TBM 在朔州隧道施工的適用性探討

于 春

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

當(dāng)前，我國(guó)鐵路長(zhǎng)大隧道多采用長(zhǎng)隧短打的施工方法，即通過(guò)設(shè)置若干個(gè)輔助坑道來(lái)增加工作面，加快施工進(jìn)度，如烏鞘嶺隧道、關(guān)角隧道、太行山隧道等。但隨著建設(shè)工期的加快、環(huán)境保護(hù)和施工安全意識(shí)的提高，體現(xiàn)以人為本的建設(shè)理念，加快機(jī)械化、工廠化進(jìn)程，逐步減少分步法施工，推廣全斷面施工技術(shù)，長(zhǎng)大隧道采用TBM 掘進(jìn)機(jī)施工已是今后的發(fā)展方向。本文就新建鐵路大準(zhǔn)至朔黃鐵路聯(lián)絡(luò)線朔州隧道采用TBM 施工的可行性進(jìn)行分析、研究，以期給今后類似工程提供借鑒和參考。

1 工程設(shè)計(jì)概況

朔州隧道起訖里程為DK128+662～DK139+955，全長(zhǎng)11293 m，為全線最長(zhǎng)的隧道和控制工程。隧道位于管涔山東南部，進(jìn)口軌面高程為1547.71 m，出口軌面高程為1523.59 m。該區(qū)海拔最高處為龍霸山，高程約為2147.2 m，最低海拔位于調(diào)繪區(qū)南端的小北岔村東，高程約為1444.0 m，最大高差約703.2 m，一般相對(duì)高差300～400 m，屬中低山地貌。山勢(shì)陡峻，坡陡溝深，多呈“V”型谷。僅北部平魯區(qū)的黃石崖村、打鷹溝村等附近地貌為黃土臺(tái)塬及山間河谷區(qū)，地形較平坦－開(kāi)闊。

隧道設(shè)計(jì)為雙線隧道，洞身最大埋深約540 m。洞身DK139+602.34(右線為DK139+612.33)至出口段位于R=1200 m(右線R=1204.39 m)的曲線上，其余段落均位于直線上，洞內(nèi)設(shè)計(jì)縱坡為3.0‰、～7.0‰的人字坡。

2 工程地質(zhì)概況

隧道區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)殘坡積碎石土;第四系上更新統(tǒng)坡、風(fēng)積砂質(zhì)黃土;第四系中更新統(tǒng)坡、風(fēng)積黏質(zhì)黃土及坡積碎石土;奧陶系上統(tǒng)石灰?guī)r、白云巖;奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r夾頁(yè)巖;奧陶系下統(tǒng)亮甲山組石灰?guī)r、白云巖;奧陶系下統(tǒng)冶里組石灰?guī)r夾頁(yè)巖;寒武系上統(tǒng)石灰?guī)r。

朔州隧道洞身主要通過(guò)石灰?guī)r地層，局部為石灰?guī)r夾頁(yè)巖地層;洞身發(fā)育有D1、D2 褶皺和7條斷層帶，褶皺構(gòu)造對(duì)隧道工程的影響較小;除F2、F3 對(duì)隧道工程影響較小外，其余5 處斷層構(gòu)造均對(duì)隧道工程有一定程度的影響。

區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，溝谷均為干溝，僅在降水時(shí)才有洪水流過(guò)，短暫洪流過(guò)后又為干溝。地下水主要為碳酸鹽巖巖溶裂隙水、松散巖類孔隙水。除斷層破碎帶處外，其他區(qū)域水量較小，對(duì)隧道危害小。

隧道地表巖溶現(xiàn)象不明顯，未發(fā)現(xiàn)大的溶蝕洞，工區(qū)范圍內(nèi)巖溶為微弱－弱發(fā)育。

朔州隧道洞身圍巖級(jí)別為:Ⅱ級(jí)圍巖2955 m，Ⅲ級(jí)圍巖4085 m，Ⅳ級(jí)圍巖3195 m，Ⅴ級(jí)圍巖1058 m。其中Ⅱ級(jí)圍巖約占隧道全長(zhǎng)的26.2%，Ⅲ級(jí)圍巖約占隧道全長(zhǎng)的36.2%。

3 TBM 的施工特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)較大斷面的應(yīng)用概況

3.1 TBM 法的施工特點(diǎn)

TBM(全斷面隧道掘進(jìn)機(jī))是一種靠旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)刀盤(pán)，通過(guò)滾刀破碎巖石而使隧道全斷面一次成形的機(jī)器。TBM 施工與鉆爆法施工相比，具有以下特點(diǎn)。

快速:TBM 是一種集機(jī)、電、液壓、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時(shí)完成破巖、出碴、支護(hù)等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了工廠化施工，流水線作業(yè)。掘進(jìn)速度為鉆爆法的5～20 倍。

優(yōu)質(zhì):TBM 采用滾刀進(jìn)行破巖，避免了爆破作業(yè)，成洞周圍巖層不會(huì)受爆破震動(dòng)而破壞，洞壁完整光滑，超挖量小。

高效:TBM 施工速度快，縮短了工期，較大地提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益;同時(shí)由于超挖量小，節(jié)省了大量襯砌費(fèi)用。TBM 施工用人少，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、材料消耗。

安全:TBM 施工改善了作業(yè)人員的洞內(nèi)勞動(dòng)條件，減輕了體力勞動(dòng)量，避免了爆破施工可能造成的人員傷亡，事故大大減少。同時(shí)，護(hù)盾保護(hù)加上及時(shí)襯砌支護(hù)，使施工人員和設(shè)備更安全。TBM 采用圓形斷面，襯砌結(jié)構(gòu)受力合理、穩(wěn)定安全。

環(huán)保:TBM 施工不用炸藥爆破，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染小;減少了長(zhǎng)大隧道的輔助坑道數(shù)量，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

文明:機(jī)械化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度降低、工作條件與環(huán)境得以改善，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代文明施工。

經(jīng)濟(jì):就長(zhǎng)隧洞施工，可減少支洞數(shù)量及相應(yīng)的臨建、水、電、路等設(shè)施，縮短工期，提高經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

3.2 TBM 國(guó)內(nèi)較大斷面的應(yīng)用概況

TBM 是高科技設(shè)備的集成，要充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)還需具備熟練掌握TBM 的高素質(zhì)操作管理人員，依此來(lái)保證TBM 及后配套設(shè)備的高度完好率。國(guó)內(nèi)較大斷面采用TBM 施工的主要工程見(jiàn)下表1。

表1 國(guó)內(nèi)較大斷面TBM 的工程應(yīng)用概況

4 朔州隧道采用TBM 的適用性分析

4.1 工程地質(zhì)條件分析

TBM 掘進(jìn)機(jī)適用于中硬巖層的開(kāi)挖，最適宜開(kāi)挖巖石單軸抗壓強(qiáng)度介于50～150 MPa 的巖層，對(duì)TBM 施工影響較大的不良地質(zhì)主要有:軟弱地層、長(zhǎng)距離斷裂帶、巖溶、涌水、圍巖變形等。

朔州隧道進(jìn)口地表為第四系坡、風(fēng)積砂質(zhì)黃土，呈硬塑狀，厚18～20 m 不等，砂質(zhì)黃土具濕陷性，其下為第四系黏質(zhì)黃土、碎石土，工程地質(zhì)條件較差;隧道出口為強(qiáng)～弱風(fēng)化的石灰?guī)r夾頁(yè)巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～5 m，受F7 斷層的影響，出口處巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀呈水平狀，工程地質(zhì)條件較一般。

隧道洞身地層有奧陶系上統(tǒng)石灰?guī)r夾白云巖、奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r夾頁(yè)巖、奧陶系下統(tǒng)亮甲山組白云巖、奧陶系冶里組石灰?guī)r夾頁(yè)巖、寒武系石灰?guī)r。洞身穿越地層相對(duì)較簡(jiǎn)單，主要為石灰?guī)r、巖質(zhì)較硬，局部為石灰?guī)r夾頁(yè)巖，巖體較完整;地下水主要為基巖裂隙水和巖溶水，水量較小。受區(qū)內(nèi)F1～F7 斷層影響，斷層帶內(nèi)巖體呈破碎狀。鉆探取樣實(shí)測(cè)干燥狀態(tài)下石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度介于64～103 MPa 之間，飽水狀態(tài)下石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度介于45.7～78.5 MPa 之間。朔州隧道TBM 適應(yīng)性分析情況見(jiàn)下表2。

表2 朔州隧道TBM 適應(yīng)性分析一覽表

綜合本隧的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析，從巖體巖性、單軸抗壓強(qiáng)度、完整性及隧道區(qū)構(gòu)造、不良地質(zhì)、地下水等方面考慮，朔州隧道除進(jìn)口端第四系地層及斷層破碎帶段，其余段落采用敞開(kāi)式TBM 掘進(jìn)施工基本可行;但該段掘進(jìn)施工可能存在巖溶、高地應(yīng)力、涌水等風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 TBM 運(yùn)輸、組裝場(chǎng)地條件

TBM 屬大型專用設(shè)備，對(duì)施工場(chǎng)地及運(yùn)輸方案有特殊要求。朔州隧道進(jìn)口位于朔州市平魯區(qū)窩窩會(huì)村后，交通條件相對(duì)較便利，洞口處地勢(shì)相對(duì)較低，進(jìn)口處沿溝谷小路經(jīng)改造后可做為T(mén)BM 進(jìn)場(chǎng)便道，洞口場(chǎng)地相對(duì)較開(kāi)闊，進(jìn)口前方為挖方路基，該段路基先行施工后，可以初步滿足TBM 的場(chǎng)地條件。

隧道出口位于朔州市朔城區(qū)小北岔村，洞口前方為“小神線”公路其支線，局部彎道較急，交通條件一般，要滿足TBM 設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，必須對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行改造。隧道出口緊接小北岔特大橋，出口洞口標(biāo)高較高，小北岔特大橋橋高約30～50 m，場(chǎng)地相對(duì)狹窄，TBM 進(jìn)場(chǎng)需搭建便橋，因此，隧道出口段不宜采用TBM 掘進(jìn)機(jī)施工。

4.3 施工組織設(shè)計(jì)及工期

依據(jù)朔州隧道特有的地質(zhì)及場(chǎng)地環(huán)境條件，進(jìn)口DK128+662～DK129+335 段洞身穿越砂質(zhì)黃土、碎石土，地層條件較差，考慮采用鉆爆法施工。隧道出口端洞外緊接小北岔特大橋，施工場(chǎng)地相對(duì)狹窄，不具備TBM 的現(xiàn)場(chǎng)拼裝及進(jìn)場(chǎng)條件，同時(shí)，出口段穿越5條斷層破碎帶，因此對(duì)于隧道出口端考慮鉆爆法施工，以靈活應(yīng)對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，隧道進(jìn)口端先采用鉆爆法先行施工，待通過(guò)黃土、碎石土地段后，采取敞開(kāi)式TBM 進(jìn)行掘進(jìn)，出口端全部采用鉆爆法施工。從施組來(lái)看，采取“1 臺(tái)TBM+鉆爆法”施工方案，工期基本滿足要求，與鉆爆法相比，優(yōu)勢(shì)并不明顯，且TBM 施工段落相對(duì)較短。

4.4 TBM 襯砌斷面研究

目前，國(guó)內(nèi)雙線鐵路隧道尚未出現(xiàn)TBM 設(shè)備的應(yīng)用，四川錦屏電站引水隧洞中TBM 施工，其斷面直徑為12.4 m，經(jīng)研究，適宜本線雙線鐵路隧道的襯砌斷面直徑約12 m，采用錦屏電站引水隧洞的TBM 勢(shì)必造成工程的浪費(fèi)及施工難度的加大;采用WirthTB880E 型掘進(jìn)機(jī)所有動(dòng)力裝置及配套設(shè)備僅為8.8 m 直徑隧道斷面設(shè)計(jì)，能否改裝為雙線隧道所用，尚無(wú)先例。國(guó)外類似設(shè)備，其斷面和本隧道亦差距較大，改造難度較大。

4.5 工程投資分析

結(jié)合本隧道地質(zhì)條件、洞口場(chǎng)地條件，朔州隧道進(jìn)口采用一臺(tái)TBM，TBM 施工段落約5.4k m，對(duì)于斷層破碎帶及圍巖較差的進(jìn)出口地段仍采用鉆爆法施工。通過(guò)施組分析，工期并沒(méi)有比鉆爆法明顯縮短，費(fèi)用卻增加較多，同時(shí)也帶來(lái)了一些不明確的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在施工段落較短的情況下，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，本隧采用TBM 施工明顯不經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)論及建議

綜合本隧工程條件、地質(zhì)條件、施工場(chǎng)地條件及施工組織、襯砌斷面、隧道技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行分析，朔州隧道工程無(wú)法有效利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有TBM 進(jìn)行施工;若采取新購(gòu)置TBM 則投資增加較多，前期研制、運(yùn)輸、組裝時(shí)間長(zhǎng)，工期并沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，且施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，從確保工期、控制投資、靈活應(yīng)對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)等方面綜合考慮，朔州隧道施工不宜采用TBM 法施工，推薦采用鉆爆法施工。

［1］TB 10003－2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［2］部第二工程局.鐵路工程技術(shù)手冊(cè)·隧道［M］.中國(guó)鐵道出版社，1999

［3］中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.朔州隧道初步設(shè)計(jì)［R］.2010

［4］中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.朔州隧道縮短工期方案研究報(bào)告［R］.2010

［5］薛繼洪.TBM 掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與展望［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004(增刊):25－29

［6］陳饋.TBM 在鐵路隧道施工中的應(yīng)用前景［J］.建筑機(jī)械，2006(8):14－17