川藏鐵路隧道TBM適應性選型分析及不良地質對策與思考

杜闖東， 周路軍， 朵生君， 賀 飛

(1. 中鐵隧道局集團有限公司, 廣東 廣州 511457； 2. 中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031； 3. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043；4. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

川藏鐵路(Sichuan-Tibet railway)東起成都，向西經雅安、康定、昌都、林芝，終至拉薩，成都至雅安段已于2018年12月開通運營，林芝至拉薩段正在建設，目前開工建設的是最為艱難復雜的雅安至林芝段，面臨著“極端地質災害”和“工程異常艱巨”兩大挑戰(zhàn)[1-2]。建設川藏鐵路對維護國家統(tǒng)一、促進民族團結、鞏固邊疆穩(wěn)定，對推動西部地區(qū)特別是川藏兩省區(qū)經濟社會發(fā)展，具有十分重要的意義。為認真貫徹落實黨中央、國務院“科學規(guī)劃、技術支撐、保護生態(tài)、安全可靠”，“高起點、高標準、高質量”和“科學施工、安全施工、綠色施工” 推進川藏鐵路建設的總體指導思想和明確要求，必須提高川藏鐵路隧道的機械化施工水平，推廣應用全斷面隧道掘進機(TBM)將是科學高效建成川藏鐵路的有效途徑之一。

目前，TBM已經成為國內外隧道(洞)工程施工的重要選擇，被廣泛應用于水利隧洞、城市軌道、市政交通和鐵路隧道等領域。長期以來，工程技術人員和業(yè)內專家對TBM技術進行了大量的研究、總結和創(chuàng)新。文獻[3-5]對我國TBM技術的發(fā)展和應用進行了系統(tǒng)梳理，并對TBM的應用特點和適應性進行了分析研究，進一步明確了各類TBM的工程適應性和選型建議；文獻[6-7]對近年來我國隧道、地下工程發(fā)展，以及硬巖掘進機的創(chuàng)新與實踐進行了總結和研究，分析了我國隧道技術和國內外TBM應用現(xiàn)狀，并開展了大量復雜地層TBM針對性設計研究；文獻[8-9]結合TBM在引松供水工程總干線四標段的掘進施工情況，研究了TBM的各項技術特點與主要設計參數(shù), 分析了TBM掘進各種地層(特別是灰?guī)r地層)的特點及工程適應性；文獻[10-13]結合引漢濟渭、新疆ABH和錦屏水電站等工程在復雜不良地層(特別是高地應力巖爆、斷層)中的超前地質預報、預防處理和脫困施工，分析了巖爆發(fā)生的時空特征規(guī)律、三維地震波法和微震監(jiān)測在TBM隧道中的應用價值，提出了TBM高地應力巖爆分級防控準則、技術方案和“裝備-掘進-支護”三者協(xié)同的分級防控理論技術體系，總結了斷層破碎帶等地層中的處理方法和脫困經驗；文獻[14-16]結合大瑞鐵路高黎貢山隧道的地質特征(軟弱破碎帶卡機、高壓突涌水等施工風險)、工程重難點和TBM應用情況，提出高適應性TBM的針對性設計方案, 提出TBM超前地質預報、鋼筋排和鋼拱架聯(lián)合噴射混凝土及時支護、合理調整掘進參數(shù)等一系列方案與措施。各行業(yè)間對TBM的廣泛應用和創(chuàng)新研究，有力促進了TBM技術的發(fā)展，也為下一步川藏鐵路隧道TBM的應用提供了一系列案例參考和技術支撐。

川藏鐵路通過前期大量地質勘察和研究工作，多條隧道擬采用TBM工法施工。文獻[17-18]在調研國內外眾多TBM工程的基礎上，對川藏鐵路TBM施工適應性及選型進行分析，對川藏鐵路隧道TBM應用提出了一些針對性措施和建議?？傮w來看，目前對川藏鐵路隧道TBM應用研究的文章還比較少，且基于川藏鐵路特殊的區(qū)域地質和環(huán)境條件，尚有許多不同的看法。為了使TBM能在川藏鐵路隧道進一步合理應用和成功推進，本文結合川藏鐵路隧道的建設總體要求、地質條件、環(huán)境特征和各類型TBM特點，從前期專題研究深度參與者和先行標參建者的角度，充分吸收了前期相關各方的階段性調查研究成果，通過進一步的深入分析和系統(tǒng)總結，綜合性給出了川藏隧道TBM工法選擇原則、適應性和選型結論，并針對川藏鐵路隧道的重大不良地質，對TBM的針對性設計、施工措施和工程推進等方面提出了一些建議和思考，以期為川藏鐵路或類似TBM隧道工程建設提供一定借鑒。

1 川藏鐵路隧道工程概況

川藏鐵路雅安至林芝段新建正線長度約1 010 km，自東向西橫貫“橫斷山脈群”，山高谷深，建設區(qū)具有“陡峻的高原地形、劇烈的板塊活動、頻發(fā)的地質災害、敏感的生態(tài)環(huán)境、惡劣的氣候條件、薄弱的基礎設施”等6大特征。雅安至林芝段是川藏鐵路地形最為艱難險峻、地理環(huán)境和地質條件最為復雜的一段，勘察設計、施工和運營各階段都面臨巨大挑戰(zhàn)，安全和建設管理風險高、難度大,是迄今為止世界上修建技術難度最大的鐵路工程。

本線路段的長大隧道眾多，輔助坑道設置條件差。初步設計階段新建隧道69座，約841.5 km，占線路總長度83%。10 km以上隧道有36座，20 km以上隧道有15座，30 km以上隧道有6座，最長的易貢隧道長42.374 km。海拔在3 000 m以上隧道共45座，總長約630 km；海拔在3 500 m以上隧道共36座，總長約470 km；海拔在4 000 m以上隧道共13座，總長約200 km。海拔最高隧道為果拉山隧道，正洞最高海拔4 469 m。隧道線路線型和所穿越地層具有“大埋深、大坡度、高海拔、高應力、高地熱、高壓水、巖質差、不連續(xù)、差異大”等工程特點。設計方案還可能繼續(xù)優(yōu)化，現(xiàn)階段隧道設計長度統(tǒng)計見表1。15座20 km以上隧道主要參數(shù)統(tǒng)計見表2。

表1 川藏鐵路雅安至林芝段隧道長度分布

表2 15座20 km以上隧道主要參數(shù)

2 川藏鐵路隧道TBM工法選擇及適應性分析

川藏鐵路長大隧道眾多，并具有高寒高海拔的環(huán)境特征，隧道施工作業(yè)勞動強度大，人工和普通施工機械的工效均嚴重降低。TBM工法具有掘進速度快、作業(yè)環(huán)境好、對生態(tài)環(huán)境影響小、綜合效益高等優(yōu)點，在高原更能充分發(fā)揮TBM施工“高效、環(huán)保、安全、優(yōu)質” 等特點，可較好解決傳統(tǒng)鉆爆法長大隧道輔助坑道設置困難和工效低等方面的施工難題。在適宜條件下采用TBM施工將是加快推進川藏鐵路建設的重要手段，并可提高我國隧道的修建技術水平，也更符合國家“高起點、高標準、高質量”建成川藏鐵路的總體要求。因此，針對川藏鐵路各長大(尤其是特長)隧道的具體工程地質和施工環(huán)境條件，應深入開展TBM工法選擇、設備選型和適應性分析等相關研究。

2.1 川藏鐵路隧道TBM工法選擇

對于川藏鐵路TBM隧道的選擇,要充分考慮本工程的隧道地質條件、區(qū)域地質特點、隧道位置、施工環(huán)境條件、工期、TBM工法適應性和各類型TBM的優(yōu)缺點等，綜合確定TBM隧道的選擇原則，并結合川藏鐵路TBM隧道各工點的具體情況進行綜合比較和具體分析。川藏鐵路隧道TBM工法選擇的總體原則是TBM隧道前期地質勘查已經基本準確、TBM掘進段沒有長大段落不良地層、嚴重不良地層段有條件采用超前或輔助工法處理。如果不良地質洞段較短，需要針對性地進行TBM適應性設計并與輔助工法相結合，以保證TBM安全穿越；如果不良地質圍巖洞段所占TBM掘進段總長度比例較大，會大概率增加TBM掘進難度，或造成頻繁卡機，嚴重影響工期和成本，則需要放棄TBM施工工法。主要考慮因素如下：

1)地質勘察盡量準確。從已經施工的TBM鐵路隧道來看，大部分隧道的地質勘察是比較詳細的，也較好地指導了TBM施工。而高黎貢山隧道TBM之所以目前遇到頻繁卡機和噴涌等問題，也大多是由于對本工程的地質勘察不明和認識不足。

2)TBM選用需規(guī)避重大風險(即極端不良地質占比大，易造成長期被困和重大安全事故等情況)。強烈?guī)r爆、極強巖爆要考慮TBM掘進降效的工期影響[12-13]，如錦屏電站和引漢濟渭等工程，雖然TBM巖爆防控和施工技術有了很大提高，但要防止出現(xiàn)嚴重設備損壞和人員傷亡事故；當高地應力軟巖大變形、寬大斷層及嚴重軟弱破碎帶、嚴重突水涌泥地段、巖溶發(fā)育等不良地質段落區(qū)段較長，會對TBM施工產生嚴重影響，因此不推薦采用TBM。

3)對于巖體較完整、有一定自穩(wěn)性的次硬巖—硬巖地層，斷裂、褶皺等地質構造不發(fā)育或有條件處理的特長隧道，可采用TBM。

4)考慮川藏鐵路高海拔、大直徑TBM的特點，正洞TBM獨頭掘進距離不宜超過16 km；獨頭通風距離不宜超過10 km，困難情況下不宜超過15 km(目前新疆EH工程TBM最長獨頭掘進15.4 km，通風距離11 km，效果比較好；引大濟湟工程TBM獨頭通風距離達15 km，但效果較差)。

5)在目前施工和技術條件下，TBM隧道的開挖斷面不宜太大，TBM施工的正線隧道均采用雙洞單線隧道。目前國內外的長大鐵路TBM隧道基本都是采用雙洞單線方式。

2.2 川藏鐵路隧道TBM適應性分析

對TBM的適應性起決定性影響的主要在工程地質和水文地質2個方面。尤其川藏鐵路隧道地處青藏高原南部印度板塊與亞歐板塊擠壓造山帶，高能地質環(huán)境突出，但受地形和人類活動條件限制，地質勘察工作開展困難，因此TBM施工的難度和風險進一步增加。川藏鐵路隧道極端不良地質主要包括極硬巖、強巖爆、軟弱大變形、斷層破碎帶、突泥突水和巖溶等，此類圍巖屬于TBM適應性極差的地質條件，這些不良地質因素可能會使TBM進尺困難、難以穿越、被卡被困，帶來極大的工程風險，這對TBM自身的適應性提出了更高要求。

2.2.1 川藏鐵路隧道對TBM適應性總體要求

川藏鐵路隧道具有超長距離、大埋深、地質條件復雜、勘察難以準確和施工條件差等特點，相關不利因素的疊加對隧道的建設技術和TBM的適應性提出了更高要求，也對我國的TBM設計制造和施工技術提出了新的挑戰(zhàn)。結合TBM技術的發(fā)展現(xiàn)狀，提出川藏鐵路隧道對TBM適應性總體要求。

1)隧道功能要求。TBM開挖和襯砌斷面要滿足川藏鐵路設計斷面要求，永久內襯斷面不小于φ8.8 m，并滿足轉彎半徑、縱坡和初期支護等基本功能需求。

2)工期和指標要求。TBM掘進能力要滿足川藏鐵路隧道各級圍巖限定指標和工期要求，包含掘進機生產制造、施工的前期準備、掘進襯砌、拆卸轉場全過程的工期要求。

3)長距離掘進要求。TBM要具有良好的性能、較長的使用壽命及充足的備件和配件。

4)處理局部不良地質的靈活性。需配置超前地質預報、超前鉆探、注漿加固和較強的應急支護等設備，根據(jù)地層揭示情況，提前采取加固和加強措施，必要時采取適當?shù)妮o助方法預處理局部不良地質。

5)施工安全要求。噴錨、拱錨網噴或薄管片(鋼管片)等初期支護必須滿足施工期間結構安全，永久(或單層管片)襯砌需同時滿足施工期間及運營期間的結構安全要求。

6)氣候環(huán)境要求。滿足川藏高原氣候和自然環(huán)境特點要求，適應高寒缺氧和惡劣自然環(huán)境條件。

2.2.2 川藏鐵路隧道TBM適應性分類與評價

川藏鐵路雅安至林芝段，地層時代從震旦系至新生界均有分布，地層巖性十分復雜。主要巖性有以砂巖、板巖、千枚巖、片麻巖為主的沉積巖、變質巖，以花崗巖、閃長巖、輝長巖為主的侵入巖，以灰?guī)r、大理巖為主的可溶巖。全線硬質巖以花崗巖、片麻巖為主，局部段落分布有閃長巖、輝長巖、灰?guī)r、大理巖、砂巖等，隧道段硬質巖占比約47%。針對每座長大隧道不同地層巖性和地質條件，可按照以下方法進行TBM適應性分類和評價分析，分類和評價都達到A類(級)的推薦采用TBM工法，達到B類(級)的則應有條件并考慮輔助工法或預處理措施方可采用TBM，達到C類(級)及以下的則不建議采用TBM。

2.2.2.1 川藏鐵路長大隧道TBM適應性分類

通過對隧道地質條件、施工風險、輔助坑道設置條件、施工工期等方面的綜合比選，將川藏鐵路長大隧道的TBM適應性分為以下5類。

A類： 工程地質條件好(硬巖為主)、構造影響??；鉆爆法輔助坑道設置極其困難、工期長(100個月以上)、工期風險大；適合TBM施工的隧道。

B類： 工程地質條件好(硬巖為主)、構造影響小；鉆爆法輔助坑道設置條件好；適合TBM施工的隧道。

C類： 工程地質條件較好(較軟巖—硬巖為主)、構造影響?。汇@爆法輔助坑道設置困難、工期較長；TBM施工正洞有一定的風險，可研究小TBM施工平導的適應性。

D類： 工程地質條件較差、構造影響較大；鉆爆法輔助坑道設置困難、工期較長、工期風險大；根據(jù)揭示的地質資料，TBM施工風險較大，需進一步研究TBM施工的可行性。

E類： 工程地質條件差、構造影響大；鉆爆法輔助坑道設置條件好、工期短；不適合TBM施工的隧道。

2.2.2.2 隧道圍巖TBM工作條件分級

川藏鐵路各長大隧道應根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強度、巖體完整程度、巖石磨蝕性等指標將隧道圍巖進行分類、分級，并按照各級圍巖將掘進機工作條件適應性由好到差再分成A、B、C 3級。具體的分級如表3所示，通過查證，本表的數(shù)據(jù)早期由中鐵西南科學研究院相關科研人員根據(jù)西康鐵路秦嶺隧道TBM施工研究提出，后來經過了眾多學者的應用修正，但到目前為止仍有較強的指導意義。

表3 隧道圍巖掘進機工作條件分級表

2.3 川藏鐵路初步設計推薦TBM隧道分析

川藏鐵路在前期勘察資料基礎上，充分考慮隧道地質條件、施工風險、輔助坑道設置條件、施工工期、工程投資等因素，根據(jù)上述隧道的TBM工法選擇、適應性分類和掘進機工作條件適應性分級等原則和川藏鐵路隧道的自身特點，對20多座重點隧道進行了TBM適應性綜合分析。按照適合TBM施工的隧道盡量考慮選用TBM，經綜合比選，初步選擇了包括易貢、德達等隧道在內的近10座長大隧道計劃采用TBM施工(最高達到了44臺，包括輔助坑道TBM施工計劃)。后來在初步設計方案報審過程中，經過多輪的評審論證和深化研究，綜合各方面的影響因素，孜拉山、果拉山、伯舒拉嶺和色季拉山4座隧道推薦采用TBM(共10臺)施工，除色季拉山隧道已經開工外，另外3座隧道設計方案還在持續(xù)優(yōu)化審查中。初步確定的4座TBM隧道概況見表4。

表4 川藏鐵路4座TBM隧道概況及工籌分析表

3 川藏鐵路隧道TBM選型

TBM隧道的工法選擇、適應性分析及設備選型等是與TBM隧道施工密不可分的多個方面，在做好隧道TBM工法選擇和適應性分析的同時，還要結合TBM選型及針對性設計等進行綜合分析和專項論證。不同機型的TBM針對不同地層巖性和地質條件，其適用性及經濟性存在很大差異，選用TBM類型不同，導致的工程工期和成本、工程可靠性和壽命也不同，因此TBM選型正確是隧道成功貫通的前提。根據(jù)支護模式和支撐方式不同，TBM可分為敞開式TBM和護盾式TBM，其中護盾式TBM又分為單護盾和雙護盾2種，這3種類型的TBM一般均采用非閉胸、硬巖刀盤、刀盤刮碴、中心皮帶機出碴的基本設計。另外，很多TBM(盾構)廠家還研發(fā)制造出了雙?；蚨嗄Ｊ降腡BM(盾構)。

3.1 各類型TBM特點及適應性分析

3.1.1 綜合分析

隧道TBM選型得當可以提高掘進速度、縮短工期、降低施工成本。相反，不恰當?shù)腡BM選型會延誤工期，增加施工成本，甚至無法持續(xù)掘進。川藏鐵路長大隧道地層以巖層為主，結合以往施工經驗，為提高TBM掘進效率，川藏鐵路隧道所用TBM應以敞開式、單護盾和雙護盾3種類型為主。

敞開式TBM： 采用拱、錨、網、噴等支護方式，無全環(huán)管片，依靠撐靴提供推進反力，掘進效率高，綜合成本低，總體上適用于硬質巖層。

單護盾TBM： 沒有撐靴，同步安裝全環(huán)管片，隧道一次成型，管片背后回填碎石骨料并注漿固結，依靠管片提供推進反力，合適圍巖成洞效率高，總體上適用于軟質巖層。

雙護盾TBM： 設伸縮盾和撐靴，原則上同步安裝全環(huán)管片，管片背后回填碎石骨料并注漿固結，可由管片或撐靴2種方式提供推進反力，合適圍巖成洞效率更高，總體上適用于硬質與軟質巖交替巖層，但不能有較大和明顯的接觸破碎帶或斷層破碎帶。

3.1.2 特點對比分析

1)地質適應性方面。3種類型的TBM實際上都要求開挖地層具有一定自穩(wěn)性，護盾式TBM對于不良地層的適應性并非明顯高于敞開式TBM[3]，因有管片保護，直觀判斷在巖爆的安全性上要優(yōu)于敞開式TBM，但在永久結構安全性上還存在較大爭議。敞開式TBM護盾后的主機區(qū)域可見洞壁，在應對地層變化上主動性更強，目前技術水平下，可通過針對性的設計顯著提升敞開式TBM對不良地質的適應能力。

2)卡機和脫困方面。敞開式TBM護盾較短且可通過油缸徑向伸縮，相對于護盾式TBM而言不易被卡，且在需要超前地質處理或卡機脫困時有較大作業(yè)空間，實施較為便利；雙護盾TBM盾體更長，導致卡機概率相對更高，處理難度更大。

3)成洞效率和施工環(huán)境方面。護盾式TBM在穩(wěn)定地層的施工特點是綜合成洞速度快、作業(yè)環(huán)境友好，也確實拓寬了TBM對不同工程的適應性需求。但川藏鐵路隧道斷面比較大，可以實現(xiàn)一定的同步襯砌施工，并通過針對性設計和管理提升，大大改善現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境。

4)質量和成本方面。護盾式TBM受管片安裝和管片背后回填限制，建設成本會增加，施工效率相對較低，管片受力、接縫防水和回填質量也很難保證，特別是大斷面管片隧道；敞開式TBM可根據(jù)圍巖情況實時調整支護參數(shù)和襯砌結構，并給予圍巖和初期支護充分的暴露時間，以達到質量可控、經濟合理的效果。

當然，影響TBM選型的因素還非常多，但從3種TBM類型特點和不同點等方面進行全面對比分析后，可明顯看出3種類型TBM適應特性和范圍，如表5所示。

表5 3種類型TBM適應特性對比表

3.2 川藏鐵路隧道TBM選型分析

TBM選型不僅要考慮地質適應性，還要考慮工程質量、工程風險、工程工期和工程成本，相關各方和行業(yè)人士會因為所站角度和分析權重的不同產生不同的看法，因此，對于川藏TBM的選型也有多種不同的聲音。基于以往大量工程實踐經驗和川藏鐵路隧道的特點，在通過多輪評審后，目前川藏鐵路初步設計4座TBM隧道的10臺TBM全部推薦采用敞開式。

1)綜合要素分析。應從地質條件出發(fā)，分析工程質量、工程風險、工程進度、工程成本等多種因素，抓住關鍵因素進行TBM選型分析?？偨Y既有工程經驗，同時結合川藏鐵路隧道特點，提出“地質適應原則、風險控制原則、工期成本原則、相容有利原則”4個TBM選型原則。在不同工程和不同單位，4個原則體現(xiàn)的權重可能不同，一般情況下遵循的優(yōu)先順序為： 地質適應原則、風險控制原則、工期成本原則、相容有利原則。

2)從地質關鍵因素角度分析。如果隧道圍巖整體條件好，軟弱(質)圍巖洞段較短，支護量不大，采用敞開式TBM具有顯著的成本和進度優(yōu)勢；如果存在軟硬質巖交替，軟質圍巖洞段比例較長，但不會頻繁被卡被困，采用雙護盾TBM掘進支護一次成洞，具有一定的工期優(yōu)勢；單護盾TBM掘進和管片安裝不能同步，施工進度較慢，一般用于以軟質圍巖洞段為主、撐靴無法支撐洞壁的工程，而川藏鐵路選擇TBM工法的隧道絕大部分洞段為硬質圍巖，所以單護盾TBM沒有特定的適宜條件和優(yōu)勢；然而，在一般巖爆洞段，通常護盾式TBM比敞開式TBM安全性更高。

3)從風險控制角度分析。川藏鐵路隧道大部分均為超長超大深埋復雜隧道，地質條件很難完全查明，存在斷層破碎帶、軟巖大變形、巖爆及高地溫等重大風險，雙護盾TBM長期被卡被困的風險更大；采用預制管片支護靈活性相對較差，管片襯砌接縫多，在接縫處的防水性、耐久性以及全隧道襯砌結構整體性等方面還有待進一步研究。

4)從技術可靠性角度分析。雖然隧道地質條件是決定TBM選型的關鍵因素，但在應對不良地質方面的TBM設計制造、施工技術及其創(chuàng)新能力等決定了TBM工法和類型的被選擇性；根據(jù)川藏線目前揭示的工程地質情況、圍巖巖性、隧道長度及輔助坑道設置條件等，現(xiàn)階段應以敞開式TBM為主；后續(xù)也可根據(jù)詳勘地質資料及各隧道實際情況，進一步分析各隧道各洞段的TBM選型及針對性設計；另外，針對個別工點輔助坑道，在地質條件允許的情況下也可考慮護盾式TBM或雙模TBM等。

4 川藏鐵路隧道TBM設備配置及施工措施

川藏鐵路通過大量前期地質勘查和論證工作，目前推薦采用TBM的隧道基本規(guī)避了大部分嚴重不良地質隧道，或者在較大不良地質段有條件采用輔助工法進行處理。但是，目前4座TBM隧道都是長大隧道，不能完全規(guī)避所有不良地質和復雜的環(huán)境條件，比如： 大埋深高地應力條件下的硬巖巖爆和少量軟巖變形，局部的斷層、軟弱破碎帶、突水涌泥和長大隧道的大涌水量，以及高海拔和高地溫等環(huán)境影響。TBM設備還應有相應的針對性設計，并且在建設和施工管理過程中采取積極的管控措施，具體如下。

1)川藏鐵路隧道TBM設備配置應結合地質勘察資料、隧道施工組織、外部環(huán)境、工程投資等因素綜合選擇，并做相應的針對性設計，對TBM設備性能進行優(yōu)化。重點考慮巖爆、斷層破碎帶、軟巖變形、突水涌泥、高地溫、高海拔的針對性設計，同時應加強設備監(jiān)造，確保制造質量符合設計要求。

2)在TBM超前地質預報和防突水涌泥方面，需要研究多種物探系統(tǒng)、地質鉆探系統(tǒng)、巖爆監(jiān)測預警系統(tǒng)在TBM上的有效集成搭載技術，力爭實現(xiàn)“地勘先行、超前預報、鉆探驗證、處治得當”。隧道設置“人”字坡，TBM盡量從兩端順坡掘進，反坡掘進時應按地勘涌水量，加大TBM和隧道抽排水設備能力。

3)在TBM應對巖爆方面，搭載微震監(jiān)測地質預報、超前鉆機、徑向錨桿鉆機、鋼筋排和拱架(鋼管片)安裝等系統(tǒng)，加大頂護盾盾體強度、油缸頂升和抗沖擊能力，增強重點設備和作業(yè)區(qū)域的巖爆防護設計。

4)在TBM應對斷層破碎帶和軟巖變形方面，完善刀盤提升、擴挖設計和功能實現(xiàn)，加大刀盤、推進系統(tǒng)和皮帶機功率，增強TBM整體脫困能力；加大鋼筋排存儲范圍和超前加固能力；重點加強L1區(qū)快速高效錨噴支護能力，增強應急噴射混凝土(或人工噴射)靈活性、及時性(緊靠擴盾)、覆蓋范圍和物料供給能力；并可考慮鋼管片拼裝支護和輔助推進系統(tǒng)；進一步研究撐靴模注、換填工藝、早強材料；合理空間布局，配備實用、高效的清碴系統(tǒng)等。

5)在TBM連續(xù)長距離掘進、高海拔作業(yè)環(huán)境和高地溫方面，重點在如刀盤、主驅動、連續(xù)皮帶機等關鍵部件采用超長壽命設計，優(yōu)化電氣系統(tǒng)選型，提高設備線路阻抗系數(shù)，合理設置TBM的物流供應和運輸通道，加強通風和降溫措施。

6)在TBM掘進與支護系統(tǒng)匹配方面，川藏TBM首先是重點考慮在長距離完整(適合)地層中滿足快速高效掘進的功能要求，然后再重點提升TBM應對局部不良地質的支護系統(tǒng)可靠性和自動化水平，并能較好適應不同支護結構和參數(shù)變化，真正實現(xiàn)川藏鐵路隧道TBM快速高效施工、減少作業(yè)人員和降低勞動強度的目標。

針對川藏鐵路隧道各種不良地層和存在的風險，基于敞開式TBM，要在前面建議的基礎上，廣泛開展系統(tǒng)的技術研究和創(chuàng)新，重點提高TBM應對巖爆、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶和高地應力軟巖變形等方面的能力。如： 重點研究鋼筋排、拱架(包括鋼管片)安裝機、噴射機械手、錨桿鉆機、超前鉆注一體機和撐靴模注換填等系統(tǒng)在L1區(qū)的系統(tǒng)集成，開發(fā)論證雙結構、新型結構、輔助推進、高效清碴和物料供應等技術穩(wěn)定性及可靠性。其TBM支護系統(tǒng)集成和新型復合結構設計分別如圖1和圖2所示。同時，還要廣泛開展針對性工業(yè)試驗和應用驗證，以便在川藏鐵路隧道施工中能真正發(fā)揮作用。具體施工風險分析和對策見表6。

圖1 川藏鐵路隧道TBM支護系統(tǒng)集成設計概念圖

圖2 川藏鐵路隧道TBM新型復合結構設計概念圖

表6 川藏鐵路不良地質TBM施工風險及對策

5 川藏鐵路隧道TBM應用思考

川藏鐵路通過半個多世紀的前期考察論證、規(guī)劃選線、勘測設計和技術研究，做了充分的技術儲備，成功推進了成都—雅安段和拉薩—林芝段的建設；在此基礎上，近年來對雅安—林芝段又開展了大量的持續(xù)研究和深化的勘察設計?，F(xiàn)在雅安—林芝段已正式開工建設，初步設計推薦4座隧道采用TBM工法，這是在充分調研、論證基礎上做出的決策，也是工程建設和時代發(fā)展的必要選擇。必須客觀面對川藏鐵路的工程特點和TBM技術的發(fā)展狀況，深入開展TBM應用研究和實踐，不辱工程人的使命和擔當，以科學嚴謹?shù)膽B(tài)度推動川藏鐵路隧道TBM技術的高質量應用和發(fā)展。在此，提出幾點思考與大家共同探討。

1)TBM施工法是發(fā)展比較成熟的隧道施工技術，各類TBM特點和適應條件也比較清晰，對TBM設備進行針對性創(chuàng)新設計很有必要，但不能對TBM技術快速突破期望過高，不宜讓TBM應對大量的、多種疊加(會造成設計的相互矛盾和沖突)的不良地質，使其應用超出TBM的適應性和應用初衷?，F(xiàn)階段的工法選擇和選型應立足于目前成熟的TBM技術本身，有預案、有條件地依賴工藝和技術創(chuàng)新。

2)目前川藏鐵路雅林段先行標已經開工，剩余段也在緊鑼密鼓地推進，但川藏鐵路建設周期長，沿線環(huán)境、地質復雜，TBM設計制造和施工技術創(chuàng)新研發(fā)速度快，過程中還應加強和深化全線長大隧道的施工勘察和動態(tài)設計工作，深入論證現(xiàn)有隧道TBM適應性和擴大應用的可行性，包括一些輔助坑道或新增工程。

3)TBM一般適用于地質條件好的地層，在軟弱圍巖復雜地質中使用TBM，TBM的高效優(yōu)勢會被削弱。然而，對于沒有輔助坑道施作條件的長大隧道，鉆爆法難以完成施工任務，特別是川藏鐵路長大隧道施工，TBM仍然是首選工法，但對于TBM隧道圍巖的地質、巖性條件要有基本的判斷。根據(jù)筆者實踐經驗，TBM掘進圍巖適應性分級總體建議如表7所示。

表7 TBM掘進圍巖適應性分級建議表

4)近年來，通過對多座深埋隧道(特別是引漢濟渭秦嶺隧洞嶺南段)在巖爆地層中的施工經驗總結和理論研究，并隨著巖爆微震監(jiān)測等預報技術的成熟應用，巖爆地層的TBM施工技術有了很大提升，可以應對中等以上及強烈?guī)r爆洞段的隧道施工，但應充分考慮強烈及以上巖爆地層掘進TBM設備局部損壞修復、支護加強和應力釋放等待降效等對工程成本和工期的影響。

5)隧道TBM洞段中斷層破碎帶、高地應力軟巖、突泥涌水及巖溶嚴重發(fā)育等軟弱不良(或V級以上富水)地層則成為制約TBM應用的重要影響因素，段落占比宜不超過TBM掘進總長度的10%，密集系數(shù)平均不超過2處/km，針對每個TBM隧道要定量分析不良地質長度、規(guī)模和嚴重程度，綜合分析對TBM掘進的影響程度，嚴重部分要有輔助超前處理措施，即不能盲目讓TBM進入嚴重不良地層。

6)先期開工的色季拉山隧道共采用4臺敞開式TBM雙向掘進，目前已經開始TBM設備的設計制造。前期已經開展了一系列的科研開發(fā)和技術創(chuàng)新，但不能閉門造車，要客觀理性、重心前移、注重現(xiàn)場，避免類似工程出現(xiàn)的問題并從中吸取經驗，對新開發(fā)的技術要做好工廠試驗和技術驗證，要在保證TBM總體性能可靠的基礎上進行先行先試和技術創(chuàng)新。

6 結論

1)根據(jù)川藏鐵路的環(huán)境特征和各類TBM的適應性，并從川藏鐵路各隧道的地質條件、埋深、結構耐久性和場地條件等方面考慮，現(xiàn)階段推薦的4座TBM隧道和敞開式TBM選型是合理并符合TBM技術現(xiàn)狀的。

2)敞開式TBM在隧道圍巖條件整體較好情況下，具有顯著的成本、進度、安全和質量優(yōu)勢，但不良地質會嚴重削弱TBM工法的各項優(yōu)勢，故不能對TBM應對嚴重不良地質的技術創(chuàng)新期望過高，遇到大的不良地質段落隧道要規(guī)避采用TBM，或有應對預案和補救措施。

致謝

國鐵集團(中國國家鐵路集團有限公司)在川藏鐵路雅安至林芝段開建前期，密集組織多家施工單位、設計院、設備制造商、高校和科研院所等深入開展了川藏鐵路一系列專題研究和指導叢書的編制，也重點開展了川藏鐵路隧道TBM的研究，本文重點參考了相關成果和內容[19]，在此對相關單位和各位專家的辛勤付出深表感謝。