特长隧道TBM导洞扩挖法可行性分析

刘玉飞 赵 伟 王立川，2∗ 王宝友 齐梦学

(1.中铁十八局集团有限公司 天津 300222；2.中南大学土木工程学院 湖南长沙 410075；3.中铁十八局集团隧道工程有限公司 重庆 400707)

1 引言

导洞是在隧道修建时率先在设计断面挖掘的远小于设计断面的洞室，TBM导洞法就是先采用TBM施作导洞再扩大断面的施工方法，适用于以中硬、硬岩为主的隧道，能发挥TBM快速掘进的优势，改善通风，并可显著缩短工期，从而降低总成本[1]。

本文依据新建西十高铁项目秦岭马白山隧道工程，编制TBM导洞＋钻爆扩挖法施工方案并进行可行性分析。

2 工程概况

秦岭马白山隧道全长22 918 m，为双洞单线隧道，最大埋深540 m、最小埋深76 m。隧道采用不对称人字坡，坡度分别为3‰、5‰、20‰、25‰。左右线围岩为Ⅱ级(11 035 m)、Ⅲ级(5 823 m)、Ⅳ级(5 710 m)、Ⅴ级(350 m)。正洞开挖断面89～106 m2，采用钻爆法施工，4条斜井辅助，其中1＃、2＃斜井为永久工程，3＃、4＃斜井为临时工程，隧道土建工期41.2个月。投标施组方案见图1。

图1 马白山隧道钻爆施工方案

3 方案可行性分析

3.1 地质适应性分析

马白山隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩占比73.6%，适合TBM法施工。隧道以花岗岩和石英片岩分为2段，岩石饱和单轴抗压强度19～99 MPa，平均值52 MPa，岩性表现好；隧道坡度最大25‰，满足TBM掘进和TBM有轨运输，进口端TBM顺坡施工达18 km，能充分发挥TBM快速掘进优势；区内主要为基岩裂隙水，主要赋存于不同岩性的接触带、断层带及节理、裂隙较发育的岩层中，可采用TBM法施工，进口工区较出口有排水优势；据勘察判定洞身埋深大于500 m时局部地段存在高地应力，存在轻微岩爆现象，现有TBM施工工艺及设备制造水平可克服该不良地质施工；2 km长石英片岩地段存在Ⅰ级软岩大变形可能，应小心通过[2－4]。

3.2 TBM方案选择

(1)主要思路:取消 1＃、3＃、4＃斜井，保留 2＃斜井辅助施工。左右线分别采用1台TBM实施导洞先行开挖，在与斜井钻爆工作面贯通后再实施钻爆法扩挖施工。在分析技术可行性和测算工期满足要求后，再测算其经济性[5]。

(2)方案选择说明

①TBM导洞断面直径选择

根据本案例隧道断面面积为89～106 m2，宜采用导洞直径范围为3.5～6 m。总体上，直径越小，速度越快，但TBM后配套就越长，不利于施组，同时支护数量就越少，甚至不支护，因此，后配套也会相应减少，理论上必然存在一最佳直径，可保证施工速度最快。根据施工经验，在能保证工期的前提下，为更针对性进行经济比较，方便参数确定，本案例开挖断面直径拟采用4.7 m。

②TBM导洞位置选择

导洞在正洞位置不同，对后续钻爆法扩挖施工效果也不同。依据表1[6]综合考虑，为利于运输、排水及便于邻洞施工，本案例选取在正洞底部正中、底平面与横通道开挖底面平齐位置。

表1 导洞位置优缺点对比

续表1

③2＃斜井为救援通道，且为永久工程，恰好在施工段中间位置，可采用大机施工；断面大，能确保均衡快速施工。1＃斜井虽为永久工程，但非必须，可变更。

(3)方案优缺点

①缺点:扩挖和衬砌工装配置数量大、工作强度高，组织难度大。

②优点:减少3 个斜井，节约 1＃、3＃、4＃斜井建设费及大小临工程费，极大减少秦岭景区的人为干扰，环水保意义重大；同时TBM法施工，也符合国家大力发展机械化施工的政策导向；导洞施工将提前探明围岩现状，利于安全和不良地质技术应对；贯通后即进行贯通测量，利用导洞变形监测可反演更精准的预留变形量、消除施工误差引起的断面放大，以此指导缩减开挖断面；大幅提高扩挖效率，降低民爆品消耗；显著改善通风效果、大幅降低通风费用，有利于劳动保护[7－8]。

3.3 进度指标选择

本案例拟采用的进度指标见表2。

表2 拟采用进度指标 (m/月)

(1)TBM开挖进度指标分析

既有项目同直径TBM开挖月进度指标:Ⅱ级720 m、Ⅲ级850 m、Ⅳ级450 m、Ⅴ级200 m。

据历史经验，由于水利和铁路行业划分围岩的习惯倾向，针对该铁路项目2～3年临时隧道TBM导洞施工时，Ⅱ、Ⅲ级围岩按不支护指标测算，不排除极个别段落必要的局部钎钉网喷处理；Ⅳ级围岩原则上只施作随机钎钉网喷＋局部锚杆；Ⅴ级须施作锚网喷，极个别破碎段落施作钢架。因此，隧道总体支护量将远小于既有项目，按公司现组织施工水平，采用比上述指标略高的表2内指标即可实现。

(2)钻爆法(非扩挖)进度指标分析

按公司现有施工水平，Ⅴ级围岩月进尺可达60 m，远超设计45 m；Ⅳ级围岩满足设计75 m且有富余；Ⅲ级围岩可达设计的120 m；Ⅱ级围岩进尺达不到设计值180 m。但由于钻爆法施工距离较短，经综合评价，可实现设计进度指标。

(3)钻爆法(扩挖)进度指标分析

导洞贯通后，应立即组织钻爆法扩挖作业，分别在导洞两端各安排一组(4个点)工作面实施快速掘进。同时，少量的Ⅳ、Ⅴ级围岩因支护量大可前置施工，不占用关键线路工期。其中，方案1可充分利用临洞工作面动态改变出渣路线，提前实施部分Ⅳ、Ⅴ级围岩扩挖；方案2只能采取增开工作面方式与扩挖同时实施。考虑出口端Ⅳ级围岩长3 620 m，可按Ⅲ级围岩扩挖实施。

钻爆法1个工作面常规扩挖指标(m/月):Ⅱ级围岩280、Ⅲ级230、Ⅳ级160、Ⅴ级140。调研其他施工单位秦岭隧道历史扩挖进度，常规能力为一组(4个点)工作面，进尺1 000～1 200 m/月，连续实施半年以上；钟南山公路隧道扩挖进度在1 100～1 300 m/月。考虑原秦岭隧道扩挖断面小，一组工作面连通很容易实现，而该项目断面大(11×10 m)，通道瞬时恢复能力低，因此降低进度指标至900 m/月，且与采用1 000 m/月计算的工期相比仅相差半个月[9－11]。

(4)2号斜井施工

按指导性方案测算，斜井自完成后，进正洞挑顶＋横通道Ⅱ级围岩施工至右线需13个月，然后进行双联式井底布置20 d，提供双向正洞施工工作面，共需14个月。

按以上进度指标测算，TBM到达前2＃斜井已施工完成，并已施工正洞；在TBM到达前15 d，暂停正洞施工，为TBM贯通后空推做清场准备。贯通后暂停1个月进行TBM转场至下一个工作面和必要检修。

(5)经咨询，从TBM下单到制造完成需5个月，运输安装约2个月，组装同时施作20 m始发洞约1个月完成，第8个月开始掘进施工。

3.4 方案对比

(1)方案1:采用2台直径4.7 m TBM错洞相向施工，即左线进口TBM法、出口钻爆法，右线出口TBM法、进口钻爆法。2＃斜井钻爆法施工，当TBM掘进通过2＃斜井交叉点一定距离后，换装出碴皮带机，改为从2＃斜井出碴，形成扩挖工作面，方案见图2。

图2 马白山隧道TBM错洞相向施工方案(单位:m)

工期:经编制施工形象进度图(见图3)测算开挖工期为39.1个月，左线施工为关键线路，衬砌施工2个月，刚好满足总工期41.2个月要求。

图3 马白山隧道方案1施工进度

缺点:必有一条隧道导洞的TBM需反坡施工，但根据历史此区域同类工程情况，预测隧道水量不大，并无淹机风险；但掘进通过2＃斜井前，2台TBM管维工作不宜协同。

优点:左右洞相互补偿性强，有利于尽早揭示全隧地质；进出口弃碴相对均衡，有利于前置处治不良地质段。

(2)方案2:采用2台TBM同向施工，即左右线进口端均采用TBM法，出口端均采用钻爆法。2＃斜井按钻爆法施工，当TBM通过2＃斜井交叉点后，换装出碴皮带机，改为从2＃斜井出碴，形成扩挖工作面，方案见图4。

图4 马白山隧道TBM同向施工方案

工期:经编制施工形象进度图(见图5)测算开挖工期为39.2个月，衬砌施工2个月，满足总工期41.2个月要求[12]。

图5 马白山隧道方案2施工进度

缺点:进出口弃碴不均衡，不利于尽早揭示全隧地质，需前置处理不良地质段。

优点:避免TBM导洞反坡施工，可消除淹机风险，便于2台TBM管维共享。

3.5 指导性施组方案存在的问题

表3中指标施工单位现有水平较难达到，但由于TBM进度较快，最终其对正洞扩挖工期影响很小(经计算半个月内)。因此，客观分析现有施组方案，1＃、3＃、4＃斜井工期会滞后 1 个月以上，保守估计总体会滞后4～5个月工期。

表3 斜井自身钻爆开挖进度指标 (m/月)

4 经济性比较

4.1 节省费用计算

该方案与设计方案相比，可节省1＃、3＃和4＃三座斜井实体工程建设成本，按投标预算节省15 772万元；同时可节省对应的临建工程，估算为1 514万元。故两项合计节省17 286万元。

4.2 增加费用计算

(1)TBM费用

新投入2台直径4.7 m的TBM费用约13 400万元；运输费和组装费单列，及配套专项设备设施等统一估算5 000万元。按项目管理经验，残值微小，总计18 400万元全部摊销，含在TBM开挖综合单价(700元/m3)中，不再单独计算。

(2)TBM法较钻爆法开挖增加成本明显

计算思路:估算TBM法导洞施工长度范围内的正洞断面开挖成本增加。

增加成本＝每延米成本增加量×总长度。

其中:每延米成本增加量＝每延米TBM导洞开挖成本A(含支护)＋每延米扩挖成本B(降造)－每延米投标预算钻爆成本C。

A＝TBM导洞开挖每延米方量×(每延米TBM综合开挖单价a1＋每延米支护单价a2)。

B＝扩挖每延米方量×每延米综合开挖单价c－每延米降造费b。

C＝正洞全断面每延米方量×每延米综合开挖单价c。

TBM导洞开挖每延米方量按直径4.73 m计算为17.57 m3；正洞开挖每延米方量:经加权得94.15 m3；扩挖每延米方量:94.15－17.57＝76.58 m3。

长度测算(根据施工形象进度图):

方案1:左线TBM导洞施工18 571 m，右线TBM导洞施工16 802.2 m；方案2:TBM从进口向出口左右线同向施工，左右线TBM导洞施工均为18 788 m。

各级围岩开挖综合单价(c)加权平均得:方案2为210.94元/m3，方案1为209.46元/m3。

每延米TBM综合开挖单价(a1):700元/m3(参考其他同类施工TBM综合开挖成本580～630元/m3，并考虑本单位综合施工水平，按700元/m3计算较稳妥)。

每延米TBM导洞开挖后围岩支护单价(a2)经加权平均计算。按Ⅱ级、Ⅲ级围岩无支护，Ⅳ级、Ⅴ级围岩(参照既有同类项目)均按5 000元/延米计算可得:方案1为1 477.81元/延米，方案2为1 169.87元/延米。

每延米降造费(b):

扩挖引起的降造费参考文献[1]并结合正洞设计断面和导洞断面估算如下:

①节约开挖量:2 m3/延米(单洞)，故每延米节约2 m3×210.94元/m3＝421.88元。

②节约喷砼量:1.7 m3/延米(单洞)，故每延米节约1.7 m3×1 000元/m3(投标)＝1 700元。

③节约火工品量:炸药25%、雷管40%，开挖火工品总体消耗(10＋18)元/m3，故每方节约火工品10×0.25＋18×0.4＝9.7元，故每延米节约76.58 m3×9.7元/m3＝742.83元。

④节约通风费:按4座斜井估算，非导洞法平均通风费12元/m3，导洞贯通后平均通风费4元/m3。每延米节约76.58 m3×8元/m3＝612.64元。

①～④项合计3 477.35元，约占扩挖量(210.94×75.68)的21.53%。

经计算每延米增加成本:方案2为6 285.31元，方案1＝6 643.65元。

增加费用:方案1为23 501万元，方案2为23 618万元。

4.3 总费用计算

总费用＝节省费用－增加费用。

方案1:17 286－23 501＝－6 215万元。

方案2:17 286－23 618＝－6 332万元。

可见，两种方案均需增加投入6 300万元左右，但2台TBM残值及专项配套未纳入冲减。

4.4 比选结论

(1)采用TBM导洞扩挖法，地质适应性较好。

(2)该方案能满足总工期，相对会滞后总工期的原设计方案，可实现工期提前。

(3)如考虑TBM剩余价值为一半，以及其他专项配套可继续周转使用，经济上亦可行。

综上所述，马白山隧道采用TBM导洞扩挖法，其技术、经济和工期均具备可行性，且环水保意义重大。

5 结论及思考

(1)进度指标的采用至关重要，其必须符合实际，笔者参考了多个类似项目的历史进度指标和在建项目的指标情况，通过进一步优化形成上文计算指标。

(2)施工进度图是计算工期的工具，要点是必须做好接口工程(交叉施工、前置施工等)的协调估算，关键节点务必充分考虑，科学合理估算，才能保证工期计算有效。

(3)经济测算方法很重要，本文采用差额法经验根据每延米单价进行估算，参考历史经验和数据统计，得到比较客观的关键计算参数。同时依据施工进度图精确测算计算长度，及所需工程量和必要指标。缺点是指标选择不够精确，偏差会较大，宜以施工单位成本测算部门的计算方法为准。

(4)应充分考虑反坡富水施工带来的影响，历史经验证明:反坡排水施工管理不善，无有效补救措施，将会造成较大工期和经济损失。

(5)该方案如果在建设项目策划阶段推荐实施，TBM可在正式施工半年前由业主定制，开工具备条件即可进场组装，将会显著节省工期，且不会增加额外投资，践行了绿色创新的发展理念。