双护盾TBM建造技术在派墨公路多雄拉隧道中的应用

张子晗，陈炜韬，王 建，黄 鹏，姚林林，钟 果

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

进入21世纪以来，随着经济的持续发展、综合国力的不断提升及高新技术的不断应用，我国隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展。TBM 隧道施工法作为一种适用于现代隧道及地下工程建设的重要施工方法，发挥了重要作用。TBM施工方法具有“掘进速度快、施工扰动小、成洞质量佳、自动一体化程度高、施工环境优、综合经济社会效益强”等显著优势。随着钻爆法人力成本的快速增加，加之越岭深埋长隧道施工支洞布置受限，越来越多的隧道工程尤其是越岭深埋长大隧道采用掘进机施工方法。

西藏林芝派镇至墨脱公路（简称“派墨公路”）是墨脱县第2条进出通道，也是规划雅鲁藏布江下游截弯开发梯级电站的前期勘察公路，距离边界实控线直线距离约24km，其建成对当地社会经济发展、能源开发、国防等具有重大意义。多雄拉隧道是派墨公路的控制性工程，全长4789m，工程区位于青藏高原喜马拉雅“东构造结”核心部位，地质构造运动强烈，隧道进出口平均高程3556.6m，洞身穿越2个断层破碎带，挤压性围岩和岩爆段占隧道全长约60%，地质条件复杂。在工程建设前期，从安全性、经济性、工期等多个方面对隧道采用的施工方法进行了比选，同时为了验证双护盾TBM在高海拔地区复杂地质条件下施工隧道工程的可行性，为雅鲁藏布江水电开发过程中采用TBM施工奠定基础。经多次专家科学论证分析，最终确定多雄拉隧道采用双护盾TBM施工。

1 多雄拉隧道工程概况

多雄拉隧道位于西藏自治区林芝地区米林县派镇与墨脱县背崩乡交界部位，隧道从西端的派镇松林口进洞至东端的多雄河源三坪南侧出洞，隧洞全长4 789m，采用“林芝一号”双护盾TBM掘进机单向掘进施工。隧道内径8.1m，开挖洞径9.13m，采用预制钢筋混凝土管片衬砌进行支护。隧道工程参数如表1所示，隧道尺寸、管片拼装方式如图1所示。

表1 多雄拉隧道工程参数

图1 多雄拉隧道断面示意（单位：mm）

隧道最大埋深达820m，最大地应力32MPa，高地应力的隧道段长度为2148m，约占隧道全长的45%；穿越多雄拉背斜核部及宽度约200m的两条断层破碎带，洞身围岩主要为花岗片麻岩和混合片麻岩，隧道洞身岩爆段约占15%，岩爆等级以中等岩爆为主；挤压性围岩所占比例为27.9%，最大挤压变形等级为中等。隧道顶部地表发育3个冰湖，最高水头120m，水压高，多雄拉隧道地质纵断面如图2所示。

图2 多雄拉隧道地质断面示意

2 双护盾TBM超前地质预报与地质信息采集技术

多雄拉隧道地处高海拔、自然环境恶劣的无人区，沿线交通条件极差，河谷深切，地形起伏极大，部分区域常年积雪，前期地质勘察难题极大，难以在前期探明隧道具体的地质情况，施工过程中超前地质预报和地质信息采集就显得尤为重要。然而双护盾TBM设备和施工工艺具有特殊性，其设备结构、破岩机理以及施工环境与传统钻爆法和开敞式TBM都有着十分明显的差异。双护盾TBM机施工环境封闭、声光电系统复杂，从而造成内部作业空间狭小、开挖岩面不可见、噪音电磁干扰强等一系列施工工艺下的新问题。传统地质信息采集和超前地质预报方法在该环境下都变得极其不适用。

在多雄拉隧道建设过程中用到的超前地质预报技术有：水平声波反射法（HSP）、综合地震预报（ISP）、隧道地震波反射层析成像技术（TRT）及隧道微震监测技术等（见图3～4）。

图3 HSP超前探测结果

图4 TRT超前探测结果

其中，HSP可利用双护盾TBM掘进时刀盘的震动作为激发源，而由于受刀盘、盾体、管片阻挡，ISP和TRT在双护盾TBM中难以实现震源激发，为此研发了适用于双护盾TBM施工环境的新型震源激发装置，实现了TRT和ISP在双护盾TBM施工过程中的应用［1-2］（见图5）。

图5 新型震源激发装置

针对双护盾TBM全封闭施工环境下地质观测和编录困难的问题，从对刀盘和盾体结构改造的角度入手，通过预设相应摄像和激光扫描设备，发明了利用内窥式的方式来实现对掌子面和边墙等新近开挖岩面进行岩貌扫描成像和三维影像模型获取的装置和技术（见图6），从而可以在封闭环境下随时获取不同桩号的具有定位信息的掌子面和边墙岩面的全景影像，并借助基于迹线确定岩体结构面产状技术和相关地下洞室地质编录方法，为地质人员进行地质编录分析和地质预报提供相关资料。

图6 掌子面岩体三维影像获取装置

此外，在双护盾TBM施工过程中，快速实时获取岩体强度指标和测试隧道深埋洞段地应力特征，进而获取不同洞段的围岩强度应力比，对高地应力隧道双护盾TBM施工至关重要。

通过研发双护盾TBM施工环境下的掌子面岩体强度测试装置，可实时便捷获取掌子面各部位岩体强度分布云图及分区特征等相关成果，并利用多个断面成果，进一步获取岩体强度的空间发展演化特征（见图7）。

图7 掌子面岩体强度测试装置示意

3 考虑豆砾石影响的双护盾TBM管片设计技术

在多雄拉隧道的设计过程中，对于常规围岩段的设计，首次采用了考虑豆砾石填充层影响的管片设计方法。双护盾TBM隧道围岩-豆砾石-管片结构联合作用力学模型见图8。

图8 双护盾TBM隧道围岩-豆砾石-管片结构联合作用力学模型

其中抗力系数采用豆砾石-围岩耦合作用抗力系数（如式（1）所示），建立了适用于常规地层管片设计方法（如图9所示）［3-5］。

图9 常规地层管片结构设计模型

式中：kR为豆砾石-围岩耦合抗力系数；kr为围岩抗力系数；G1～G4为待定参数。

在多雄拉隧道对管片受力进行了现场实测，管片内力实测值与不同计算方法的内力计算值对比如表2所示。

表2 多雄拉隧道管片内力实测值与计算值对比

通过实测对比，采用围岩-豆砾石-管片结构联合力学模型相较于传统计算方法，内力计算结果精度提升约10%［6-10］。

4 双护盾TBM施工临灾预警方法和防控措施

双护盾TBM施工时，其掘进参数设定后在均匀稳定围岩中保持相对不变，岩渣形态、块度等也相对恒定，在双护盾全封闭环境下成为窥见围岩的重要环节，围岩的变化往往直接引起转速、进尺、岩渣块度等改变，因而根据掘进过程中所获取的岩渣信息和掘进参数差异性变化，反推围岩的变化与异常，以作为临灾预警的手段之一。

通过对双护盾TBM施作的具体工程岩体质量与岩渣特征和掘进参数的对比统计分析发现，岩体质量的变化在岩渣特征和掘进参数上都有很大程度的相关性。在岩体完整性较好的洞段，岩渣形态普遍以片状为主，而在较破碎洞段，岩渣渣体中块状岩渣的含量明显增加，多为大块状或碎块碎粉状，岩渣形态随岩体质量的变化也出现明显的差异。同时，岩体掘进参数中的总推力、贯入度以及贯推比（贯入度／总推力）也随岩体质量的变化出现明显的波动。在多雄拉隧道出现集中卡机的不良地质洞段中，掘进参数和岩渣形态出现了与正常洞段的明显差异性。因此，利用岩渣形态的变化和掘进参数的明显差异性波动可以作为双护盾TBM临灾预报的一种手段。

在对大量工程案例数据分析的基础上，工程选择了片状岩渣含量和贯推比作为岩渣形态和掘进参数的预警评价指标特征，同时对评价判据和评价模型进行了研究，提出了基于岩渣形态变化和掘进参数明显差异性波动特征的临灾预报方法（见表3）。

表3 双护盾TBM临灾预警方法

多雄拉隧道在施工过程中，运用该临灾预警模型，成功减少了卡机次数，整个施工期间仅发生了4次卡机，且均在短时间内脱困［11］。

5 结 语

多雄拉隧道是首条在高海拔地区复杂地质条件下采用双护盾TBM法施工的公路隧道，同时也是首条穿越喜马拉雅山脉的公路隧道。隧道建设过程中面临前期勘察困难，施工中地质信息采集及预报困难、设计无规范指导、施工可参考经验少等众多困难。在项目的建设过程中针对勘察、设计、施工面临的难题开展了一系列技术攻关，确定的成果成功应用于多雄拉隧道中，使隧道提前5个月竣工，施工过程安全零事故。多雄拉隧道的成功贯通，可为相关工程采用双护盾TBM施工提供参考。