复杂地质铁路隧道敞开式TBM施工挑战及思考

司景钊， 曾云川， 刘建兵

(1.中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 云桂铁路云南有限责任公司， 云南 昆明 650011)

0 引言

TBM具有进度快、施工环境好的优点，但由于受工法转换不灵活、超前加固困难等因素影响，复杂地质隧道一般不采用敞开式TBM施工。随着我国综合国力的增强和经济的飞速发展，同时国内TBM设计制造技术不断突破，双模TBM等新型设备不断涌现、TBM配套设备快速升级，复杂地质隧道采用TBM施工的可行性也在逐步提高。近年来，超过30 km的特长隧道逐渐增多，对辅助坑道设置极为困难的隧道，首选工法仍然是TBM法。隧道地质条件日趋复杂，对TBM设备设计研制[1]、工程勘察设计、施工提出了更高的要求。水利及铁路复杂地质条件下采用TBM施工的项目，曾遭遇连续卡机、长期卡机、突水涌泥、设备报废、工法改变等不同程度的困难,工期延误严重、成本大幅增加。

国内外学者针对敞开式TBM在复杂地质条件下的施工技术做了不同程度的分析和研究。吴煜宇等[2]依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3级，对TBM施工围岩条件做了初步的适应性判定，让隧道设计和TBM设备选型有了新的思路。梁文灏等[3]结合秦岭特长隧道阐述了TBM设计考虑因素、分析过程及设计情况。洪开荣等[4]分析总结了高黎贡山隧道TBM法施工重难点及关键技术，并对TBM主要功能参数及设备配备提出要求。周路军等[5]结合川藏铁路特殊的地质条件，对选型原则及TBM设备改进建议做了阐述。史林肯等[6]选取工程沿线地质力学参数,评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性，研究了在TBM工况下深部复合地层交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面的明显差异。赵伟等[7]研究了极硬岩条件、隧底少量积渣情况下敞开式TBM隧底皮带机清渣系统。景琦[8]研究了敞开式TBM撑靴反力不足条件下的多种应对措施。文献[9-15]分析了敞开式TBM穿越不良地质造成卡机、突涌、软岩变形等不同难题的原因，从设备优化、超前加固、处理措施等不同角度研究了应对方案。但以上研究均未结合复杂地质敞开式TBM施工遭遇困难的影响程度、频繁程度，综合分析研究解决或降低敞开式TBM施工风险的对策。本文在上述研究总结的基础上，结合高黎贡山隧道TBM施工过程中遇到的难点进行归纳，思考规避或降低复杂地质TBM施工隧道建设期遭遇类似困难的对策，以期为复杂地质敞开式TBM规范标准修订、勘察设计施工提供参考，提高敞开式TBM在不良地质条件下的适应性，降低工程风险。

1 工程概况

新建大理至瑞丽铁路保山至瑞丽段高黎贡山隧道，位于云南省龙陵县境内，全长34 538 m，为亚洲第一铁路长隧，隧道最大埋深约1 155 m。隧址位于云南高原西部边缘，属高黎贡山脉南延段，向东南方向大雪山附近与怒山余脉相接，属高黎贡山古生界变质岩紧密褶皱和花岗岩体高山区。隧道出口段正洞(12.070 km)、平导(10 km)分别采用直径为9.03、6.39 m的敞开式TBM施工,线间距30 m。TBM掘进段均位于直线上，最大纵坡9‰(上坡)。

2 地质情况

TBM掘进段主要地层岩性为燕山期花岗岩(8 810 m)、中泥盆系回贤组白云岩(290 m)、断层角砾(90 m)、物探Ⅴ级异常带(840 m)、志留系中上统灰岩、白云岩夹石英砂岩(460 m)。TBM掘进段围岩岩性及主要参数如表1所示。

表1 TBM掘进段围岩岩性及主要参数

TBM掘进段地下水主要为基岩裂隙水，最大涌水量预测45 300 m3/d。

高黎贡山隧道存在“三高”“四活跃”特征，地质条件异常复杂。TBM施工段主要不良地质为高烈度地震、岩爆及软岩大变形、岩溶等，工程重、难点为高地应力软岩变形和软弱破碎洞段TBM施工。

3 施工情况

正洞采用连续皮带机出渣、有轨运输(四轨两线)、仰拱采用预制仰拱块、拱墙现浇衬砌；平导采用有轨运输(四轨三线)、矿车出渣、铺设仰拱预制块。平导、正洞TBM分别于2017年11月25日、2018年2月1日开始掘进，平导TBM掘进4 475 m，卡机11次，综合进度指标146 m/月；正洞TBM掘进5 145 m，卡机8次，综合进度指标182 m/月。高黎贡山隧道TBM卡机统计见表2。

表2 高黎贡山隧道TBM卡机统计

4 施工挑战及思考

4.1 地质勘察变动大及卡机成本高

4.1.1 存在问题

根据地勘结果，高黎贡山隧道TBM施工段Ⅳ、Ⅴ级围岩占比39.8%(含断层破碎带、蚀变岩)，TBM卡机主要集中在断层破碎带范围内。实际揭示破碎围岩程度、范围较勘察有较大增幅，详见表3。

表3 TBM已施工段围岩情况对比表

正洞已掘进段Ⅳ、Ⅴ级围岩占比由36.6%增加至68.7%，平导已掘进段Ⅳ、Ⅴ级围岩占比由35.6%增加至65.8%，除断层破碎带卡机外，普通Ⅴ级围岩节理密集发育时也能造成卡机，平均505 m卡机1次，处理时间7 d～9个月,频繁的、长期的卡机造成TBM进展缓慢，卡机处理费用极高。

4.1.2 主要原因

《铁路工程地质勘察规范》指出： 采用全断面岩石掘进机(TBM)法施工的隧道，地质工作除符合常规规定外，还应查明影响掘进机的选型及地质条件,但没有针对“查明影响掘进机选型及地质条件”作具体的条款陈述。TBM地质适应性差，需要有比矿山法隧道更为详细、针对性的地质勘察要求。

TBM设备及后配套成本较高，施工过程中管理人员、生产人员均是矿山法隧道的2倍以上。目前概算中只计列卡机处理过程中构成工程实体工程数量的费用，且按现有定额计算其费用较低，而卡机处理的其他费用，如TBM停机维保、TBM停机保压、通风、抽排水、风水电管线摊销、运输折旧等费用均未计列，造成现场成本急剧增加。

4.1.3 建议

1)增加TBM法隧道地质勘察专项要求，尽可能采用多物探方法结合、增加钻孔取芯数量等，同时在常规的岩石参数试验之外，通过磨片试验及其他办法对岩芯的微裂隙发育情况进行辨别，提高TBM适应性分析的准确度。

2)增加施工阶段勘察，明确变形风险等级、横纵断面局部劣化程度、风险源、水环境对围岩稳定性的影响程度等。

3)结合实际情况，开展复杂地质条件敞开式TBM施工定额测定工作。

4.2 围岩分级标准

4.2.1 存在问题

受设备影响，敞开式TBM施工超前加固困难，围岩局部破碎时，对施工进度、成本影响较大，TBM掘进后必须加强初期支护(见图1)以确保安全。

图1 局部围岩破碎支护加强

4.2.2 主要原因

目前没有针对铁路TBM施工的围岩分级标准，均执行《铁路隧道工程勘察规范》，通过岩体特征、土体特征及地震波纵波波速进行围岩分级，同时在施工过程中结合地下水发育程度、高地应力状态进行分级修正。该围岩分级标准及分级修正法在钻爆法施工过程中能够正常使用。TBM施工中由于超前加固困难，不良地质局部揭示时，为确保安全，初期支护必须加强，但根据目前的规范，围岩级别难以调整。

4.2.3 建议

围岩分级修正应充分考虑TBM施工特点，增加TBM工法修正项，实现支护参数与围岩分级的一致性。

4.3 掘进断面

高黎贡山隧道TBM段Ⅴ级围岩喷射混凝土厚度20 cm，预留变形量5 cm，二次衬砌混凝土厚度30 cm，预留施工误差10 cm，拱顶距离建筑限界顶部15 cm。拱部结构设计见图2。

图2 拱部结构设计图(单位： cm)

4.3.1 存在问题

高黎贡山隧道4 400 m断面扫描初期支护侵限情况见表4。

表4 4 400 m隧道初期支护侵限统计

初期支护侵限范围大造成二次衬砌滞后TBM掘进4 km以上，同时侵限段处理存在极大的安全风险。

4.3.2 主要原因

敞开式TBM顶、侧护盾具有回收和伸出功能，穿越软岩变形地段时，可通过垫高边刀、伸出护盾扩大开挖断面，在变形严重时可通过适当的回收护盾(见图3)，减轻盾壳承受压力，加大敞开式TBM的通过能力。

图3 敞开式TBM主机护盾油缸示意图

地质条件复杂情况下，围岩大范围坍塌引起顶护盾被动回收，同时引起钢筋排系统下沉，最大下沉量达26 cm以上，造成初期支护侵限(见图4)。

图4 坍塌引起初期支护侵限示意图

4.3.3 建议

采用敞开式TBM施工的复杂地质隧道，预留量=顶护盾油缸行程(6～8 cm)+顶护盾厚度(7～10 cm)+围岩预计变形量，确保施工进度和安全质量。

4.4 初期支护背后不密实

4.4.1 存在问题

敞开式TBM在软弱破碎地层施工时，采用钢筋排对盾尾主要作业区进行防护，但坍塌、超量出渣造成护盾及钢筋排背后围岩不密实甚至脱空，无法进行喷混凝土回填，仅能在喷混凝土封闭后，采用混凝土/砂浆或注浆回填。一般地质隧道采用敞开式TBM施工时，该情况仅为偶然事件，但复杂地质隧道采用敞开式TBM施工时，在Ⅳ、Ⅴ级围岩及特殊地质洞段该现象频发。地下水量较大时，水会带走岩体中细颗粒物造成隧道顶部围岩散堆，进而造成大规模塌方，甚至贯通地表。该原因造成2018年11月3日高黎贡山隧道D1K224+180～+220段(卡机段)发生贯穿地表的突涌，突涌量26 000 m3，地表塌陷情况见图5。正洞TBM被困，处理用时11个月。

图5 突涌地表陷坑

4.4.2 主要原因

由于敞开式TBM不具备超前加固的功能，且不能像盾构一样闭胸加压稳定掌子面，不良地质段掘进极易发生掉块、塌方造成超量出渣，见图6。

图6 初期支护背后脱空图

4.4.3 建议

TBM复杂地质隧道采用敞开式TBM时，提前将初期支护背后不密实(脱空)预处理措施、泄水预案等纳入施工图，施工过程中依据具体情况及预处理措施及时处理。

4.5 隧底清渣、排水

4.5.1 存在问题

高黎贡山隧道正洞、平导TBM施工、支护时间占总时间的比例分别为73.85%、80.83%，而掘进时间占总时间的比例分别为14.66%、11.07%，掘进时间远低于常规TBM利用率(30%以上)，见表5和表6。

表5 平导TBM掘进时间分析表

表6 正洞TBM掘进时间分析表

4.5.2 主要原因

地质条件适宜时，敞开式TBM施工隧底积渣量少，易清理。高黎贡山隧道围岩砂化严重，隧底积渣量极大(见图7)，拱架安装、锚杆钻机行走、仰拱块安装等作业困难。尤其是L1区，目前无可适用设备清理积渣，均采用人工装袋、搬运，效率极低，是影响TBM施工进度的主要原因之一。水量较大时，仰拱块安装区域积渣极难清理，需要安排专人、设备进行抽排，方能清理积渣并安装仰拱块。

图7 隧底清渣图

4.5.3 建议

地质复杂隧道采用敞开式TBM施工时，应充分考虑隧底清渣和积水抽排带来的进度影响、资源成本等。

4.6 进度指标

4.6.1 存在问题

铁路建设史上采用敞开式TBM施工的几座隧道综合进度指标见表7。

表7 铁路隧道TBM施工综合进度统计表

由表7可知： 由于中天山隧道是采用秦岭隧道和磨沟岭隧道使用过的旧设备，过程中多次停机大修，进度指标偏低。其他3座TBM法施工的铁路隧道最低月综合进度为238 m，而采用有轨运输出渣、同样为软岩隧道的磨沟岭隧道，TBM月综合进度为248 m。

高黎贡山隧道大、小TBM月综合进度指标分别仅有182、146 m，远低于指导性施组300、350 m/月的指标，同时低于铁路其他TBM施工隧道进度指标。

4.6.2 主要原因

高黎贡山隧道由于混合花岗岩强度低，且受构造运动、热液侵蚀等因素影响，节理密集发育区域围岩砂化、糜棱化严重，大量的Ⅴ级围岩段需要立模现浇混凝土保证撑靴受力(见图8)，加上隧底清渣量大、初期支护背后不密实需停机回填加固，综合卡机因素，造成高黎贡山隧道TBM进度指标较低。

图8 初期支护范围立模现浇图

4.6.3 建议

敞开式TBM施工复杂地质隧道月综合进度指标计算时，参考高黎贡山隧道的TBM利用率14.66%，并根据具体情况适当浮动，提高工期、投资计划的准确性。

4.7 弃渣松散系数

4.7.1 存在问题

松散系数的选择对渣场容量、环评及环保成本、运输成本有着决定性作用。高黎贡山隧道设计过程中，TBM施工段松散系数按1.3考虑。敞开式TBM施工弃渣形状一般为7～10 cm大小的薄片状，松散系数一般考虑1.5。而实际施工过程中，由于地质条件差，高黎贡山隧道弃渣均为砂状，通过单天掘进长度与洞外汽车单车运输量实测(17.4 m3/车)及运输车次计算对比，高黎贡山隧道TBM施工段松散系数为1.89(见表8)。松散系数大幅增加造成弃渣场容量不足，需新增弃渣场。

表8 松散系数测定统计表

4.7.2 主要原因

结合工程实践，松散系数影响因素主要有岩石的胶结指数m、岩体的饱和抗压强度Rc、岩石完整性系数RQD等，具体的松散系数需试验确定。设计过程中参考矿山法隧道弃渣松散系数1.3不能准确反映实际情况。

4.7.3 建议

在复杂地质隧道TBM设计施工过程中，应根据围岩岩性参数，将渣土松散系数选择在1.5～1.9,并结合松散系数考虑渣场容量，避免新增渣场造成的环评风险，同时在定额中结合松散系数考虑运输成本、避免渣土运输费用不足造成成本风险和工期风险。

4.8 污水处理

4.8.1 存在问题

TBM掘进方式易产生大量不易沉淀的石粉，隧道内污水长期呈乳白色，同时TBM自身不具备堵水功能，地下水涌出量大。高黎贡山隧道TBM施工段正洞平导总出水量达到1 500 m3/h，加上2台TBM约200 m3/h的用水量(考虑高地温风险，设备制冷能力加大，需水量增加)，隧道总排水量已经远远超过设计阶段污水处理站40 m3/h、变更设计后320 m3/h的处理能力，目前只能通过加大絮凝剂添加量来临时处理，以免发生环境事故。材料大量使用、频繁清淤造成人工费、设备台班大幅增加。

4.8.2 主要原因

设计过程中考虑清污分流，变更后污水站处理能力仅考虑2台TBM用水的处理，但实际施工过程中，由于污染源增多、隧道涌水量加大，同时清污分流难以实现，造成污水处理站能力不足。

4.8.3 建议

采用敞开式TBM施工时，单台TBM配套的污水处理站能力应结合水文地质、断面尺寸、设备需水量、衬砌时机要求及排水组织等因素综合考虑，同时考虑设立允许排水预警值、增加径向堵水预设计及预留污水处理扩容能力等措施，以防发生环境事故。定额中考虑絮凝剂添加、过滤设备清洗及淤泥清理晾晒转运等运营成本。由于TBM施工清污分流难以实现、污水处理站建设成本远低于运营成本，建议综合隧道渗水量、处置风险、堵水及污水处理成本综合考虑TBM污水处理站能力，运营过程中根据排水量调整运营所需人机料配置。

4.9 监控量测

4.9.1 存在问题

高黎贡山隧道TBM已施工段监测点的监控量测工程量已达设计量的4.33倍，监控量测费用激增。

4.9.2 主要原因

根据现行的铁路规范，即使围岩稳定，监控量测作业仍然在衬砌前不能停测。钻爆法段同一监测断面监测周期基本在1月内，监测频次为20～25次。

一般情况下，TBM掘进段监测断面在监测20～30次之后，监控量测频率降为1次/7 d。但上述多重原因造成同步衬砌难以实现，衬砌滞后掘进距离较长，而平导没有衬砌，各监测断面多年频繁监测，造成高黎贡山隧道监控量测频次、成本大幅增加。

4.9.3 建议

复杂地质隧道TBM施工过程中，稳定后监测按照1次/15 d的监测频率计算，不衬砌段监控量测次数=初始监测次数(21～30次)+预计施工月数；衬砌段监控量测次数=初始监测次数(21～30次)+预计未衬砌段长度×2/衬砌月进度指标。

5 结论与讨论

综上所述，复杂地质采用敞开式TBM施工时，建议如下：

1) 完善TBM法隧道地质勘察具体要求，明确地质特性，提高TBM设备设计针对性。

2)结合TBM 施工特点，优化围岩分级修正项，设置合理预留变形量、增强隧道断面尺寸、支护参数的适应性。

3)弃渣松散系数合理范围为1.5～1.9，复杂地质隧道敞开式TBM施工进度结合高黎贡山隧道TBM利用率考虑。

4)污水处理综合考虑多种因素，保护生态环境。

5)规范标准与定额体系相结合，及时调整完善，提高概算与进度、成本的匹配性。

由于TBM在铁路隧道施工过程中的样本较少，前期研究方向、内容也仅结合少量样本进行，复杂地质隧道敞开式TBM施工需要更多研究，如L1区隧底清渣及快速立模灌注设备、超前加固工艺设备、轻型材料加工衬砌台车等多方面需继续研究，以上问题逐步攻克方能彻底提高复杂地质敞开式TBM的适应性。

参考文献(References)：

[1] 杨延栋, 陈馈, 张啸. 复杂地质条件TBM研制关键技术及应用[J]. 隧道建设(中英文), 2019, 39(6): 1052.

YANG Yandong, CHEN Kui, ZHANG Xiao. Development and application of key technologies for TBM used in complex geological conditions[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(6): 1052.

[2] 吴煜宇, 吴湘滨, 尹俊涛, 等. 关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究[J]. 水文地质工程地质, 2006(5): 126.

WU Yuyu, WU Xiangbin, YIN Juntao, et al. Research with relation to rock classification of TBM tunnels[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2006(5): 126.

[3] 梁文灏, 刘培硕. 秦岭特长隧道采用TBM施工设计方案综述[J]. 隧道及地下工程, 1996, 17(4): 10.

LIANG Wenhao. LIU Peishuo. Summary of TBM construction design schemes of Qinling super-long tunnel[J]. Tunnel and Underground Engineering, 1996, 17(4): 10.

[4] 洪开荣, 冯欢欢. 高黎贡山隧道TBM法施工重难点及关键技术分析[J]. 现代隧道技术, 2018(4): 1.

HONG Kairong, FENG Huanhuan. Construction difficulties and key techniques for the Gaoligong Mountain TBM tunnel[J]. Modern Tunnelling Unnelling Technology, 2018(4): 1.

[5] 周路军, 汤印, 卓彬, 等. 川藏铁路隧道TBM选型及改进研究[J]. 铁道标准设计, 2020(10): 1.

ZHOU Lujun, TANG Yin, ZHUO Bin, et al. Research of TBM type selection and improvement for Sichuan-Tibet railway tunnel project[J]. Railway Standard Design, 2020(10): 1.

[6] 史林肯, 周辉, 宋明, 等. 深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(6): 1933.

SHI Linken, ZHOU Hui, SONG Ming, et al. Physical experimental study on excavation disturbance of TBM in deep composite strata[J]. Rock and Soil Mechanics, 2020, 41(6): 1933.

[7] 赵伟, 贺东泽. MB266-395敞开式TBM底部清渣系统性能的提升与改进[J]. 四川水力发电, 2018, 37(5): 150.

ZHAO Wei, HE Dongze. Improvement and improvement in bottom slag system performance of MB266-395 open-TBM[J]. Sichuan Water Power, 2018, 37(5): 150.

[8] 景琦. 敞开式TBM在软弱围岩中掘进反力保障措施[J]. 铁道建筑技术, 2018(4): 99.

JING Qi. Safeguard measures of boring force of open-type TBM in weak surrounding rock[J]. Railway Construction Technology, 2018(4): 99.

[9] 秦银平, 孙振川, 陈馈, 等. 复杂地质条件下TBM卡机原因及脱困措施研究[J]. 铁道标准设计, 2020, 64(8): 92.

QIN Yinping, SUN Zhenchuan, CHEN Kui, et al. Study on the cause of TBM jam and its relief measures under complex geological condition[J]. Railway Standard Design, 2020, 64(8): 92.

[10] 陈叔, 王春明. 川藏铁路TBM施工适应性探讨及选型[J]. 建设机械技术与管理, 2020, 33(4): 38.

CHEN Shu, WANG Chunming. The adaptability research and selection of Sichuan-Tibet railway TBM construction[J]. Construction Machinery Technology & Management, 2020, 33(4): 38.

[11] 张照太, 丰光亮, 陈竹, 等. 喜马拉雅山区域深埋软硬互层地质条件下敞开式TBM施工方法研究[J]. 隧道建设, 2017, 37(3): 348.

ZHANG Zhaotai, FENG Guangliang, CHEN Zhu, et al. Research on construction technologies for open TBM in deep-buried soft and hard alternant strata in Himalayas[J]. Tunnel Construction, 2017, 37(3): 348.

[12] 杨刚. 敞开式TBM穿越断层带卡机处理措施[J]. 工程建设与设计, 2020(14): 134.

YANG Gang. Stuck machine treatment measures for open TBM crossing the fault zone[J]. Construction & Design for Project, 2020(14): 134.

[13] 刘飞香, 于洋. 某隧洞工程TBM不良地质处置探究[J]. 隧道建设(中英文), 2019, 39(9): 1515.

LIU Feixiang, YU Yang. TBM technologies in bad geology of a tunnel project[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(9): 1515.

[14] 李亚隆. 天山胜利隧道TBM选型及不良地质预防研究[J]. 智能城市, 2019, 5(12): 58.

LI Yalong. Study on TBM selection and bad geological prevention in Tianshan Shengli tunnel[J]. Smart Cities, 2019, 5(12): 58.

[15] 徐虎城. 断层破碎带敞开式TBM卡机处理与脱困技术探析[J]. 隧道建设(中英文), 2018, 38(增刊1): 156.

XU Hucheng. Analysis of jam treatment and releasing technologies for open TBM in fault fracture zone[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(S1): 156.