高楼山特长隧道TBM 法施工方案探讨

2021-09-03田世雄李玉平杨宝林姚志永

甘肃科技 2021年14期

田世雄，李玉平，连鹏，杨宝林，姚志永

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030）

1 概述

目前，公路隧道施工开挖方式丰富多样。按开挖断面情况有分部开挖法、台阶法和全断面法；按开挖使用的主要设备有钻爆法、机械铣挖法、盾构法及TBM 法等；不同的组合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、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地质条件与施工方案、施工条件、技术水平、装备水平等的相匹配[1]。

TBM 施工法具有工期、效益、环境、安全、技术进步等优势，但是前期费用投资较大，工程造价相比钻爆法增加约1～3 亿元[2]。

根据高楼山隧道实际地质情况，结合国内外施工案例，该隧道可采用的施工方案主要有：①传统钻爆法；②TBM 导洞扩挖法；③全断面TBM 开挖法等。文章主要针对TBM 法施工进行比选研究。

2 工程概况

高楼山特长隧道是G8513 平凉至绵阳国家级高速公路武都至九寨沟（甘川界）段公路工程的关键控制性工程，隧道进口位于甘肃省陇南市文县尖山村，出口位于文县凡昌村，洞身穿越高楼山支脉。隧道全长12.27km（双洞），为双向四车道分离式特长石质山岭隧道。高楼山隧道运营通风方式采用两斜井通风方案，将整个隧道分为三区段通风，即在隧道的进出口段分别设计有1、2# 通风斜井。斜井既作为隧道运营通风道，同时作为施工辅助通道。隧道1# 斜井长1904.2m，最大纵坡为-8.75%，2# 斜井长2269.9m，最大纵坡为-12%[3]。

3 工程地质条件

隧道位于武都山字型构造体系南部，与龙门山构造带相邻，地质构造复杂，洞身最大埋深1680m。隧道进口段通过石坊-范家坝-尖山-临江区域断裂，出口段通过高峰坝-凡昌-明镜寺区域断裂，中部穿越关家沟-何家坝背斜。隧道穿越地层岩性主要为砂质板岩、变质砂岩和炭质板岩、变质砂砾岩等。围岩级别：Ⅲ级占36%、Ⅳ级占55%、Ⅴ级占9%。主要不良地质有：断裂带，突涌水，高地应力区岩爆等[4]。

4 高楼山隧道TBM 法施工关键难点

（1）隧道项目区本身的复杂性。高楼山区域具有“山大沟深，峰谷交错，坡陡弯急，且地下水位高”等特点。高楼山隧道具有“三高”“一大”的地域特点，以及“两长”“两多”“两大”的工程特点[5]。

①“三高”：地应力高（最大主应力27～51MPa）、地震烈度高（动峰值加速度为0.20g，Ⅷ度地震区），地温高（最高地温可能超过30℃）；

②“一大”：温差大（山上山下气温相差10℃）；

③“两长”：斜井长（最长2.27km）、施工掘进通风距离长；

④“两多”：即断层破碎带多（共穿越10 条断层带）和不良地质多（高地应力区岩爆、突涌水和溶洞等）；

⑤“两大”：埋深大（最大埋深1680m，长达9km埋深超过500m），水量大（最大涌水量0.35m3/s）。

（2）隧址区复杂的工程地质条件。隧道掘进机（TBM）的应用与隧道工程地质密切相关，结合地质条件正确选择TBM 型号，决定隧道TBM 法施工能否能够成功运用于该隧道。

根据地质勘察报告，高楼山隧道强岩爆段3.8km 占隧道总长31.2%。参考西秦岭隧道施工情况，通过超前地质预报，超前钻孔释放应力，加强超前、初期支护等方式，可以顺利通过岩爆段，但对于大断面TBM 施工尚存在一定的风险。断层及影响带主要位于隧道进口1.9km 范围内及出口1.1km 范围内，因此两端洞口段落采用TBM 施工风险较大，效率较低，可利用掘进机组装生产时间，采用钻爆法施工该段。

（3）高楼山隧道随处位置山脉高大，且附近为尖山自然保护区，斜井洞口位置限制因素多。由于通风需要，高楼山隧道需设置通风井。对于长大公路隧道而言，通风方式的正确选择对于隧道工程的运营、施工及工程造价均非常关键。

通过论证比选，高楼山隧道需设置两座通风井，采用双斜井送排式与射流风机组合通风方案，受地形限制，最长斜井达2.27km，斜井最大纵坡-12%。按照整个隧道的工期安排，由于斜井纵坡较大，降低斜井自身成洞及辅助主洞施工的效率。

5 高楼山隧道TBM 法施工可行性分析

通过调研国内外TBM 施工案例，其施工的可行性主要取决于以下几个方面。

5.1 地质条件

为保证TBM 掘进的施工效率，地质条件对TBM 掘进机的选型非常关键[4，5]。

（1）岩石单轴抗压强度。高楼山隧道洞身围岩大部分的单轴抗压强度在30～60Mpa 之间，对TBM掘进机的适应性较好。

（2）岩石结构面的发育程度。高楼山隧道围岩以片岩、变质砂岩及砂质板岩为主，节理裂隙发育，TBM 掘进效率较高。

（3）岩石的耐磨性。岩石的耐磨性对刀具的磨损起着决定作用。高楼山隧道主要地层岩性耐磨度：变质砂岩3～3.5Ab（1/10mm），板岩、片岩3～5Ab（1/10mm）。围岩组成矿物为石英、长石、绿泥石、云母等，但是含量不高，不是影响掘进效率的主要因素。

（4）岩层产状与隧道轴线夹角。当岩体主要结构面或优势结构面的走向与隧道轴线间夹角小于45°，且结构面倾角（≤30°）较缓，隧道拱部常常会发生掉块和坍塌，影响TBM工作或降低TBM工作效率，甚至危及TBM 安全。高楼山隧道岩体结构面倾角大多在70°以上，有利于采用TBM 掘进[6-8]。

（5）围岩的初始地应力状态。高楼山隧道地质勘察报告表明，深埋地段存在强岩爆，为TBM 施工的主要风险源。但经过超前处理等有效处理手段，可将其影响弱化，降低施工风险，如果采用TBM 导洞扩挖法，导洞形成后可有效释放地应力，将为后续扩挖形成有利条件[9-11]。

5.2 施工辅助设备与TBM 掘进速度匹配的程度[12-13]

TBM 辅助施工设施主要包括出渣系统、运输系统、供料系统、风水电系统等。

（1）出渣系统。目前TBM 施工出渣系统一般采用两种方式，①采用有轨运输出渣，②采用连续皮带机出渣。皮带机出渣具有效率高、对隧道环境影响小、受隧道纵坡影响小等优势而被广泛采用。结合本工程特点，拟选用连续皮带机出渣方式，是有条件的。

（2）运输系统。TBM 施工材料、人员、设备均需通过运输系统运至工作面，因此运输系统的效率必须与TBM 掘进能力相配套，结合隧道断面，一般选择有轨运输。

（3）供料系统、风水电系统。遵循与TBM 掘进能力、耗能相配套的原则进行配置。结合隧址区实际情况，隧址区水电站较多，有白水江穿过，因此，项目区有充足的水、电资源。

6 高楼山隧道TBM 施工方案

根据高楼隧道实际地质情况，结合国内外施工案例，可采用的TBM 施工方案主要有：（1）小断面TBM 导洞扩挖法；（2）全断面TBM 开挖法[14-15]。

通过对通风方案的比选论证，确定TBM 施工法采用1 斜1 竖井通风方案。如果采用大断面TBM 施工，可取消竖斜井，采用全横向通风，但TBM 断面直径达14.1m，断面大，施工风险较高[16-17]。

因此，对于施工方案设计主要结合通风方案展开。考虑到本项目地形的复杂性，通过对有轨斜井和无轨斜井的比选论证，从施工安全的角度出发，斜井均采用无轨运输方式。

6.1 小断面TBM 导洞扩挖法+钻爆法方案

结合高楼山隧道地质条件等实际情况，隧道进口段1.9km，出口段1.1km 为断层及其影响带，不宜采用TBM 法开挖施工，因此，为了降低TBM 施工风险，方案设计时，进出口段，利用TBM制造、运输、组装时间，断层带区域采用钻爆法提前开挖施工。TBM小导洞扩挖法施工在中主要考虑了两种方案：①采用一台小断面TBM 从隧道出口掘进方案；②采用两台小断面掘进机从隧道进出口相向掘进小导洞扩挖方案。

（1）小断面TBM(1 台Φ5m)小导洞扩挖+钻爆方案：1 斜+1 竖井分段纵向通风。隧道进、出口段采用钻爆法施工，一台小断面敞开式TBM 硬岩掘进机施工左线隧道中间段，掘进机从左线出口始发，施工组织如图1 所示。

图1 方案一总体施工组织示意图

经测算，29.2 个月实现隧道左线中间段落小导洞贯通，其中TBM 掘进小导洞段落长8.4km；然后从隧道两端对小导洞进行扩挖，经15.9 个月扩挖实现隧道左线全断面贯通，考虑机电、交安、消防、涂装等各项工程施工时间，左线全断面施工完成总工期为45.1 个月。斜井主要考虑辅助右洞施工，左、右线可同时贯通。因此，不考虑对掘进机进行转场。

（2）小断面TBM(2 台)小导洞扩挖+钻爆方案：1斜+1 竖井分段纵向通风。隧道进、出口段先采用钻爆法施工，两台直径5m 小断面敞开式TBM 硬岩掘进机分别从隧道左右线出口始发，施工组织如图2所示。

图2 方案二总体施工组织示意图

经测算，27.8 个月实现隧道中间段落小导洞贯通，其中TBM 掘进小导洞段落长7.8km（双洞长度）；然后从隧道两端对小导洞进行扩挖，经14.7 个月实现隧道全断面贯通，考虑机电、交安、消防、涂装等各项工程施工时间，施工总工期42.5 个月。

6.2 全断面TBM 法+钻爆法方案

根据高楼山隧道实际地质情况，施工时受到断裂带，高地应力等影响，隧道进口段1.9km，出口段1.1km 为断层及其影响带，不宜采用TBM 法开挖施工。因此，该区域施工宜应采用钻爆法开挖，可以利用TBM制造、运输、组装时间提前施工。出口钻爆法施工段，断面需进行扩大（直径扩大1.5m），满足TBM 进入隧道的净空要求。

（1）全断面TBM（1 台Φ12.7m）+钻爆方案：全横向通风+1 斜1 竖井分段纵向通风。一台全断面TBM 掘进机+钻爆施工方案，TBM 主洞拟采用R=565cm，以便与钻爆法拟定隧道净空断面相统一。该方案左洞采用TBM 施工，右洞采用钻爆法施工，施工组织如图3 所示。TBM 施工相对应的隧道净空断面尺寸与钻爆法净空断面一致（D=11.3m），考虑衬砌结构厚度，采用直径12.7m 的TBM 掘进机。

图3 方案三总体施工组织示意图

左洞采用全断面TBM 施工，断面较大，通过通风计算，可采用全横向通风，右洞仍采用竖斜井通风，但相对小导洞扩挖法施工方案，斜竖井断面减小（减小为40m2）即可满足通风需要。

采用全断面敞开式TBM 硬岩掘进机先施工单洞隧道，隧道中间段平均按420m/月掘进综合进度估算。掘进机从左线出口始发，在理想的施工组织条件下，31.2 个月实现左线单洞贯通，其中TBM 掘进8.2km。

如果右线采用钻爆法施工，36.6 个月实现右线贯通。机电、交安、消防、涂装等各项工程施工时间，按照6 个月考虑，总工期42.6 个月。

如果左线贯通后，对TBM 进行转场，转至右洞施工，在理想的施工组织条件下，合计35.5 个月实现右洞贯通。该方案为了实现TBM 顺利转场进入右洞，钻爆法断面直径需扩大约1.2m，满足TBM 运行净空，工程浪费较大，如果在洞内拼装TBM 掘进机，所需拼装洞室空间约达到20m×16m，因此，TBM 转场方案不推荐采用。

（2）全断面TBM（2 台Φ14.1m）+钻爆方案：全横向通风。采用两台全断面TBM 施工方案，如果采用上一方案相同的净空断面，左右线隧道均采用全横向通风，断面尺寸不能满足通风道要求，还需要考虑设置竖斜井进行通风。

因此，从工程规模及经济性考虑，将断面进行适当扩大，取消竖斜井，同时满足全横向通风需要。通过计算，隧道净空断面直径为12.5m，考虑衬砌结构厚度，采用直径14.1m 的TBM 掘进机。

两台全断面TBM 硬岩掘进机从隧道出口始发掘进，施工组织如图4 所示。在掘进机始发前，应对进出口段落断层及其影响带，采用采用钻爆法施工。考虑到实际地质情况，平均按400m/月的综合掘进速度估算。