TBM 在朔州隧道施工的适用性探讨

2013-06-29于春

四川建筑 2013年2期

于春

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

当前，我国铁路长大隧道多采用长隧短打的施工方法，即通过设置若干个辅助坑道来增加工作面，加快施工进度，如乌鞘岭隧道、关角隧道、太行山隧道等。但随着建设工期的加快、环境保护和施工安全意识的提高，体现以人为本的建设理念，加快机械化、工厂化进程，逐步减少分步法施工，推广全断面施工技术，长大隧道采用TBM 掘进机施工已是今后的发展方向。本文就新建铁路大准至朔黄铁路联络线朔州隧道采用TBM 施工的可行性进行分析、研究，以期给今后类似工程提供借鉴和参考。

1 工程设计概况

朔州隧道起讫里程为DK128+662～DK139+955，全长11293 m，为全线最长的隧道和控制工程。隧道位于管涔山东南部，进口轨面高程为1547.71 m，出口轨面高程为1523.59 m。该区海拔最高处为龙霸山，高程约为2147.2 m，最低海拔位于调绘区南端的小北岔村东，高程约为1444.0 m，最大高差约703.2 m，一般相对高差300～400 m，属中低山地貌。山势陡峻，坡陡沟深，多呈“V”型谷。仅北部平鲁区的黄石崖村、打鹰沟村等附近地貌为黄土台塬及山间河谷区，地形较平坦－开阔。

隧道设计为双线隧道，洞身最大埋深约540 m。洞身DK139+602.34(右线为DK139+612.33)至出口段位于R=1200 m(右线R=1204.39 m)的曲线上，其余段落均位于直线上，洞内设计纵坡为3.0‰、～7.0‰的人字坡。

2 工程地质概况

隧道区地层为第四系全新统残坡积碎石土;第四系上更新统坡、风积砂质黄土;第四系中更新统坡、风积黏质黄土及坡积碎石土;奥陶系上统石灰岩、白云岩;奥陶系中统石灰岩夹页岩;奥陶系下统亮甲山组石灰岩、白云岩;奥陶系下统冶里组石灰岩夹页岩;寒武系上统石灰岩。

朔州隧道洞身主要通过石灰岩地层，局部为石灰岩夹页岩地层;洞身发育有D1、D2 褶皱和7条断层带，褶皱构造对隧道工程的影响较小;除F2、F3 对隧道工程影响较小外，其余5 处断层构造均对隧道工程有一定程度的影响。

区内地表水不发育，沟谷均为干沟，仅在降水时才有洪水流过，短暂洪流过后又为干沟。地下水主要为碳酸盐岩岩溶裂隙水、松散岩类孔隙水。除断层破碎带处外，其他区域水量较小，对隧道危害小。

隧道地表岩溶现象不明显，未发现大的溶蚀洞，工区范围内岩溶为微弱－弱发育。

朔州隧道洞身围岩级别为:Ⅱ级围岩2955 m，Ⅲ级围岩4085 m，Ⅳ级围岩3195 m，Ⅴ级围岩1058 m。其中Ⅱ级围岩约占隧道全长的26.2%，Ⅲ级围岩约占隧道全长的36.2%。

3 TBM 的施工特点及国内较大断面的应用概况

3.1 TBM 法的施工特点

TBM(全断面隧道掘进机)是一种靠旋转并推进刀盘，通过滚刀破碎岩石而使隧道全断面一次成形的机器。TBM 施工与钻爆法施工相比，具有以下特点。

快速:TBM 是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，流水线作业。掘进速度为钻爆法的5～20 倍。

优质:TBM 采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量小。

高效:TBM 施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益;同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM 施工用人少，降低了劳动强度、材料消耗。

安全:TBM 施工改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。同时，护盾保护加上及时衬砌支护，使施工人员和设备更安全。TBM 采用圆形断面，衬砌结构受力合理、稳定安全。

环保:TBM 施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小;减少了长大隧道的辅助坑道数量，保护了生态环境。

文明:机械化程度高、劳动强度降低、工作条件与环境得以改善，实现了现代文明施工。

经济:就长隧洞施工，可减少支洞数量及相应的临建、水、电、路等设施，缩短工期，提高经济及社会效益。

3.2 TBM 国内较大断面的应用概况

TBM 是高科技设备的集成，要充分发挥其优势还需具备熟练掌握TBM 的高素质操作管理人员，依此来保证TBM 及后配套设备的高度完好率。国内较大断面采用TBM 施工的主要工程见下表1。

表1 国内较大断面TBM 的工程应用概况

4 朔州隧道采用TBM 的适用性分析

4.1 工程地质条件分析

TBM 掘进机适用于中硬岩层的开挖，最适宜开挖岩石单轴抗压强度介于50～150 MPa 的岩层，对TBM 施工影响较大的不良地质主要有:软弱地层、长距离断裂带、岩溶、涌水、围岩变形等。

朔州隧道进口地表为第四系坡、风积砂质黄土，呈硬塑状，厚18～20 m 不等，砂质黄土具湿陷性，其下为第四系黏质黄土、碎石土，工程地质条件较差;隧道出口为强～弱风化的石灰岩夹页岩，强风化层厚2～5 m，受F7 断层的影响，出口处岩体较破碎，节理裂隙较发育，岩层产状呈水平状，工程地质条件较一般。

隧道洞身地层有奥陶系上统石灰岩夹白云岩、奥陶系中统石灰岩夹页岩、奥陶系下统亮甲山组白云岩、奥陶系冶里组石灰岩夹页岩、寒武系石灰岩。洞身穿越地层相对较简单，主要为石灰岩、岩质较硬，局部为石灰岩夹页岩，岩体较完整;地下水主要为基岩裂隙水和岩溶水，水量较小。受区内F1～F7 断层影响，断层带内岩体呈破碎状。钻探取样实测干燥状态下石灰岩抗压强度介于64～103 MPa 之间，饱水状态下石灰岩抗压强度介于45.7～78.5 MPa 之间。朔州隧道TBM 适应性分析情况见下表2。

表2 朔州隧道TBM 适应性分析一览表

综合本隧的工程地质、水文地质条件分析，从岩体岩性、单轴抗压强度、完整性及隧道区构造、不良地质、地下水等方面考虑，朔州隧道除进口端第四系地层及断层破碎带段，其余段落采用敞开式TBM 掘进施工基本可行;但该段掘进施工可能存在岩溶、高地应力、涌水等风险。

4.2 TBM 运输、组装场地条件

TBM 属大型专用设备，对施工场地及运输方案有特殊要求。朔州隧道进口位于朔州市平鲁区窝窝会村后，交通条件相对较便利，洞口处地势相对较低，进口处沿沟谷小路经改造后可做为TBM 进场便道，洞口场地相对较开阔，进口前方为挖方路基，该段路基先行施工后，可以初步满足TBM 的场地条件。

隧道出口位于朔州市朔城区小北岔村，洞口前方为“小神线”公路其支线，局部弯道较急，交通条件一般，要满足TBM 设备进场，必须对现有道路进行改造。隧道出口紧接小北岔特大桥，出口洞口标高较高，小北岔特大桥桥高约30～50 m，场地相对狭窄，TBM 进场需搭建便桥，因此，隧道出口段不宜采用TBM 掘进机施工。

4.3 施工组织设计及工期

依据朔州隧道特有的地质及场地环境条件，进口DK128+662～DK129+335 段洞身穿越砂质黄土、碎石土，地层条件较差，考虑采用钻爆法施工。隧道出口端洞外紧接小北岔特大桥，施工场地相对狭窄，不具备TBM 的现场拼装及进场条件，同时，出口段穿越5条断层破碎带，因此对于隧道出口端考虑钻爆法施工，以灵活应对施工风险。因此，隧道进口端先采用钻爆法先行施工，待通过黄土、碎石土地段后，采取敞开式TBM 进行掘进，出口端全部采用钻爆法施工。从施组来看，采取“1 台TBM+钻爆法”施工方案，工期基本满足要求，与钻爆法相比，优势并不明显，且TBM 施工段落相对较短。

4.4 TBM 衬砌断面研究

目前，国内双线铁路隧道尚未出现TBM 设备的应用，四川锦屏电站引水隧洞中TBM 施工，其断面直径为12.4 m，经研究，适宜本线双线铁路隧道的衬砌断面直径约12 m，采用锦屏电站引水隧洞的TBM 势必造成工程的浪费及施工难度的加大;采用WirthTB880E 型掘进机所有动力装置及配套设备仅为8.8 m 直径隧道断面设计，能否改装为双线隧道所用，尚无先例。国外类似设备，其断面和本隧道亦差距较大，改造难度较大。

4.5 工程投资分析

结合本隧道地质条件、洞口场地条件，朔州隧道进口采用一台TBM，TBM 施工段落约5.4k m，对于断层破碎带及围岩较差的进出口地段仍采用钻爆法施工。通过施组分析，工期并没有比钻爆法明显缩短，费用却增加较多，同时也带来了一些不明确的风险。因此，在施工段落较短的情况下，从经济角度来看，本隧采用TBM 施工明显不经济。