川藏铁路TBM隧道建设挑战及装备创新设计探讨

2021-03-15冯欢欢

隧道建设(中英文) 2021年2期

陈馈，冯欢欢, *，贺飞

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001； 2. 中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511458；3. 中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016)

0 引言

川藏铁路穿越世界最雄壮的横断山脉，35万km2的横断山区是全世界最复杂、险峻、庞大的山系[1-2]。川藏铁路的断层破碎带远胜他处，且仍在发育扩张，其建设难度与风险不言而喻(全长14.7 km的大瑞铁路大柱山隧道[3]，途经12条断层，仅处横断山脉一隅，却历经12年才贯通)。全长57 km的圣哥达基线隧道[4]，横穿欧洲阿尔卑斯山脉，被誉为欧洲团结的象征，最高峰勃朗峰海拔4 810 m，历时17年才建成。川藏铁路雅安至林芝段正线，隧线比达83%，20 km以上的隧道有16座。川藏铁路隧道建设面临着长大隧道多、地应力高、活动断层频繁等重大挑战，传统TBM装备已难以满足该类复杂地质条件下的施工需求，因此，进行针对性地创新设计显得尤为迫切。

针对复杂地质条件下TBM隧道建设所遇到的工程技术难题，已有研究者进行了相关研究，并通过工程进行了应用与验证。例如：陈馈等[5]对复杂地质条件下的TBM施工风险进行了论述，并对其应对措施进行了研究。Grandori[6]阐述了复杂地质条件下大直径隧道TBM的设计进展，并提出传统TBM没有针对复杂地质条件进行研究与设计，为满足工程需求，必须开发针对性的TBM机型。洪开荣等[7]、杨延栋等[8]对复杂地质条件下的大瑞铁路高黎贡山隧道TBM施工关键技术进行了研究，同时对TBM针对性研制技术进行了探讨。董泗龙[9]、杨继华等[10]、徐虎城[11]分别针对TBM施工过程中，TBM穿越断层破碎带被卡时的脱困技术开展了针对性研究。刘大鹏[12]建议从合理调整掘进参数以及制定具体的TBM施工措施等方面入手，来保证TBM穿越断层破碎带等不良地质地段的施工能够取得实效。陈卫忠等[13]研究探讨了围岩挤压大变形的机制、挤压性地层预报方法和围岩收敛变形预测方法，总结归纳了常用的应对挤压性地层的处置手段，并提出应结合具体工程问题来综合比选TBM隧道挤压大变形的辨识公式、预测方法以及处置手段。张建设[14]研究分析了高黎贡山隧道岩溶及软岩大变形洞段敞开式TBM施工技术，指出由于功能及结构等因素的限制，现有的常规TBM尚难以很好地适应软岩大变形地层条件。

本文基于以往关于复杂多变地质条件下的TBM设计与施工关键技术研究成果，针对川藏铁路这一目前国内外最具有挑战性的铁路工程修建过程中可能遇到的断层破碎带、软岩大变形、岩爆、高地温和高地应力等不良地质条件，系统性地分析川藏铁路隧道面临的建设难题，详细论述TBM针对性设计理念及其创新设计方法，以期为川藏铁路TBM针对性设计及后期工程施工提供参考。

1 川藏铁路工程概况

1.1 地理位置及线路情况

川藏铁路东起四川省成都市，向西经雅安、康定、昌都、林芝、山南到拉萨。新建的雅安至林芝段(简称雅林段)全长1 011 km，其中，桥隧总长958 km，桥隧比约95%。川藏铁路线路如图1所示。

图1 川藏铁路线路示意图

1.2 隧道基本概况

川藏铁路雅林段隧道总计72座，合计长838 km，隧道占比83%，最长隧道为易贡隧道(42.5 km)。其中，30 km及以上隧道7座，总长约240 km；20～30 km隧道9座，总长约216 km；10～20 km隧道19座，总长约274 km。隧道穿越地质主要为片麻岩、花岗岩、石英闪长岩、花岗闪长岩、板岩、砂岩、石英砂岩、灰岩、大理岩等。川藏铁路先后跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、帕隆藏布江和雅鲁藏布江等7条大江大河；穿越二郎山、折多山、高尔寺山、沙鲁里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉岭和色季拉山等8座高山。全线平均海拔3 800 m，相对高差4 000～6 000 m，山高谷深，地形条件艰险，跌宕起伏，地貌极其复杂。总的地势呈北高南低、西高东低、跨七江穿八山、七下八上。沿线地形地势如图2所示。海拔超过4 000 m的隧道17座，总长约199.6 km，约占隧道全长的24%；海拔3 000～4 000 m的隧道32座，总长约433.6 km，约占隧道全长的52%。

图2 川藏铁路沿线地形地势图

1.3 隧道主要技术标准

1.3.1 设计行车速度

川藏铁路雅林段隧道设计行车速度为200 km/h(部分路段限速160 km/h)。

1.3.2 建筑限界及隧道横断面

隧道建筑限界采用TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》中“客货共线铁路隧道建筑限界(160 km/h

1.3.3 洞内轨道类型

隧道内以铺设无砟轨道为主，在活动断裂带及两侧各200 m范围内采用有砟轨道。无砟轨道推荐采用双块式结构，轨道结构高度为515 mm；有砟轨道结构高度为766 mm。

2 川藏铁路隧道面临的重大挑战

2.1 工程环境挑战

1)显著的地形高差。川藏铁路依次经过二郎山、折多山、高尔寺山、沙鲁里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉岭和色季拉山等高大山脉，先后经过大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、帕隆藏布江、雅鲁藏布江等大江大河，线路爬升高度近万m。

2)强烈的板块活动。川藏铁路地处青藏高原中东部，位于印度板块与欧亚板块挤压构造山带，构造地质作用强烈(以每年4～12 mm的速度移动)，沿线地震活动强烈、大地震频发。据史料记载，公元1128年至2012年发生7级以上地震至少22次；全线共有约50个对线路有影响的高温热泉。

3)频发的山地灾害。沿线山高坡陡，滑坡、崩坍以及冰湖溃决、泥石流等山地灾害广泛分布，工程地质环境十分复杂；三江并流区山高谷深，气候差异显著，海洋性冰川气候等多种环境耦合作用下，形成了高寒、强震、立体气候等复杂的地质环境条件。

4)脆弱的生态环境。穿越四川、西藏两地生态红线，涉及大熊猫栖息地世界自然遗产、贡嘎山国家级自然保护区等各级敏感区共20余处。

5)严重的高寒缺氧。全线平均海拔3 800 m，最低气温-30 ℃，严重高寒缺氧，人工和普通施工机械的工效均严重降低。

2.2 地质挑战

根据目前的地质勘察资料，分析川藏铁路隧道修建过程中所面临的主要地质特征，具体如下[15]。

2.2.1 高地应力

最大水平地应力为64 MPa，最小水平地应力为38 MPa(埋深2 000 m处)。依据拉林铁路现场地应力测量资料可知，隧道穿越地层的最大地应力达78 MPa。

1)岩爆。对于高深埋隧道，在高地应力作用下，硬质围岩会发生岩爆。川藏铁路隧道围岩为花岗岩、片麻岩等，属于较硬岩，极易发生岩爆。川藏铁路隧道中岩爆等级为中等—强烈的高风险洞段长度约为109.2 km。

2)大变形。藏噶隧道施工过程中发生了初期支护混凝土开裂，出现了钢架扭曲变形甚至接头直接断裂的情况(如图3所示)。经现场实测可知，初期支护累计最大收敛1 466 mm。因此，川藏铁路隧道也将面临因高地应力而引起的软岩大变形的情况。

2.2.2 多处深大活动断裂

川藏铁路在巨大的横断山脉间七下八上，主要活动断裂有：龙门山、鲜水河、理塘、甘孜—理塘、巴塘、金沙江、澜沧江、怒江、八宿、嘉黎、雅鲁藏布江、沃卡等，如图4所示。

图3 藏噶隧道蚀变岩段初期支护钢架被剪断

图4 川藏铁路穿越的主要活动断裂带分布情况

川藏铁路全线50%的路段设计地震动峰值加速度达到0.2g及以上，在康定附近更有地震动峰值加速度0.4g左右的分布区。沿线地震活动强烈，大地震频发。

2.2.3 高地温

所经地区地热属于地中海—喜马拉雅地热带，为大气降水深循环型的水热对流型热水系统。全线约有50个高温热泉，约15座隧道可能存在高温热害，例如: 昌都吉塘镇分布有82 ℃高温热泉，影响浪拉山隧道；通麦镇分布有92 ℃高温热泉，影响易贡隧道；康定分布有91 ℃高温热泉，影响折多山隧道。

2.2.4 洞口灾害源多

卡达桥路段曾突发雪崩，崩塌堆积物阻断帕隆藏布江，造成60 m的路基被雪崩彻底冲毁；垭口湖区处于安久拉山西坡，每年暴发3～5次雪崩；冻土区地下水随季节变化，对路堤、地基及隧道洞门结构的安全性和耐久性影响较大。典型洞口灾害源如图5所示。

2.3 其他挑战

1)施工组织困难。沿线空气稀薄、人烟稀少，交通极不便利，基础设施匮乏。在如此恶劣的条件下，要修建大量超长隧道(群)，对施工组织和施工方法带来了巨大挑战。

2)防灾救援挑战大。在人烟稀少的高原，要运营包含大量超长隧道(群)的铁路，对防灾救援带来了巨大挑战。

3)出渣处理困难。川藏铁路部分区段处于大江大河的上游，植被覆盖较低，生态环境非常敏感，生态恢复极为困难。隧道出渣约1.2亿m3。如何实现隧道弃渣的综合利用显得尤为重要。

(a) 怒江干流巨型滑坡 (b) 超高位危岩落石

(e) 鲜水河孔巴乡不稳定斜坡 (f) 溜砂坡

2.4 以色季拉山隧道为例

色季拉山隧道全长37.965 km，进口端位于鲁朗兵站附近，出口端位于林芝市巴宜区林芝镇尼池村境内，隧道段线路为人字坡，隧道最高海拔约3 158 m，隧道最大埋深约1 696 m。该隧道共有2座斜井、1座横洞，采用TBM法+钻爆法联合施工。

1)围岩岩性。主要为花岗岩、闪长岩、片麻岩、片岩，最大天然抗压强度为196 MPa，平均石英质量分数为64%。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩长度分别约占整个隧道长度的55.1%、28.8%、4.6%。

2)断层破碎带及节理密集带。隧道穿越f4-3、f4-5、F61以及f4-6等4条断裂带，共有16段节理密集带，总长4 965 m。

3)最大涌水量。预测隧道最大涌水量为20万m3/d。

4)隧道岩爆段。全隧岩爆段长19.13 km，约占隧道总长的一半，判定为无岩爆地段也有发生岩爆的可能性。

3 川藏铁路TBM创新设计及应对措施

按照目前的设计方案，川藏铁路隧道中计划采用TBM施工的隧道有：色季拉山隧道、伯舒拉岭隧道、果拉山隧道、孜拉山隧道和德达隧道等5座隧道，其正洞共计划采用18台大直径TBM(10.2 m)施工，涉及机型有敞开式、双护盾等。

3.1 川藏铁路TBM施工面临的风险

隧道施工过程中将会遇到高地应力岩爆、大变形、断层破碎带、突泥涌水等一系列不良地质条件，进而给TBM施工带来了诸多挑战。

3.1.1 无法获取准确的地质信息风险

隧道埋深大，所处地区人迹罕至、环境恶劣，地质勘察条件极差，给前期地质勘察带来了极大的难度。由于地质勘察阶段所获取的地质信息与TBM掘进过程中实际遇到的地质信息可能不一致，很可能会造成TBM卡机、姿态失控、塌方、人员及设备损伤等重大工程事故。

3.1.2 软岩大变形和深大断层破碎带风险

川藏铁路隧道地处欧亚板块与印度洋板块碰撞隆升形成的板块缝合带，构造地质作用强烈(每年有4～12 mm的位移)，深埋长大隧道的高地应力大变形及穿越深大断层破碎带问题突出。大变形直接抱死刀盘、护盾，引起初期支护变形，造成后配套通过困难；断层破碎带易造成突泥涌水、大塌方，造成TBM被卡，卡机事故处理难度大，风险高，将造成工期延误。

3.1.3 强烈岩爆风险

深埋长大隧道的高地应力岩爆问题突出(最高地应力达78 MPa)，中等及以下岩爆风险可控，但强烈和极强岩爆可能导致设备报废、人员伤亡等重大工程损失。

3.1.4 突泥涌水风险

穿越的深大断裂分布广，突泥涌水风险高；突泥涌水可能导致TBM被淹被埋及人员伤亡，风险极高；大面积淋水会恶化洞内环境，降低作业效率。

3.1.5 高海拔、高地温、高温水风险

高海拔缺氧导致人员、设备效率降低；高地热和高温水风险高(局部岩温可达90 ℃)，可能导致设备过热而无法正常工作。

3.2 川藏铁路TBM创新设计

3.2.1 创新设计原则和设计理念

根据川藏铁路隧道“安全施工、快速掘进、及时支护”的施工理念，结合“超前探测、支护通风、环境保护”的重点需求，确定对应TBM创新设计的相关原则和设计理念。

3.2.1.1 川藏铁路隧道TBM创新设计原则

1)可实现安全、快速的支护。由于特殊地质原因，川藏铁路隧道TBM掘进不是最大的问题，最大的问题是隧道坍塌。因此，支护是最大的问题，超前加固功能不可或缺。应以时间换空间，确保施工安全。

2)具备完善的超前预报体系。根据实际情况配置激发极化法超前地质预报系统、复频电导超前探水系统等。

3)高效的出渣系统。长大隧道TBM高效施工的关键问题之一就是隧道出渣，如何实现高效出渣与渣土后期综合利用的有机结合有待进一步研究与应用。

3.2.1.2 TBM应对不良地质的创新设计理念

结合目前在建的高黎贡山隧道、滇中引水隧洞等重大工程案例及川藏铁路色季拉山隧道的工程特点，提出TBM针对性的设计理念。

1)高寒高海拔：降低劳动强度+完善动力配置+配置安全设施。

2)长距离硬岩掘进：高效破岩+结构可靠+参数合理。

3)岩爆：监测预报+主动防控+积极被动防护。

4)大变形：预留变形量+以时间换空间。

5)断层破碎带：超前探测+及时支护。

6)突泥涌水：加强监测+堵排结合。

7)高地温：加强通风+设置制冷设备。

3.2.2 TBM创新设计要点

对于川藏铁路隧道，常规的敞开式或护盾式TBM均难以适应，必须进行创新设计，使TBM具备以下特点： 1)若采用敞开式TBM，必须具备岩爆段能及时封闭围岩、撑靴撑不住时可以继续匀速掘进的能力； 2)若采用护盾式TBM，必须具备在软岩大变形地层实现较大扩挖及脱困的能力，以防止TBM被卡。

3.2.2.1 敞开式TBM创新设计

为适应川藏铁路隧道施工，对于敞开式TBM，应进行创新设计，其应兼备拼装管片(预制混凝土管片或钢管片)的功能。将这种创新设计的敞开式TBM称为“双结构TBM”。双结构TBM具备以下特点：

1)安全性好。在岩爆地层，设计并选用具有较强抗岩爆功能的新型管片，及时封闭围岩，对作业人员和设备提供防护。

2)适应性强。在软岩、破碎地层，可使用辅助推进系统，通过管片提供推进反力，实现推力转换。

3)通过“型钢骨架+可变形材料”确保TBM顺利通过大变形段。

该新型TBM是在常规敞开式TBM的基础上进行的创新设计，其增加了安装管片功能(含钢管片、型钢骨架)和辅助推进功能，以实现在岩爆区段能封闭施工以及顺利通过软岩、破碎地层和大变形段。

3.2.2.2 护盾式TBM创新设计

若采用护盾式TBM，其应具备在软岩大变形地层实现较大扩挖及脱困的能力，并能在大变形区段进行敞开作业。通过在双护盾TBM上增加喷锚支护系统，以实现上述功能。将这种新型TBM称为“双支护TBM”。

双支护TBM还可采用“薄管片+二次衬砌”的支护方式，或不使用预制混凝土管片，而只在不良地层使用钢管片，这样仍可像敞开式TBM一样进行二次衬砌，以适应隧道永久结构的需要。双支护TBM具备以下特点：

1)安全性好。在盾体及衬砌管片的保护下实现安全作业。

2)适应性强。针对中等及以上岩爆地层，相对敞开式TBM具有一定优势。

3)经济性好。采用“薄管片(或钢管片)+二次衬砌”方式可降低施工成本，亦能确保隧道永久结构的质量。

该类型TBM是在常规双护盾TBM前盾的尾部增加了安装钢拱架的功能，且后部盾体可以收缩，以适应大变形地层；同时，还可在24 h变形量为300～400 mm的围岩中正常掘进。

3.3 川藏铁路典型不良地质TBM应对策略与防控措施建议

3.3.1 典型不良地质TBM应对策略分析

为更好地应对川藏铁路隧道建设过程中所遇到的各类重大风险，对以往典型不良地质条件(主要包括岩爆、大变形、破碎带等)下的TBM应对措施进行总结分析，具体如下。

3.3.1.1 岩爆

在面对不同强度的岩爆时，TBM应采取对应的岩爆预防与应对措施。

1)中等岩爆处理措施有: 弹性膨胀锚杆、钢筋网、钢筋排、顶部设置拱架。为保证仰拱处人员的安全，最好在270°范围内采取以上支护措施。

2)强烈岩爆处理措施有: 柔性拱架接头(见图6)、部分范围使用吸能缓冲支护，或通过大直径钻孔释放径向压力。

图6 柔性拱架接头

在应对岩爆时,主动措施要到位，被动防护要管用。主动措施是降低岩爆发生的重要手段，包括超前钻孔释放应力、喷射冷却水、降低掘进速度等；被动防护是防止岩爆损坏人和设备的重要手段，主要有锚杆、拱架、挂网、管片等措施。

3.3.1.2 大变形

敞开式TBM盾体短，且可径向伸缩，卡机风险一般低于护盾式TBM。TBM应对卡机的措施主要有：轻微变形靠扩挖，可用拱架和网片；中度变形用管片或重型拱架；重度变形则用管棚。

1)轻微变形。对于护盾式TBM，刀盘扩挖、围岩收敛释放应力后，利用管片抵消变形量，并承受围岩荷载；对于敞开式TBM，安装钢拱架、网片、钢筋排，及时喷射混凝土封闭围岩。

2)中度变形。依靠管片或拱架抵消变形量，承受荷载。对于护盾式TBM，通过刀盘偏心、盾体倒锥形、刀盘扩挖设计等措施，增加盾体与隧道顶部的间隙，围岩收敛释放应力后，依靠管片或举升钢拱架抵消变形量，进而承受围岩荷载；同时，TBM应具备大转矩脱困功能。对于敞开式TBM，安装柔性钢拱架或钢管片，保持对围岩的支撑力，同时可适应一定的围岩变形。

3)重度变形。加大TBM开挖直径，TBM主机段设计独立超前钻机系统，通过超前注浆加固，减少围岩变形量。对于Ⅲ级大变形，无论哪种机型掘进都会受到较大影响。当重度变形造成盾体被卡时，可在护盾顶部采取人工开挖的方式进行处理。处理大变形最后的方案是人工扩挖洞室、安装钢拱架。

3.3.1.3 破碎带、不稳定围岩

1)强化辅助工法。L1区域采用加强型快速支护系统设计，要求“刀盘暴露区尽量短，刀盘转矩足够大”。L1区域设备配置有钢筋排支护系统、钢筋网存储系统、钢拱架安装器、锚杆钻机快速支护系统、钢管片安装器、应急喷射混凝土系统和相关操作平台。L2区域设备配置有锚杆钻机和喷射混凝土系统。支护区域分布示意图见图7。