让双护盾TBM向青藏高原掘进

文/傅支黔 陈炜韬 张子晗

获奖等级：一等奖

项目名称：青藏高原复杂地质条件下围岩双护盾TBM公路隧道建造关键技术

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“青藏高原复杂地质条件下双护盾TBM公路隧道建造关键技术”项目的依托工程——多雄拉隧道是派墨公路的控制性节点工程，也是首条穿越喜马拉雅山脉的双护盾TBM公路隧道。在施工过程中，建设者们将遇到挤压性围岩、岩爆、120米高水头、破碎带等不良地质作用，并直接影响管片结构安全。此外，多雄拉隧道施工前期采用的双护盾TBM由于盾体长达11.75米，极易在施工中发生卡机事故。同时，由于设备盾体封闭，在洞内无法直接观察围岩，从而无法实现信息化动态、快速施工。因此，该项目研究团队就双护盾TBM公路建造的关键技术进行了系统性研究。

项目挑战大 技术问题多

多雄拉隧道洞身段挤压性围岩、岩爆围岩占比合计超过60%，最高水头120米，最大地应力32兆帕，穿越多雄拉背斜和两个断层破碎带，最大破碎带宽度200米。

隧道在建设前期面临三大挑战：首先，进出口原始森林茂密、地形陡峭且山体宽厚、洞身地表终年积雪、无勘探便道等，勘测阶段准确探明地质难；而施工阶段由于双护盾TBM受盾体包裹，地质人员无法直接观察围岩，故采集地质信息指导施工也相当难。其次，对于双护盾TBM挤压性围岩形变作用、岩爆冲击作用无定量计算方法，管片结构设计无据可依；隧道水头120米太高，管片背后水压力太大，必须进行泄压，但泄压排水时管片背后水压力计算又无规范指导，故结构设计难。最后，双护盾TBM最大弊端是盾体太长，施工中卡机预警和防卡机难度极大。如何成功解决这三大难，决定了隧道修建的成败。

目前，国内外在双护盾TBM建造技术方面的研究，主要集中在卡机机理及脱困措施、施工过程三维数值仿真、超前地质预报、浅埋隧道荷载计算方法、卡机施工处理等应用性层面，总结归纳起来，存在三个方面的问题：首先，对于双护盾TBM卡机和施工纠偏以被动为主，没有建立一套可提前预警卡机、快速通过管片拼装纠偏的方法。其次，管片与围岩间豆粒石层的传力机制不明；挤压性围岩和岩爆围岩条件下双护盾TBM隧道施工力学响应机理不明，无挤压性围岩形变作用、岩爆围岩冲击作用计算方法；对于超过70米水头条件下，结构排水泄压时水压力分布规律和计算方法未见研究。最后，大部分已有研究成果，均需要在停机状态采集围岩地质信息，然后再进行围岩级别判定，严重干扰和影响施工进度，与双护盾TBM快速施工不相匹配。

解关键难题 获多项成果

为解决多雄拉隧道建设过程中面临的困难，由中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司作为牵头，联合华能西藏雅鲁藏布江水电开发投资有限公司、中国水利水电第十工程局有限公司、西南交通大学、中交天和机械设备制造有限公司组成科研联合攻关小组，通过现场调查管片服役特性、现场测试、室内试验、数值模拟，理论分析、资料调研等综合手段，对双护盾TBM施工、管片设计和地质信息采集等关键问题进行了系统研究。通过研究，形成了“青藏高原复杂地质条件下双护盾TBM公路隧道建造关键技术”，解决了双护盾TBM隧道建造中众多关键问题，成果直接指导工程设计和施工，保障了多雄拉隧道的顺利贯通，并为同类工程采用双护盾TBM施工提供参考和借鉴，推动双护盾TBM在隧道建设中的应用。

首先，该项技术保障了派墨公路多雄拉隧道、引汉济渭秦岭隧洞、新疆引额供水工程喀双隧洞的安全快速建设，确保了施工过程零事故。其中，双护盾TBM双模快速化施工转换技术、施工临灾预警方法经现场应用，证明可有效降低卡机风险，以油缸行程差和盾尾间隙为控制标准的姿态调控技术可有效提升隧道掘进精度。此外，依托该项技术编制了《全断面岩石掘进机施工技术导则》《岩石隧道掘进机法技术规程》等规范，形成了《双护盾TBM喷锚支护施工工法》《双护盾硬岩掘进机(TBM)机头脱困施工工法》《大直径双护盾硬岩掘进机长隧洞施工工法》和《四方格盾构隧道管片BIM软件》等，这也说明该项技术及应用得到了国内的高度认可。

其次，该项技术已成功运用在多雄拉越岭隧道及相关水工隧洞等一系列青藏高原地区长大隧道的勘察设计当中，相关研究成果为类似隧道工程设计、工法选择提供了借鉴，推动了双护盾TBM在隧道建设中的应用。依托该项技术编制的《双护盾TBM公路隧道设计关键技术及应用》《高海拔隧道工程》《隧道与地下工程数值计算及工程应用》等专著作，形成了大量知识产权成果。

最后，依托该项技术形成的“双护盾TBM公路隧道地质信息采集及围岩分级评价方法”系国内外首次系统针对双护盾TBM施工开展的超前地质预报技术攻关。项目研究成果在多个国内重大工程中得到充分应用，成功指导了TBM掘进施工。编制的《双护盾TBM隧道施工超前地质预报》《水电工程地质信息一体化》专著及大量专利成果，得到了业界的一致认可，均表示项目研究成果破解了长久以来双护盾TBM施工无法获取有效地质信息的重大难题。

助力多雄拉 开拓新市场

该项目的研究成果直接指导了多雄拉隧道的设计、施工，并基于不同围岩条件下管片结构设计方法成果，提出了轻、中、重管片分类设计，在Ⅱ、Ⅲ级围岩中突破现行规范，设计使用了C35钢筋混凝土管片。提出的双护盾TBM双模转换和姿态调控技术，解决了传统双护盾TBM无法喷锚支护和洞轴线快速纠偏的问题；施工过程中卡机临灾预警方法的应用避免了至少3次TBM卡机事故。项目研发的一系列全封闭环境下地质信息采集装置确保了信息化动态施工，实现了施工围岩快速分级。这一系列技术的应用，保障了隧道的顺利建设，实现了施工安全零事故，使隧道提前5个月贯通，节约工程投资1.17亿元。

此外，该项目研究提出的卡机临灾预警方法、TBM卡机防控措施、结构荷载计算方法等，已推广应用于长达39公里的引汉济渭工程秦岭隧道和长达211公里的引额供水工程喀双隧洞等重大TBM隧道工程的建设中，均取得良好效果。

未来，随着川藏高速公路、川藏铁路、滇藏铁路和雅鲁藏布江下游水电资源工程的陆续建设，大量长大隧道将采用TBM法在高原上施工。