大瑞铁路高黎贡山隧道开敞式TBM施工适应性研究

张金荣

（昆明铁路局建设管理处，云南 昆明 650000）

TBM是英文Tunnel Boring Machine的简称，中译文为“掘进机”，铁道和交通部门习惯称之为隧道掘进机，是一种靠旋转并推进刀盘,通过盘形滚刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成形的机器。

TBM是隧道施工中的一种先进方法，近年来在我国隧道建设中得到了快速发展，隧道掘进机也得到了快速发展。1997年，以西安～安康铁路秦岭隧道为标志，我国铁路首次采用掘进机技术进行隧道设计施工。目前，我国已掌握了TBM设计、施工工艺，采用TBM是长大隧道施工的主流趋势。

大理至瑞丽铁路位于云南省西部地区，东起广大铁路终点站大理站，穿苍山、笔架山、大光山、高黎贡山等山脉，西至瑞丽，线路全长330km。

高黎贡山隧道位于大瑞铁路怒江车站～龙陵车站区间，全长34.538km。隧道穿越高黎贡山，最大埋深1155m，埋深超过400m的长度约28km，占隧道全长的81%，辅助坑道设置十分困难。根据隧道实际情况，若全隧采用钻爆法施工，无法通过增设辅助坑道实现“长隧短打”实现设计工期（64个月）的目标。为满足设计工期要求，需研究采用TBM施工，通过缩短隧道施工工期，达到满足建设项目总工期的要求。

1 高黎贡山隧道TBM适应性分析

1.1 地质适应性

1.1.1 工程地质特点

隧道进口段：DK192+302（隧道进口）～DK206+300（镇安断层）长约14km，主要地层岩性为侏罗系玄武岩、砂岩、泥岩、泥灰岩、灰岩，三叠系白云岩、白云质灰岩，奥陶系砂岩、变质砂岩、灰岩、长石石英砂岩，寒武系灰岩、板岩、变质砂岩、粉砂岩、千枚岩、片岩，燕山期混合花岗岩等，约12种地层岩性，岩层软硬不均，变化频繁。

隧道出口段：DK206+300（镇安断层）～DK226+840（隧道出口）长20.54km，主要地层岩性为为燕山期（15km）花岗岩，寒武系（2.3km）变质砂岩、千枚岩、片岩，志留系（0.8km）灰岩、白云岩夹砂岩，泥盆系（1.05km）白云岩、灰岩夹石英砂岩等地层，共4种地层岩性，岩性较为单一。

1.1.2 地质构造特点

隧道进口至镇安断层分布有12条断层和3个向斜，其中4条断层为可溶岩与非可溶岩接触带之断层，6条断层为富水断层，镇安断层等3条断层为导热断层，镇安断层同时还是活动断层。

镇安断层至隧道出口共分布有7条断层，其中2条断层为可溶岩与非可溶岩接触带之断层，4条断层发育在花岗岩地层内，1条断层为推测断层，1条断层为活动断层。

1.1.3 水文地质特点

高黎贡山地下水分为浅表地下水循环系统（地下冷水）与深部地下水循环系统（地下热水）。

浅表地下水循环系统（地下冷水）主要受地表水系、地形地貌和构造形迹控制，总体上从北向南径流，在区内集中化排泄的程度不高。

深部地下水循环系统（地下热水）水热活动与岩浆侵入、变质岩带的分布和近期活动性断裂系统密切关联，主要分布于怒江断裂带、高黎贡山～三台山及腾冲～梁河弧形构造带等深大断裂附近的山麓。

1.1.4 地质适应性分析

开敞式TBM主要用于岩石整体性较好、围岩有一定自稳能力的隧道施工，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力，能充分发挥TMB快速掘进优势。高黎贡山隧道进口段岩性复杂，岩层软硬不均，断破碎带带多，不适合采用TBM施工，适宜采用灵活性高的钻爆法施工。隧道出口段约20km范围内以燕山期花岗岩为主，岩性单一（仅4种地层），构造影响小（7条断裂带），岩石完整性较好，岩石的天然抗压强度为42～86Mpa，II、III级围岩长度占出口段总长度的53%，围岩自稳能力较好，地下水不发育，涌水量较小，隧道洞壁能承受TBM的水平（X型）支撑力，适宜采用TBM施工。隧道围岩情况见下表：

围岩级别 II III IV V长度（m） 2690 8195 5988 3667长度百分比 13% 40% 29% 18%

隧道出口段：DK206+300～DK226+840长20540m

使用开敞式TBM施工，可直接观测被开挖的岩面，方便进行地质素描，同时可在刀盘附近安装一些初期支护设备进行围岩加固处理，因此开敞式TBM能适应本隧道出口段施工。

1.2 隧道长度适应性

TBM造价较高，一般适用于隧道长度大于10km以上的特长隧道施工，高黎贡山隧道出口段长20.54km，采用TBM施工的段落总长超过10km（断层破碎带采用钻爆法施工后TBM步进通过），本隧道出口段长度适应采用TBM施工。

1.3 施工场地条件

TBM掘进机设备系统庞大，拼装长度超过200 m，加之洞外配套设施等，均要求具备相应的场地条件。高黎贡山隧道出口和2#斜井进口场地开阔，并紧邻国道312线，具备TBM机械进场及洞外拼装条件。

1.4 运输条件

TBM掘进机系统设备重量大，最大部件达几十吨甚至上百吨，对运输条件有着严格要求，高黎贡山隧道出口及2号斜井进口紧邻国道312线，交通便利，便道引入条件较好，只需根据TBM设备运输方案适当修建运输便道即可将设备的大件、散件运输至拼装场。

1.5 电力保障系统

针对TBM施工耗电大、用电要求高的特点，建设单位已经和地方供电部门进行了接洽，协调供电部门结合铁路设计方案统筹考虑电网布局，确保电源满足TBM施工需求，电力保障系统可靠。

2 施工方案与工期分析

2.1 施工方案

2.1.1 辅助坑道设置

隧道辅助坑道设置“贯通平导1座+斜井2座+竖井1座”。贯通平导位于线路左侧预留II线线位上，与正洞间距30m，全长34611m，纵坡与正洞纵坡基本一致；斜井共设2座，其中 1号斜井（主副井）设于线路D1K199+600右侧，长3676m，坡度8.8%，与线路交角76°；2#斜井（主副井）位于线路D1K216+000右侧，长3895m，坡度10%，与线路交角约36°；1#竖井（主副井）位于D1K205+080右侧30m，深度757m。

辅助坑道设置示意图

2.1.2 工区划分及施工工法

根据高黎贡山隧道地质水文情况、建设工期要求及专家组意见，隧道共分为5个工区：进口工区、1#斜井工区、1#竖井工区、2#斜井工区、出口工区。其中隧道进口工区、1#斜井工区、1#竖井工区、2#斜井工区斜井采用钻爆法施工；2#斜井施工平导及出口工区施工正洞及平导采用TBM施工。

2.1.3 TBM直径拟定

高黎贡山隧道按160km/h单线隧道标准进行设计。隧道基本内径7.70m，轨面以上净空面积43.0m2，满足行车速度要求。敞开式TBM施工段采用圆形复合式衬砌结构，按照V级围岩拟定正洞TBM开挖直径为9.0m（下称“大TBM”）。

平导TBM施工以锚喷支护为主，洞内主要布置风管、运输轨排、皮带机、进排水管道、电缆、照明线路等。考虑TBM快速掘进，洞内运输采用四轨三线，轨间距90cm，设置连续皮带机出碴（宽800mm），TBM 直径为5.6m（下称“小TBM”），其中支护厚度18cm。

2.1.3 出口段TBM施工方案

采用“1台大TBM+2台小TBM”共3台TBM方案，其中大TBM用于出口工区正洞施工，1台小TBM用于出口工区平导施工，另1台小TBM用于2#斜井进入平导后的平导施工。2#斜井采用钻爆法施工到达井底时，在井底设组装洞室组装一台小TBM施工平导，小TBM在断层破碎带采用迂回导坑钻爆法施工断层破碎带，断层破碎带处理完毕后小TBM步进通过，继续向前施工。正洞则利用平导迂回导坑进行扩挖，并钻爆法施工正洞断层破碎带，大TBM步进通过断层带后继续施工。

出口工区承担平导施工长度10746m，其中小TBM施工9019m，钻爆法平导迂回施工以及平导洞口钻爆法施工共计1727m；

出口工区承担正洞施工13120m，其中大TBM施工11393m,钻爆法施工洞口段、断层段共1727m。

2.2 施工工期分析

根据施工组织方案，按设计施工进度指标计算，正洞贯通时间为64.0个月，满足设计工期要求；平导滞后贯通（66.8个月）；正洞贯通里程为DK209+239，大TBM施工总长度为11.393km，出口小TBM施工平导长度为9.019km，2#斜井工区小TBM施工平导长度8.7km，钻爆法施工平导0.110km，隧道施工组织设计示意图如下：

3 TMB施工风险分析

由于对隧道地质条件的判释不可能做到十分精确，加上施工过程中总是存在不可预见因素，因此高黎贡山隧道采用开敞式TBM施工仍然存在以下风险：

3.1 高地应力风险

高黎贡山隧道最大埋深1155m，埋深大于400 m的长度达28km，约占隧道全长的81% 。在施工过程中可能遇到由于高地应力引起的岩爆、围岩大变形等问题，过大的变形可能导致隧道塌方或衬砌厚度不足，甚至“卡机”，发挥不了TBM的掘进优势。

3.2 岩溶

隧道出口段位于高黎贡山南麓斜坡地带可溶岩垂直渗流带，岩溶弱发育，灰岩地段有溶洞发育，一旦遇到较大规模的溶洞，掘进机将被迫停止掘进转而处理溶洞，将直接造成进度下降。

3.3 高地温热害

根据地质勘察，钻孔实测洞身地温达35.2℃～36.8℃，全隧地温预测如下表：

预测地温28℃～37℃的长度占隧道长度的36%，高地温可能会造成机械效率下降，施工环境劣化等问题，直接影响施工进度。

3.4 地下水

施工前，地下水的赋藏无法准确探明，尽管高黎贡山隧道采用了人字坡，TBM施工为顺坡排水，但如果发生大规模涌水，仍然会造成严重的后果。

3.5 围岩失稳

高黎贡山隧道出口段发育有多条断层破碎带及接触带，部分断层破碎带及接触带为推测断层，位置关系不明，TBM在岩体破碎、含水及断层破碎带中施工时可能会遇到围岩塌坍的情况，尤其是在超前地质预报不准确时，可能造成TBM被埋的风险。

4 结束语

采用TBM施工在昆明铁路局尚属首次，尚有诸多技术问题需要探索研究，经过以上分析，高黎贡山隧道TBM施工适应性结论如下：

（1）开敞式TBM能够适应高黎贡山隧道出口段约20km的施工。（2）高黎贡山隧道出口工区可采用TBM洞外组装、步进后开展正洞及平导掘进，断层破碎带采用钻爆法施工；2号斜井钻爆法施工到达井底后井下组装小TBM进行平导施工。（3）按设计进度指标，高黎贡山隧道采用"1大+2小"开敞式TBM施工最短工期为64个月，满足设计工期要求。（4）高黎贡山隧道采用开敞式TBM施工仍存在一定风险，在下阶段施工中应引起高度重视并提前制定详细应急方案，确保施工安全。

[1]姚宗弟，等.隧道掘进机技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]李典璜，等.西安一安康铁路秦岭隧道TBM掘进施工技术总结[M].北京：中国铁道出版社,2004.