讓雙護盾TBM向青藏高原掘進

文/傅支黔 陳煒韜 張子晗

獲獎等級：一等獎

項目名稱：青藏高原復雜地質條件下圍巖雙護盾TBM公路隧道建造關鍵技術

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“青藏高原復雜地質條件下雙護盾TBM公路隧道建造關鍵技術”項目的依托工程——多雄拉隧道是派墨公路的控制性節點工程，也是首條穿越喜馬拉雅山脈的雙護盾TBM公路隧道。在施工過程中，建設者們將遇到擠壓性圍巖、巖爆、120米高水頭、破碎帶等不良地質作用，并直接影響管片結構安全。此外，多雄拉隧道施工前期采用的雙護盾TBM由于盾體長達11.75米，極易在施工中發生卡機事故。同時，由于設備盾體封閉，在洞內無法直接觀察圍巖，從而無法實現信息化動態、快速施工。因此，該項目研究團隊就雙護盾TBM公路建造的關鍵技術進行了系統性研究。

項目挑戰大 技術問題多

多雄拉隧道洞身段擠壓性圍巖、巖爆圍巖占比合計超過60%，最高水頭120米，最大地應力32兆帕，穿越多雄拉背斜和兩個斷層破碎帶，最大破碎帶寬度200米。

隧道在建設前期面臨三大挑戰：首先，進出口原始森林茂密、地形陡峭且山體寬厚、洞身地表終年積雪、無勘探便道等，勘測階段準確探明地質難；而施工階段由于雙護盾TBM受盾體包裹，地質人員無法直接觀察圍巖，故采集地質信息指導施工也相當難。其次，對于雙護盾TBM擠壓性圍巖形變作用、巖爆沖擊作用無定量計算方法，管片結構設計無據可依；隧道水頭120米太高，管片背后水壓力太大，必須進行泄壓，但泄壓排水時管片背后水壓力計算又無規范指導，故結構設計難。最后，雙護盾TBM最大弊端是盾體太長，施工中卡機預警和防卡機難度極大。如何成功解決這三大難，決定了隧道修建的成敗。

目前，國內外在雙護盾TBM建造技術方面的研究，主要集中在卡機機理及脫困措施、施工過程三維數值仿真、超前地質預報、淺埋隧道荷載計算方法、卡機施工處理等應用性層面，總結歸納起來，存在三個方面的問題：首先，對于雙護盾TBM卡機和施工糾偏以被動為主，沒有建立一套可提前預警卡機、快速通過管片拼裝糾偏的方法。其次，管片與圍巖間豆粒石層的傳力機制不明；擠壓性圍巖和巖爆圍巖條件下雙護盾TBM隧道施工力學響應機理不明，無擠壓性圍巖形變作用、巖爆圍巖沖擊作用計算方法；對于超過70米水頭條件下，結構排水泄壓時水壓力分布規律和計算方法未見研究。最后，大部分已有研究成果，均需要在停機狀態采集圍巖地質信息，然后再進行圍巖級別判定，嚴重干擾和影響施工進度，與雙護盾TBM快速施工不相匹配。

解關鍵難題 獲多項成果

為解決多雄拉隧道建設過程中面臨的困難，由中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司作為牽頭，聯合華能西藏雅魯藏布江水電開發投資有限公司、中國水利水電第十工程局有限公司、西南交通大學、中交天和機械設備制造有限公司組成科研聯合攻關小組，通過現場調查管片服役特性、現場測試、室內試驗、數值模擬，理論分析、資料調研等綜合手段，對雙護盾TBM施工、管片設計和地質信息采集等關鍵問題進行了系統研究。通過研究，形成了“青藏高原復雜地質條件下雙護盾TBM公路隧道建造關鍵技術”，解決了雙護盾TBM隧道建造中眾多關鍵問題，成果直接指導工程設計和施工，保障了多雄拉隧道的順利貫通，并為同類工程采用雙護盾TBM施工提供參考和借鑒，推動雙護盾TBM在隧道建設中的應用。

首先，該項技術保障了派墨公路多雄拉隧道、引漢濟渭秦嶺隧洞、新疆引額供水工程喀雙隧洞的安全快速建設，確保了施工過程零事故。其中，雙護盾TBM雙模快速化施工轉換技術、施工臨災預警方法經現場應用，證明可有效降低卡機風險，以油缸行程差和盾尾間隙為控制標準的姿態調控技術可有效提升隧道掘進精度。此外，依托該項技術編制了《全斷面巖石掘進機施工技術導則》《巖石隧道掘進機法技術規程》等規范，形成了《雙護盾TBM噴錨支護施工工法》《雙護盾硬巖掘進機(TBM)機頭脫困施工工法》《大直徑雙護盾硬巖掘進機長隧洞施工工法》和《四方格盾構隧道管片BIM軟件》等，這也說明該項技術及應用得到了國內的高度認可。

其次，該項技術已成功運用在多雄拉越嶺隧道及相關水工隧洞等一系列青藏高原地區長大隧道的勘察設計當中，相關研究成果為類似隧道工程設計、工法選擇提供了借鑒，推動了雙護盾TBM在隧道建設中的應用。依托該項技術編制的《雙護盾TBM公路隧道設計關鍵技術及應用》《高海拔隧道工程》《隧道與地下工程數值計算及工程應用》等專著作，形成了大量知識產權成果。

最后，依托該項技術形成的“雙護盾TBM公路隧道地質信息采集及圍巖分級評價方法”系國內外首次系統針對雙護盾TBM施工開展的超前地質預報技術攻關。項目研究成果在多個國內重大工程中得到充分應用，成功指導了TBM掘進施工。編制的《雙護盾TBM隧道施工超前地質預報》《水電工程地質信息一體化》專著及大量專利成果，得到了業界的一致認可，均表示項目研究成果破解了長久以來雙護盾TBM施工無法獲取有效地質信息的重大難題。

助力多雄拉 開拓新市場

該項目的研究成果直接指導了多雄拉隧道的設計、施工，并基于不同圍巖條件下管片結構設計方法成果，提出了輕、中、重管片分類設計，在Ⅱ、Ⅲ級圍巖中突破現行規范，設計使用了C35鋼筋混凝土管片。提出的雙護盾TBM雙模轉換和姿態調控技術，解決了傳統雙護盾TBM無法噴錨支護和洞軸線快速糾偏的問題；施工過程中卡機臨災預警方法的應用避免了至少3次TBM卡機事故。項目研發的一系列全封閉環境下地質信息采集裝置確保了信息化動態施工，實現了施工圍巖快速分級。這一系列技術的應用，保障了隧道的順利建設，實現了施工安全零事故，使隧道提前5個月貫通，節約工程投資1.17億元。

此外，該項目研究提出的卡機臨災預警方法、TBM卡機防控措施、結構荷載計算方法等，已推廣應用于長達39公里的引漢濟渭工程秦嶺隧道和長達211公里的引額供水工程喀雙隧洞等重大TBM隧道工程的建設中，均取得良好效果。

未來，隨著川藏高速公路、川藏鐵路、滇藏鐵路和雅魯藏布江下游水電資源工程的陸續建設，大量長大隧道將采用TBM法在高原上施工。