讓雙護(hù)盾TBM向青藏高原掘進(jìn)

文/傅支黔 陳煒韜 張子晗

獲獎(jiǎng)等級(jí)：一等獎(jiǎng)

項(xiàng)目名稱：青藏高原復(fù)雜地質(zhì)條件下圍巖雙護(hù)盾TBM公路隧道建造關(guān)鍵技術(shù)

← 多雄拉隧道

← 派墨公路

“青藏高原復(fù)雜地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM公路隧道建造關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目的依托工程——多雄拉隧道是派墨公路的控制性節(jié)點(diǎn)工程，也是首條穿越喜馬拉雅山脈的雙護(hù)盾TBM公路隧道。在施工過(guò)程中，建設(shè)者們將遇到擠壓性圍巖、巖爆、120米高水頭、破碎帶等不良地質(zhì)作用，并直接影響管片結(jié)構(gòu)安全。此外，多雄拉隧道施工前期采用的雙護(hù)盾TBM由于盾體長(zhǎng)達(dá)11.75米，極易在施工中發(fā)生卡機(jī)事故。同時(shí)，由于設(shè)備盾體封閉，在洞內(nèi)無(wú)法直接觀察圍巖，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息化動(dòng)態(tài)、快速施工。因此，該項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)就雙護(hù)盾TBM公路建造的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

項(xiàng)目挑戰(zhàn)大 技術(shù)問(wèn)題多

多雄拉隧道洞身段擠壓性圍巖、巖爆圍巖占比合計(jì)超過(guò)60%，最高水頭120米，最大地應(yīng)力32兆帕，穿越多雄拉背斜和兩個(gè)斷層破碎帶，最大破碎帶寬度200米。

隧道在建設(shè)前期面臨三大挑戰(zhàn)：首先，進(jìn)出口原始森林茂密、地形陡峭且山體寬厚、洞身地表終年積雪、無(wú)勘探便道等，勘測(cè)階段準(zhǔn)確探明地質(zhì)難；而施工階段由于雙護(hù)盾TBM受盾體包裹，地質(zhì)人員無(wú)法直接觀察圍巖，故采集地質(zhì)信息指導(dǎo)施工也相當(dāng)難。其次，對(duì)于雙護(hù)盾TBM擠壓性圍巖形變作用、巖爆沖擊作用無(wú)定量計(jì)算方法，管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)據(jù)可依；隧道水頭120米太高，管片背后水壓力太大，必須進(jìn)行泄壓，但泄壓排水時(shí)管片背后水壓力計(jì)算又無(wú)規(guī)范指導(dǎo)，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難。最后，雙護(hù)盾TBM最大弊端是盾體太長(zhǎng)，施工中卡機(jī)預(yù)警和防卡機(jī)難度極大。如何成功解決這三大難，決定了隧道修建的成敗。

目前，國(guó)內(nèi)外在雙護(hù)盾TBM建造技術(shù)方面的研究，主要集中在卡機(jī)機(jī)理及脫困措施、施工過(guò)程三維數(shù)值仿真、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、淺埋隧道荷載計(jì)算方法、卡機(jī)施工處理等應(yīng)用性層面，總結(jié)歸納起來(lái)，存在三個(gè)方面的問(wèn)題：首先，對(duì)于雙護(hù)盾TBM卡機(jī)和施工糾偏以被動(dòng)為主，沒(méi)有建立一套可提前預(yù)警卡機(jī)、快速通過(guò)管片拼裝糾偏的方法。其次，管片與圍巖間豆粒石層的傳力機(jī)制不明；擠壓性圍巖和巖爆圍巖條件下雙護(hù)盾TBM隧道施工力學(xué)響應(yīng)機(jī)理不明，無(wú)擠壓性圍巖形變作用、巖爆圍巖沖擊作用計(jì)算方法；對(duì)于超過(guò)70米水頭條件下，結(jié)構(gòu)排水泄壓時(shí)水壓力分布規(guī)律和計(jì)算方法未見(jiàn)研究。最后，大部分已有研究成果，均需要在停機(jī)狀態(tài)采集圍巖地質(zhì)信息，然后再進(jìn)行圍巖級(jí)別判定，嚴(yán)重干擾和影響施工進(jìn)度，與雙護(hù)盾TBM快速施工不相匹配。

解關(guān)鍵難題 獲多項(xiàng)成果

為解決多雄拉隧道建設(shè)過(guò)程中面臨的困難，由中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司作為牽頭，聯(lián)合華能西藏雅魯藏布江水電開(kāi)發(fā)投資有限公司、中國(guó)水利水電第十工程局有限公司、西南交通大學(xué)、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司組成科研聯(lián)合攻關(guān)小組，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查管片服役特性、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬，理論分析、資料調(diào)研等綜合手段，對(duì)雙護(hù)盾TBM施工、管片設(shè)計(jì)和地質(zhì)信息采集等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過(guò)研究，形成了“青藏高原復(fù)雜地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM公路隧道建造關(guān)鍵技術(shù)”，解決了雙護(hù)盾TBM隧道建造中眾多關(guān)鍵問(wèn)題，成果直接指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工，保障了多雄拉隧道的順利貫通，并為同類工程采用雙護(hù)盾TBM施工提供參考和借鑒，推動(dòng)雙護(hù)盾TBM在隧道建設(shè)中的應(yīng)用。

首先，該項(xiàng)技術(shù)保障了派墨公路多雄拉隧道、引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞、新疆引額供水工程喀雙隧洞的安全快速建設(shè)，確保了施工過(guò)程零事故。其中，雙護(hù)盾TBM雙?？焖倩┕まD(zhuǎn)換技術(shù)、施工臨災(zāi)預(yù)警方法經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明可有效降低卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，以油缸行程差和盾尾間隙為控制標(biāo)準(zhǔn)的姿態(tài)調(diào)控技術(shù)可有效提升隧道掘進(jìn)精度。此外，依托該項(xiàng)技術(shù)編制了《全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)導(dǎo)則》《巖石隧道掘進(jìn)機(jī)法技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范，形成了《雙護(hù)盾TBM噴錨支護(hù)施工工法》《雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)機(jī)頭脫困施工工法》《大直徑雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)隧洞施工工法》和《四方格盾構(gòu)隧道管片BIM軟件》等，這也說(shuō)明該項(xiàng)技術(shù)及應(yīng)用得到了國(guó)內(nèi)的高度認(rèn)可。

其次，該項(xiàng)技術(shù)已成功運(yùn)用在多雄拉越嶺隧道及相關(guān)水工隧洞等一系列青藏高原地區(qū)長(zhǎng)大隧道的勘察設(shè)計(jì)當(dāng)中，相關(guān)研究成果為類似隧道工程設(shè)計(jì)、工法選擇提供了借鑒，推動(dòng)了雙護(hù)盾TBM在隧道建設(shè)中的應(yīng)用。依托該項(xiàng)技術(shù)編制的《雙護(hù)盾TBM公路隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》《高海拔隧道工程》《隧道與地下工程數(shù)值計(jì)算及工程應(yīng)用》等專著作，形成了大量知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果。

最后，依托該項(xiàng)技術(shù)形成的“雙護(hù)盾TBM公路隧道地質(zhì)信息采集及圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)方法”系國(guó)內(nèi)外首次系統(tǒng)針對(duì)雙護(hù)盾TBM施工開(kāi)展的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)攻關(guān)。項(xiàng)目研究成果在多個(gè)國(guó)內(nèi)重大工程中得到充分應(yīng)用，成功指導(dǎo)了TBM掘進(jìn)施工。編制的《雙護(hù)盾TBM隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)》《水電工程地質(zhì)信息一體化》專著及大量專利成果，得到了業(yè)界的一致認(rèn)可，均表示項(xiàng)目研究成果破解了長(zhǎng)久以來(lái)雙護(hù)盾TBM施工無(wú)法獲取有效地質(zhì)信息的重大難題。

助力多雄拉 開(kāi)拓新市場(chǎng)

該項(xiàng)目的研究成果直接指導(dǎo)了多雄拉隧道的設(shè)計(jì)、施工，并基于不同圍巖條件下管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法成果，提出了輕、中、重管片分類設(shè)計(jì)，在Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖中突破現(xiàn)行規(guī)范，設(shè)計(jì)使用了C35鋼筋混凝土管片。提出的雙護(hù)盾TBM雙模轉(zhuǎn)換和姿態(tài)調(diào)控技術(shù)，解決了傳統(tǒng)雙護(hù)盾TBM無(wú)法噴錨支護(hù)和洞軸線快速糾偏的問(wèn)題；施工過(guò)程中卡機(jī)臨災(zāi)預(yù)警方法的應(yīng)用避免了至少3次TBM卡機(jī)事故。項(xiàng)目研發(fā)的一系列全封閉環(huán)境下地質(zhì)信息采集裝置確保了信息化動(dòng)態(tài)施工，實(shí)現(xiàn)了施工圍巖快速分級(jí)。這一系列技術(shù)的應(yīng)用，保障了隧道的順利建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了施工安全零事故，使隧道提前5個(gè)月貫通，節(jié)約工程投資1.17億元。

此外，該項(xiàng)目研究提出的卡機(jī)臨災(zāi)預(yù)警方法、TBM卡機(jī)防控措施、結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算方法等，已推廣應(yīng)用于長(zhǎng)達(dá)39公里的引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧道和長(zhǎng)達(dá)211公里的引額供水工程喀雙隧洞等重大TBM隧道工程的建設(shè)中，均取得良好效果。

未來(lái)，隨著川藏高速公路、川藏鐵路、滇藏鐵路和雅魯藏布江下游水電資源工程的陸續(xù)建設(shè)，大量長(zhǎng)大隧道將采用TBM法在高原上施工。