川藏铁路隧道TBM选型及改进研究

周路军,汤 印,卓 彬,王飞扬,齐 春,汪辉武,华 阳,王 闯

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 2.西南交通大学,成都 610031)

引言

目前，我国铁路隧道发展规模日益扩大，伴随而来的机械化水平日益提高，全断面隧道掘进机TBM能够通过旋转和推进圆形刀盘，并利用安装在刀盘上的滚刀群对岩石的挤压和滚切以破碎岩石，能陆续进行掘进和出渣作业，使隧道断面一次成形。TBM可以看作是掘进作业中必不可少的一部分，具有速度快、效率高等特点，其掘进速度一般为传统钻爆法的3～10倍。因此，在隧道施工中得到了广泛的应用。TBM分为敞开式TBM、单盾式TBM和双盾式TBM，每种类型的机型都有其各自的优缺点，适合不同的地质条件[1]。由于这些设备的成本非常高，影响了项目的经济性，这势必要求设计人员和管理人员选择最合适的机型。

对于TBM选型的研究，国内外学者已有诸多研究，如梅志荣[2]、张照太[3]等以大伙房输水工程隧洞工程为工程案例，论述了TBM的发展和应用，从地质条件方面对特长输水隧洞进行TBM选型。洪松[4]从TBM自身的结构出发，论述了深埋长隧道选型的依据，同样提出地质条件对TBM的选型起到关键作用。尹俊涛[5]从岩石力学和工程地质两方面对软岩大变形、突水、岩爆等不良工程地质条件下的TBM选型问题进行了论述，同时给出了相应的解决措施。朱方剑[6]、刘春[7]、陈艺平等[8]根据敞开式TBM、单护盾TBM、双护盾TBM掘进性能，并参考国内的施工经验，以输水隧洞工程为案例，综合考虑了施工风险、施工灵活性、掘进效率、经济性等因素，提出了适宜该工程的TBM机型。从以上案例可以看出，目前TBM的选型研究多集中在输水隧洞工程中，而关于TBM选型在铁路隧道中的研究相对较少。

川藏铁路全段特长隧道基本位于崇山峻岭、人迹罕至、气候恶劣、高海拔等的特殊地理位置，环境地质特殊，施工辅助坑道深长且难以布置，施工通风距离超长，加之隧道具有岩爆、大变形和高地温等复杂地质特征，从地质构造、人员安全、经济预算等方面考虑，采用钻爆法施工可能更加困难，这将不可避免地采用TBM施工，因此，如何合理地选择最佳TBM型式是川藏铁路隧道建设的重要问题[9]。

1 TBM类型及选型分析

1.1 TBM类型

在TBM发展史中出现过多种机型，如扩孔式、摇臂式、敞开式和护盾式等。考虑到TBM的耐久性、经济性和适用性，目前应用最广的机型为敞开式、护盾式(单护盾和双护盾)以及复合式TBM[7]。而对于以岩石地层为主的铁路隧道工程，可供选择的TBM机型以敞开式TBM、单护盾TBM和双护盾TBM为主。

因此，本节从地质条件适应性、施工人员安全性和经济性等方面，对适用于铁路隧道工程的TBM进行分类并对其各自的优缺点进行介绍。

(1)敞开式TBM

敞开式TBM主要适用于岩性完整、裂隙较不发育且具有较好自稳性的中硬岩地层[10]。敞开式TBM的造价相对较低，支护手段灵活，几乎拥有钻爆法施工的全部支护手段。同时，由于其护盾较短，护盾卡机的概率也相对较小。但由于施工人员和设备无护盾保护，存在一定安全风险。见图1。

图1 敞开式TBM

(2)单护盾TBM

单护盾TBM适用于地质条件较为复杂的隧洞，尤其岩石强度较低的隧道。当隧道开挖地层以软弱围岩为主，且隧道掘进中大多以单护盾TBM进行掘进作业，不能完全发挥双护盾TBM作业优越性时，采用单护盾TBM更合适[11]。单护盾TBM由于有了护盾以及管片的保护，施工环境相对于敞开式TBM更安全；由于采用管片衬砌，管片可为TBM提供反推力，使得单护盾TBM在软岩中亦可掘进[12]。但是由于其没有独立的支撑系统，管片安装和掘进不能同时进行，使得掘进效率低于双护盾TBM。见图2。

图2 单护盾TBM

(3)双护盾TBM

当隧道围岩软硬变化频繁且断层破碎带较多时，采用双护盾TBM最为适宜[3]。这是由于双护盾TBM能有效地切削单轴抗压强度5～200 MPa的岩石，有利于缩短工期，但是造价昂贵。因此双护盾TBM适合工期紧张、成本较充裕的隧洞工程[13]。双护盾TBM相较于敞开式TBM和单护盾TBM，其护盾卡机的概率大且难于处理。见图3。

图3 双护盾TBM

1.2 TBM选型考虑的主要因素

基于国内外使用TBM进行隧道掘进的施工案例研究，TBM选型主要考虑的因素有如下3点。

(1)地质条件适应性

TBM在很大程度上取决于地质条件，一旦确定了TBM的机型，就很难进行更改。因此，TBM的选择应结合地质条件和技术经济可行性。在地质条件方面，应考虑TBM所处的断裂带情况、地下水分布、地应力、岩石物理力学性质和各种参数。

(2)设备和人员条件

TBM是一个复杂的机械系统，每个TBM都要根据不同的地质、支架和断面直径进行制造，后续的防护、维护和零部件供应关系到施工的成败。由于项目位置十分偏远，工作人员经常面临不同的施工环境，施工风险较大，施工管理者和组织者应具备应对各种情况的能力。

(3)工期要求和造价预算

不同类型的TBM掘进速度大小不一，TBM开挖总工期应满足预定的隧道开挖所需工期的要求，因此，需要根据工程所要求的工期选择合理的机型，但是制造不同的TBM所花费的费用也不相同，并且差异很大，因此，所选TBM应符合工期要求、造价预算合理，做到安全性、可靠性、经济性相统一。

1.3 铁路隧道TBM选型分析

根据国内外铁路隧道施工经验，TBM施工的成功率取决于TBM机型的选择是否正确，当铁路隧道长度大于3 km时，采用TBM施工最为适宜[14]。从开挖成本来看，隧道成本是开挖和衬砌的总和。目前，国内的TBM开挖成本约为10%～25%，高于钻爆法施工，由于TBM塌方体积3%-10%低于钻爆法，它可以节省近50%的混凝土衬砌成本，所以组装隧道成本不高于钻爆法施工[15]。TBM隧道施工从经济成本、施工速度、环保、安全可靠等方面明显优于钻爆法，川藏铁路隧道工程是深埋长隧道，地质条件复杂，应选择TBM施工。

不同机型面对地质条件复杂的铁路隧道均有各自的优点和缺点，地质条件是铁路隧道TBM选型的基础，要考虑围岩的完整性、硬度、岩性、成分等，敞开式TBM一般适用于围岩条件较好、开挖后能自稳的隧道，且围岩的强度应提供足够的支护，掘进时能及时识别地质条件，及时处理不利地质条件[16]。但当故障发生时，敞开式TBM支架无法工作，被迫关闭。同时在软弱围岩条件下，掘进机的掘进方向难以控制。常用的双盾式TBM，可以应用于复杂地层的铁路隧道施工[17]，当断层和破碎带较多时，可对人员进行保护，安全性较好。但是护盾式TBM的成本相对较高，造价大约比敞开式TBM高30%[18]。

表1从地质条件适应性、施工人员安全性、经济性等几个方面对敞开式和单护盾、双护盾TBM进行综合对比。

表1 TBM的机型分类及其适应性

2 川藏铁路隧道工程TBM选型

川藏铁路可供选择的TBM机型有：敞开式TBM，单护盾和双护盾，本节重点结合川藏铁路的地质条件对TBM的选型进行论述。

2.1 川藏铁路隧道地质概况

川藏铁路雅安至林芝段线路穿越横断山脉，隧道多处通过长大越岭地段，辅助坑道设置困难。构造运动导致内外动力地质作用均十分强烈，隧道主要不良地质有岩爆、大变形、高烈度地震、活动断裂、断层破碎带、突水、涌泥、高地温、岩溶、极硬岩、有毒有害气体等。由此可见，川藏铁路隧道工程勘察设计和施工难度极大。川藏铁路沿线地质构造纲要见图4。

图4 川藏铁路沿线地质构造纲要

2.2 川藏铁路隧道对TBM的要求

隧道掘进机选型，应满足以下要求。

(1)功能要求：所选TBM必须满足川藏铁路高海拔、复杂地质条件的要求；符合铁路隧道限界、运输、运营、维护等要求。

(2)施工安全要求：喷锚初期支护在施工期间必须满足结构安全的需要；管片衬砌需同时满足施工期间及运营期间的结构安全要求。特别是在川藏铁路存在岩爆、大变形等不良地质条件下的结构安全。

(3)工期要求：TBM的工期要求是包含机械生产制造、施工前期准备、掘进衬砌、拆卸转场全过程的工期要求。

(4)处理不良地质灵活性的要求：由于川藏铁路隧道地质条件复杂，存在岩爆、大变形、断层破碎带、高温水热、有害气体、岩溶等，TBM需配置超前地质预报、超前钻探、超前钻孔注浆加固等设备，以提前预报并采取措施，避免不良地质对TBM隧道施工带来的影响，且处理不同不良地质的方法要灵活。

(5)线形条件要求：选用的TBM要能够满足铁路隧道平面曲线转弯半径和纵向坡度的要求。即要求TBM掘进方向能够根据线型条件及时调整并有效控制，所配置的导向系统应能保证隧道最后贯通误差要求。特别是用于横洞、斜井等辅助隧道的小直径TBM，应适应辅助坑道与正线施工条件要求[19]。

(6)长距离掘进的要求：TBM连续掘进距离长，要求TBM具有良好的性能，较长的使用寿命，充足的备件和配件。当不具备开支洞的条件时，TBM长距离掘进对长距离通风、供电、运输及长距离给排水都提出了较高的要求。要求有可靠性高、能力强的通风系统、供电系统、给排水系统以及能高效率运转的运输系统。

2.3 川藏铁路隧道TBM选型原则研究

川藏铁路隧道区别于水工隧洞和矿井，对于衬砌的耐久性要求更高，断面更大，选型应按照安全和质量优先、兼顾工期成本的原则。TBM设备选型可按以下原则执行。

(1)基于永久支护原则：根据川藏铁路的地质资料，线路区间的隧道工程大部分处于岩石地层，当深埋隧道围岩压力较大、变形严重时，宜选用永久支护形式，此时建议选择敞开式TBM。

(2)基于重大地质风险原则：完整岩石为主，Ⅳ级以上硬岩地层占比较多时，选择敞开式TBM；中等及以上岩爆段较长时，宜优先采用护盾式；软质岩或软硬相间岩石为主且地应力较小时，选择护盾式TBM。

(3)基于工期成本原则：对于岩层较好的区间隧道，应从工期成本考虑选型。

2.4 川藏铁路隧道TBM选型建议

川藏铁路以高海拔、长距离、大埋深、不良地质突出为主要特征，对人员设备的要求较高，TBM选型应优先考虑其地层、地质适应性，TBM应充分考虑处治不良地质的灵活性、工期和造价的影响[20]。

敞开式TBM的盾体较短，已开挖岩面可以更早暴露，方便施工人员对岩性的判断以及选取合适的支护参数，且敞开式TBM支护体系基本同钻爆法，支护和处理不良地质的方式较为灵活。在中、硬岩层中，围岩的稳定性好且可以为敞开式TBM提供足够的推力使其掘进。护盾式TBM相比敞开式护盾较长，对掌子面岩性的判断只能依靠岩渣的粒径分布以及掘进参数的改变[21]，对掌子面围岩的认识具有一定的不确定性和滞后性[4]，针对贫水断层及软弱围岩，仍能保持较高的掘进速率[6]。

在隧洞主要为中、硬岩层(如二长花岗岩、花岗闪长岩)且不良地质工程问题不突出时，建议优先选择敞开式TBM。

在软弱破碎且地下水不发育的岩层中，开挖掌子面自稳能力差，自稳时间短，不建议采用敞开式TBM，可选用单护盾及双护盾TBM。

3 TBM改进意见

川藏铁路隧道工程采用TBM施工段存在较大的施工风险，为减少工程损失，建议TBM从以下方面进行改进。

(1)从TBM机械设计理念上全面提升设备能力，充分考虑高海拔对TBM设备降效的影响，增强各类型TBM的机械性能配置。

(2)搭载多种超前地质预报设备，相互验证，并将物探设备及输出装置集成在TBM上，实时获取预报信息，提高超前地质预报的准确性和及时性。

(3)研配多种不同特性的刀具，开展理论设计、机械性能试验、多重备货、试验段研究比选等工作。

(4)通过刀盘提升、扩挖刀和更换边块方式，增强TBM扩挖能力，可后配套应预留足够空间，防止卡盾和卡后配套。

(5)提高轴承-刀盘直径比，设置驱动电机双减速器，在低档位、低转速条件提供足够脱困扭矩。

(6)配备适用性强的超前加固系统和及时支护系统，设备预留超前管棚作业空间，配置常态化L1区混凝土喷射装置，提高在短距离岩爆、软岩大变形、断层破碎带、节理密集带地段的通过能力。

(7)搭载微振监测系统及多功能超前钻机，以便岩爆预测和超前钻孔释放应力，后配套搭载防护棚，以进一步保证施工人员的安全。

(8)充分考虑开挖断面的富裕量，保证TBM在无扩挖的情况下具有充分的变形空间。

(9)增大主撑靴接地面积，配置高性能大功率抽水泵和氧气发生器。

(10)川藏铁路TBM使用台数多且掘进距离长，要求厂家对主轴承等关键配件在国内留存足够备件。

4 结论

本文结合川藏铁路隧道的特点，针对其高海拔、大埋深、不良地质突出的特征，建议TBM施工的隧道按以下方式选型。

(1)对于以岩石地层为主的铁路隧道工程，可供选择的TBM机型以敞开式TBM、单护盾TBM和双护盾TBM为主。TBM的选择应结合地质条件和技术经济可行性，对于铁路隧道TBM选型应满足地层要求，保证设备和施工人员的安全，并同时满足工期要求和造价预算，同时兼顾安全、质量和工期的要求，建议按照永久支护、重大地质风险、工期成本的原则选型。

(2)根据川藏铁路的地质资料，线路区间的隧道工程大部分处于岩石地层，当深埋隧道围岩压力较大、变形严重时，宜选用永久支护形式，此时建议选择敞开式TBM。完整岩石为主，Ⅳ级以上硬岩地层占比较多时，选择敞开式TBM；中等及以上岩爆段较长时，宜优先采用护盾式；软质岩或软硬相间岩石为主且地应力较小时，选择护盾式TBM。

(3)根据资料调研和国内TBM施工经验，对机械设备、刀盘刀具改造、岩爆防护措施和软岩大变形的变形预留量措施等方面提出了改进意见。