雙護(hù)盾TBM建造技術(shù)在派墨公路多雄拉隧道中的應(yīng)用

張子晗，陳煒韜，王 建，黃 鵬，姚林林，鐘 果

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、綜合國力的不斷提升及高新技術(shù)的不斷應(yīng)用，我國隧道及地下工程得到了前所未有的迅速發(fā)展。TBM 隧道施工法作為一種適用于現(xiàn)代隧道及地下工程建設(shè)的重要施工方法，發(fā)揮了重要作用。TBM施工方法具有“掘進(jìn)速度快、施工擾動(dòng)小、成洞質(zhì)量佳、自動(dòng)一體化程度高、施工環(huán)境優(yōu)、綜合經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益強(qiáng)”等顯著優(yōu)勢。隨著鉆爆法人力成本的快速增加，加之越嶺深埋長隧道施工支洞布置受限，越來越多的隧道工程尤其是越嶺深埋長大隧道采用掘進(jìn)機(jī)施工方法。

西藏林芝派鎮(zhèn)至墨脫公路（簡稱“派墨公路”）是墨脫縣第2條進(jìn)出通道，也是規(guī)劃雅魯藏布江下游截彎開發(fā)梯級電站的前期勘察公路，距離邊界實(shí)控線直線距離約24km，其建成對當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源開發(fā)、國防等具有重大意義。多雄拉隧道是派墨公路的控制性工程，全長4789m，工程區(qū)位于青藏高原喜馬拉雅“東構(gòu)造結(jié)”核心部位，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，隧道進(jìn)出口平均高程3556.6m，洞身穿越2個(gè)斷層破碎帶，擠壓性圍巖和巖爆段占隧道全長約60%，地質(zhì)條件復(fù)雜。在工程建設(shè)前期，從安全性、經(jīng)濟(jì)性、工期等多個(gè)方面對隧道采用的施工方法進(jìn)行了比選，同時(shí)為了驗(yàn)證雙護(hù)盾TBM在高海拔地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下施工隧道工程的可行性，為雅魯藏布江水電開發(fā)過程中采用TBM施工奠定基礎(chǔ)。經(jīng)多次專家科學(xué)論證分析，最終確定多雄拉隧道采用雙護(hù)盾TBM施工。

1 多雄拉隧道工程概況

多雄拉隧道位于西藏自治區(qū)林芝地區(qū)米林縣派鎮(zhèn)與墨脫縣背崩鄉(xiāng)交界部位，隧道從西端的派鎮(zhèn)松林口進(jìn)洞至東端的多雄河源三坪南側(cè)出洞，隧洞全長4 789m，采用“林芝一號”雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)單向掘進(jìn)施工。隧道內(nèi)徑8.1m，開挖洞徑9.13m，采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌進(jìn)行支護(hù)。隧道工程參數(shù)如表1所示，隧道尺寸、管片拼裝方式如圖1所示。

表1 多雄拉隧道工程參數(shù)

圖1 多雄拉隧道斷面示意（單位：mm）

隧道最大埋深達(dá)820m，最大地應(yīng)力32MPa，高地應(yīng)力的隧道段長度為2148m，約占隧道全長的45%；穿越多雄拉背斜核部及寬度約200m的兩條斷層破碎帶，洞身圍巖主要為花崗片麻巖和混合片麻巖，隧道洞身巖爆段約占15%，巖爆等級以中等巖爆為主；擠壓性圍巖所占比例為27.9%，最大擠壓變形等級為中等。隧道頂部地表發(fā)育3個(gè)冰湖，最高水頭120m，水壓高，多雄拉隧道地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖2 多雄拉隧道地質(zhì)斷面示意

2 雙護(hù)盾TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與地質(zhì)信息采集技術(shù)

多雄拉隧道地處高海拔、自然環(huán)境惡劣的無人區(qū)，沿線交通條件極差，河谷深切，地形起伏極大，部分區(qū)域常年積雪，前期地質(zhì)勘察難題極大，難以在前期探明隧道具體的地質(zhì)情況，施工過程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和地質(zhì)信息采集就顯得尤為重要。然而雙護(hù)盾TBM設(shè)備和施工工藝具有特殊性，其設(shè)備結(jié)構(gòu)、破巖機(jī)理以及施工環(huán)境與傳統(tǒng)鉆爆法和開敞式TBM都有著十分明顯的差異。雙護(hù)盾TBM機(jī)施工環(huán)境封閉、聲光電系統(tǒng)復(fù)雜，從而造成內(nèi)部作業(yè)空間狹小、開挖巖面不可見、噪音電磁干擾強(qiáng)等一系列施工工藝下的新問題。傳統(tǒng)地質(zhì)信息采集和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在該環(huán)境下都變得極其不適用。

在多雄拉隧道建設(shè)過程中用到的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)有：水平聲波反射法（HSP）、綜合地震預(yù)報(bào)（ISP）、隧道地震波反射層析成像技術(shù)（TRT）及隧道微震監(jiān)測技術(shù)等（見圖3～4）。

圖3 HSP超前探測結(jié)果

圖4 TRT超前探測結(jié)果

其中，HSP可利用雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)刀盤的震動(dòng)作為激發(fā)源，而由于受刀盤、盾體、管片阻擋，ISP和TRT在雙護(hù)盾TBM中難以實(shí)現(xiàn)震源激發(fā)，為此研發(fā)了適用于雙護(hù)盾TBM施工環(huán)境的新型震源激發(fā)裝置，實(shí)現(xiàn)了TRT和ISP在雙護(hù)盾TBM施工過程中的應(yīng)用［1-2］（見圖5）。

圖5 新型震源激發(fā)裝置

針對雙護(hù)盾TBM全封閉施工環(huán)境下地質(zhì)觀測和編錄困難的問題，從對刀盤和盾體結(jié)構(gòu)改造的角度入手，通過預(yù)設(shè)相應(yīng)攝像和激光掃描設(shè)備，發(fā)明了利用內(nèi)窺式的方式來實(shí)現(xiàn)對掌子面和邊墻等新近開挖巖面進(jìn)行巖貌掃描成像和三維影像模型獲取的裝置和技術(shù)（見圖6），從而可以在封閉環(huán)境下隨時(shí)獲取不同樁號的具有定位信息的掌子面和邊墻巖面的全景影像，并借助基于跡線確定巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀技術(shù)和相關(guān)地下洞室地質(zhì)編錄方法，為地質(zhì)人員進(jìn)行地質(zhì)編錄分析和地質(zhì)預(yù)報(bào)提供相關(guān)資料。

圖6 掌子面巖體三維影像獲取裝置

此外，在雙護(hù)盾TBM施工過程中，快速實(shí)時(shí)獲取巖體強(qiáng)度指標(biāo)和測試隧道深埋洞段地應(yīng)力特征，進(jìn)而獲取不同洞段的圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比，對高地應(yīng)力隧道雙護(hù)盾TBM施工至關(guān)重要。

通過研發(fā)雙護(hù)盾TBM施工環(huán)境下的掌子面巖體強(qiáng)度測試裝置，可實(shí)時(shí)便捷獲取掌子面各部位巖體強(qiáng)度分布云圖及分區(qū)特征等相關(guān)成果，并利用多個(gè)斷面成果，進(jìn)一步獲取巖體強(qiáng)度的空間發(fā)展演化特征（見圖7）。

圖7 掌子面巖體強(qiáng)度測試裝置示意

3 考慮豆礫石影響的雙護(hù)盾TBM管片設(shè)計(jì)技術(shù)

在多雄拉隧道的設(shè)計(jì)過程中，對于常規(guī)圍巖段的設(shè)計(jì)，首次采用了考慮豆礫石填充層影響的管片設(shè)計(jì)方法。雙護(hù)盾TBM隧道圍巖-豆礫石-管片結(jié)構(gòu)聯(lián)合作用力學(xué)模型見圖8。

圖8 雙護(hù)盾TBM隧道圍巖-豆礫石-管片結(jié)構(gòu)聯(lián)合作用力學(xué)模型

其中抗力系數(shù)采用豆礫石-圍巖耦合作用抗力系數(shù)（如式（1）所示），建立了適用于常規(guī)地層管片設(shè)計(jì)方法（如圖9所示）［3-5］。

圖9 常規(guī)地層管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

式中：kR為豆礫石-圍巖耦合抗力系數(shù)；kr為圍巖抗力系數(shù)；G1～G4為待定參數(shù)。

在多雄拉隧道對管片受力進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，管片內(nèi)力實(shí)測值與不同計(jì)算方法的內(nèi)力計(jì)算值對比如表2所示。

表2 多雄拉隧道管片內(nèi)力實(shí)測值與計(jì)算值對比

通過實(shí)測對比，采用圍巖-豆礫石-管片結(jié)構(gòu)聯(lián)合力學(xué)模型相較于傳統(tǒng)計(jì)算方法，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果精度提升約10%［6-10］。

4 雙護(hù)盾TBM施工臨災(zāi)預(yù)警方法和防控措施

雙護(hù)盾TBM施工時(shí)，其掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定后在均勻穩(wěn)定圍巖中保持相對不變，巖渣形態(tài)、塊度等也相對恒定，在雙護(hù)盾全封閉環(huán)境下成為窺見圍巖的重要環(huán)節(jié)，圍巖的變化往往直接引起轉(zhuǎn)速、進(jìn)尺、巖渣塊度等改變，因而根據(jù)掘進(jìn)過程中所獲取的巖渣信息和掘進(jìn)參數(shù)差異性變化，反推圍巖的變化與異常，以作為臨災(zāi)預(yù)警的手段之一。

通過對雙護(hù)盾TBM施作的具體工程巖體質(zhì)量與巖渣特征和掘進(jìn)參數(shù)的對比統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，巖體質(zhì)量的變化在巖渣特征和掘進(jìn)參數(shù)上都有很大程度的相關(guān)性。在巖體完整性較好的洞段，巖渣形態(tài)普遍以片狀為主，而在較破碎洞段，巖渣渣體中塊狀巖渣的含量明顯增加，多為大塊狀或碎塊碎粉狀，巖渣形態(tài)隨巖體質(zhì)量的變化也出現(xiàn)明顯的差異。同時(shí)，巖體掘進(jìn)參數(shù)中的總推力、貫入度以及貫推比（貫入度／總推力）也隨巖體質(zhì)量的變化出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。在多雄拉隧道出現(xiàn)集中卡機(jī)的不良地質(zhì)洞段中，掘進(jìn)參數(shù)和巖渣形態(tài)出現(xiàn)了與正常洞段的明顯差異性。因此，利用巖渣形態(tài)的變化和掘進(jìn)參數(shù)的明顯差異性波動(dòng)可以作為雙護(hù)盾TBM臨災(zāi)預(yù)報(bào)的一種手段。

在對大量工程案例數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，工程選擇了片狀巖渣含量和貫推比作為巖渣形態(tài)和掘進(jìn)參數(shù)的預(yù)警評價(jià)指標(biāo)特征，同時(shí)對評價(jià)判據(jù)和評價(jià)模型進(jìn)行了研究，提出了基于巖渣形態(tài)變化和掘進(jìn)參數(shù)明顯差異性波動(dòng)特征的臨災(zāi)預(yù)報(bào)方法（見表3）。

表3 雙護(hù)盾TBM臨災(zāi)預(yù)警方法

多雄拉隧道在施工過程中，運(yùn)用該臨災(zāi)預(yù)警模型，成功減少了卡機(jī)次數(shù)，整個(gè)施工期間僅發(fā)生了4次卡機(jī)，且均在短時(shí)間內(nèi)脫困［11］。

5 結(jié) 語

多雄拉隧道是首條在高海拔地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下采用雙護(hù)盾TBM法施工的公路隧道，同時(shí)也是首條穿越喜馬拉雅山脈的公路隧道。隧道建設(shè)過程中面臨前期勘察困難，施工中地質(zhì)信息采集及預(yù)報(bào)困難、設(shè)計(jì)無規(guī)范指導(dǎo)、施工可參考經(jīng)驗(yàn)少等眾多困難。在項(xiàng)目的建設(shè)過程中針對勘察、設(shè)計(jì)、施工面臨的難題開展了一系列技術(shù)攻關(guān)，確定的成果成功應(yīng)用于多雄拉隧道中，使隧道提前5個(gè)月竣工，施工過程安全零事故。多雄拉隧道的成功貫通，可為相關(guān)工程采用雙護(hù)盾TBM施工提供參考。