高海拔超長鐵路隧道TBM施工斷面優(yōu)化的探討

劉長利

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

我國已成功修建多座長度超過20 km的特長鐵路隧道，并規(guī)劃有更多的特長隧道［1］。為準(zhǔn)確表述當(dāng)前隧道技術(shù)水平和修建難度，可以考慮將20 km以上的隧道定義為超長隧道［2］。這些規(guī)劃的超長隧道多數(shù)處于我國西部高原地區(qū)，普遍面臨高海拔、高地震烈度、工程地質(zhì)復(fù)雜等問題［3］，并且沿線生態(tài)環(huán)境脆弱，高原缺氧，施工難度較大，因此需拓寬思路，多方論證，充分運用先進(jìn)、可靠及成熟的技術(shù)來解決工程建設(shè)難題。

文獻(xiàn)［4-9］從車內(nèi)瞬變壓力、洞口微氣壓波、隧道空氣阻力等方面開展研究，并取得了列車動態(tài)密封指數(shù)、旅客舒適度標(biāo)準(zhǔn)、隧道斷面優(yōu)化等研究成果。另外，楊銘［10］針對穗莞深城際鐵路運行CRH2型動車組，對已施工地下段的建筑限界進(jìn)行校核并提出擴(kuò)挖方案；趙勇等［11］給出了客運專線隧道內(nèi)輪廓、底部結(jié)構(gòu)、排水溝槽、無砟軌道基礎(chǔ)墊層等優(yōu)化成果；鄭天中［12］分析了西康鐵路秦嶺特長隧道襯砌斷面設(shè)計的主要因素，給出了圓形襯砌內(nèi)輪廓的研究成果。TBM施工、剛性接觸網(wǎng)在各自領(lǐng)域均有大量研究成果，但這2項技術(shù)用于隧道斷面優(yōu)化方面尚無文獻(xiàn)涉及。

高海拔超長隧道是近期鐵路建設(shè)領(lǐng)域的重難點，除了考慮將TBM施工、剛性接觸網(wǎng)分別納入隧道設(shè)計外，還考慮對隧道斷面進(jìn)行優(yōu)化。本文對高海拔超長隧道斷面優(yōu)化需求、TBM+剛性接觸網(wǎng)的適用性進(jìn)行分析，采用TBM+剛性接觸網(wǎng)對隧道內(nèi)輪廓、TBM開挖斷面以及隧道工程造價、隧道棄渣量等方面進(jìn)行數(shù)值模擬和定量分析，提出160，200 km/h等級TBM施工隧道內(nèi)輪廓和斷面優(yōu)化數(shù)據(jù)。

表1 高海拔超長隧道的基本技術(shù)條件

1 高海拔超長隧道斷面優(yōu)化需求

基于全壽命周期設(shè)計理念，鐵路勘察設(shè)計應(yīng)滿足建設(shè)風(fēng)險可控和運輸安全可靠的要求。高海拔超長隧道的基本技術(shù)條件見表1。當(dāng)隧道海拔高度大于3 000 m、輔助坑道條件較差、工期不滿足要求、地質(zhì)條件和場地條件適宜時，宜采用TBM施工。

現(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定隧道內(nèi)輪廓應(yīng)滿足建筑限界、空氣動力學(xué)效應(yīng)、列車密封性、接觸網(wǎng)懸掛方式、軌道結(jié)構(gòu)及維護(hù)形式、疏散救援等要求，160 km/h與200 km/h等級隧道最小凈空有效面積分別為42，52 m2。對于高海拔超長隧道內(nèi)輪廓須額外考慮高海拔接觸網(wǎng)安裝空間增大、增設(shè)中心排水溝等因素，當(dāng)TBM開挖穿越Ⅳ，Ⅴ級圍巖的硬質(zhì)巖較破碎、軟質(zhì)巖或小型斷層段落時需考慮加強(qiáng)初期支護(hù)、增大二次襯砌厚度等措施。因此，高海拔超長隧道不僅隧道凈空有效面積增大，而且需要采用較大直徑TBM施工，將涉及大直徑TBM自主研制、施工難度、工期風(fēng)險、工程投資、生態(tài)環(huán)保等一系列問題，有必要開展隧道斷面的優(yōu)化工作。

如果多座高海拔超長隧道擬采用TBM施工，由于這些隧道在海拔高度、工程地質(zhì)、圍巖級別及地震烈度等方面存在不同技術(shù)條件，將導(dǎo)致TBM開挖直徑不一致?？紤]到TBM設(shè)備壽命及整修利用問題，希望這些隧道盡量統(tǒng)一TBM開挖直徑，可以考慮通過優(yōu)化隧道斷面來提高TBM通用性。

隧道通用圖中疏散通道尺寸為1.25 m（寬）×2.20 m（高），是參考德國標(biāo)準(zhǔn)制定的，而TB 10020—2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計規(guī)范》要求疏散通道寬度不小于0.75 m，因此隧道內(nèi)輪廓存在優(yōu)化空間。另外，法國高速鐵路230 km/h單線隧道和德國客貨共線鐵路單線隧道凈空有效面積均采用46 m2，西班牙馬德里至塞維利亞鐵路270 km/h單線隧道凈空有效面積采用42 m2。我國客貨共線鐵路隧道凈空有效面積是在列車密封水平較低的條件下制定的，隨著我國列車密封性能的不斷提升，當(dāng)采用復(fù)興號CR200J動力集中型動車組或動力分散型動車組上線運行時，隧道內(nèi)輪廓的凈空有效面積可以優(yōu)化。

綜上所述，高海拔超長隧道面臨TBM開挖斷面較大和TBM直徑宜盡量統(tǒng)一的問題，考慮到疏散通道、空氣動力學(xué)效應(yīng)的技術(shù)更新情況，可以在縮小隧道內(nèi)輪廓和開挖斷面方面開展優(yōu)化工作，并在不同超長隧道的TBM論證中靈活采用。

2 TBM+剛性接觸網(wǎng)的適用性

TBM施工、剛性接觸網(wǎng)在我國鐵路特長隧道均有成熟應(yīng)用經(jīng)驗。我國已投入運營的特長鐵路隧道中，采用TBM施工的有3座，采用剛性接觸網(wǎng)的有4座，見表2。典型的開敞式TBM和隧道內(nèi)剛性接觸網(wǎng)安裝如圖1所示。

表2 TBM、剛性接觸網(wǎng)在我國鐵路特長隧道的應(yīng)用

圖1 開敞式TBM（左）和隧道內(nèi)剛性接觸網(wǎng)（右）

TBM屬于機(jī)械化程度高的隧道施工技術(shù)，剛性接觸網(wǎng)是在隧道內(nèi)架空安裝的牽引供電設(shè)施。根據(jù)技術(shù)特性和工程實踐的分析，發(fā)現(xiàn)TBM與剛性接觸網(wǎng)之間有一些共性、關(guān)聯(lián)性，各自有其局限性。這2項技術(shù)的兼容性分析見表3。

表3 TBM與剛性接觸網(wǎng)的兼容性

在南疆鐵路中天山隧道設(shè)計時，隧道開挖采用了經(jīng)整修的西康秦嶺隧道?8.8 m開敞式TBM施工［13］，由于隧道斷面尺寸不滿足160 km/h柔性接觸網(wǎng)的安裝空間要求，配套采用了結(jié)構(gòu)尺寸較小的剛性接觸網(wǎng)。實踐結(jié)果表明，TBM+剛性接觸網(wǎng)在特長隧道上具有兼容性和適用性。

青藏鐵路新關(guān)角隧道為160 km/h等級雙洞單線隧道，按最小凈空有效面積42 m2進(jìn)行設(shè)計，隧道凈空高度7.2 m［14］，不滿足高海拔柔性接觸網(wǎng)的安裝空間要求，配套采用了結(jié)構(gòu)尺寸較小的剛性接觸網(wǎng)。實踐結(jié)果表明，剛性接觸網(wǎng)在高海拔隧道具有適用性，但TBM+剛性接觸網(wǎng)在高海拔超長隧道的應(yīng)用尚無先例，仍需開展相關(guān)研究。

3 TBM施工隧道內(nèi)輪廓和斷面優(yōu)化

3.1 TBM施工隧道襯砌和底部結(jié)構(gòu)模型

TBM施工的超長隧道考慮采用表1中的基本技術(shù)條件，襯砌結(jié)構(gòu)按滿足V級圍巖的較破碎硬質(zhì)巖或軟質(zhì)巖進(jìn)行設(shè)計。初期支護(hù)采用噴C30高性能混凝土，厚度150 mm，預(yù)留變形量100 mm。二次襯砌厚度350 mm。預(yù)留施工誤差考慮了模筑混凝土襯砌施工誤差、掘進(jìn)機(jī)施工誤差、測量誤差等因素，取值100 mm。洞內(nèi)設(shè)雙側(cè)電纜槽、雙側(cè)水溝及中心水溝，通過仰拱預(yù)制塊中預(yù)埋的進(jìn)水管將側(cè)溝水引至中心水溝。疏散通道寬度按不小于0.75 m進(jìn)行優(yōu)化。TBM施工隧道襯砌及底部結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 TBM施工隧道襯砌及底部結(jié)構(gòu)模型（單位：cm）

3.2 高海拔隧道內(nèi)接觸網(wǎng)模型

以典型的海拔4 000 m隧道為例，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)空氣絕緣間隙采用系數(shù)1.445進(jìn)行修正，則接觸網(wǎng)帶電體至固定接地體間隙為0.434 m，接觸線距軌面最低高度5.85 m，考慮到海拔修正后，隧道內(nèi)直線區(qū)段的剛性接觸網(wǎng)、柔性接觸網(wǎng)模型見圖3、圖4。其中，剛性接觸網(wǎng)的最小凈空要求為6.65 m，柔性接觸網(wǎng)的最小凈空要求為7.15 m。

考慮到隧道內(nèi)曲線外軌超高和錨段關(guān)節(jié)安裝，柔性接觸網(wǎng)至少應(yīng)在圖4尺寸的基礎(chǔ)上再加高0.2 m，因此柔性接觸網(wǎng)的最小凈空要求為7.35 m。此最小凈空值是為了優(yōu)化隧道斷面而采用的接觸網(wǎng)設(shè)計困難值，相對于速度160～200 km/h等級的普速單線隧道內(nèi)接觸網(wǎng)最小凈空要求6.85 m而言，海拔高度4 000 m隧道的接觸網(wǎng)最小凈空要求相應(yīng)增加0.5 m。

圖3 高海拔隧道內(nèi)剛性接觸網(wǎng)模型（單位：cm）

圖4 高海拔隧道內(nèi)柔性接觸網(wǎng)模型（單位：cm）

3.3 TBM施工隧道斷面的對比及優(yōu)化

3.3.1 分析方法

分160，200 km/h兩個等級對TBM施工隧道內(nèi)輪廓和斷面進(jìn)行分析，采取數(shù)據(jù)與圖形相結(jié)合的方法，各項因素經(jīng)初始計算后以數(shù)值方式納入隧道斷面圖中，并進(jìn)行圖形整合、比對和修正，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。具體方法如下：

1）TBM施工隧道、接觸網(wǎng)的參數(shù)經(jīng)過初始計算后，建立模型，各項參數(shù)如圖2—圖4所示，提取剛性接觸網(wǎng)、柔性接觸網(wǎng)要求的最小凈空值。

2）在圖2基礎(chǔ)上按線路等級對應(yīng)的建筑限界、最小凈空有效面積要求繪制TBM施工隧道內(nèi)輪廓和斷面圖，提取建筑限界要求的最小凈空值、最小凈空有效面積對應(yīng)的凈空值。

3）將圖3、圖4分別納入隧道斷面圖中，進(jìn)行圖形整合、數(shù)值比對，按凈空值較大者對隧道斷面圖進(jìn)行修正，最終得出剛性接觸網(wǎng)、柔性接觸網(wǎng)對應(yīng)的隧道斷面圖，分析隧道內(nèi)輪廓的控制因素。

4）提取隧道內(nèi)輪廓直徑、開挖斷面直徑、軌面以上凈空橫斷面面積、開挖面積等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3.3.2 160 km/h等級TBM施工隧道

對于160 km/h等級TBM施工隧道，在圖2基礎(chǔ)上按照建筑限界、凈空有效面積42 m2要求繪制TBM施工隧道內(nèi)輪廓和斷面圖，將剛性接觸網(wǎng)、柔性接觸網(wǎng)分別納入斷面圖中進(jìn)行數(shù)值比對和圖形修正后，得出斷面1和斷面2如圖5所示。從圖5中提取TBM施工隧道斷面對比見表4。可以看出，160 km/h等級TBM施工隧道斷面尺寸受控于接觸網(wǎng)安裝要求，斷面1和斷面2的隧道內(nèi)輪廓均可滿足凈空有效面積42 m2和隧道建筑限界的基本要求，斷面2的隧道內(nèi)輪廓和斷面尺寸較大。TBM施工隧道斷面優(yōu)化可考慮改變接觸網(wǎng)懸掛形式，當(dāng)采用剛性接觸網(wǎng)時，與柔性接觸網(wǎng)相比，TBM直徑可縮小0.66 m，TBM開挖斷面面積可減小9.88 m2。

3.3.3 200 km/h等級TBM施工隧道

對于200 km/h等級TBM施工隧道，在圖2基礎(chǔ)上按照建筑限界、凈空有效面積48 m2和52 m2要求繪制TBM施工隧道內(nèi)輪廓和斷面圖，將剛性接觸網(wǎng)、柔性接觸網(wǎng)分別納入斷面圖中并進(jìn)行數(shù)值比對和圖形修正后，得出斷面3和斷面4如圖6所示。

圖5 160 km/h等級TBM施工隧道內(nèi)輪廓及斷面（單位：cm）

圖6 200 km/h等級TBM施工隧道內(nèi)輪廓及斷面（單位：cm）

表4 線路等級160 km/h的TBM施工隧道斷面對比

表5 線路等級200 km/h的TBM施工隧道斷面對比

從圖6中提取TBM施工隧道斷面對比數(shù)據(jù)見表5?？梢钥闯?，200 km/h等級TBM施工隧道斷面尺寸受控于空氣動力學(xué)要求，斷面3和斷面4的隧道內(nèi)輪廓均可滿足接觸網(wǎng)安裝要求，斷面4的隧道內(nèi)輪廓和斷面尺寸較大。TBM施工隧道斷面優(yōu)化可考慮縮小凈空有效面積，當(dāng)隧道的內(nèi)輪廓按凈空有效面積48 m2進(jìn)行設(shè)計時，與隧道設(shè)計規(guī)范的凈空有效面積52 m2相比，TBM直徑可縮小0.3 m，TBM開挖斷面面積可減小4.64 m2。

表5中凈空有效面積48 m2是基于動車組的動態(tài)密封指數(shù)不小于6 s、高原地區(qū)大氣壓較低及疏散通道寬度減小等因素提出的優(yōu)化值。

4 斷面優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 降低工程造價

以一座典型的海拔4 000 m超長隧道為例。算例為：隧道長度20 km，采用雙洞單線的分修模式；采用2臺TBM錯洞對打或同向掘進(jìn)方案，每洞TBM施工段長度為15 km，其余以鉆爆法輔助施工。工程造價分析采取的方法為：采用表4、表5中斷面1—斷面2、斷面3—斷面4進(jìn)行工程造價增減計算；鉆爆法施工段馬蹄形斷面、TBM設(shè)備購置費差異等不納入對比分析。工程造價分析的內(nèi)容參照中天山隧道，分TBM開挖斷面及襯砌、下錨洞擴(kuò)挖斷面及襯砌、剛性接觸網(wǎng)增加費3個項目，進(jìn)行開挖土石方量計算及初期支護(hù)、二次襯砌、仰拱等鋼筋混凝土用量計算，開挖土石方及襯砌施工采用400元/m3綜合指標(biāo)，剛性接觸網(wǎng)比柔性接觸網(wǎng)增加費采用90萬元/km指標(biāo)。

工程造價分析如表6所示?？梢钥闯觯?60 km/h超長隧道采用斷面1比斷面2降低工程造價約8 713萬元；200 km/h超長隧道采用斷面3比斷面4降低工程造價約2 425萬元。TBM+剛性接觸網(wǎng)可降低工程造價，并且160 km/h超長隧道的經(jīng)濟(jì)效果更為顯著。

表6 典型20 km超長隧道的工程造價分析 萬元

4.2 減少隧道棄渣量

根據(jù)表4、表5中TBM開挖斷面面積，160 km/h等級超長隧道采用斷面1比斷面2每延米可減少隧道棄渣量9.88 m3，200 km/h等級超長隧道采用斷面3比斷面4每延米可減少隧道棄渣量4.64 m3。對于長度20 km的雙洞單線隧道，按TBM施工各15 km進(jìn)行測算，160 km/h等級超長隧道采用斷面1比斷面2減少隧道棄渣量達(dá)29.64萬m3，200 km/h等級超長隧道采用斷面3比斷面4減少隧道棄渣量13.92萬m3。TBM+剛性接觸網(wǎng)可減少隧道棄渣量，并且160 km/h超長隧道的經(jīng)濟(jì)效果更為顯著。

隧道棄渣量的減少，相應(yīng)地減少洞內(nèi)出渣運輸、洞外運渣工作量，從而節(jié)省工期；由于棄渣場規(guī)模的縮小，相應(yīng)地減小了對生態(tài)環(huán)境的影響。

5TBM相關(guān)技術(shù)分析

在表4、表5中斷面1—斷面4的TBM直徑分別為9.20，9.86，9.70，10.00 m。隨著TBM直徑的增大，設(shè)備研制難度、高原地區(qū)施工難度及風(fēng)險也將增大。目前高黎貢山隧道采用我國自主研制的?9.03 m開敞式TBM施工，我國已具備大直徑TBM設(shè)備的創(chuàng)新能力［15］。從隧道規(guī)劃設(shè)計角度講，希望盡量減小TBM開挖直徑以節(jié)省投資并減少棄渣量；從TBM研制和施工角度講，希望開展大直徑TBM研制和工藝工法創(chuàng)新。因此，確定TBM直徑需綜合考慮高海拔超長隧道建設(shè)要求、TBM技術(shù)掌握程度、設(shè)備自主研發(fā)能力等因素。從統(tǒng)籌兼顧的角度看，TBM直徑采用9.7 m可以兼容160，200 km/h兩個等級超長隧道，TBM設(shè)備重復(fù)利用率較高，并在降低工程造價、減少隧道棄渣量方面取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

中天山隧道和西秦嶺隧道采用了TBM同步襯砌技術(shù)［16］。中天山隧道為160 km/h隧道，采用整修的TB880E開敞式TBM施工，剛性接觸網(wǎng)不設(shè)下錨洞。西秦嶺隧道為通行雙層集裝箱列車的200 km/h隧道，采用中外聯(lián)合設(shè)計制造的?10.2 m開敞式TBM施工，隧道斷面較大因此柔性接觸網(wǎng)未設(shè)下錨洞?？傮w而言，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)不設(shè)下錨洞有利于TBM同步襯砌技術(shù)實施，進(jìn)而縮短隧道施工工期。

TBM+剛性接觸網(wǎng)具有防災(zāi)能力強(qiáng)的優(yōu)點，是超長隧道運營須要考慮的內(nèi)容。TBM施工隧道的圓形斷面具有良好的結(jié)構(gòu)抗震安全性，TBM施工隧道襯砌成形質(zhì)量較好，可減少隧道二次襯砌脫空、開裂掉塊等病害發(fā)生概率。而剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點表明其受隧道襯砌病害的影響較小，在隧道火災(zāi)、地震的情況下能夠為動車組持續(xù)供電，在烏鞘嶺隧道內(nèi)機(jī)車火災(zāi)時車頭自行駛離隧道是其成功案例。

6 結(jié)論

對于TBM施工的高海拔超長隧道，可以采用剛性接觸網(wǎng)、減小疏散通道寬度、縮小凈空有效面積等措施對TBM施工隧道內(nèi)輪廓和斷面進(jìn)行優(yōu)化。通過建立TBM施工隧道襯砌和底部結(jié)構(gòu)模型、高海拔接觸網(wǎng)模型，對TBM施工隧道斷面進(jìn)行了對比分析及優(yōu)化。主要結(jié)論如下：

1）160 km/h等級TBM施工隧道斷面尺寸受控于接觸網(wǎng)安裝要求，采用剛性接觸網(wǎng)時隧道開挖斷面面積比采用柔性接觸網(wǎng)時減小9.88 m2。

2）200 km/h等級TBM施工隧道斷面尺寸受控于空氣動力學(xué)要求，凈空有效面積采用48 m2時隧道開挖斷面面積比設(shè)計規(guī)范要求減小4.64 m2。

3）TBM+剛性接觸網(wǎng)可顯著降低隧道工程造價、減少隧道棄渣量，有利于TBM同步襯砌技術(shù)實施，提高隧道防災(zāi)能力。