蒙大隧道TBM结合钻爆法施工方案研究

丁兆亮 孙士英

随着地下工程施工技术的飞速发展，特长隧道采用TBM施工也越来越普遍。TBM法是一种施工速度非常快、机械化程度高及作业安全的隧道开挖和支护方法，但也存在着初次投资大、施工准备工作量、施工准备期长以及对围岩条件适应性差、作业方式不灵活等制约因素。蒙大隧道属特长深埋隧道，是工程实施的一个控制工点，进行TBM施工可行性研究是非常必要的。

1 工程概况

集通线横贯内蒙古自治区中东部，是我国北部地区的东西干线铁路之一，是沟通东北、内蒙与西北的区际通道。蒙大隧道是集通线蒙根塔拉站（含）至林西站（不含）段贯通方案中最长双洞单线隧道，左右线线间距为30 m，隧道长28 630 m，隧道最大埋深约为534 m。

左线隧道进口CK472+730—CK472+749.76段位于曲线上，曲线半径R=800 m，CK474+417.51—CK475+317.59、CK496+435—CK499+489.18位于曲线上，曲线半径R=3 000 m；其余地段，隧道位于直线上。左线隧道进口至CK473+700位于坡度为5.1‰的上坡；而后分别以4.8‰、5.1‰、4.5‰、5.1‰下坡至隧道出口。旅客列车设计行车速度为120 km/h。蒙大隧道建筑限界采用“隧限-2A”。钻爆法施工直线地段轨面以上净空横断面面积30.42 m2，TBM施工直线地段轨面以上净空横断面面积40.68～43.41 m2，曲线地段考虑加宽。

蒙大隧道在集宁至克什克腾旗段为内蒙古高原，其中乌兰陶勒盖以西以剥蚀低中山为主，间有宽谷盆地，地形呈波状起伏，相对高差50～100 m，绝对高程在1 300～1 550 m之间；乌兰陶勒盖以东以风积沙丘为主，为浑善达克沙地的一部分，间有冲、洪、湖积平原，地表积沙，地形呈缓波状起伏，绝对高程位于1 240～1 450 m。

地层岩性以变质砂岩、花岗岩及砂砾岩为主，中厚层状结构，节理裂隙发育，强风化-弱风化，碎石状松散结构-块石状结构。

蒙大隧道以Ⅱ、Ⅲ级围岩为主，Ⅱ级围岩占33.7%，Ⅲ级围岩占31.9%，Ⅳ级围岩占20.2%，Ⅴ级围岩占14.2%。

本隧道共有13处断层。地质调查和外业钻孔得知，隧道涌水量很大。

2 TBM进洞方案选择

蒙大隧道预测涌水量较大，TBM施工宜采用逆坡掘进，顺坡排水。TBM施工选择从蒙大隧道出口进洞。

3 TBM设备选型

TBM设备的选择主要依据围岩的工程地质条件与水文地质条件，如地层岩性、岩石饱和单轴抗压强度、岩体完整性、岩溶发育程度、地下水状况等。TBM使用较多的有开敞式和双护盾式。如图1所示。

图1 开敞式与双护盾TBM挖掘性能比较图

考虑到辅助洞室的布置及国内类似工程的成功经验，本工程拟采用两台开敞式TBM掘进机分别从蒙大隧道左、右线出口进洞掘进。

4 开敞式TBM主要技术参数的选择

TBM的主要技术参数包括刀盘直径、刀具布置、刀具数量、刀盘转速、刀盘扭矩、刀盘驱动功率、刀盘推力、掘进行程等。

掘进机法施工隧道基本轮廓设计为圆形，其直径大小应根据建筑限界、接触网悬挂方式、净空面积要求、轨下道床型式、附属构筑物设置等因素综合拟定。本工程中选用TBM刀盘直径为8.80 m，衬砌内径分别为8.0、7.94、7.9 m。

TBM的掘进行程主要根据隧道直径、管片宽度确定，隧道直径越大管片宽度越宽掘进机的行程越大。选择掘进行程还涉及后配套接轨长度以及一次支护钢拱架的榀距等因素。本工程中TBM掘进机行程为1.80 m。

其他参数由设备制造厂家结合工程地质条件及水文地质条件等因素综合确定。

5 TBM后配套及出渣方式的选择

采用TBM法施工是一项综合性的施工工艺，必须配备各种辅助设备，辅助设备必须与开敞式掘进机及施工技术要求相适应。施工中掘进效率的高低在很大程度上取决于出渣运输及供料是否及时到位，后配套系统以出渣为主要功能，有两种方式：轨行门架式（有平台车和无平台车）和无轨轮胎式。本工程选用有平台车型轨行门架式后配套。

目前适用于长隧道TBM施工的轨行门架式出渣方式只有两种：一种是窄轨低污染的内燃机车牵引矿车的运输方式，另一种是连续胶带机运输方式。考虑到本工程采用连续胶带运输方式仍需配置有轨运输系统向洞内运输管片及细石混凝土灌浆材料，研究中推荐采用窄轨低污染的内燃机车牵引矿车的运输方式。

6 施工组织设计

6.1 施工方案

隧道进口段20 382 m（CK472+730—CK493+112）采用钻爆法施工。隧道采用复合式衬砌断面。钻爆法施工段落共布置6座施工斜井。

隧道出口段8 248 m（CK493+112—CK501+360）采用TBM施工，圆型断面开挖支护同时进行，贯通后再进行二次衬砌。其中隧道出口段377 m（CK501+023—CK501+360）采用钻爆法施工，采用锚喷网和钢架联合支护，TBM施工完成后再现浇混凝土衬砌。

在正洞里程CK44+193.000附近设有TBM拆卸洞室，断面为马蹄形，净断面尺寸14.7 m×16.0 m×55.0 m（宽×高×长），TBM到达拆卸洞室后，在洞内拆除解体运出洞外。如图2所示。

图2 蒙大隧道施工分段示意图（单位：m）

6.2 TBM施工法

6.2.1 TBM掘进

TBM施工要达到的目标，就是按照设计的隧道轴线、方向和纵坡坡度准确开挖轮廓平整圆顺的隧道工程，并做到施工速度快、作业安全。要达到以上目标，取决于合理的TBM施工组织管理和先进的施工技术。TBM利用率主要由施工管理经验和水平决定，TBM纯掘进速度主要由隧道的地质条件和掘进参数决定。

6.2.1.1 TBM施工劳动力配置

TBM施工劳动力组织按掘进、整备、运输和保障四部分作业进行设置。TBM施工队设2个掘进工班，1个整备工班，3个运输工班和3个保障工班。掘进工班每班9 h，主要负责洞内TBM掘进作业。整备工班每班作业6 h，主要负责机械的检修、维护、保养作业。运输工班与掘进、整备工班同时作业，承担洞内外的运输任务。保障工班配合掘进、整备工班作业，负责洞外各项保障工作。

6.2.1.2 TBM掘进参数的选择

掘进参数是影响掘进速度的重要因素。它主要由刀盘的推进速度、扭矩、刀盘转速和推力4个指标来表征。

TBM掘进参数要随着围岩条件的变化不断的进行调整。TBM有3种工作模式可供选择，即自动控制推进模式、自动控制扭矩模式和手动控制模式。

均质硬岩可选用自动控制推进模式，这种模式既不会过载，又能取得较高的掘进速度。掘进中以推进力先达到最大值，而扭矩未达到额定值作为判别硬岩的依据。

均质软岩掘进时可选用自动控制扭矩模式。掘进中以扭矩先达到额定值，而推进力未到达额定值或与扭矩同时达到额定值作为判别软岩的依据。

软硬岩过渡段、岩性频繁变化段和断层软弱破碎地段，应选用手动控制模式。在手动控制模式作业过程中如判定岩石变硬、岩体变得较完整，推进力先达到额定值时，应严格限制推进力不超过额定值；如判断围岩依然处于节理发育、裂隙众多地段或断层软弱破碎地段时，应依据扭矩模式，以扭矩为主结合推进力参数来选用其他掘进参数。

6.2.2 出渣与运输

出渣运输系统由主机胶带机和出渣列车组成，TBM掘进与出渣同时进行。掘进时产生的石渣通过刀头上的铲斗连续地弃到胶带机上，再装入出渣列车，装渣人员可以利用拔渣机推动渣车，当渣车装满弃渣，机车牵引重车驶向洞外。

在重车驶向洞口后，空车驶向后配套系统的停车站，在固定好管片车及细石混凝土罐车后，再牵引空渣车至装渣点。

当装满弃渣的重车到达洞口时，把渣车换至配有推车器的渣车翻车机所在的后部轨道上，渣车翻车机将每节渣车内的弃渣卸入翻渣坑内，再用装载机装自卸汽车或胶带机运至弃渣场。

6.2.3 仰拱块安装与底部处理

仰拱预制块既是隧道衬砌结构和铁路整体道床的组成部分，又是TBM施工运输的轨道基础。随着TBM每一循环的掘进，仰拱块与底部回填作业应同步完成，仰拱块的安装质量对保证TBM快速施工及衬砌结构的稳定至关重要。

在仰拱块安装前，人工将底部的松渣、岩粉、沉渣清理装入移动式单轨料斗内，随TBM岩渣送出洞外。用高压水冲洗仰拱块底部基岩后，采用自吸泵将仰拱块部位的积水抽排干净。

将检查合格的仰拱块由机尾的机械手将管片安装就位。使用混凝土输送罐车和插入式振动器，从已安装好的仰拱块两侧对称进行灌注和振捣。底部回填灌注采用C20细石混凝土。待TBM通过后，从仰拱块的注浆孔压注水泥浆。

6.2.4 初期支护

开敞式TBM施工所穿越的地层难免会遇到断层破碎带、软弱围岩、不同地层的不整合接触带，以及富水、岩爆等不良地质地段，及时进行初期支护，对确保TBM顺利、安全施工来说是必不可少的。否则会出现围岩滑塌甚至大塌方，造成TBM受困事故。

开敞式TBM施工的初期支护类型，按照围岩级别划分：

I、Ⅱ级围岩局部采用锚杆、钢筋网、喷射混凝土联合支护，或者只采用锚杆、喷射混凝土支护。

Ⅲ级围岩在开挖断面上半圆以上部位（或者局部）采用锚杆、钢筋网和喷射混凝土联合支护。

Ⅳ、Ⅴ级围岩采用全圆钢架支撑与锚杆、钢筋网、喷射混凝土联合支护。钢架选用I16工字钢弯制成节段拼接而成。

6.3 混凝土管片的生产

管片生产采用工厂化流水作业，保持生产过程均衡、稳定，其生产和储存能力应满足最大掘进速度时的管片使用需求。

管片生产需具备材料及产片堆场、钢筋笼生产车间、搅拌站、实验室、管片浇捣车间、锅炉房、管片水中养护池、管片抗渗试验台架、管片精度测试台等生产及辅助设施。管片采用蒸汽养护方式生产。管片从钢模中脱模后，一般需要在水中养护7 d左右，才能吊出水池做露天养护或者入库养护。

6.4 通风除尘

TBM法的通风对象是工作人员呼出的气体和TBM主机动力发生的热量、岩石破碎及喷射混凝土施工时发生的粉尘和内燃机等发生的有害气体等。

开敞式TBM对通风量和风速的要求：掘进机工作面通风量30 m3/s；向前方TBM掘进作业区供风风速不小于0.164 m/s；向后方连接桥区回风风速不小于0.33 m/s，后配套系统段风管储存桶位置洞内回风风速不小于0.49 m3/s。

隧道内各作业面的环境温度不宜超过25℃，隧道内各作业面粉尘浓度要求不超过2 mg/m3。

TBM隧道的通风方式是压入式，主通风机设在隧道的出口，将3台110 kW×2对旋风机串联，其最大出风量为3 600 m3/min。风筒直径Φ2 200 mm，风筒悬挂于顶板正中，与TBM上的风筒储存器连接。

6.5 施工总控制进度

根据其它工程经验，施工进度指标选择见表1，施工工期安排见表2。

表1 施工进度指标表

表2 TBM结合钻爆法施工方案工期安排表

TBM施工控制性工期主要包括TBM采购、运输；TBM组装和调试；TBM掘进；TBM拆卸和圆形隧道衬砌及退场等。

TBM设备采购招投标及合同谈判约3个月（暂不计入土建工期），TBM设备制造12个月，TBM设备安装及调试2个月。

TBM自蒙大隧道出口进洞，步进通过钻爆法施工段，工期6 d，TBM平均施工综合月进尺按437 m/月考虑，TBM掘进施工期18个月，TBM拆卸1个月，圆形隧道衬砌施工3个月。

7 结语

（1）本工程土建工期36个月，设备购置就要大约12个月的时间，TBM设备安装及调试2个月，TBM拆卸1个月，圆形隧道衬砌施工3个月，开敞式TBM纯掘进的工期仅为18个月，单台TBM掘进的距离仅为8 248 m，整个隧道仍需要布置6座总长为8 330 m的斜井，TBM快速掘进的优势没有发挥出来，对整个工程的工期提前没有贡献。

（2）TBM及后配套设备一次性投资高（约2亿元/台），工期越短，施工段落越短，设备摊销在工程造价中的比例就越高，采用掘进机施工就越不经济。

（3）地下工程最大的风险就是地质风险，掘进机在处理特别棘手的塌方、卡机等问题时常常借助于钻爆工法，掘进机处理地质风险的灵活性远低于常规钻爆法施工，尤其对于工期较短的本工程，钻爆法施工更具有优势。

综上所述，掘进机在本工程工期提前方面没有起到作用，掘进机施工方案不适合工期较短的工程。