雙護盾TBM建造技術在派墨公路多雄拉隧道中的應用

張子晗，陳煒韜，王 建，黃 鵬，姚林林，鐘 果

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

進入21世紀以來，隨著經濟的持續發展、綜合國力的不斷提升及高新技術的不斷應用，我國隧道及地下工程得到了前所未有的迅速發展。TBM 隧道施工法作為一種適用于現代隧道及地下工程建設的重要施工方法，發揮了重要作用。TBM施工方法具有“掘進速度快、施工擾動小、成洞質量佳、自動一體化程度高、施工環境優、綜合經濟社會效益強”等顯著優勢。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機施工方法。

西藏林芝派鎮至墨脫公路（簡稱“派墨公路”）是墨脫縣第2條進出通道，也是規劃雅魯藏布江下游截彎開發梯級電站的前期勘察公路，距離邊界實控線直線距離約24km，其建成對當地社會經濟發展、能源開發、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，工程區位于青藏高原喜馬拉雅“東構造結”核心部位，地質構造運動強烈，隧道進出口平均高程3556.6m，洞身穿越2個斷層破碎帶，擠壓性圍巖和巖爆段占隧道全長約60%，地質條件復雜。在工程建設前期，從安全性、經濟性、工期等多個方面對隧道采用的施工方法進行了比選，同時為了驗證雙護盾TBM在高海拔地區復雜地質條件下施工隧道工程的可行性，為雅魯藏布江水電開發過程中采用TBM施工奠定基礎。經多次專家科學論證分析，最終確定多雄拉隧道采用雙護盾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林芝地區米林縣派鎮與墨脫縣背崩鄉交界部位，隧道從西端的派鎮松林口進洞至東端的多雄河源三坪南側出洞，隧洞全長4 789m，采用“林芝一號”雙護盾TBM掘進機單向掘進施工。隧道內徑8.1m，開挖洞徑9.13m，采用預制鋼筋混凝土管片襯砌進行支護。隧道工程參數如表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

圖1 多雄拉隧道斷面示意（單位：mm）

隧道最大埋深達820m，最大地應力32MPa，高地應力的隧道段長度為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。隧道頂部地表發育3個冰湖，最高水頭120m，水壓高，多雄拉隧道地質縱斷面如圖2所示。

圖2 多雄拉隧道地質斷面示意

2 雙護盾TBM超前地質預報與地質信息采集技術

多雄拉隧道地處高海拔、自然環境惡劣的無人區，沿線交通條件極差，河谷深切，地形起伏極大，部分區域常年積雪，前期地質勘察難題極大，難以在前期探明隧道具體的地質情況，施工過程中超前地質預報和地質信息采集就顯得尤為重要。然而雙護盾TBM設備和施工工藝具有特殊性，其設備結構、破巖機理以及施工環境與傳統鉆爆法和開敞式TBM都有著十分明顯的差異。雙護盾TBM機施工環境封閉、聲光電系統復雜，從而造成內部作業空間狹小、開挖巖面不可見、噪音電磁干擾強等一系列施工工藝下的新問題。傳統地質信息采集和超前地質預報方法在該環境下都變得極其不適用。

在多雄拉隧道建設過程中用到的超前地質預報技術有：水平聲波反射法（HSP）、綜合地震預報（ISP）、隧道地震波反射層析成像技術（TRT）及隧道微震監測技術等（見圖3～4）。

圖3 HSP超前探測結果

圖4 TRT超前探測結果

其中，HSP可利用雙護盾TBM掘進時刀盤的震動作為激發源，而由于受刀盤、盾體、管片阻擋，ISP和TRT在雙護盾TBM中難以實現震源激發，為此研發了適用于雙護盾TBM施工環境的新型震源激發裝置，實現了TRT和ISP在雙護盾TBM施工過程中的應用［1-2］（見圖5）。

圖5 新型震源激發裝置

針對雙護盾TBM全封閉施工環境下地質觀測和編錄困難的問題，從對刀盤和盾體結構改造的角度入手，通過預設相應攝像和激光掃描設備，發明了利用內窺式的方式來實現對掌子面和邊墻等新近開挖巖面進行巖貌掃描成像和三維影像模型獲取的裝置和技術（見圖6），從而可以在封閉環境下隨時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構面產狀技術和相關地下洞室地質編錄方法，為地質人員進行地質編錄分析和地質預報提供相關資料。

圖6 掌子面巖體三維影像獲取裝置

此外，在雙護盾TBM施工過程中，快速實時獲取巖體強度指標和測試隧道深埋洞段地應力特征，進而獲取不同洞段的圍巖強度應力比，對高地應力隧道雙護盾TBM施工至關重要。

通過研發雙護盾TBM施工環境下的掌子面巖體強度測試裝置，可實時便捷獲取掌子面各部位巖體強度分布云圖及分區特征等相關成果，并利用多個斷面成果，進一步獲取巖體強度的空間發展演化特征（見圖7）。

圖7 掌子面巖體強度測試裝置示意

3 考慮豆礫石影響的雙護盾TBM管片設計技術

在多雄拉隧道的設計過程中，對于常規圍巖段的設計，首次采用了考慮豆礫石填充層影響的管片設計方法。雙護盾TBM隧道圍巖-豆礫石-管片結構聯合作用力學模型見圖8。

圖8 雙護盾TBM隧道圍巖-豆礫石-管片結構聯合作用力學模型

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

圖9 常規地層管片結構設計模型

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

在多雄拉隧道對管片受力進行了現場實測，管片內力實測值與不同計算方法的內力計算值對比如表2所示。

表2 多雄拉隧道管片內力實測值與計算值對比

通過實測對比，采用圍巖-豆礫石-管片結構聯合力學模型相較于傳統計算方法，內力計算結果精度提升約10%［6-10］。

4 雙護盾TBM施工臨災預警方法和防控措施

雙護盾TBM施工時，其掘進參數設定后在均勻穩定圍巖中保持相對不變，巖渣形態、塊度等也相對恒定，在雙護盾全封閉環境下成為窺見圍巖的重要環節，圍巖的變化往往直接引起轉速、進尺、巖渣塊度等改變，因而根據掘進過程中所獲取的巖渣信息和掘進參數差異性變化，反推圍巖的變化與異常，以作為臨災預警的手段之一。

通過對雙護盾TBM施作的具體工程巖體質量與巖渣特征和掘進參數的對比統計分析發現，巖體質量的變化在巖渣特征和掘進參數上都有很大程度的相關性。在巖體完整性較好的洞段，巖渣形態普遍以片狀為主，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，巖渣形態隨巖體質量的變化也出現明顯的差異。同時，巖體掘進參數中的總推力、貫入度以及貫推比（貫入度／總推力）也隨巖體質量的變化出現明顯的波動。在多雄拉隧道出現集中卡機的不良地質洞段中，掘進參數和巖渣形態出現了與正常洞段的明顯差異性。因此，利用巖渣形態的變化和掘進參數的明顯差異性波動可以作為雙護盾TBM臨災預報的一種手段。

在對大量工程案例數據分析的基礎上，工程選擇了片狀巖渣含量和貫推比作為巖渣形態和掘進參數的預警評價指標特征，同時對評價判據和評價模型進行了研究，提出了基于巖渣形態變化和掘進參數明顯差異性波動特征的臨災預報方法（見表3）。

表3 雙護盾TBM臨災預警方法

多雄拉隧道在施工過程中，運用該臨災預警模型，成功減少了卡機次數，整個施工期間僅發生了4次卡機，且均在短時間內脫困［11］。

5 結 語

多雄拉隧道是首條在高海拔地區復雜地質條件下采用雙護盾TBM法施工的公路隧道，同時也是首條穿越喜馬拉雅山脈的公路隧道。隧道建設過程中面臨前期勘察困難，施工中地質信息采集及預報困難、設計無規范指導、施工可參考經驗少等眾多困難。在項目的建設過程中針對勘察、設計、施工面臨的難題開展了一系列技術攻關，確定的成果成功應用于多雄拉隧道中，使隧道提前5個月竣工，施工過程安全零事故。多雄拉隧道的成功貫通，可為相關工程采用雙護盾TBM施工提供參考。