川藏鐵路隧道機械化施工的認識和建議

呂建樂

（中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458）

川藏鐵路具有海拔高、埋深大、地質和建設條件復雜等特點，其中隧道施工主要采用鉆爆工法和TBM 工法，如何實現高原、高寒、復雜地質條件下的快速施工，是建設、設計、施工等面臨的難題。

目前正在施工的大瑞鐵路高黎貢山隧道與川藏鐵路工程地質類似、工法相同，本文結合高黎貢山隧道TBM 施工和鉆爆法施工情況，提出對川藏鐵路隧道機械化施工的認識和建議。

1 川藏鐵路TBM隧道施工的認識和建議

1.1 高黎貢山隧道TBM施工特點

1.1.1 工程概況

高黎貢山隧道全長34.5km，最大埋深1 155m，隧道具有“三高、四活躍”的特征，幾乎涵蓋了所有隧道施工不良地質和重大風險，堪稱隧道建設的“地質博物館”。全隧采用“貫通平導+1 座斜井+2 座豎井”的輔助坑道設置方案。出口段使用1 臺9.03m（正洞）和1 臺6.36m（平導）敞開式TBM 施工，其余為人工鉆爆施工。

1.1.2 施工過程遇到的問題

正洞和平導TBM 掘進期間，遇到的不良地層主要為巖性接觸帶、斷層破碎帶、粉細砂侵入、掌子面溜坍和涌水等，由于圍巖整體破碎、糜棱化嚴重，遇水呈流塑狀流出，致使TBM 無法掘進，并跟隨巖塊掉落，壓死刀盤、護盾，多次造成卡機。

1.1.3 TBM卡機類型及典型案例

1）巖性接觸帶 地層為白云巖、砂巖與花崗巖接觸帶，巖性接觸帶受擾動后，沿接觸面結合位置滑塌，大塊狀巖塊堆積在刀盤上，巖塊與刀盤交錯咬合形成極大阻力，造成刀盤扭矩過大不能轉動，致使卡機。掌子面揭示圍巖情況如圖1。

圖1 掌子面揭示破碎圍巖

2）斷層破碎帶 揭露圍巖為全～強風化花崗巖，完整性差，呈角礫狀夾雜細渣，刀孔均為泥沙狀松散渣體，地下水發育，掌子面呈股狀出水及整體線狀出水，巖體強風化，遇水軟化，有流塑狀渣體從刀孔內涌出，刀盤扭矩持續增大，大量軟弱破碎圍巖堆積在刀盤周邊造成刀盤被困。圍巖情況如圖2。

圖2 斷層破碎帶揭示的圍巖

3）粉細砂侵入 掌子面整體呈泥沙狀，拱腰位置有線狀出水，其余部位遍布滴狀或線狀出水，掌子面不能自穩，泥沙狀渣體不斷涌入刀盤，極易出現超量出渣情況，造成掘進扭矩持續增大，推進異常困難，最終導致TBM 被困。

4）掌子面溜坍 掌子面圍巖破碎，風化程度高，拱部持續垮塌掉塊，且攜帶渣體不斷流出，造成刀盤和皮帶機大量積渣，伴有大量出水，致使TBM掘進受阻。掌子面溜坍情況如圖3。

圖3 掌子面溜坍

5）涌水 TBM 在某段掘進時，掌子面突發涌水，涌水量約500m3/h。地下水裹挾巖渣進入刀盤后，分別從護盾底部和1#皮帶機處涌出，導致拱部形成大型空腔，TBM 掘進受阻。

1.2 川藏鐵路TBM施工及設備選型建議

高黎貢山隧道TBM 雖然進行了一系列針對性設計，但在實際應用中也存在一些問題，川藏鐵路存在高地應力變形、巖爆、斷層破碎帶、巖溶、高地溫、突泥涌水等不良地質和高原高寒的特點，結合高黎貢山隧道TBM 施工經驗，川藏鐵路TBM 施工及設備選型，應從以下方面重點考慮。

1）TBM 施工要規避極端不良地質占比大，易造成卡機和易發生重大安全事故的地質段落，如高地應力變形、強烈巖爆等復雜地質[1]。

2）TBM 施工要充分考慮長大隧道中間不良地質的影響，特別是會導致卡機和長時間停機，一方面要合理考慮超前地質預報措施，在遇到重大不良地層時，要果斷采用小導洞和迂回導坑提前處理；另一方面對于長大斷層、軟弱流變等不良地層，需要超前加固或全斷面帷幕注漿加固的，必須采用迂回導坑方案，導坑斷面要滿足大型鉆注設備的通過和作業要求。

3）要充分考慮TBM 開挖斷面的預留變形量，因為IV、V 級軟弱及高地應力地層的收斂變形較大，需要加強初支，根據TBM 在變形地層掘進中的施工統計，斷面預留30cm 變形量為宜，與此相關的開挖和回填工程量要納入設計。

4）要合理考慮TBM 掘進與同步襯砌的施工組織，特別是采用皮帶機出渣方式下，同步襯砌的影響和操作難度較大，這時TBM 掘進快，同步襯砌速度慢，襯砌工作面對TBM 掘進的運輸組織影響較大。

5）TBM 設備設計上應重點考慮鉆、探系統配置，并保證這些設備能夠穩定、高效地使用。要配置獨立的管棚鉆機和灌漿系統，以便對TBM 前方不良地層進行加固[2]。

6）要增大刀盤驅動功率和主機皮帶機扭矩，增強TBM 脫困能力，L1 區應配置較強的支護能力，包括拱架、網片安裝和混凝土噴射等功能配置。

7）TBM 應具備可靠的長距離擴挖能力，防止盾體和后配套被卡。

2 鉆爆法隧道機械化施工的認識和建議

2.1 鉆爆法隧道機械化施工的應用

目前，鐵路隧道機械化施工配套可分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級。Ⅰ級機械化配套主要適用于快速施工、隧道斷面一般在100m2以上的大斷面隧道，獨頭施工長度不少于3 000m。主要配置設備有超前地質鉆機、三臂鑿巖臺車、混凝土噴射機械手、仰拱棧橋、防水板安裝臺車、襯砌臺車等。Ⅱ級機械化配套適用于施工進度要求較快的項目，Ⅲ級適用于施工進度要求一般的項目[3]。

據統計，Ⅰ級機械化配套單作業面較一般機械化施工費用增加約3 500 萬元。Ⅰ級機械化配套多采用全斷面施工，V 級圍巖平均月進尺85m，IV 級圍巖平均月進尺115m，III 級圍巖平均月進尺180m。

2.2 對鉆爆法隧道機械化施工應用的認識

2.2.1 鐵路定額不能支撐Ⅰ級機械化配套費用

目前部分鐵路項目Ⅰ級機械化配套施工，沒有充分考慮設備投入和工藝質量的控制難度，造成設備投入大，利用率不高，成本虧損嚴重。部分工程成本盈虧率接近-11%。究其原因，主要是沒有與之配套的大機定額，仍沿用傳統隧道施工進行概預算，造成實際成本遠遠高出預算成本。

1）設備費用一次性投入大 資金占用費、設備折舊及攤銷費、設備維護費以及人工費等投入較大，Ⅰ級機械化配套費用在施工成本中占比較高，定額無對應內容。在不考慮設備攤銷和人工費及材料上漲因素，Ⅰ級機械化投入與常規機械化相比提高約10%，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖Ⅰ級機械化作業實際成本分別高于現行預算價10.3%、5.2%、7.1%。目前，定額中間接費和措施費費率呈現下降趨勢，間接費、措施費費率整體下降了13.8%，相比公路隧道，工程間接費、措施費低約30%。

2）工藝性超挖大 采用鑿巖臺車開挖，受設備本身結構影響，隧道理論線性超挖在20cm 左右，這部分超挖是不可避免的[4]。由于超挖大，噴射砼和二襯砼回填造成的費用增加，定額未能充分體現。

3）人工費高 設備操作和維保等專業人員費用高，根據最新調整后的規定，隧道工費為82 元/工日，而市場上平均在200～300 元/工日，司鉆工、混凝土噴射手等在人員工費在400～600 元/工日，概預算工費遠低于市場水平，實際人工費是預算的5～8 倍。

2.2.2 設備工效有待進一步提高

1）安全步距制約鑿巖臺車效率的發揮 鑿巖臺車在Ⅱ、Ⅲ級圍巖下的開挖能力可達300～400m/月，但受步距影響，實際進度僅達到其最大能力的一半。

2）質量驗收標準超常規 隧道襯砌厚度不允許有負的施工誤差，“寧超勿欠”思想嚴重，超挖部分用噴射砼和二襯砼回填，造成直接成本和間接成本增加。據統計，噴射混凝土超耗率在143%～230%，富水區域超耗率在350%～550%。

3）不合理壓縮工期造成非均衡生產 由于壓縮工期，或因征遷滯后、重大地質變更等出現工期延誤后，施工單位被迫增加大量趕工資源，但合同中并無費用解決途徑。無論是停工、窩工損失，還是趕工、搶工費用，一般很難得到補償或變更。

2.3 川藏鐵路鉆爆法隧道機械化施工建議

2.3.1 配套原則

川藏鐵路高海拔地區的低溫、低壓和低氧環境會導致人工和機械工效降低，推薦采用全工序機械化配套，充分體現“先進性、適用性、高效性”的原則，達到“快速施工、以機換人”的目標。

2.3.2 加快配套定額標準編制

川藏鐵路隧道應加強機械化配套，減少人工，對于采用大機配套的作業面，當遇到IV、V 級軟弱地層時，應采用掌子面預加固+全斷面開挖的方式，不宜頻繁變換工法工裝，減少人員和設備重復配置造成的浪費[5]，預加固或工裝費用要納入設計概算。

采用鑿巖臺車施工的隧道，由于受設備鉆臂尺寸限制，平均超挖量在15cm 以上，按規范要求，在襯砌前全部需要采用噴射砼進行回填，這些費用也應納入設計概算。

川藏鐵路長大隧道多、施工時間長，應合理選擇設備攤銷臺班數，另外，由于高原高寒對人員和設備造成的影響，人員的交替輪換和休整以及臨建設施的使用周期等造成的費用增加，都需要在設計概算中予以充分考慮。

3 隧道機械化施工風險認識與建議

3.1 對隧道機械化施工風險的認識

1）復雜工程地質及環境影響導致工程投資控制難度大。應結合設計方案綜合研究TBM 工法的經濟性，詳盡的地質勘查資料是保障TBM 施工順利的重要基礎，復雜地質對進度和施工安全影響大，進而影響到建設投資。概算補充單價與實際消耗偏差較大，對建設管理和工程成本影響較大。

2）TBM 通過不良地質段處理措施成本大。不良地質對TBM 施工的影響很大，軟弱圍巖、巖爆地段經常造成卡機，脫困時間長造成施工進度、人工和設備工效大幅降低，脫困處理措施費用高、風險大，宜在工程投資中充分考慮預留費用。川藏鐵路TBM 施工中可能發生卡機脫困事件，不同的脫困方案以及所處的地質條件不同，造成脫困費用差異較大，需要提前從合同中約定費用處理原則。

3）鉆爆法復雜地質施工相關措施費用嚴重不足。隧道鉆爆法施工中遇到高地應力變形、巖爆和高地溫時，針對性處理工作已納入隧道施工工序循環，人員和設備工效都不同程度受到影響，宜充分考慮施工降效因素，根據隧道施工難度，明確相關費用調整系數，合理確定投資概算。

4）TBM 等大型設備攤銷、大修費用、日常使用費等概算費用不足。鐵路行業的機械臺班單價一直是按照2005 年版的鐵路機械臺班費用定額執行的，盡管2017 年公布了新的機械臺班費用定額，但鐵路行業的機械臺班費用定額，較住建部公布的全國統一機械臺班費用定額和其他行業公布的臺班費用定額低，臺班單價有較大差距。川藏鐵路地處高原，更應綜合考慮以上因素，合理確定相關費用。

5）TBM 進出場運輸困難，需合理確定專項運輸費用。TBM 運輸線路長、困難地段多，為滿足TBM大件運輸要求，部分道路和構筑物需要改建、加固、拓寬、拆除還建等，應預留相關專項費用。

3.2 相關建議

1）TBM 攤銷及大修建議。通過對秦嶺、中天山等鐵路隧道及水利工程TBM 使用情況統計，TBM設備掘進里程20km 內需要進行2 次大修，設備大修費和大修期間的停工費用宜給予充分考慮，同時川藏鐵路TBM 及配套設備宜按照一次性攤銷考慮。

2）建議投資概算中預留TBM 通過不良地質地段費用（包括卡脫機費用）。發生巖爆、高地溫、高地應力變形等特殊地質時，依據處理方案，應對受影響的工序進行經濟分析，據實調整費用。TBM 在通過不良地質段時，為了防止松散體抱死盾體，需要進行超前化學注漿等，此項費用宜按暫估價納入投資概算工程量清單，過程中依據技術方案進行經濟分析，動態調整。

3）變更設計建議。川藏鐵路工程建設管理難度大，建設風險高，復雜地質隧道施工風險和投資風險大，川藏鐵路宜采取動態設計，加強經濟分析研究，做到技術方案與工程投資合理匹配，優化變更設計程序，過程中快速處理現場問題，不約定總承包風險費，對發生的設計變更費用及時進行核實解決。

4）合理考慮隧道進度指標。為了控制投資，確保川藏定額水平接近或略高于現行平原地區定額水平，《川藏鐵路隧道機械化施工補充定額》課題成果中，由于對TBM 施工和大機配套施工的進度指標進行了多次調整，造成隧道進度指標過高，概算指標較低。高黎貢山隧道正洞TBM 進度指標已經給了我們很好的啟示，因此，宜科學合理的制定工期和進度指標。O