對隧道TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法施工的探討與展望

王立川，陳海勇，王占軍，徐潤澤，潘建平，陳宏宇

(1.成都鐵路局，四川成都 610082;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075;3.北京中鐵隧建筑有限公司，北京 100022;4.中信重工洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院，河南洛陽 471039;5.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東深圳 518083;6.中鐵十八局集團(tuán)有限公司三南項(xiàng)目部，重慶 400800;7.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快、設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變及技術(shù)裝備水平的提高，長大隧道(洞)在公路、鐵路、水利工程設(shè)計中所占比例越來越大，高速鐵路、雙線鐵路、大跨公路隧道越來越多，這些隧道橫斷面較大甚至超大，獨(dú)頭挖掘長度也不斷增加。如何實(shí)現(xiàn)長大隧道的安全、投資、工期及其風(fēng)險控制，已成為隧道工程設(shè)計、施工和施工組織技術(shù)需研究的關(guān)鍵問題之一。長大隧道的施工組織方案及其成效，對長大隧道施工各方面的成敗起著決定性的作用。

目前，隧道挖掘方法非常豐富:按分部情況有全斷面法、分部開挖法;按使用的主要設(shè)備有鉆爆法、TBM法、盾構(gòu)法、機(jī)械銑挖法。而不同的組合則會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(yōu)勢及局限性。施工方法是施工方案的基礎(chǔ)和支撐，隧道建設(shè)的關(guān)鍵在于施工方案與地質(zhì)條件、施工條件、技術(shù)水平、裝備水平相匹配。

以中硬巖為主的長大隧道的可選施工方法主要有全斷面鉆爆法、全斷面TBM法、鉆爆臺階法、鉆爆導(dǎo)洞擴(kuò)挖法及TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法。相較于全斷面及臺階鉆爆法，鉆爆導(dǎo)洞擴(kuò)挖法具有很多優(yōu)點(diǎn)［1］。該法已成功應(yīng)用于南昆鐵路米花嶺隧道(單洞單線9 392 m)的進(jìn)口段，人工配合小機(jī)具開挖超前小導(dǎo)洞(2.5 m×2.5 m)，相較于全斷面法擴(kuò)挖速度提高2～3倍，使該隧提前4個月建成，為南昆鐵路提前4個月通車創(chuàng)造了條件。該法在京九鐵路五指山隧道(單洞雙線)的局部應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了26個月建成4 465 m長隧。在梅坎鐵路雁洋隧道鉆爆導(dǎo)洞擴(kuò)挖法實(shí)施時，提取了較系統(tǒng)準(zhǔn)確的經(jīng)濟(jì)技術(shù)數(shù)據(jù)，工程獲得了工期提前約30%和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

在全社會工薪高企、物價高漲及其粘性效應(yīng)明顯和土木建筑行業(yè)技能型員工日益空殼化的情況下，TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法相較于鉆爆導(dǎo)洞擴(kuò)挖法，具有工期、效益、環(huán)境及安全等各方面優(yōu)勢。TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法相較于全斷面TBM法，具有挖掘斷面利用率高、風(fēng)險小及造價低的優(yōu)勢。

國內(nèi)已有不少專家、學(xué)者做過TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法方面的研究，如:文獻(xiàn)［2］介紹了小直徑TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法，并對雙線鐵路隧道TBM選型、導(dǎo)洞位置、施工組織方案進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［3］提出長15～20 km的鐵路客運(yùn)專線特長隧道的TBM導(dǎo)洞鉆爆擴(kuò)挖法的設(shè)想;文獻(xiàn)［4］介紹了“TBM導(dǎo)洞+擴(kuò)挖”法在意大利、日本、瑞士等國的應(yīng)用情況，并重點(diǎn)介紹了意大利、日本在應(yīng)用該法中所取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn);文獻(xiàn)［5］在調(diào)研國外使用TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，總結(jié)了該工法的優(yōu)點(diǎn)和適用性，就TBM直徑及導(dǎo)洞位置進(jìn)行比選，并給出了選擇建議;文獻(xiàn)［6］綜述性地總結(jié)了隧道開挖方法的選擇;文獻(xiàn)［7］對鉆爆導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的進(jìn)度、成本、效益進(jìn)行了一定深度的量化研究?？梢?，國外對TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法已有成功案例［5］，且取得了一些經(jīng)驗(yàn);國內(nèi)雖有研究和設(shè)想，但尚未見有TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的案例。這與本世紀(jì)之前重裝備技術(shù)落后且機(jī)械成本高而勞動力充盈且人工成本低的國情有關(guān)，也與工程建設(shè)特別是鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域的體(機(jī))制具有抑制創(chuàng)新的作用和輕視知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)有關(guān)。隨著大陸人口紅利的枯竭和政策導(dǎo)向更重視民生所引起的人工成本急劇增加和重裝備產(chǎn)業(yè)的迅速升級，TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的成本劣勢會逐步衰減而衍生出條件式優(yōu)勢，且更具可行性。本文綜合性地介紹導(dǎo)洞法的概念及其作用，分析導(dǎo)洞法的特點(diǎn)及適用條件，并依托3座隧道為工程背景，對TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的關(guān)鍵工序——開挖及初期支護(hù)的工期方案進(jìn)行模擬，并比對模擬方案工期與實(shí)際或施工圖設(shè)計工期，最后總結(jié)TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的適用條件、使用方法、經(jīng)濟(jì)效益，并展望其應(yīng)用前景。

1 導(dǎo)洞和導(dǎo)洞法

1.1 含義

業(yè)界至今未對導(dǎo)洞做概念界定，處于“一個對象、各自表述”階段?！皩?dǎo)”系“指引，帶領(lǐng)，啟發(fā)，引起，傳遞”之意，導(dǎo)洞是在隧道和地下工程修建中，率先在設(shè)計的斷面內(nèi)挖掘的遠(yuǎn)小于設(shè)計斷面的洞室;導(dǎo)洞法則是在隧道和地下工程的部分甚至全部區(qū)段，先施作導(dǎo)洞再擴(kuò)大斷面的施工方法或方案;以TBM施作導(dǎo)洞就是TBM導(dǎo)洞法。

1.2 導(dǎo)洞的斷面形狀

據(jù)工程和工法需求并結(jié)合施工資源特征，導(dǎo)洞的斷面形式常設(shè)置為梯形、矩形、馬蹄形、城門洞形及圓形等。

1.3 導(dǎo)洞的相對位置

按導(dǎo)洞(近似)幾何形心與設(shè)計斷面形心的相對位置關(guān)系，分為頂、上、中、下、側(cè)導(dǎo)洞5種，可根據(jù)工程施工需要綜合考量而定，即使在一個工程項(xiàng)目或一座隧道的不同區(qū)段也可施作于不同的位置。從施工通風(fēng)和不良地質(zhì)處置的角度考慮，宜多采取上導(dǎo)洞;應(yīng)對鉆爆擴(kuò)挖的明顯不利影響，一般不采用頂和側(cè)導(dǎo)洞。

1.4 導(dǎo)洞法的分類

按導(dǎo)洞貫通前、后進(jìn)行擴(kuò)挖分為先通導(dǎo)洞法和平行導(dǎo)洞法，即導(dǎo)洞貫通后再進(jìn)行擴(kuò)挖的稱先通導(dǎo)洞法;導(dǎo)洞未貫通就在其后方一定距離以平行作業(yè)方式進(jìn)行擴(kuò)挖的稱平行導(dǎo)洞法。

2 鉆爆導(dǎo)洞法特點(diǎn)和作用

2.1 作用和優(yōu)點(diǎn)

1)探明并確認(rèn)地質(zhì)情況。提前探明地質(zhì)，疏緩富水地層水壓，這在勘察工作時常不足的國情下，尤為珍貴;導(dǎo)洞貫通后可集中進(jìn)行全隧地質(zhì)確認(rèn)，利于控制工期和投資(成本)風(fēng)險。

2)降低施工階段安全風(fēng)險。貫通的導(dǎo)洞創(chuàng)造了提前處置不良地質(zhì)的技術(shù)和施工資源時空，避免大斷面遭遇不良地質(zhì)所引起的施工安全風(fēng)險和施工組織倉促甚至混亂;由于導(dǎo)洞斷面小，遭遇不良地質(zhì)時所造成損失也小;較低爆破振速減少對隧道開挖輪廓線外緣圍巖體的擾動，有利于減少甚至避免掉塊或坍塌的發(fā)生。

3)提高施工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。導(dǎo)洞的臨空作用，使民爆品和器材的綜合消耗大幅降低;導(dǎo)洞擴(kuò)挖法特別有利于提高擴(kuò)挖階段的光面爆破效果，擴(kuò)挖炮眼利用率一般都在95%以上，甚至出現(xiàn)100%，拱、墻部炮痕保存率分別達(dá)90%、85%以上;綜合民爆品和器材消耗低于全斷面或臺階法施工，且隧道設(shè)計斷面愈大差距就愈明顯，設(shè)計時速120 km的鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖炸藥綜合降耗單線5% ～7%、雙線15% ～20%，雷管綜合降耗單線10%、雙線18%，Ⅳ級圍巖綜合降耗略低于上述數(shù)據(jù);以雙線隧道1 km為例估算，民爆品可節(jié)約5～6萬元、炮眼利用率提高可節(jié)約人機(jī)電費(fèi)約40萬元，噴射混凝土節(jié)約約30萬元。

導(dǎo)洞變形量測規(guī)律對全斷面變形規(guī)律和量值進(jìn)行預(yù)測。通過貫通的導(dǎo)洞提前實(shí)施的貫通測量可大幅壓減系統(tǒng)和偶然測量誤差，從而大幅壓縮超挖工作量;良好的開挖成型不僅可避免不必要的應(yīng)力集中對圍巖自承力的損害及由此可能引起的安全事故，也可減少找平噴混凝土量;設(shè)計時速120 km的鐵路隧道、Ⅱ～Ⅳ級圍巖斷面可少挖掘巖石 0.7～1.5 m3/單線 m、0.95～2.2 m3/雙線m，當(dāng)然相應(yīng)節(jié)約相應(yīng)數(shù)量的噴射混凝土和襯砌混凝土。

4)改善施工通風(fēng)效果，節(jié)約通風(fēng)費(fèi)用。長大隧道的施工通風(fēng)費(fèi)用遠(yuǎn)高于鐵路行業(yè)的概預(yù)算水平，導(dǎo)洞貫通后形成全隧自然風(fēng)流可補(bǔ)償機(jī)械通風(fēng)，在施工通風(fēng)方案調(diào)整后，明顯改善通風(fēng)效果，提高作業(yè)效率，利于作業(yè)人員健康;綜合起來比全斷面法或臺階法節(jié)約通風(fēng)費(fèi)單線50%、雙線65%，一般隧道獨(dú)頭挖掘長度大于1 km后綜合施工通風(fēng)費(fèi)用在5～8元/m3。

不納入工期提前的管理費(fèi)和施工資源使用費(fèi)節(jié)約，3)+4)合并，一般設(shè)計時速120 km的鐵路雙線隧道Ⅱ、Ⅲ和部分Ⅳ級圍巖地段，工程成本節(jié)約2 000～3 000元/m;因定額限制，該特征主要表現(xiàn)為施工企業(yè)的效益而非工程投資的降低。

5)提高工程質(zhì)量。良好的擴(kuò)挖成型有利于初期支護(hù)平順和防水層合格鋪設(shè)，從而提高隧道防水效果;降低擾動的圍巖體有利于對隧道工后變形的約束。

6)工期優(yōu)勢。地質(zhì)適宜、組織得當(dāng)時，可加快施工進(jìn)度、縮短工期。

7)便于工序緊湊，利于出產(chǎn)片石。擴(kuò)挖時洞碴拋擲距離明顯小于全斷面法或臺階法，縮短設(shè)備退避距離，利于施工安全和提高工效;導(dǎo)洞擴(kuò)挖后圍巖－支護(hù)體系趨向穩(wěn)定的時間縮短，有利于滿足襯砌緊跟的技術(shù)條件，工序緊湊;擴(kuò)挖時，對炮孔布置和裝藥量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段合格片石、塊石率可達(dá)45%～55%，可作為路基及支擋工程的片(塊)石原料，甚至可銷售片(塊)石。

8)有利于年輕技術(shù)人員的測量技能和地質(zhì)認(rèn)識錘煉。導(dǎo)洞施工對施工放樣測量精度要求低，可減少控制復(fù)測頻次，允許出現(xiàn)不偏出隧道設(shè)計輪廓線的誤差甚至錯誤、允許出現(xiàn)測量的失誤;導(dǎo)洞施工放樣測量可作為年輕技術(shù)人員的施工測量實(shí)習(xí)、鍛煉、培養(yǎng)場所，彌補(bǔ)當(dāng)前高校畢業(yè)生的測量技能低下的不足。一般導(dǎo)洞無支護(hù)或很少支護(hù)，使地層直觀呈現(xiàn)于眼前，對剛剛走出校門的學(xué)生或有一定工作閱歷的地質(zhì)盲是現(xiàn)實(shí)的課堂，利于年輕技術(shù)人才地質(zhì)認(rèn)識的培養(yǎng)。

2.2 局限和缺點(diǎn)

1)地質(zhì)條件、隧道長度和斷面大小的局限。若地質(zhì)條件差即軟弱破碎圍巖所占比例高，則需較大量的臨時支護(hù)且速度優(yōu)勢難以發(fā)揮;先通導(dǎo)洞法必然存在相當(dāng)?shù)墓ば蜃鳂I(yè)時間，隧道長度可能成為工期的限制因素;軟弱圍巖所占比例與導(dǎo)洞法所適用的隧道長度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)洞進(jìn)度能力與其所適用的隧道長度呈正相關(guān)關(guān)系;若隧道斷面過小，則相對于導(dǎo)洞工作量而言擴(kuò)挖工作量很小甚至導(dǎo)洞斷面利用不充分，其成本優(yōu)勢將喪失。

2)臨時支護(hù)。軟弱圍巖段導(dǎo)洞必然的臨時支護(hù)將產(chǎn)生相應(yīng)的材料消耗和拆除工作量。

3)管線路二次拆安。施工用管線路須多拆安一次。

4)施工企業(yè)資金負(fù)面效應(yīng)。因鐵路甚至其他行業(yè)尚無對應(yīng)的預(yù)算定額，小斷面挖掘巖體的成本明顯高于一次性大斷面挖掘巖體的成本，按簡單幾何法計算工作量的成洞系數(shù)計量方式，可能引起資金負(fù)面效應(yīng);但明智的建設(shè)單位可通過調(diào)整成洞系數(shù)或其他手段緩解乃至消除這種效應(yīng)。

5)平行導(dǎo)洞法的施工安全風(fēng)險。目前尚不能很好地解決平行導(dǎo)洞法施工時，導(dǎo)洞與擴(kuò)挖的施工干擾，根本問題是解決管線路過渡和擴(kuò)挖面處的安全防護(hù)。

2.3 適應(yīng)條件

1)地質(zhì)條件。當(dāng)軟弱圍巖比例過高時，若采用導(dǎo)洞法則須對導(dǎo)洞實(shí)施較多的支護(hù)措施，可能是不經(jīng)濟(jì)的;導(dǎo)洞法特別適用于以中硬、硬巖為主的隧道。

2)斷面的大小。斷面較大的隧道，全斷面與導(dǎo)洞斷面面積之比為2.5～3且導(dǎo)洞外輪廓與隧道設(shè)計外輪廓相距1.0～1.5 m時比較經(jīng)濟(jì)。

3)長度與工期。平行導(dǎo)洞法除具備成本(投資)優(yōu)勢外還有明顯的進(jìn)度(工期)優(yōu)勢，在相同工期條件下可減少輔助導(dǎo)坑的數(shù)量，但擴(kuò)挖與導(dǎo)洞界面處的過渡技術(shù)措施難題尚未解決，需探索和慎重決策;先通導(dǎo)洞法的主要優(yōu)勢在于成本(投資)優(yōu)勢，當(dāng)?shù)刭|(zhì)和工期基本確立時，其適應(yīng)的隧道長度受到限制。文獻(xiàn)［7］中有基本的測算，當(dāng)然以TBM施作導(dǎo)洞，其進(jìn)度更快，故TBM導(dǎo)洞法可適用于更長的隧道。

4)雙洞。按作者多年編制施工組織設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)［7］的測算估量，導(dǎo)洞擴(kuò)挖法在“平行雙洞”的情況下可能更具優(yōu)勢，本文將在TBM導(dǎo)洞法背景下予以初步研究。

2.4 對圍巖的二次擾動

導(dǎo)洞挖掘后引起的周邊圍巖松弛區(qū)(即應(yīng)力重分布區(qū))并非無限擴(kuò)大而處于有閾，一般都在隧道設(shè)計斷面的范圍內(nèi)，而導(dǎo)洞法施工主要選擇以中硬巖及其以上地層為主的隧道，且導(dǎo)洞的相對位置是可調(diào)整的;爆破振動波具有更多向物性值弱的介質(zhì)分配的特點(diǎn)，因已有導(dǎo)洞作為臨空面，擴(kuò)挖時爆破對隧道設(shè)計輪廓周邊圍巖的影響不僅不會加大，而且有明顯的減少趨勢，2次爆破綜合單位體積巖石炸藥消耗量不大于全斷面或臺階法的相應(yīng)藥量，便是一個明證。導(dǎo)洞法更充分地體現(xiàn)“新奧法”(NATM)之“利用圍巖自身承載力和允許圍巖應(yīng)力有限釋放”的基本思想。因此，對導(dǎo)洞法施工引起圍巖產(chǎn)生過大的二次擾動的擔(dān)心是不必要的。

3 TBM導(dǎo)洞法的特點(diǎn)

TBM導(dǎo)洞法除基本具備鉆爆導(dǎo)洞法的上述特點(diǎn)外，主要具有如下特征:

1)隧道長度與工期方面。因?qū)Ｓ肨BM消弭了制造周期及具有導(dǎo)洞進(jìn)度更快的特點(diǎn)，因此可適用于更長和(或)工期要求更高的隧道。

2)操作人員技能方面。TBM是集電子、信息、遙測、遙控等高新技術(shù)于一體的集成式高端、高科技裝備，必然對操作者的文化素質(zhì)和技能提出更高的要求，且要求操作者相對穩(wěn)定。

3)施工環(huán)境。隧道一定區(qū)域內(nèi)的電力供給應(yīng)充沛，道橋荷載等級要與TBM的運(yùn)輸需求基本適應(yīng)或較方便地加固后滿足運(yùn)輸需求。

4)徹底消除對圍巖二次擾動的顧慮。

4 TBM導(dǎo)洞法模擬案例

為初步探索TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的施工組織特征，以3座地質(zhì)差異較大的特長隧道為工程依托，進(jìn)行以關(guān)鍵工序——挖掘和初期支護(hù)的工期目標(biāo)為對象的施工組織方案模擬。渝利鐵路萬壽山隧道和大梁隧道以實(shí)際工期、陜西寶雞至坪坎公路秦嶺隧道以施工圖工期為對比基準(zhǔn)。

4.1 依托隧道工程概況

萬壽山和二號大梁隧道均為已建成運(yùn)營的設(shè)計時速200 km的國家I級單洞雙線特長鐵路隧道，秦嶺隧道為設(shè)計時速80 km的雙洞雙向6車道特長公路隧道。其主要相關(guān)要素如表1所示。

表1 依托隧道工程基本概況表Table 1 Tunnel cases

4.2 主要假設(shè)條件

1)TBM拼裝和拆卸時長。因進(jìn)洞前150～200 m采用鉆爆法施工，關(guān)鍵線路不計列TBM轉(zhuǎn)運(yùn)時間;TBM拼裝時長40 d，洞內(nèi)拆機(jī)40 d，洞外拆機(jī)20 d。

2)TBM導(dǎo)洞的相對位置。按下導(dǎo)洞始發(fā)后伺機(jī)過渡至上(中)導(dǎo)洞布置導(dǎo)洞縱斷面，出洞或到達(dá)前再過渡至下導(dǎo)洞，便于TBM始發(fā)和到達(dá)接收。

3)軟弱破碎圍巖段處置。單洞隧道，Ⅴ、Ⅵ級和部分必要的Ⅳ圍巖地段在導(dǎo)洞施工通過后或貫通后已進(jìn)行了地質(zhì)改良、加固，臺架式鉆爆法擴(kuò)挖通過時均按Ⅳ級圍巖進(jìn)度指標(biāo)安排;雙洞隧道，Ⅴ、Ⅵ級和必要的Ⅳ圍巖地段在導(dǎo)洞施工通過后或貫通后已進(jìn)行了地質(zhì)改良、加固，臨洞已以臺架式鉆爆法完成開(擴(kuò))挖和初期支護(hù)，TBM按空推通過，臺架式鉆爆法擴(kuò)挖基本按Ⅳ級圍巖進(jìn)度指標(biāo)安排;后文所述“4.3主要能力指標(biāo)”已考慮了導(dǎo)洞必要的臨時支護(hù)的耗時。

4)TBM轉(zhuǎn)彎半徑。按300 m考慮。

5)雙洞隧道的聯(lián)絡(luò)通道。均按導(dǎo)洞通過后、臺架式擴(kuò)挖前完成開挖和初期支護(hù)，不占工期關(guān)鍵線路。

6)輔助導(dǎo)坑的長度與斷面。模擬方案均按輔助導(dǎo)坑長度800 m雙車道(國產(chǎn)16～20 t載質(zhì)量車)無軌運(yùn)輸斷面設(shè)置。

7)模擬方案不考慮可能的大型溶腔、暗河、涌突水的影響。

8)不考慮正反坡的施工指標(biāo)差異。

4.3 主要能力與進(jìn)度指標(biāo)

1)TBM始發(fā)前的150～200 m常規(guī)臺架式鉆爆法的進(jìn)度指標(biāo)按文獻(xiàn)［2］指標(biāo)約1.5倍采用。

2)TBM每天工作12～16 h，各級圍巖中的日進(jìn)度分別按Ⅱ級28 m/d、Ⅲ級30 m/d、Ⅳ級17 m/d、Ⅴ級5 m/d采用，每月施工29 d;因此，導(dǎo)洞內(nèi)會車道施作、設(shè)備維修、擴(kuò)挖前Ⅴ和Ⅵ級及部分必要的Ⅳ圍巖軟弱破碎圍巖地段的預(yù)加固、改良和提前實(shí)施的開(擴(kuò))挖和初期支護(hù)工作處置，均不占工期關(guān)鍵線路。

3)因Ⅲ+級支護(hù)參數(shù)和工法與Ⅳ級差異不大，大斷面擴(kuò)挖施工時均按Ⅳ級指標(biāo)處理。

4)進(jìn)度指標(biāo)體系(主要指開挖和初期支護(hù))見表2。

4.4 方案組合

模擬方案組合情況見表3。

4.5 案例初步測算情況

4.5.1 萬壽山隧道

1)模擬方案形象進(jìn)度圖見圖1。

2)模擬結(jié)論要點(diǎn)匯總。

2)模擬方案結(jié)論要點(diǎn)匯總見表4。

4.5.2 大梁隧道

1)模擬方案形象進(jìn)度圖見圖2。

2)模擬方案結(jié)論要點(diǎn)匯總見表5。

4.5.3 秦嶺隧道

1)模擬方案形象進(jìn)度圖見圖3。

2)模擬方案結(jié)論要點(diǎn)匯總見表6。

4.6 模擬方案比較研究結(jié)論

4.6.1 直觀性結(jié)論

1)從工期角度看，對10 km以上的單洞特長隧道，不能奢望用1臺TBM單向?qū)Ф捶ㄈ〈て谛暂o助導(dǎo)坑;對10 km以上的雙洞特長隧道，各用1臺TBM相向平行導(dǎo)洞法則有望取代工期性輔助導(dǎo)坑。

表2 模擬方案進(jìn)度指標(biāo)表Table 2 Indexes of simulated construction programs m/月

表3 方案模擬組合Table 3 Simulated program groups

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圖1 萬壽山隧道模擬形象進(jìn)度圖Fig.1 Simulated construction schedule of Wanshoushan tunnel

表4 萬壽山隧道測算情況(與實(shí)際工期31.5個月相比)Table 4 Simulation results of Wanshoushan tunnel

圖2 大梁隧道模擬形象進(jìn)度圖Fig.2 Simulated construction schedule of Daliang tunnel

表5 大梁隧道測算情況(與實(shí)際工期33個月相比)Table 5 Simulation results of Daliang tunnel

圖3 秦嶺隧道模擬形象進(jìn)度圖Fig.3 Simulated construction schedule of Qinling tunnel

表6 秦嶺隧道測算情況(與施工圖工期左線50、右線51個月相比)Table 6 Simulation results of Qinling tunnel

2)在10 km以上的單洞無輔助導(dǎo)坑特長隧道中，TBM平行導(dǎo)洞法比TBM先通導(dǎo)洞法有一定的優(yōu)勢;而在10 km以上的雙洞無輔助導(dǎo)坑特長隧道中，TBM平行導(dǎo)洞法比TBM先通導(dǎo)洞法有明顯的優(yōu)勢。在10 km以上的單洞單輔助導(dǎo)坑特長隧道中，TBM平行導(dǎo)洞法比TBM先通導(dǎo)洞法并無明顯優(yōu)勢，輔助導(dǎo)坑與正洞交叉口的位置選擇對施工平衡性影響顯著;在10 km以上的雙洞單輔助導(dǎo)坑特長隧道中，TBM平行導(dǎo)洞法比TBM先通導(dǎo)洞法有一定的優(yōu)勢。

3)在10 km以上的單或雙洞單輔助導(dǎo)坑特長隧道中，2臺TBM相向?qū)嵤㏕BM導(dǎo)洞法利于平衡施工，但隧長中部附近地形條件須滿足輔助導(dǎo)坑(斜、橫)設(shè)置條件;為便于TBM接收并開展擴(kuò)挖作業(yè)，為TBM拆運(yùn)和擴(kuò)挖的大運(yùn)量計，輔助導(dǎo)坑(斜、橫)須按雙車道設(shè)置。

4)在10 km以上的單洞單輔助導(dǎo)坑特長隧道中，2臺TBM同向?qū)嵤㏕BM導(dǎo)洞法(含用TBM施工輔助導(dǎo)坑后直接轉(zhuǎn)入TBM導(dǎo)洞法)并無明顯優(yōu)勢且對施工平衡性影響顯著;除非地質(zhì)研判比較準(zhǔn)確且保留或新設(shè)一座輔助導(dǎo)坑(斜、橫)的地形條件比較合適。

5)在10 km以上的單洞單輔助導(dǎo)坑特長隧道中，平行TBM導(dǎo)洞法相對于先通TBM導(dǎo)洞法的優(yōu)勢，隨著軟弱破碎圍巖比例的增大而愈加明顯。

6)在10 km以上的雙洞單輔助導(dǎo)坑特長隧道中，TBM導(dǎo)洞法具有巨大優(yōu)勢;平行TBM導(dǎo)洞法相對于先通TBM導(dǎo)洞法的優(yōu)勢不明顯。

4.6.2 簡析性結(jié)論

基于本文依托工程中鐵隧道設(shè)計文件對軟弱破碎圍巖比例高的隧道和公路隧道設(shè)計文件對有軌運(yùn)輸斜井進(jìn)度指標(biāo)能力認(rèn)知的冒進(jìn)以及平行TBM導(dǎo)洞法尚未見成熟案例的基本事實(shí)，經(jīng)簡單分析后結(jié)論如下:

1)因軟弱破碎圍巖的臨時支護(hù)工作量和潛在的施工安全風(fēng)險因素，當(dāng)軟弱破碎圍巖的比例高尤其是涌突水概率大時，單洞特長隧道應(yīng)慎重采取TBM導(dǎo)洞法;在雙洞特長隧道中，因具可進(jìn)入臨洞以臺架式鉆爆法完成軟弱破碎圍巖的開(擴(kuò))挖和初期支護(hù)(TBM空推通過)的特征和TBM導(dǎo)洞法所具備的工期顛覆性優(yōu)勢的巨大誘惑，經(jīng)必要的施工安全風(fēng)險評估和主要基于臨時支護(hù)工作量的經(jīng)濟(jì)性比對，仍可采取TBM導(dǎo)洞法。

2)與鉆爆法一樣，地質(zhì)勘查和研判與選線的正確和準(zhǔn)確性，對TBM導(dǎo)洞法的風(fēng)險和施工組織的均衡性將產(chǎn)生深刻的影響。

3)處于項(xiàng)目非工期控制性地位的、以中硬巖為主的3～7 km大斷面隧道(無論單或雙洞)，可無憂地實(shí)施TBM導(dǎo)洞法。

4)擴(kuò)挖與導(dǎo)洞界面處的過渡技術(shù)措施問題尚未解決，應(yīng)慎重采取平行TBM導(dǎo)洞法。

5)在單輔助導(dǎo)坑隧道中，2臺TBM相向?qū)嵤㏕BM導(dǎo)洞法的快速和可能的施工平衡性特征非常明顯;因此，即使新設(shè)輔助導(dǎo)坑較長或很長，只要輔助導(dǎo)坑能在TBM到達(dá)前修建完畢并完成正洞挖掘和初期支護(hù)300 m，其成本(投資)優(yōu)勢非常明顯。

6)西南尤其是川渝地區(qū)廣泛分布的泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及其互層地層，具有實(shí)施TBM導(dǎo)洞法的天然地質(zhì)優(yōu)勢。

7)TBM導(dǎo)洞法工期優(yōu)勢所換取的輔助導(dǎo)坑的減少或取消，不僅是對效益(投資)的貢獻(xiàn)，更是對環(huán)境維護(hù)與保護(hù)的貢獻(xiàn)。

4.7 對TBM功能和TBM導(dǎo)洞法的期待

1)期待TBM附加地質(zhì)超前預(yù)報和鉆孔50 m以上的功能。

2)可適當(dāng)增加導(dǎo)洞法用TBM直徑，使之與國內(nèi)巖石地層中的地鐵區(qū)間隧道斷面適配并預(yù)留管片安裝設(shè)備的位置，以提高導(dǎo)洞法用TBM的實(shí)用性和使用率。

3)期待業(yè)界翹楚企業(yè)和有志之士，探索和破解平行TBM導(dǎo)洞法的擴(kuò)挖與導(dǎo)洞界面處過渡技術(shù)措施的難題。

5 對隧道TBM導(dǎo)洞法的展望

1)在中硬巖為主、大斷面、項(xiàng)目非工期控制性(尤其是長度為3～7 km)隧道施工中，只要滿足工期要求，可放心采用TBM導(dǎo)洞法。

2)在中硬巖為主、大斷面、工期控制性的特長隧道施工中，若基本具備設(shè)置輔助導(dǎo)坑條件且滿足工期需求，亦可放心采用TBM導(dǎo)洞法。

3)鑒于雙洞隧道的施工組織特殊性，即便是軟弱破碎圍巖比例較高，采用2臺TBM導(dǎo)洞法分洞相向施工、伺機(jī)開展從導(dǎo)洞進(jìn)入臨洞施工、TBM空推通過的施工組織值得研究和實(shí)施。

4)一旦破解了擴(kuò)挖與導(dǎo)洞界面處管線和運(yùn)輸過渡的技術(shù)難題(仰拱棧橋的思路可供參考)，平行TBM導(dǎo)洞法必將大放異彩，前景廣闊。

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