西寧至成都鐵路甘青隧道TBM施工方案研究

靳寶成

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043; 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗室，西安 710043)

1 工程背景

新建鐵路西寧至成都線位于青海、甘肅、四川三省交界地帶[1]。甘青隧道為西寧至成都鐵路在甘、青兩省交界處下穿甘加與瓜什則盆地的主越嶺隧道，起訖里程為CK381+060～CK403+435，全長22 375 m，軌面走行高程在2 750 m以上，屬高原寒區(qū)隧道工程，主要穿行于三疊系板巖、砂巖地層，部分位于燕山期侵入巖中[2]，如圖1所示。受控于線路走行高程及隧道區(qū)地形地貌，隧道具有埋深大、輔助坑道設(shè)置條件差、地質(zhì)條件及環(huán)境條件復(fù)雜等特點(diǎn)，外加高原區(qū)施工作業(yè)效率低下，采用以人工鉆爆法為主的施工方案存在一定的困難。因此，高原區(qū)特長隧道施工有必要大力推廣機(jī)械化施工，而TBM具有施工速度快、擾動小、環(huán)境協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來，在各方的共同努力下，我國TBM制造及施工技術(shù)能力已有較高水平，并在鐵路、水工及城市軌道交通等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。文獻(xiàn)[3-5]詳細(xì)介紹了我國TBM關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展歷程、應(yīng)用進(jìn)展、挑戰(zhàn)及對策；文獻(xiàn)[6-8] 介紹了蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM施工技術(shù)難點(diǎn)、技術(shù)創(chuàng)新及施工風(fēng)險；文獻(xiàn)[9-11]介紹了大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM施工所面臨的高巖溫?zé)岷?、長距離巖體破碎-極破碎等地段軟巖大變形等技術(shù)難題，并從TBM 裝備角度提出針對性設(shè)計方案；文獻(xiàn)[12-14]介紹了TBM施工水工隧道選線技術(shù)、TBM及配套系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)以及深埋水工隧道巖爆針對性施工技術(shù)等；文獻(xiàn)[15-18]介紹了城市軌道交通TBM選型設(shè)計、施工風(fēng)險處治技術(shù)等。總結(jié)并分析各領(lǐng)域TBM施工案例中所采用的設(shè)備直徑、設(shè)備類型、隧道規(guī)模、施工組織、不良地質(zhì)應(yīng)對措施、施工經(jīng)驗及教訓(xùn)等，能為甘青隧道TBM施工方案研究提供重要的參考與借鑒價值。

圖1 甘青隧道巖性分布概況

2 甘青隧道主要的工程設(shè)置特點(diǎn)

2.1 海拔高、溫度低

隧道區(qū)地貌屬西秦嶺中高山區(qū)(圖2)，地面高程2 700～3 750 m，相對高差200～600 m，隧道進(jìn)口高程為3 248.473 m，出口高程為2 756.446 m，最大埋深約835 m；年平均氣溫為3.7 ℃，年最高氣溫30.7 ℃，年最低氣溫-26.0 ℃，最冷月平均氣溫-8.8 ℃，降雪初終期10月至次年5月，最大季節(jié)凍結(jié)深度118 cm。

圖2 西秦嶺中高山區(qū)地貌

2.2 地質(zhì)條件復(fù)雜

隧道位于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈、應(yīng)力高度集中、多次巖漿侵入、埋深大的地質(zhì)環(huán)境，面臨的主要工程地質(zhì)問題如下。

(1)圍巖失穩(wěn)

由于該隧道通過多個斷層破碎帶、巖性接觸帶、節(jié)理密集帶及構(gòu)造影響帶，且三疊系板巖、砂巖地層存在軟硬不均、層間結(jié)合力差等問題，施工中易發(fā)生掉塊、坍塌等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

(2)突水、涌水

隧道通過多個區(qū)域斷裂構(gòu)造、三疊系地層與侵入巖等不同巖性的接觸帶、背斜核部、下穿瓜什則盆地、甘加盆地及多個冰川槽谷，地下水水位高，且進(jìn)口有長大段落反坡施工，易發(fā)生突水、突泥、涌水等。

(3)高地應(yīng)力

隧道位于高地應(yīng)力區(qū)。三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組板巖、板巖夾砂巖(圖3)段落有軟巖大變形的風(fēng)險；燕山期閃長巖(圖4)段落有巖爆風(fēng)險。

圖3 三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組板巖夾砂巖

圖4 燕山期閃長巖

(4)礫巖、砂巖地層涌水流砂

隧道進(jìn)口分布有新近系上新統(tǒng)礫巖、砂巖，膠結(jié)、成巖差，成洞困難，在富水狀態(tài)下，極易產(chǎn)生涌水、流砂等現(xiàn)象。

2.3 生態(tài)環(huán)境脆弱

隧道下穿的瓜什則、甘加盆地及冰川槽谷，多為草場牧區(qū)。地表水較發(fā)育，以小型河流、溪水為主，為當(dāng)?shù)啬撩瘛⒕用裆a(chǎn)、生活的主要水源，補(bǔ)給來源為大氣降水、冰雪融水等。其中甘加大草原是當(dāng)?shù)鼐秘?fù)盛名的天然草場，環(huán)境優(yōu)美，是當(dāng)?shù)氐穆糜蝿俚?。隧道穿過山體，揭穿地下含水層，將有部分地下水從隧道中排泄，改變地下水地質(zhì)平衡條件，引起地表水漏失，易產(chǎn)生地面溝、河斷流、水塘干涸，給草場保護(hù)、旅游景觀造成較大的損失。

2.4 輔助坑道設(shè)置條件差

隧道區(qū)山脊寬厚，線路走行高程相對較低，隧道埋深大，線路兩側(cè)溝谷高程與隧道軌面高程相差大，引起輔助坑道設(shè)置條件較差，輔助坑道均長約2.8 km。

3 甘青隧道TBM施工方案研究必要性分析

3.1 高原降效明顯

高原區(qū)勞動力和機(jī)械設(shè)備效率降低，加之近年來鉆爆法隧道施工人員明顯減少，且趨于老齡化，使得鉆爆法施工難度增大。而TBM設(shè)備具有施工速度快、擾動小、環(huán)境協(xié)調(diào)性好、人員需求少等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決此難題。

3.2 鉆爆法施工工作面多、工期風(fēng)險大

鉆爆法方案需設(shè)置多座斜井來輔助正洞施工，輔助坑道平均長約2.8 km，且每座斜井需同時擔(dān)負(fù)正洞4個工作面施工，施工任務(wù)重，工期壓力大，一旦一個工作面意外受阻，隧道建設(shè)工期會延期，工期風(fēng)險較大。

3.3 施工排水成本高

隧道區(qū)地表水、地下水發(fā)育，且斜井工區(qū)均為反坡排水，風(fēng)險大，排水成本高。

3.4 施工通風(fēng)難度大

個別斜井長度大于3.5 km，加上輔助施工正洞的長度，獨(dú)頭施工長度達(dá)5 km左右，且各工區(qū)均以獨(dú)頭壓入式通風(fēng)為主，通風(fēng)距離長，施工掌子面多，加上高原地區(qū)空氣稀薄，施工通風(fēng)難度大。

3.5 TBM設(shè)備制造及應(yīng)用技術(shù)水平提升快

目前，TBM已在鐵路、地鐵、水工等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，通過對不良地質(zhì)應(yīng)對措施、施工經(jīng)驗及教訓(xùn)等進(jìn)行分析和總結(jié)，從設(shè)備制造上進(jìn)行改進(jìn)，使得TBM對地層的適應(yīng)性有一定的擴(kuò)大。

4 甘青隧道TBM施工方案可行性研究

4.1 巖體力學(xué)參數(shù)

選取代表性巖樣，通過試驗測試獲得巖體物理力學(xué)指標(biāo)、完整性、摩擦性指數(shù)等[19-20]，見表1～表3。并對6個深孔進(jìn)行地應(yīng)力測試，得到最大水平主應(yīng)力為22.88 MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N61°E，測試成果見表4。

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

表2 巖體完整性指標(biāo)

表3 巖體摩擦性指數(shù)

表4 深孔地應(yīng)力測試

根據(jù)Rc/σmax值判斷，隧道區(qū)屬高-極高地應(yīng)力區(qū)，埋深大于250 m時均屬于極高地應(yīng)力區(qū)。

基于本段地應(yīng)力測試結(jié)果，并結(jié)合隧道埋深、地層巖性以及鉆孔等綜合資料，預(yù)測隧道圍巖變形等級為：Ⅰ級變形長2 270 m，Ⅱ級變形長6 790 m，Ⅲ級變形長5 060 m，其中存在Ⅲ級變形風(fēng)險的主要分布在埋深較大的三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組中段板巖、上段板巖夾砂巖地層。

4.2 TBM施工適應(yīng)性分析

根據(jù)巖組物理力學(xué)參數(shù)測試成果，針對甘青隧道不同巖體開展TBM施工適應(yīng)性分析，詳見表5。

表5 甘青隧道TBM施工適應(yīng)性分析

從試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，隧道通過地層巖體相對較軟，其中花崗閃長巖最大飽和單軸抗壓強(qiáng)度約65 MPa，最大水平主應(yīng)力約25 MPa，以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，施工存在極硬巖、巖爆的可能性極小。隧道長段落通過的三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組、斷層破碎帶等地層，巖體普遍較軟，施工中存在軟巖大變形、突涌水等不良地質(zhì)問題。在埋深比較大、應(yīng)力比較高的西藏LZ工程、新疆ABH工程、巴基斯坦的N-J工程、圣哥達(dá)隧洞工程等項目均采用TBM施工方法，并在施工過程中摸索出了一套解決不良地質(zhì)問題的方法。基于目前的地質(zhì)資料，認(rèn)為在本工程中采用TBM施工是可行的，優(yōu)先選擇敞開式TBM。

(1)隧道洞身通過2段燕山期花崗閃長巖(長度約5.2 km)段適合TBM施工，但尚需通過進(jìn)口端長度約1.9 km的三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組下段板巖夾砂巖(變形風(fēng)險等級Ⅰ級)、新近系上新統(tǒng)泥巖。

(2)洞身中部通過三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組地層長達(dá)6.15 km，其中，中段板巖(變形風(fēng)險等級Ⅱ～Ⅲ級)長約3.75 km，上段板巖夾砂巖(變形風(fēng)險等級Ⅱ～Ⅲ級)長約1.4 km；TBM適應(yīng)性一般。

(3)出口端三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組地層7.8 km，其中，中段板巖(變形風(fēng)險等級Ⅰ～Ⅲ級級)長約4.9 km，TBM適應(yīng)性差；上段板巖夾砂巖(變形風(fēng)險等級Ⅰ～Ⅲ級)長約2.9 km，TBM適應(yīng)性一般。地質(zhì)條件復(fù)雜、巖性復(fù)雜多變，構(gòu)造發(fā)育，三疊系地層圍巖大變形風(fēng)險高，TBM施工風(fēng)險相對較高。

綜上，甘青隧道進(jìn)口區(qū)段地層較出口區(qū)段適宜TBM法施工。

4.3 TBM施工存在的風(fēng)險與對策

(1)斷層破碎帶

洞身通過F13斷層帶、F13-1斷層帶，TBM通過該地層可能出現(xiàn)撐靴無法支撐洞壁前行、卡機(jī)、埋機(jī)等工程風(fēng)險。目前已有的處理方法有：配置TBM超前加固系統(tǒng)、驅(qū)動設(shè)計有液壓輔助脫困技術(shù)、護(hù)盾配置鋼筋排快速支護(hù)系統(tǒng)、側(cè)護(hù)盾加長設(shè)計、配置L1區(qū)應(yīng)急噴混系統(tǒng)等。為了完全消除斷層破碎帶給TBM施工帶來的影響，提出設(shè)置輔助坑道來提前施工斷層破碎帶，然后TBM步行通過的方案。

(2)高地應(yīng)力軟巖大變形

甘青隧道部分圍巖水平主應(yīng)力最大值達(dá)25 MPa，屬于高-極高地應(yīng)力區(qū)，三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組上段板巖夾砂巖、中段板巖存在Ⅲ級大變形的風(fēng)險，該段落TBM施工存在護(hù)盾被卡的風(fēng)險。因此，設(shè)計護(hù)盾時需考慮以下因素：

① TBM刀盤可實(shí)現(xiàn)連續(xù)擴(kuò)挖，最大擴(kuò)挖量可達(dá)300 mm，滿足圍巖變形量；

② 盡可能減少護(hù)盾長度，護(hù)盾可變徑；

③ 盡可能縮小TBM后配套外形尺寸空間，高外凈空，留出圍巖變形余量；

④ 主驅(qū)動配置大扭矩設(shè)計，能在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)超大扭矩進(jìn)行脫困；

⑤ 拱架、錨桿等支護(hù)措施快速安裝技術(shù)。

(3)突涌水

配置TBM超前水平鉆，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報；根據(jù)勘察設(shè)計資料，事先設(shè)置加強(qiáng)的排水系統(tǒng)；根據(jù)水量和隧道縱坡計算，獲得TBM關(guān)鍵部位被淹時的搶險緩沖時間；對于較為完整巖體的裂隙涌水，超前注漿效果可能有限，必要時宜結(jié)合開挖后的“排水+堵水”技術(shù)方案。

5 甘青隧道TBM施工方案研究

根據(jù)甘青隧道地形地貌、地質(zhì)條件及TBM適應(yīng)性分析，進(jìn)口區(qū)段TBM適應(yīng)性相對較好，且采用TBM施工，可減少長斜井，降低施工風(fēng)險，TBM施工圓形斷面較適宜于軟巖地層，主要研究了雙洞單線隧道進(jìn)口2臺大直徑TBM和鉆爆法單洞雙線隧道+貫通平行導(dǎo)坑(進(jìn)口小直徑TBM)方案，詳見表6。由于進(jìn)口區(qū)段三疊系地層仍存在變形風(fēng)險，小直徑TBM開挖斷面較大直徑TBM小，控制變形好，施工安全性相對高，綜合考慮TBM施工長度、施工段落的地質(zhì)條件、施工風(fēng)險與成本、工期等因素，推薦“單洞雙線隧道+貫通平行導(dǎo)坑(進(jìn)口敞開式小直徑TBM)”方案。

表6 甘青隧道TBM方案比較

6 結(jié)語

(1)“高原、高寒、高海拔”等特殊環(huán)境地區(qū)，具有氣候惡劣、人口稀少、勞動效率低下、施工環(huán)境差、地質(zhì)條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱、輔助坑道設(shè)置條件差等不利情況，造成以人工鉆爆法為主的傳統(tǒng)施工技術(shù)難度大，難以保證建設(shè)工期。因此，隧道施工很有必要提高機(jī)械化水平，應(yīng)開展高原高寒區(qū)越嶺隧道TBM施工的可行性研究。

(2)新建越嶺特長隧道或地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道，受地形、地質(zhì)、水文以及施工安全、建設(shè)工期、工程投資、運(yùn)營條件等的影響，會產(chǎn)生單洞雙線隧道、雙洞單線隧道方案優(yōu)劣比選問題，由于這些問題牽涉的因素較多、涉及面廣，應(yīng)經(jīng)單、雙洞等多方案比較，才能確定方案的優(yōu)劣。

(3)通過對甘青特長隧道巖性TBM適應(yīng)性分析，得出進(jìn)口段較出口段適宜TBM施工，大直徑TBM施工風(fēng)險較高，推薦采用小直徑TBM施工方案；并從施工難度及風(fēng)險、施工通風(fēng)、施工排水、輔助坑道條件、運(yùn)營維護(hù)及防災(zāi)救援、施工工期、工程投資等方面綜合分析論證，甘青隧道推薦采用“鉆爆法單洞雙線隧道+貫通平行導(dǎo)坑(進(jìn)口敞開式小直徑TBM)”方案。