对隧道TBM导洞扩挖法施工的探讨与展望

王立川，陈海勇，王占军，徐润泽，潘建平，陈宏宇

(1.成都铁路局，四川成都 610082;2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075;3.北京中铁隧建筑有限公司，北京 100022;4.中信重工洛阳矿山机械工程设计研究院，河南洛阳 471039;5.中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东深圳 518083;6.中铁十八局集团有限公司三南项目部，重庆 400800;7.中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

0 引言

随着我国基础设施建设步伐的加快、设计理念的转变及技术装备水平的提高，长大隧道(洞)在公路、铁路、水利工程设计中所占比例越来越大，高速铁路、双线铁路、大跨公路隧道越来越多，这些隧道横断面较大甚至超大，独头挖掘长度也不断增加。如何实现长大隧道的安全、投资、工期及其风险控制，已成为隧道工程设计、施工和施工组织技术需研究的关键问题之一。长大隧道的施工组织方案及其成效，对长大隧道施工各方面的成败起着决定性的作用。

目前，隧道挖掘方法非常丰富:按分部情况有全断面法、分部开挖法;按使用的主要设备有钻爆法、TBM法、盾构法、机械铣挖法。而不同的组合则会衍生出多样性的施工方法。任何一种施工方法都有其适用条件、相对优势及局限性。施工方法是施工方案的基础和支撑，隧道建设的关键在于施工方案与地质条件、施工条件、技术水平、装备水平相匹配。

以中硬岩为主的长大隧道的可选施工方法主要有全断面钻爆法、全断面TBM法、钻爆台阶法、钻爆导洞扩挖法及TBM导洞扩挖法。相较于全断面及台阶钻爆法，钻爆导洞扩挖法具有很多优点［1］。该法已成功应用于南昆铁路米花岭隧道(单洞单线9 392 m)的进口段，人工配合小机具开挖超前小导洞(2.5 m×2.5 m)，相较于全断面法扩挖速度提高2～3倍，使该隧提前4个月建成，为南昆铁路提前4个月通车创造了条件。该法在京九铁路五指山隧道(单洞双线)的局部应用，实现了26个月建成4 465 m长隧。在梅坎铁路雁洋隧道钻爆导洞扩挖法实施时，提取了较系统准确的经济技术数据，工程获得了工期提前约30%和可观的经济效益。

在全社会工薪高企、物价高涨及其粘性效应明显和土木建筑行业技能型员工日益空壳化的情况下，TBM导洞扩挖法相较于钻爆导洞扩挖法，具有工期、效益、环境及安全等各方面优势。TBM导洞扩挖法相较于全断面TBM法，具有挖掘断面利用率高、风险小及造价低的优势。

国内已有不少专家、学者做过TBM导洞扩挖法方面的研究，如:文献［2］介绍了小直径TBM导洞扩挖法，并对双线铁路隧道TBM选型、导洞位置、施工组织方案进行了研究;文献［3］提出长15～20 km的铁路客运专线特长隧道的TBM导洞钻爆扩挖法的设想;文献［4］介绍了“TBM导洞+扩挖”法在意大利、日本、瑞士等国的应用情况，并重点介绍了意大利、日本在应用该法中所取得的经验教训;文献［5］在调研国外使用TBM导洞扩挖法工程实例的基础上，总结了该工法的优点和适用性，就TBM直径及导洞位置进行比选，并给出了选择建议;文献［6］综述性地总结了隧道开挖方法的选择;文献［7］对钻爆导洞扩挖法的进度、成本、效益进行了一定深度的量化研究。可见，国外对TBM导洞扩挖法已有成功案例［5］，且取得了一些经验;国内虽有研究和设想，但尚未见有TBM导洞扩挖法的案例。这与本世纪之前重装备技术落后且机械成本高而劳动力充盈且人工成本低的国情有关，也与工程建设特别是铁路工程建设领域的体(机)制具有抑制创新的作用和轻视知识产权的保护有关。随着大陆人口红利的枯竭和政策导向更重视民生所引起的人工成本急剧增加和重装备产业的迅速升级，TBM导洞扩挖法的成本劣势会逐步衰减而衍生出条件式优势，且更具可行性。本文综合性地介绍导洞法的概念及其作用，分析导洞法的特点及适用条件，并依托3座隧道为工程背景，对TBM导洞扩挖法的关键工序——开挖及初期支护的工期方案进行模拟，并比对模拟方案工期与实际或施工图设计工期，最后总结TBM导洞扩挖法的适用条件、使用方法、经济效益，并展望其应用前景。

1 导洞和导洞法

1.1 含义

业界至今未对导洞做概念界定，处于“一个对象、各自表述”阶段。“导”系“指引，带领，启发，引起，传递”之意，导洞是在隧道和地下工程修建中，率先在设计的断面内挖掘的远小于设计断面的洞室;导洞法则是在隧道和地下工程的部分甚至全部区段，先施作导洞再扩大断面的施工方法或方案;以TBM施作导洞就是TBM导洞法。

1.2 导洞的断面形状

据工程和工法需求并结合施工资源特征，导洞的断面形式常设置为梯形、矩形、马蹄形、城门洞形及圆形等。

1.3 导洞的相对位置

按导洞(近似)几何形心与设计断面形心的相对位置关系，分为顶、上、中、下、侧导洞5种，可根据工程施工需要综合考量而定，即使在一个工程项目或一座隧道的不同区段也可施作于不同的位置。从施工通风和不良地质处置的角度考虑，宜多采取上导洞;应对钻爆扩挖的明显不利影响，一般不采用顶和侧导洞。

1.4 导洞法的分类

按导洞贯通前、后进行扩挖分为先通导洞法和平行导洞法，即导洞贯通后再进行扩挖的称先通导洞法;导洞未贯通就在其后方一定距离以平行作业方式进行扩挖的称平行导洞法。

2 钻爆导洞法特点和作用

2.1 作用和优点

1)探明并确认地质情况。提前探明地质，疏缓富水地层水压，这在勘察工作时常不足的国情下，尤为珍贵;导洞贯通后可集中进行全隧地质确认，利于控制工期和投资(成本)风险。

2)降低施工阶段安全风险。贯通的导洞创造了提前处置不良地质的技术和施工资源时空，避免大断面遭遇不良地质所引起的施工安全风险和施工组织仓促甚至混乱;由于导洞断面小，遭遇不良地质时所造成损失也小;较低爆破振速减少对隧道开挖轮廓线外缘围岩体的扰动，有利于减少甚至避免掉块或坍塌的发生。

3)提高施工企业经济效益。导洞的临空作用，使民爆品和器材的综合消耗大幅降低;导洞扩挖法特别有利于提高扩挖阶段的光面爆破效果，扩挖炮眼利用率一般都在95%以上，甚至出现100%，拱、墙部炮痕保存率分别达90%、85%以上;综合民爆品和器材消耗低于全断面或台阶法施工，且隧道设计断面愈大差距就愈明显，设计时速120 km的铁路隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩炸药综合降耗单线5% ～7%、双线15% ～20%，雷管综合降耗单线10%、双线18%，Ⅳ级围岩综合降耗略低于上述数据;以双线隧道1 km为例估算，民爆品可节约5～6万元、炮眼利用率提高可节约人机电费约40万元，喷射混凝土节约约30万元。

导洞变形量测规律对全断面变形规律和量值进行预测。通过贯通的导洞提前实施的贯通测量可大幅压减系统和偶然测量误差，从而大幅压缩超挖工作量;良好的开挖成型不仅可避免不必要的应力集中对围岩自承力的损害及由此可能引起的安全事故，也可减少找平喷混凝土量;设计时速120 km的铁路隧道、Ⅱ～Ⅳ级围岩断面可少挖掘岩石 0.7～1.5 m3/单线 m、0.95～2.2 m3/双线m，当然相应节约相应数量的喷射混凝土和衬砌混凝土。

4)改善施工通风效果，节约通风费用。长大隧道的施工通风费用远高于铁路行业的概预算水平，导洞贯通后形成全隧自然风流可补偿机械通风，在施工通风方案调整后，明显改善通风效果，提高作业效率，利于作业人员健康;综合起来比全断面法或台阶法节约通风费单线50%、双线65%，一般隧道独头挖掘长度大于1 km后综合施工通风费用在5～8元/m3。

不纳入工期提前的管理费和施工资源使用费节约，3)+4)合并，一般设计时速120 km的铁路双线隧道Ⅱ、Ⅲ和部分Ⅳ级围岩地段，工程成本节约2 000～3 000元/m;因定额限制，该特征主要表现为施工企业的效益而非工程投资的降低。

5)提高工程质量。良好的扩挖成型有利于初期支护平顺和防水层合格铺设，从而提高隧道防水效果;降低扰动的围岩体有利于对隧道工后变形的约束。

6)工期优势。地质适宜、组织得当时，可加快施工进度、缩短工期。

7)便于工序紧凑，利于出产片石。扩挖时洞碴抛掷距离明显小于全断面法或台阶法，缩短设备退避距离，利于施工安全和提高工效;导洞扩挖后围岩－支护体系趋向稳定的时间缩短，有利于满足衬砌紧跟的技术条件，工序紧凑;扩挖时，对炮孔布置和装药量进行适当调整，在Ⅱ、Ⅲ级围岩地段合格片石、块石率可达45%～55%，可作为路基及支挡工程的片(块)石原料，甚至可销售片(块)石。

8)有利于年轻技术人员的测量技能和地质认识锤炼。导洞施工对施工放样测量精度要求低，可减少控制复测频次，允许出现不偏出隧道设计轮廓线的误差甚至错误、允许出现测量的失误;导洞施工放样测量可作为年轻技术人员的施工测量实习、锻炼、培养场所，弥补当前高校毕业生的测量技能低下的不足。一般导洞无支护或很少支护，使地层直观呈现于眼前，对刚刚走出校门的学生或有一定工作阅历的地质盲是现实的课堂，利于年轻技术人才地质认识的培养。

2.2 局限和缺点

1)地质条件、隧道长度和断面大小的局限。若地质条件差即软弱破碎围岩所占比例高，则需较大量的临时支护且速度优势难以发挥;先通导洞法必然存在相当的工序作业时间，隧道长度可能成为工期的限制因素;软弱围岩所占比例与导洞法所适用的隧道长度呈负相关关系，导洞进度能力与其所适用的隧道长度呈正相关关系;若隧道断面过小，则相对于导洞工作量而言扩挖工作量很小甚至导洞断面利用不充分，其成本优势将丧失。

2)临时支护。软弱围岩段导洞必然的临时支护将产生相应的材料消耗和拆除工作量。

3)管线路二次拆安。施工用管线路须多拆安一次。

4)施工企业资金负面效应。因铁路甚至其他行业尚无对应的预算定额，小断面挖掘岩体的成本明显高于一次性大断面挖掘岩体的成本，按简单几何法计算工作量的成洞系数计量方式，可能引起资金负面效应;但明智的建设单位可通过调整成洞系数或其他手段缓解乃至消除这种效应。

5)平行导洞法的施工安全风险。目前尚不能很好地解决平行导洞法施工时，导洞与扩挖的施工干扰，根本问题是解决管线路过渡和扩挖面处的安全防护。

2.3 适应条件

1)地质条件。当软弱围岩比例过高时，若采用导洞法则须对导洞实施较多的支护措施，可能是不经济的;导洞法特别适用于以中硬、硬岩为主的隧道。

2)断面的大小。断面较大的隧道，全断面与导洞断面面积之比为2.5～3且导洞外轮廓与隧道设计外轮廓相距1.0～1.5 m时比较经济。

3)长度与工期。平行导洞法除具备成本(投资)优势外还有明显的进度(工期)优势，在相同工期条件下可减少辅助导坑的数量，但扩挖与导洞界面处的过渡技术措施难题尚未解决，需探索和慎重决策;先通导洞法的主要优势在于成本(投资)优势，当地质和工期基本确立时，其适应的隧道长度受到限制。文献［7］中有基本的测算，当然以TBM施作导洞，其进度更快，故TBM导洞法可适用于更长的隧道。

4)双洞。按作者多年编制施工组织设计的经验和文献［7］的测算估量，导洞扩挖法在“平行双洞”的情况下可能更具优势，本文将在TBM导洞法背景下予以初步研究。

2.4 对围岩的二次扰动

导洞挖掘后引起的周边围岩松弛区(即应力重分布区)并非无限扩大而处于有阈，一般都在隧道设计断面的范围内，而导洞法施工主要选择以中硬岩及其以上地层为主的隧道，且导洞的相对位置是可调整的;爆破振动波具有更多向物性值弱的介质分配的特点，因已有导洞作为临空面，扩挖时爆破对隧道设计轮廓周边围岩的影响不仅不会加大，而且有明显的减少趋势，2次爆破综合单位体积岩石炸药消耗量不大于全断面或台阶法的相应药量，便是一个明证。导洞法更充分地体现“新奥法”(NATM)之“利用围岩自身承载力和允许围岩应力有限释放”的基本思想。因此，对导洞法施工引起围岩产生过大的二次扰动的担心是不必要的。

3 TBM导洞法的特点

TBM导洞法除基本具备钻爆导洞法的上述特点外，主要具有如下特征:

1)隧道长度与工期方面。因专用TBM消弭了制造周期及具有导洞进度更快的特点，因此可适用于更长和(或)工期要求更高的隧道。

2)操作人员技能方面。TBM是集电子、信息、遥测、遥控等高新技术于一体的集成式高端、高科技装备，必然对操作者的文化素质和技能提出更高的要求，且要求操作者相对稳定。

3)施工环境。隧道一定区域内的电力供给应充沛，道桥荷载等级要与TBM的运输需求基本适应或较方便地加固后满足运输需求。

4)彻底消除对围岩二次扰动的顾虑。

4 TBM导洞法模拟案例

为初步探索TBM导洞扩挖法的施工组织特征，以3座地质差异较大的特长隧道为工程依托，进行以关键工序——挖掘和初期支护的工期目标为对象的施工组织方案模拟。渝利铁路万寿山隧道和大梁隧道以实际工期、陕西宝鸡至坪坎公路秦岭隧道以施工图工期为对比基准。

4.1 依托隧道工程概况

万寿山和二号大梁隧道均为已建成运营的设计时速200 km的国家I级单洞双线特长铁路隧道，秦岭隧道为设计时速80 km的双洞双向6车道特长公路隧道。其主要相关要素如表1所示。

表1 依托隧道工程基本概况表Table 1 Tunnel cases

4.2 主要假设条件

1)TBM拼装和拆卸时长。因进洞前150～200 m采用钻爆法施工，关键线路不计列TBM转运时间;TBM拼装时长40 d，洞内拆机40 d，洞外拆机20 d。

2)TBM导洞的相对位置。按下导洞始发后伺机过渡至上(中)导洞布置导洞纵断面，出洞或到达前再过渡至下导洞，便于TBM始发和到达接收。

3)软弱破碎围岩段处置。单洞隧道，Ⅴ、Ⅵ级和部分必要的Ⅳ围岩地段在导洞施工通过后或贯通后已进行了地质改良、加固，台架式钻爆法扩挖通过时均按Ⅳ级围岩进度指标安排;双洞隧道，Ⅴ、Ⅵ级和必要的Ⅳ围岩地段在导洞施工通过后或贯通后已进行了地质改良、加固，临洞已以台架式钻爆法完成开(扩)挖和初期支护，TBM按空推通过，台架式钻爆法扩挖基本按Ⅳ级围岩进度指标安排;后文所述“4.3主要能力指标”已考虑了导洞必要的临时支护的耗时。

4)TBM转弯半径。按300 m考虑。

5)双洞隧道的联络通道。均按导洞通过后、台架式扩挖前完成开挖和初期支护，不占工期关键线路。

6)辅助导坑的长度与断面。模拟方案均按辅助导坑长度800 m双车道(国产16～20 t载质量车)无轨运输断面设置。

7)模拟方案不考虑可能的大型溶腔、暗河、涌突水的影响。

8)不考虑正反坡的施工指标差异。

4.3 主要能力与进度指标

1)TBM始发前的150～200 m常规台架式钻爆法的进度指标按文献［2］指标约1.5倍采用。

2)TBM每天工作12～16 h，各级围岩中的日进度分别按Ⅱ级28 m/d、Ⅲ级30 m/d、Ⅳ级17 m/d、Ⅴ级5 m/d采用，每月施工29 d;因此，导洞内会车道施作、设备维修、扩挖前Ⅴ和Ⅵ级及部分必要的Ⅳ围岩软弱破碎围岩地段的预加固、改良和提前实施的开(扩)挖和初期支护工作处置，均不占工期关键线路。

3)因Ⅲ+级支护参数和工法与Ⅳ级差异不大，大断面扩挖施工时均按Ⅳ级指标处理。

4)进度指标体系(主要指开挖和初期支护)见表2。

4.4 方案组合

模拟方案组合情况见表3。

4.5 案例初步测算情况

4.5.1 万寿山隧道

1)模拟方案形象进度图见图1。

2)模拟结论要点汇总。

2)模拟方案结论要点汇总见表4。

4.5.2 大梁隧道

1)模拟方案形象进度图见图2。

2)模拟方案结论要点汇总见表5。

4.5.3 秦岭隧道

1)模拟方案形象进度图见图3。

2)模拟方案结论要点汇总见表6。

4.6 模拟方案比较研究结论

4.6.1 直观性结论

1)从工期角度看，对10 km以上的单洞特长隧道，不能奢望用1台TBM单向导洞法取代工期性辅助导坑;对10 km以上的双洞特长隧道，各用1台TBM相向平行导洞法则有望取代工期性辅助导坑。

表2 模拟方案进度指标表Table 2 Indexes of simulated construction programs m/月

表3 方案模拟组合Table 3 Simulated program groups

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图1 万寿山隧道模拟形象进度图Fig.1 Simulated construction schedule of Wanshoushan tunnel

表4 万寿山隧道测算情况(与实际工期31.5个月相比)Table 4 Simulation results of Wanshoushan tunnel

图2 大梁隧道模拟形象进度图Fig.2 Simulated construction schedule of Daliang tunnel

表5 大梁隧道测算情况(与实际工期33个月相比)Table 5 Simulation results of Daliang tunnel

图3 秦岭隧道模拟形象进度图Fig.3 Simulated construction schedule of Qinling tunnel

表6 秦岭隧道测算情况(与施工图工期左线50、右线51个月相比)Table 6 Simulation results of Qinling tunnel

2)在10 km以上的单洞无辅助导坑特长隧道中，TBM平行导洞法比TBM先通导洞法有一定的优势;而在10 km以上的双洞无辅助导坑特长隧道中，TBM平行导洞法比TBM先通导洞法有明显的优势。在10 km以上的单洞单辅助导坑特长隧道中，TBM平行导洞法比TBM先通导洞法并无明显优势，辅助导坑与正洞交叉口的位置选择对施工平衡性影响显著;在10 km以上的双洞单辅助导坑特长隧道中，TBM平行导洞法比TBM先通导洞法有一定的优势。

3)在10 km以上的单或双洞单辅助导坑特长隧道中，2台TBM相向实施TBM导洞法利于平衡施工，但隧长中部附近地形条件须满足辅助导坑(斜、横)设置条件;为便于TBM接收并开展扩挖作业，为TBM拆运和扩挖的大运量计，辅助导坑(斜、横)须按双车道设置。

4)在10 km以上的单洞单辅助导坑特长隧道中，2台TBM同向实施TBM导洞法(含用TBM施工辅助导坑后直接转入TBM导洞法)并无明显优势且对施工平衡性影响显著;除非地质研判比较准确且保留或新设一座辅助导坑(斜、横)的地形条件比较合适。

5)在10 km以上的单洞单辅助导坑特长隧道中，平行TBM导洞法相对于先通TBM导洞法的优势，随着软弱破碎围岩比例的增大而愈加明显。

6)在10 km以上的双洞单辅助导坑特长隧道中，TBM导洞法具有巨大优势;平行TBM导洞法相对于先通TBM导洞法的优势不明显。

4.6.2 简析性结论

基于本文依托工程中铁隧道设计文件对软弱破碎围岩比例高的隧道和公路隧道设计文件对有轨运输斜井进度指标能力认知的冒进以及平行TBM导洞法尚未见成熟案例的基本事实，经简单分析后结论如下:

1)因软弱破碎围岩的临时支护工作量和潜在的施工安全风险因素，当软弱破碎围岩的比例高尤其是涌突水概率大时，单洞特长隧道应慎重采取TBM导洞法;在双洞特长隧道中，因具可进入临洞以台架式钻爆法完成软弱破碎围岩的开(扩)挖和初期支护(TBM空推通过)的特征和TBM导洞法所具备的工期颠覆性优势的巨大诱惑，经必要的施工安全风险评估和主要基于临时支护工作量的经济性比对，仍可采取TBM导洞法。

2)与钻爆法一样，地质勘查和研判与选线的正确和准确性，对TBM导洞法的风险和施工组织的均衡性将产生深刻的影响。

3)处于项目非工期控制性地位的、以中硬岩为主的3～7 km大断面隧道(无论单或双洞)，可无忧地实施TBM导洞法。

4)扩挖与导洞界面处的过渡技术措施问题尚未解决，应慎重采取平行TBM导洞法。

5)在单辅助导坑隧道中，2台TBM相向实施TBM导洞法的快速和可能的施工平衡性特征非常明显;因此，即使新设辅助导坑较长或很长，只要辅助导坑能在TBM到达前修建完毕并完成正洞挖掘和初期支护300 m，其成本(投资)优势非常明显。

6)西南尤其是川渝地区广泛分布的泥岩、砂岩、砂质泥岩、泥质砂岩及其互层地层，具有实施TBM导洞法的天然地质优势。

7)TBM导洞法工期优势所换取的辅助导坑的减少或取消，不仅是对效益(投资)的贡献，更是对环境维护与保护的贡献。

4.7 对TBM功能和TBM导洞法的期待

1)期待TBM附加地质超前预报和钻孔50 m以上的功能。

2)可适当增加导洞法用TBM直径，使之与国内岩石地层中的地铁区间隧道断面适配并预留管片安装设备的位置，以提高导洞法用TBM的实用性和使用率。

3)期待业界翘楚企业和有志之士，探索和破解平行TBM导洞法的扩挖与导洞界面处过渡技术措施的难题。

5 对隧道TBM导洞法的展望

1)在中硬岩为主、大断面、项目非工期控制性(尤其是长度为3～7 km)隧道施工中，只要满足工期要求，可放心采用TBM导洞法。

2)在中硬岩为主、大断面、工期控制性的特长隧道施工中，若基本具备设置辅助导坑条件且满足工期需求，亦可放心采用TBM导洞法。

3)鉴于双洞隧道的施工组织特殊性，即便是软弱破碎围岩比例较高，采用2台TBM导洞法分洞相向施工、伺机开展从导洞进入临洞施工、TBM空推通过的施工组织值得研究和实施。

4)一旦破解了扩挖与导洞界面处管线和运输过渡的技术难题(仰拱栈桥的思路可供参考)，平行TBM导洞法必将大放异彩，前景广阔。

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