下水發(fā)育程度、高地應(yīng)力狀態(tài)進行分級修正。該圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)局部揭示時，為確保安全，初期支護必須加強，但根據(jù)目前的規(guī)范，圍巖級別難以調(diào)整。

4.2.3 建議

圍巖分級修正應(yīng)充分考慮TBM施工特點，增加TBM工法修正項，實現(xiàn)支護參數(shù)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(yù)留變形量5 cm，二次襯砌混凝土厚度30 cm，預(yù)留施工誤差10 cm，拱頂距離建筑限界頂部15 cm。拱部結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。

圖2 拱部結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)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(fēng)險。

4.3.2 主要原因

敞開式TBM頂、側(cè)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(yán)重時可通過適當(dāng)?shù)幕厥兆o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(zhì)條件復(fù)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(tǒng)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(fù)雜地質(zhì)隧道，預(yù)留量=頂護盾油缸行程(6～8 cm)+頂護盾厚度(7～10 cm)+圍巖預(yù)計變形量，確保施工進度和安全質(zhì)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(yè)區(qū)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(zhì)隧道采用敞開式TBM施工時，該情況僅為偶然事件，但復(fù)雜地質(zhì)隧道采用敞開式TBM施工時，在Ⅳ、Ⅴ級圍巖及特殊地質(zhì)洞段該現(xiàn)象頻發(fā)。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(guī)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(fā)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(gòu)一樣閉胸加壓穩(wěn)定掌子面，不良地質(zhì)段掘進極易發(fā)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(fù)雜地質(zhì)隧道采用敞開式TBM時，提前將初期支護背后不密實(脫空)預(yù)處理措施、泄水預(yù)案等納入施工圖，施工過程中依據(jù)具體情況及預(yù)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(dǎo)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(guī)TBM利用率(30%以上)，見表5和表6。

表5 平導(dǎo)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(zhì)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(yán)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(yè)困難。尤其是L1區(qū)，目前無可適用設(shè)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(qū)域積渣極難清理，需要安排專人、設(shè)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(zhì)復(fù)雜隧道采用敞開式TBM施工時，應(yīng)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(biāo)

4.6.1 存在問題

鐵路建設(shè)史上采用敞開式TBM施工的幾座隧道綜合進度指標(biāo)見表7。

表7 鐵路隧道TBM施工綜合進度統(tǒng)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(shè)備，過程中多次停機大修，進度指標(biāo)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(biāo)分別僅有182、146 m，遠低于指導(dǎo)性施組300、350 m/月的指標(biāo)，同時低于鐵路其他TBM施工隧道進度指標(biāo)。

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(gòu)造運動、熱液侵蝕等因素影響，節(jié)理密集發(fā)育區(qū)域圍巖砂化、糜棱化嚴(yán)重，大量的Ⅴ級圍巖段需要立?，F(xiàn)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(biāo)較低。

圖8 初期支護范圍立?，F(xiàn)澆圖

4.6.3 建議

敞開式TBM施工復(fù)雜地質(zhì)隧道月綜合進度指標(biāo)計算時，參考高黎貢山隧道的TBM利用率14.66%，并根據(jù)具體情況適當(dāng)浮動，提高工期、投資計劃的準(zhǔn)確性。

4.7 棄渣松散系數(shù)

4.7.1 存在問題

松散系數(shù)的選擇對渣場容量、環(huán)評及環(huán)保成本、運輸成本有著決定性作用。高黎貢山隧道設(shè)計過程中，TBM施工段松散系數(shù)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(shù)一般考慮1.5。而實際施工過程中，由于地質(zhì)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(shù)為1.89(見表8)。松散系數(shù)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(shù)測定統(tǒng)計表

4.7.2 主要原因

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

4.7.3 建議

在復(fù)雜地質(zhì)隧道TBM設(shè)計施工過程中，應(yīng)根據(jù)圍巖巖性參數(shù)，將渣土松散系數(shù)選擇在1.5～1.9,并結(jié)合松散系數(shù)考慮渣場容量，避免新增渣場造成的環(huán)評風(fēng)險，同時在定額中結(jié)合松散系數(shù)考慮運輸成本、避免渣土運輸費用不足造成成本風(fēng)險和工期風(fēng)險。

4.8 污水處理

4.8.1 存在問題

TBM掘進方式易產(chǎn)生大量不易沉淀的石粉，隧道內(nèi)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(dǎo)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(fēng)險，設(shè)備制冷能力加大，需水量增加)，隧道總排水量已經(jīng)遠遠超過設(shè)計階段污水處理站40 m3/h、變更設(shè)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(fā)生環(huán)境事故。材料大量使用、頻繁清淤造成人工費、設(shè)備臺班大幅增加。

4.8.2 主要原因

設(shè)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(xiàn)，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(yīng)結(jié)合水文地質(zhì)、斷面尺寸、設(shè)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(shè)立允許排水預(yù)警值、增加徑向堵水預(yù)設(shè)計及預(yù)留污水處理擴容能力等措施，以防發(fā)生環(huán)境事故。定額中考慮絮凝劑添加、過濾設(shè)備清洗及淤泥清理晾曬轉(zhuǎn)運等運營成本。由于TBM施工清污分流難以實現(xiàn)、污水處理站建設(shè)成本遠低于運營成本，建議綜合隧道滲水量、處置風(fēng)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(jù)排水量調(diào)整運營所需人機料配置。

4.9 監(jiān)控量測

4.9.1 存在問題

高黎貢山隧道TBM已施工段監(jiān)測點的監(jiān)控量測工程量已達設(shè)計量的4.33倍，監(jiān)控量測費用激增。

4.9.2 主要原因

根據(jù)現(xiàn)行的鐵路規(guī)范，即使圍巖穩(wěn)定，監(jiān)控量測作業(yè)仍然在襯砌前不能停測。鉆爆法段同一監(jiān)測斷面監(jiān)測周期基本在1月內(nèi)，監(jiān)測頻次為20～25次。

一般情況下，TBM掘進段監(jiān)測斷面在監(jiān)測20～30次之后，監(jiān)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(xiàn)，襯砌滯后掘進距離較長，而平導(dǎo)沒有襯砌，各監(jiān)測斷面多年頻繁監(jiān)測，造成高黎貢山隧道監(jiān)控量測頻次、成本大幅增加。

4.9.3 建議

復(fù)雜地質(zhì)隧道TBM施工過程中，穩(wěn)定后監(jiān)測按照1次/15 d的監(jiān)測頻率計算，不襯砌段監(jiān)控量測次數(shù)=初始監(jiān)測次數(shù)(21～30次)+預(yù)計施工月數(shù)；襯砌段監(jiān)控量測次數(shù)=初始監(jiān)測次數(shù)(21～30次)+預(yù)計未襯砌段長度×2/襯砌月進度指標(biāo)。

5 結(jié)論與討論

綜上所述，復(fù)雜地質(zhì)采用敞開式TBM施工時，建議如下：

1) 完善TBM法隧道地質(zhì)勘察具體要求，明確地質(zhì)特性，提高TBM設(shè)備設(shè)計針對性。

2)結(jié)合TBM 施工特點，優(yōu)化圍巖分級修正項，設(shè)置合理預(yù)留變形量、增強隧道斷面尺寸、支護參數(shù)的適應(yīng)性。

3)棄渣松散系數(shù)合理范圍為1.5～1.9，復(fù)雜地質(zhì)隧道敞開式TBM施工進度結(jié)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(tài)環(huán)境。

5)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與定額體系相結(jié)合，及時調(diào)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(nèi)容也僅結(jié)合少量樣本進行，復(fù)雜地質(zhì)隧道敞開式TBM施工需要更多研究，如L1區(qū)隧底清渣及快速立模灌注設(shè)備、超前加固工藝設(shè)備、輕型材料加工襯砌臺車等多方面需繼續(xù)研究，以上問題逐步攻克方能徹底提高復(fù)雜地質(zhì)敞開式TBM的適應(yīng)性。

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