特長隧道TBM導洞擴挖法可行性分析

劉玉飛 趙 偉 王立川，2? 王寶友 齊夢學

(1.中鐵十八局集團有限公司 天津 300222；2.中南大學土木工程學院 湖南長沙 410075；3.中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400707)

1 引言

導洞是在隧道修建時率先在設計斷面挖掘的遠小于設計斷面的洞室，TBM導洞法就是先采用TBM施作導洞再擴大斷面的施工方法，適用于以中硬、硬巖為主的隧道，能發揮TBM快速掘進的優勢，改善通風，并可顯著縮短工期，從而降低總成本[1]。

本文依據新建西十高鐵項目秦嶺馬白山隧道工程，編制TBM導洞＋鉆爆擴挖法施工方案并進行可行性分析。

2 工程概況

秦嶺馬白山隧道全長22 918 m，為雙洞單線隧道，最大埋深540 m、最小埋深76 m。隧道采用不對稱人字坡，坡度分別為3‰、5‰、20‰、25‰。左右線圍巖為Ⅱ級(11 035 m)、Ⅲ級(5 823 m)、Ⅳ級(5 710 m)、Ⅴ級(350 m)。正洞開挖斷面89～106 m2，采用鉆爆法施工，4條斜井輔助，其中1＃、2＃斜井為永久工程，3＃、4＃斜井為臨時工程，隧道土建工期41.2個月。投標施組方案見圖1。

圖1 馬白山隧道鉆爆施工方案

3 方案可行性分析

3.1 地質適應性分析

馬白山隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖占比73.6%，適合TBM法施工。隧道以花崗巖和石英片巖分為2段，巖石飽和單軸抗壓強度19～99 MPa，平均值52 MPa，巖性表現好；隧道坡度最大25‰，滿足TBM掘進和TBM有軌運輸，進口端TBM順坡施工達18 km，能充分發揮TBM快速掘進優勢；區內主要為基巖裂隙水，主要賦存于不同巖性的接觸帶、斷層帶及節理、裂隙較發育的巖層中，可采用TBM法施工，進口工區較出口有排水優勢；據勘察判定洞身埋深大于500 m時局部地段存在高地應力，存在輕微巖爆現象，現有TBM施工工藝及設備制造水平可克服該不良地質施工；2 km長石英片巖地段存在Ⅰ級軟巖大變形可能，應小心通過[2－4]。

3.2 TBM方案選擇

(1)主要思路:取消 1＃、3＃、4＃斜井，保留 2＃斜井輔助施工。左右線分別采用1臺TBM實施導洞先行開挖，在與斜井鉆爆工作面貫通后再實施鉆爆法擴挖施工。在分析技術可行性和測算工期滿足要求后，再測算其經濟性[5]。

(2)方案選擇說明

①TBM導洞斷面直徑選擇

根據本案例隧道斷面面積為89～106 m2，宜采用導洞直徑范圍為3.5～6 m。總體上，直徑越小，速度越快，但TBM后配套就越長，不利于施組，同時支護數量就越少，甚至不支護，因此，后配套也會相應減少，理論上必然存在一最佳直徑，可保證施工速度最快。根據施工經驗，在能保證工期的前提下，為更針對性進行經濟比較，方便參數確定，本案例開挖斷面直徑擬采用4.7 m。

②TBM導洞位置選擇

導洞在正洞位置不同，對后續鉆爆法擴挖施工效果也不同。依據表1[6]綜合考慮，為利于運輸、排水及便于鄰洞施工，本案例選取在正洞底部正中、底平面與橫通道開挖底面平齊位置。

表1 導洞位置優缺點對比

續表1

③2＃斜井為救援通道，且為永久工程，恰好在施工段中間位置，可采用大機施工；斷面大，能確保均衡快速施工。1＃斜井雖為永久工程，但非必須，可變更。

(3)方案優缺點

①缺點:擴挖和襯砌工裝配置數量大、工作強度高，組織難度大。

②優點:減少3 個斜井，節約 1＃、3＃、4＃斜井建設費及大小臨工程費，極大減少秦嶺景區的人為干擾，環水保意義重大；同時TBM法施工，也符合國家大力發展機械化施工的政策導向；導洞施工將提前探明圍巖現狀，利于安全和不良地質技術應對；貫通后即進行貫通測量，利用導洞變形監測可反演更精準的預留變形量、消除施工誤差引起的斷面放大，以此指導縮減開挖斷面；大幅提高擴挖效率，降低民爆品消耗；顯著改善通風效果、大幅降低通風費用，有利于勞動保護[7－8]。

3.3 進度指標選擇

本案例擬采用的進度指標見表2。

表2 擬采用進度指標 (m/月)

(1)TBM開挖進度指標分析

既有項目同直徑TBM開挖月進度指標:Ⅱ級720 m、Ⅲ級850 m、Ⅳ級450 m、Ⅴ級200 m。

據歷史經驗，由于水利和鐵路行業劃分圍巖的習慣傾向，針對該鐵路項目2～3年臨時隧道TBM導洞施工時，Ⅱ、Ⅲ級圍巖按不支護指標測算，不排除極個別段落必要的局部釬釘網噴處理；Ⅳ級圍巖原則上只施作隨機釬釘網噴＋局部錨桿；Ⅴ級須施作錨網噴，極個別破碎段落施作鋼架。因此，隧道總體支護量將遠小于既有項目，按公司現組織施工水平，采用比上述指標略高的表2內指標即可實現。

(2)鉆爆法(非擴挖)進度指標分析

按公司現有施工水平，Ⅴ級圍巖月進尺可達60 m，遠超設計45 m；Ⅳ級圍巖滿足設計75 m且有富余；Ⅲ級圍巖可達設計的120 m；Ⅱ級圍巖進尺達不到設計值180 m。但由于鉆爆法施工距離較短，經綜合評價，可實現設計進度指標。

(3)鉆爆法(擴挖)進度指標分析

導洞貫通后，應立即組織鉆爆法擴挖作業，分別在導洞兩端各安排一組(4個點)工作面實施快速掘進。同時，少量的Ⅳ、Ⅴ級圍巖因支護量大可前置施工，不占用關鍵線路工期。其中，方案1可充分利用臨洞工作面動態改變出渣路線，提前實施部分Ⅳ、Ⅴ級圍巖擴挖；方案2只能采取增開工作面方式與擴挖同時實施。考慮出口端Ⅳ級圍巖長3 620 m，可按Ⅲ級圍巖擴挖實施。

鉆爆法1個工作面常規擴挖指標(m/月):Ⅱ級圍巖280、Ⅲ級230、Ⅳ級160、Ⅴ級140。調研其他施工單位秦嶺隧道歷史擴挖進度，常規能力為一組(4個點)工作面，進尺1 000～1 200 m/月，連續實施半年以上；鐘南山公路隧道擴挖進度在1 100～1 300 m/月。考慮原秦嶺隧道擴挖斷面小，一組工作面連通很容易實現，而該項目斷面大(11×10 m)，通道瞬時恢復能力低，因此降低進度指標至900 m/月，且與采用1 000 m/月計算的工期相比僅相差半個月[9－11]。

(4)2號斜井施工

按指導性方案測算，斜井自完成后，進正洞挑頂＋橫通道Ⅱ級圍巖施工至右線需13個月，然后進行雙聯式井底布置20 d，提供雙向正洞施工工作面，共需14個月。

按以上進度指標測算，TBM到達前2＃斜井已施工完成，并已施工正洞；在TBM到達前15 d，暫停正洞施工，為TBM貫通后空推做清場準備。貫通后暫停1個月進行TBM轉場至下一個工作面和必要檢修。

(5)經咨詢，從TBM下單到制造完成需5個月，運輸安裝約2個月，組裝同時施作20 m始發洞約1個月完成，第8個月開始掘進施工。

3.4 方案對比

(1)方案1:采用2臺直徑4.7 m TBM錯洞相向施工，即左線進口TBM法、出口鉆爆法，右線出口TBM法、進口鉆爆法。2＃斜井鉆爆法施工，當TBM掘進通過2＃斜井交叉點一定距離后，換裝出碴皮帶機，改為從2＃斜井出碴，形成擴挖工作面，方案見圖2。

圖2 馬白山隧道TBM錯洞相向施工方案(單位:m)

工期:經編制施工形象進度圖(見圖3)測算開挖工期為39.1個月，左線施工為關鍵線路，襯砌施工2個月，剛好滿足總工期41.2個月要求。

圖3 馬白山隧道方案1施工進度

缺點:必有一條隧道導洞的TBM需反坡施工，但根據歷史此區域同類工程情況，預測隧道水量不大，并無淹機風險；但掘進通過2＃斜井前，2臺TBM管維工作不宜協同。

優點:左右洞相互補償性強，有利于盡早揭示全隧地質；進出口棄碴相對均衡，有利于前置處治不良地質段。

(2)方案2:采用2臺TBM同向施工，即左右線進口端均采用TBM法，出口端均采用鉆爆法。2＃斜井按鉆爆法施工，當TBM通過2＃斜井交叉點后，換裝出碴皮帶機，改為從2＃斜井出碴，形成擴挖工作面，方案見圖4。

圖4 馬白山隧道TBM同向施工方案

工期:經編制施工形象進度圖(見圖5)測算開挖工期為39.2個月，襯砌施工2個月，滿足總工期41.2個月要求[12]。

圖5 馬白山隧道方案2施工進度

缺點:進出口棄碴不均衡，不利于盡早揭示全隧地質，需前置處理不良地質段。

優點:避免TBM導洞反坡施工，可消除淹機風險，便于2臺TBM管維共享。

3.5 指導性施組方案存在的問題

表3中指標施工單位現有水平較難達到，但由于TBM進度較快，最終其對正洞擴挖工期影響很小(經計算半個月內)。因此，客觀分析現有施組方案，1＃、3＃、4＃斜井工期會滯后 1 個月以上，保守估計總體會滯后4～5個月工期。

表3 斜井自身鉆爆開挖進度指標 (m/月)

4 經濟性比較

4.1 節省費用計算

該方案與設計方案相比，可節省1＃、3＃和4＃三座斜井實體工程建設成本，按投標預算節省15 772萬元；同時可節省對應的臨建工程，估算為1 514萬元。故兩項合計節省17 286萬元。

4.2 增加費用計算

(1)TBM費用

新投入2臺直徑4.7 m的TBM費用約13 400萬元；運輸費和組裝費單列，及配套專項設備設施等統一估算5 000萬元。按項目管理經驗，殘值微小，總計18 400萬元全部攤銷，含在TBM開挖綜合單價(700元/m3)中，不再單獨計算。

(2)TBM法較鉆爆法開挖增加成本明顯

計算思路:估算TBM法導洞施工長度范圍內的正洞斷面開挖成本增加。

增加成本＝每延米成本增加量×總長度。

其中:每延米成本增加量＝每延米TBM導洞開挖成本A(含支護)＋每延米擴挖成本B(降造)－每延米投標預算鉆爆成本C。

A＝TBM導洞開挖每延米方量×(每延米TBM綜合開挖單價a1＋每延米支護單價a2)。

B＝擴挖每延米方量×每延米綜合開挖單價c－每延米降造費b。

C＝正洞全斷面每延米方量×每延米綜合開挖單價c。

TBM導洞開挖每延米方量按直徑4.73 m計算為17.57 m3；正洞開挖每延米方量:經加權得94.15 m3；擴挖每延米方量:94.15－17.57＝76.58 m3。

長度測算(根據施工形象進度圖):

方案1:左線TBM導洞施工18 571 m，右線TBM導洞施工16 802.2 m；方案2:TBM從進口向出口左右線同向施工，左右線TBM導洞施工均為18 788 m。

各級圍巖開挖綜合單價(c)加權平均得:方案2為210.94元/m3，方案1為209.46元/m3。

每延米TBM綜合開挖單價(a1):700元/m3(參考其他同類施工TBM綜合開挖成本580～630元/m3，并考慮本單位綜合施工水平，按700元/m3計算較穩妥)。

每延米TBM導洞開挖后圍巖支護單價(a2)經加權平均計算。按Ⅱ級、Ⅲ級圍巖無支護，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖(參照既有同類項目)均按5 000元/延米計算可得:方案1為1 477.81元/延米，方案2為1 169.87元/延米。

每延米降造費(b):

擴挖引起的降造費參考文獻[1]并結合正洞設計斷面和導洞斷面估算如下:

①節約開挖量:2 m3/延米(單洞)，故每延米節約2 m3×210.94元/m3＝421.88元。

②節約噴砼量:1.7 m3/延米(單洞)，故每延米節約1.7 m3×1 000元/m3(投標)＝1 700元。

③節約火工品量:炸藥25%、雷管40%，開挖火工品總體消耗(10＋18)元/m3，故每方節約火工品10×0.25＋18×0.4＝9.7元，故每延米節約76.58 m3×9.7元/m3＝742.83元。

④節約通風費:按4座斜井估算，非導洞法平均通風費12元/m3，導洞貫通后平均通風費4元/m3。每延米節約76.58 m3×8元/m3＝612.64元。

①～④項合計3 477.35元，約占擴挖量(210.94×75.68)的21.53%。

經計算每延米增加成本:方案2為6 285.31元，方案1＝6 643.65元。

增加費用:方案1為23 501萬元，方案2為23 618萬元。

4.3 總費用計算

總費用＝節省費用－增加費用。

方案1:17 286－23 501＝－6 215萬元。

方案2:17 286－23 618＝－6 332萬元。

可見，兩種方案均需增加投入6 300萬元左右，但2臺TBM殘值及專項配套未納入沖減。

4.4 比選結論

(1)采用TBM導洞擴挖法，地質適應性較好。

(2)該方案能滿足總工期，相對會滯后總工期的原設計方案，可實現工期提前。

(3)如考慮TBM剩余價值為一半，以及其他專項配套可繼續周轉使用，經濟上亦可行。

綜上所述，馬白山隧道采用TBM導洞擴挖法，其技術、經濟和工期均具備可行性，且環水保意義重大。

5 結論及思考

(1)進度指標的采用至關重要，其必須符合實際，筆者參考了多個類似項目的歷史進度指標和在建項目的指標情況，通過進一步優化形成上文計算指標。

(2)施工進度圖是計算工期的工具，要點是必須做好接口工程(交叉施工、前置施工等)的協調估算，關鍵節點務必充分考慮，科學合理估算，才能保證工期計算有效。

(3)經濟測算方法很重要，本文采用差額法經驗根據每延米單價進行估算，參考歷史經驗和數據統計，得到比較客觀的關鍵計算參數。同時依據施工進度圖精確測算計算長度，及所需工程量和必要指標。缺點是指標選擇不夠精確，偏差會較大，宜以施工單位成本測算部門的計算方法為準。

(4)應充分考慮反坡富水施工帶來的影響，歷史經驗證明:反坡排水施工管理不善，無有效補救措施，將會造成較大工期和經濟損失。

(5)該方案如果在建設項目策劃階段推薦實施，TBM可在正式施工半年前由業主定制，開工具備條件即可進場組裝，將會顯著節省工期，且不會增加額外投資，踐行了綠色創新的發展理念。