高原復(fù)雜環(huán)境TBM隧道設(shè)計及工程對策

陳花順，李國良，陳紹華，朵生君，向 亮，張 威

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

引言

川藏鐵路沿線具有顯著的地形高差、強烈的板塊活動、頻發(fā)的山地災(zāi)害和敏感的生態(tài)環(huán)境，鐵路建設(shè)、運營面臨眾多世界性工程技術(shù)難題[1]。隧道工程存在特長隧道多、埋深大、輔助坑道設(shè)置困難、工程地質(zhì)條件復(fù)雜等特點。而特長隧道施工距離長，高海拔地區(qū)氧氣含量僅為平原地區(qū)的60%左右，導(dǎo)致鉆爆法施工時人工與普通施工機械的工效大幅降低，傳統(tǒng)施工技術(shù)難以滿足建設(shè)工期需要。因此，川藏鐵路建設(shè)必須提高機械化使用水平，采用TBM是解決途徑之一。

1 工程概況

川藏鐵路地處青藏高原東南緣，東起四川成都，向西經(jīng)雅安、康定進入西藏自治區(qū)境內(nèi)，先后經(jīng)昌都、林芝、山南至拉薩，運營里程1 570 km，其核心段落雅安至林芝段全長1 011 km，為雙線電氣化鐵路，設(shè)計時速120～200 km；全段新建隧道工程842 km/69座，其中，10 km以上特長隧道729 km/36座(占比87%)，海拔3 000 m以上隧道636 km/46座(占比76%)[2]。川藏鐵路雅安至林芝段廊道內(nèi)，地層時代從震旦系至新生界均有分布，地層巖性十分復(fù)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(zhì)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(zhì)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(zhì)巖占比約47%[3]。為充分發(fā)揮TBM施工“高效、環(huán)保、安全、優(yōu)質(zhì)”等特點，解決高海拔施工問題，減少輔助坑道設(shè)置，綜合提高隧道修建水平，需在條件適宜地段盡量采用TBM施工。

2 川藏鐵路TBM適應(yīng)性及設(shè)備選型

2.1 TBM選用原則

川藏鐵路隧道應(yīng)用TBM主要出于以下幾個方面考慮：①高海拔、低氧環(huán)境人工降效明顯，需盡可能采用全工序大機械化施工，提升工效；②地形地質(zhì)復(fù)雜、環(huán)境敏感，輔助坑道條件差，部分隧道鉆爆法施工難度極大；③特長、超長隧道較為集中、輔助坑道設(shè)置條件差、工期風(fēng)險大，TBM法施工從環(huán)保、工期方面有顯著優(yōu)勢。因此，對于川藏鐵路隧道工程，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件適應(yīng)、高海拔、鉆爆法施工條件差的隧道，可優(yōu)先選用機械化程度最高的TBM法施工，減少輔助坑道設(shè)置，充分發(fā)揮TBM施工“高效、環(huán)保、安全、優(yōu)質(zhì)”等特點，綜合提高隧道修建水平[4-8]。在調(diào)研國內(nèi)外TBM施工隧道的基礎(chǔ)上，結(jié)合已收集和研究的川藏鐵路隧道地質(zhì)及環(huán)境條件，對全線特長隧道進行分析研究，川藏鐵路隧道選用TBM時應(yīng)做以下考慮。

(1)TBM選用需規(guī)避重大風(fēng)險，存在極端不良地質(zhì)占比大，易造成長期被困和重大安全事故等情況，如長段落軟巖大變形、強巖爆、長距離軟弱破碎帶、巖溶發(fā)育地段、長段落完整極硬巖(抗壓強度>180 MPa)。

(2)對于巖石較完整，有一定自穩(wěn)性的較硬巖～硬巖地層，斷裂、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育隧道，需重點研究TBM方案。

(3)考慮到川藏鐵路高海拔、TBM直徑大的特點，正洞TBM獨頭掘進距離不宜超過16 km，獨頭通風(fēng)距離不宜超過10～12 km。

(4)限于目前國內(nèi)TBM最大直徑約12 m，不足以支撐雙線鐵路斷面凈空要求，出于安全穩(wěn)妥考慮，川藏鐵路TBM隧道按雙洞單線分修方案考慮。

(5)對于正洞采用鉆爆法施工的隧道，結(jié)合地質(zhì)條件研究TBM施工長大斜井及平導(dǎo)等輔助坑道方案。

2.2 TBM適應(yīng)性分類標(biāo)準(zhǔn)

川藏鐵路高寒高海拔環(huán)境，人工和普通施工機械的工效均嚴重降低，應(yīng)對長大隧道開展TBM適應(yīng)性研究。通過對隧道地質(zhì)條件、施工風(fēng)險、輔助坑道設(shè)置條件、施工工期等方面綜合比選，將本線特長隧道TBM適應(yīng)性分為以下5類。

A類：工程地質(zhì)條件好(硬巖為主)、構(gòu)造影響??；鉆爆法輔助坑道設(shè)置極其困難、工期長、工期風(fēng)險大；適合TBM施工的隧道。

B類：工程地質(zhì)條件好(硬巖為主)、構(gòu)造影響?。汇@爆法輔助坑道設(shè)置條件好；也適合TBM施工的隧道。

C類：工程地質(zhì)條件較好(較軟巖～硬巖為主)、構(gòu)造影響??；鉆爆法輔助坑道設(shè)置困難、工期較長；TBM施工有一定風(fēng)險，研究小TBM施工平導(dǎo)的可行性。

D類：工程地質(zhì)條件較差、構(gòu)造影響較大；鉆爆法輔助坑道設(shè)置困難、工期較長、工期風(fēng)險大；從目前掌握的地質(zhì)資料看，TBM施工風(fēng)險較大，后續(xù)進一步研究TBM施工的可行性。

E類：工程地質(zhì)條件差、構(gòu)造影響大；鉆爆法輔助坑道設(shè)置條件好、工期短；不適宜采用TBM施工的隧道。

2.3 TBM選型研究

目前，TBM基本類型有敞開式TBM、單護盾TBM和雙護盾TBM。選用不同類型的TBM，將導(dǎo)致工程風(fēng)險、工期、成本、可靠性和設(shè)備使用壽命等均不同。

敞開式TBM，也稱主梁式TBM，敞開式TBM有一套支撐系統(tǒng)，掘進時支撐靴板用液壓油缸撐緊洞壁，推進千斤頂伸出，推動刀盤前進；單護盾TBM，在刀盤后有一個相對較長的護盾，在護盾保護下有管片安裝設(shè)備，刀盤為敞開式，盤形滾刀適用于開挖較硬圍巖，其推力由液壓千斤頂作用在管片上提供反力；雙護盾TBM，又稱伸縮護盾式TBM，具有全長的護盾，在地質(zhì)良好時可以掘進與安裝管片同時進行，伸縮護盾是雙護盾TBM獨有的技術(shù)特點，是實現(xiàn)軟硬巖作業(yè)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。各類型TBM主要區(qū)別在于TBM主機推進支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、配套支護設(shè)備和支護方式不同[9-12]。

如軟弱圍巖洞段比例較長，但不會頻繁或長期被卡被困時，采用雙護盾TBM時掘進支護一次成洞，具有一定的工期優(yōu)勢；如果軟弱圍巖洞段較短，支護量不大，采用敞開式TBM具有成本優(yōu)勢。此外，深埋隧洞嚴重的大斷層破碎帶、軟巖大變形時，雙護盾TBM長期被卡被困的風(fēng)險更大；而巖爆洞段，通常雙護盾TBM比敞開式TBM安全性更高。單護盾TBM掘進和管片安裝不能同步進行，施工進度慢，一般用于軟弱圍巖洞段為主、撐靴無法支撐洞壁提供有效反力的隧道工程[13-15]。敞開式TBM、單護盾TBM和雙護盾TBM的區(qū)別和特點見表1。

表1 各類型TBM區(qū)別及特點

2.4 川藏鐵路隧道TBM選型原則

TBM選型不僅要考慮地質(zhì)適應(yīng)性，還要考慮工程質(zhì)量、風(fēng)險、工期和成本。因此，應(yīng)從地質(zhì)條件出發(fā)，分析工程質(zhì)量、風(fēng)險、進度、成本等多種因素，并抓住關(guān)鍵因素進行TBM選型。總結(jié)既有工程經(jīng)驗，根據(jù)川藏鐵路隧道特點，提出“地質(zhì)適應(yīng)原則、風(fēng)險控制原則、工期成本原則、相容有利原則”的TBM選型四大原則。

(1)地質(zhì)適應(yīng)原則

不同類型TBM的地質(zhì)適應(yīng)性不同，選用TBM時首先根據(jù)地質(zhì)條件確定掘進機類型。通常，各類型TBM地質(zhì)適應(yīng)性如下。

①敞開式TBM一般適用于巖石整體較完整、有較好自穩(wěn)性的較硬巖、堅硬巖地層(20～150 MPa)，一般不適用于軟巖、極軟巖(<15 MPa)及破碎地層。在掘進通過破碎帶巖體時，敞開式TBM可利用自身的支護系統(tǒng)，施作噴錨支護穩(wěn)定圍巖；當(dāng)掌子面前方遇到局部破碎帶時，敞開式TBM可用自身攜帶的超前鉆機和注漿系統(tǒng)提前加固破碎帶巖體，確保順利通過。

②單護盾TBM適用于開挖地層以軟弱圍巖為主、巖石抗壓強度較低的隧道，適用于有一定自穩(wěn)性的巖石(5～100 MPa)。當(dāng)軟弱圍巖所占比例較大，且TBM的撐靴無法支撐住洞壁隧道時，可考慮采用單護盾TBM掘進。

③雙護盾TBM的地質(zhì)適應(yīng)性比較廣泛，涵蓋了敞開式TBM和單護盾TBM，主要適用于圍巖較完整、具有一定自穩(wěn)性的軟巖～硬巖地層(5～150 MPa)。

(2)風(fēng)險控制原則

存在較多嚴重不良地質(zhì)的隧道，如大斷層破碎帶、軟巖大變形、強巖爆、突泥突水等，若選型不當(dāng)，將加重設(shè)備人員重大安全風(fēng)險及TBM長期被困而使工期成本難以控制的風(fēng)險。因此，此類隧道應(yīng)重點考慮遵循風(fēng)險控制準(zhǔn)則進行TBM選型。

長段落斷層破碎帶、軟巖大變形、突泥突水問題突出的隧道，如選用護盾式TBM，TBM被困被卡風(fēng)險大，且洞內(nèi)缺乏脫困處理空間，處理不靈活、不方便，此時應(yīng)盡可能選用敞開式TBM；強巖爆洞段占比長的隧道，選用護盾式TBM對保證設(shè)備及人員安全更為有利，此時優(yōu)先選用護盾式TBM。

(3)工期成本原則

不存在嚴重不良地質(zhì)風(fēng)險的隧道，應(yīng)主要遵循工期成本原則進行TBM選型。如果軟弱破碎段落所占整個隧道長度比例不大，選用敞開式TBM在施工成本上有優(yōu)勢，可優(yōu)先選用敞開式TBM；若軟弱破碎段落所占比例較大，敞開式TBM支護量大，且洞壁無法對TBM撐靴提供足夠的支撐反力，綜合施工速度慢，此時優(yōu)先選用護盾式TBM。

(4)相容有利原則

有些隧道工程，并非存在只能選用某種類型TBM，而選另一種類型就不正確的問題。這種隧道工程，從地質(zhì)適應(yīng)性來說，采用雙護盾TBM和敞開式TBM均可，且工期和成本綜合考慮優(yōu)勢并不十分明顯。在這種情況下，可發(fā)揮不同建設(shè)單位、設(shè)計單位和施工單位以往運用某類型TBM的設(shè)計、施工經(jīng)驗和技術(shù)優(yōu)勢，做出不同選型，即遵循所謂的相容有利原則進行TBM選型。

TBM選型考慮因素較多，4個原則在不同工程中體現(xiàn)的輕重權(quán)重不同，一般情況下，TBM選型原則的優(yōu)先考慮順序如圖1所示。

圖1 TBM選型原則的優(yōu)先順序

川藏鐵路隧道大部分均為超長超大深埋復(fù)雜地質(zhì)隧道，地質(zhì)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(fēng)險，采用預(yù)制管片支護靈活性相對較差，且管片襯砌接縫很多，在接縫處的防水性、耐久性及全隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體性方面還有待研究。根據(jù)川藏鐵路目前揭示的工程地質(zhì)情況、圍巖巖性、隧道長度及輔助坑道設(shè)置條件等，現(xiàn)階段建議可采用以敞開式TBM為主，后續(xù)根據(jù)詳勘地質(zhì)資料及各隧道實際情況，進一步分析確定各洞段TBM選型。

3 TBM施工隧道斷面設(shè)計

影響高原鐵路隧道斷面的主要因素包括建筑限界、空氣動力學(xué)效應(yīng)、溝槽布置等。建筑限界主要影響隧道斷面高度及頂部空間寬度，不同接觸網(wǎng)類型、不同結(jié)構(gòu)高度對隧道斷面要求均不相同；空氣動力學(xué)效應(yīng)主要影響隧道軌面以上凈空面積，而高海拔地區(qū)空氣動力學(xué)效應(yīng)與平原地區(qū)相差較大；溝槽布置主要影響隧道斷面在軌面處的寬度。

3.1 建筑限界

建筑限界主要包含建筑限界高度及建筑限界寬度2個方面，由于TBM為圓形斷面，斷面建筑限界主要受建筑限界高度的影響。

隧道建筑限界高度主要受接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度、加強線安裝、絕緣距離等因素影響。隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛如圖2所示。

圖2 TBM隧道斷面內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛安裝示意

從圖2可知，接觸網(wǎng)懸掛安裝對隧道斷面的影響參數(shù)包括以下內(nèi)容。

3.1.1 接觸導(dǎo)線高度(H1)

根據(jù)TB10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》，接觸線導(dǎo)高=普貨裝載高度+貨物晃動量+車頂至接觸線絕緣距離(根據(jù)海拔修正)+工務(wù)抬道=5 300 mm+50 mm+300K+50 mm，高原地區(qū)接觸導(dǎo)線高度一般為5800～5900 mm[16]。

3.1.2 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度(H2)

目前，國內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛類型有剛性懸掛及柔性懸掛，但主要使用的類型為柔性懸掛，剛性懸掛主要在設(shè)計時速≤160 km的長大隧道，設(shè)計時速≥200 km的情況較少。目前，國內(nèi)設(shè)計時速≤200 km的柔性懸掛接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度主要有950 mm和1 100 mm類型。設(shè)計時速≥250 km(客運專線)柔性懸掛接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度主要為1 600 mm。

3.1.3 加強線設(shè)置(H3)

隧道內(nèi)加強線可設(shè)置于隧道側(cè)壁或拱頂，結(jié)合高原地區(qū)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)布置方案，若加強線設(shè)置于隧道側(cè)壁時，在曲線段和接觸網(wǎng)下錨處，加強線與接觸網(wǎng)懸掛、接觸網(wǎng)補償裝置沖突，無法保證對接觸網(wǎng)設(shè)備及機車等絕緣距離要求；同時結(jié)合我國接觸網(wǎng)裝配工程應(yīng)用情況，加強線擬設(shè)置于隧道拱頂、接觸網(wǎng)腕臂上方。

3.1.4 空氣絕緣間隙(H4)

現(xiàn)有“V>160 km/h客貨共線鐵路橋隧建筑限界”25 kV帶電體距固定接地體絕緣間隙統(tǒng)一按照300 mm考慮。不同海拔下25 kV帶電體距固定接地體絕緣間隙各不相同，高海拔地區(qū)空氣絕緣間隙最小值一般為384～461 mm。

3.2 空氣動力學(xué)效應(yīng)

高海拔地區(qū)隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)與平原地區(qū)不同，會引起隧道最小凈空斷面面積的要求發(fā)生變化。

經(jīng)研究，列車進入隧道后引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)變化主要與大氣壓力、空氣密度、溫度、聲速(壓力波傳播速度)有關(guān)。

列車進入隧道后產(chǎn)生的壓力波在隧道內(nèi)往復(fù)傳播疊加作用在車體后傳入車內(nèi)，特定時間內(nèi)車內(nèi)的壓力變化幅值為瞬變壓力，其主要影響因素是行車速度、阻塞比和列車動態(tài)密封指數(shù)。列車通過高海拔地區(qū)的鐵路隧道時車內(nèi)瞬變壓力較平原地區(qū)相同長度的隧道時有所減小，更加有利于保證乘客的耳膜舒適度。

隧道洞口微氣壓波幅值與列車進入隧道后形成的壓力波首波最大值成正比，因此，高海拔地區(qū)鐵路隧道洞口微氣壓波較平原地區(qū)相同長度隧道也有相當(dāng)程度的減小。

經(jīng)研究，高海拔地區(qū)隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)較平原地區(qū)有所減小。大量數(shù)值計算分析結(jié)果表明：在高海拔地區(qū)(海拔2 000 m以上)，滿足空氣動力學(xué)指標(biāo)要求的單線隧道凈空面積可縮小為42 m2，主要受限界控制[17]。

3.3 溝槽布置

根據(jù)調(diào)研情況，已運營TBM隧道多采用側(cè)溝+中心溝排水，從工程實例來看，中心溝排水可行、可靠[18]。采用中心溝排水，可減少側(cè)溝尺寸，縮小TBM直徑，從而減少棄渣并降低工程造價。但對于鐵路隧道，采用中心溝排水，需在道床結(jié)構(gòu)上間隔30～50 m設(shè)置檢查井，對道床結(jié)構(gòu)存在一定影響。綜合考慮建議采用側(cè)溝+中心溝排水。

TBM隧道可采用高式側(cè)溝槽和低式側(cè)溝槽，如圖3、圖4所示。當(dāng)采用高式側(cè)溝槽時，側(cè)溝槽蓋板頂面高于軌面55 cm，受建筑限界控制，線路中線距側(cè)溝槽邊緣距離為2.2 m；當(dāng)采用低式側(cè)溝槽時，側(cè)溝槽蓋板頂面與軌面齊平，線路中線距側(cè)溝槽邊緣距離可縮小至1.45 m。

圖3 高式側(cè)溝方案軌下布置(單位：cm)

圖4 低式側(cè)溝方案軌下布置(單位：cm)

經(jīng)研究，TBM段斷面受側(cè)溝布置控制，在其余相同的條件下，當(dāng)采用低式側(cè)溝槽時，TBM直徑較高式側(cè)溝槽方案更大。因此，推薦TBM隧道采用高式側(cè)溝槽，側(cè)溝槽蓋板頂面高于軌面55 cm。

3.4 襯砌支護參數(shù)

TBM隧道支護參數(shù)結(jié)合既有蘭渝鐵路西秦嶺隧道、大瑞鐵路高黎貢山隧道，西康鐵路秦嶺隧道、南疆鐵路中天山隧道襯砌支護參數(shù)[19-20]。同時考慮川藏鐵路高地應(yīng)力問題突出，相對類似工程，初期支護適當(dāng)加厚，最大預(yù)留變形量適當(dāng)加大，TBM襯砌支護參數(shù)如表2所示。

表2 TBM隧道復(fù)合式襯砌支護參數(shù)

3.5 TBM斷面確定

根據(jù)整體道床形式、中心水溝及各種管溝、設(shè)備布置及接觸網(wǎng)采用簡鏈懸掛、海拔絕緣修正等因素，確定敞開式TBM直徑為10.2 m。

TBM直徑D=(基本內(nèi)輪廓r+施工誤差d4+二次襯砌厚度d3+預(yù)留變形量d2+初期支護厚度d1)×2，如圖5所示。

圖5 敞開式TBM隧道內(nèi)輪廓斷面(單位：cm)

4 川藏鐵路TBM工程對策

川藏鐵路TBM隧道可能面臨的重大工程問題包括極硬巖、斷層破碎帶、巖爆、大變形、突水涌泥、高地溫、有害氣體等，可能會造成TBM卡機、掘進困難等，影響TBM正常掘進，并面臨安全風(fēng)險；結(jié)合以往類似工程總結(jié)，并充分考慮現(xiàn)有的地勘成果，制定了相關(guān)工程對策，如表3所示。

表3 川藏鐵路TBM工程對策

5 結(jié)論

(1)考慮川藏鐵路隧道工程建設(shè)總體要求和規(guī)劃特征，結(jié)合已收集的地質(zhì)及環(huán)境條件，研究提出了適合川藏鐵路TBM適應(yīng)性分類標(biāo)準(zhǔn)和選型四大原則，即地質(zhì)適應(yīng)原則、風(fēng)險控制原則、工期成本原則、相容有利原則。

(2)開展了隧道內(nèi)輪廓研究，結(jié)合建筑限界、接觸網(wǎng)懸掛布置方式、高海拔地區(qū)絕緣距離、空氣動力學(xué)效應(yīng)、防排水、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素，研究確定了適用于川藏鐵路隧道的TBM斷面尺寸和支護參數(shù)，推薦采用直徑10.2 m敞開式TBM。

(3)根據(jù)已掌握的地勘成果，結(jié)合以往類似工程，研究制定了TBM應(yīng)對川藏鐵路隧道重大工程問題的對策。