陳 饋，馮歡歡, *，賀 飛

(1. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；3. 中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

川藏鐵路穿越世界最雄壯的橫斷山脈，35萬km2的橫斷山區(qū)是全世界最復(fù)雜、險峻、龐大的山系[1-2]。川藏鐵路的斷層破碎帶遠(yuǎn)勝他處，且仍在發(fā)育擴張，其建設(shè)難度與風(fēng)險不言而喻(全長14.7 km的大瑞鐵路大柱山隧道[3]，途經(jīng)12條斷層，僅處橫斷山脈一隅，卻歷經(jīng)12年才貫通)。全長57 km的圣哥達(dá)基線隧道[4]，橫穿歐洲阿爾卑斯山脈，被譽為歐洲團結(jié)的象征，最高峰勃朗峰海拔4 810 m，歷時17年才建成。川藏鐵路雅安至林芝段正線，隧線比達(dá)83%，20 km以上的隧道有16座。川藏鐵路隧道建設(shè)面臨著長大隧道多、地應(yīng)力高、活動斷層頻繁等重大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)TBM裝備已難以滿足該類復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工需求，因此，進行針對性地創(chuàng)新設(shè)計顯得尤為迫切。

針對復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM隧道建設(shè)所遇到的工程技術(shù)難題，已有研究者進行了相關(guān)研究，并通過工程進行了應(yīng)用與驗證。例如： 陳饋等[5]對復(fù)雜地質(zhì)條件下的TBM施工風(fēng)險進行了論述，并對其應(yīng)對措施進行了研究。Grandori[6]闡述了復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑隧道TBM的設(shè)計進展，并提出傳統(tǒng)TBM沒有針對復(fù)雜地質(zhì)條件進行研究與設(shè)計，為滿足工程需求，必須開發(fā)針對性的TBM機型。洪開榮等[7]、楊延棟等[8]對復(fù)雜地質(zhì)條件下的大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM施工關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，同時對TBM針對性研制技術(shù)進行了探討。董泗龍[9]、楊繼華等[10]、徐虎城[11]分別針對TBM施工過程中，TBM穿越斷層破碎帶被卡時的脫困技術(shù)開展了針對性研究。劉大鵬[12]建議從合理調(diào)整掘進參數(shù)以及制定具體的TBM施工措施等方面入手，來保證TBM穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)地段的施工能夠取得實效。陳衛(wèi)忠等[13]研究探討了圍巖擠壓大變形的機制、擠壓性地層預(yù)報方法和圍巖收斂變形預(yù)測方法，總結(jié)歸納了常用的應(yīng)對擠壓性地層的處置手段，并提出應(yīng)結(jié)合具體工程問題來綜合比選TBM隧道擠壓大變形的辨識公式、預(yù)測方法以及處置手段。張建設(shè)[14]研究分析了高黎貢山隧道巖溶及軟巖大變形洞段敞開式TBM施工技術(shù)，指出由于功能及結(jié)構(gòu)等因素的限制，現(xiàn)有的常規(guī)TBM尚難以很好地適應(yīng)軟巖大變形地層條件。

本文基于以往關(guān)于復(fù)雜多變地質(zhì)條件下的TBM設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)研究成果，針對川藏鐵路這一目前國內(nèi)外最具有挑戰(zhàn)性的鐵路工程修建過程中可能遇到的斷層破碎帶、軟巖大變形、巖爆、高地溫和高地應(yīng)力等不良地質(zhì)條件，系統(tǒng)性地分析川藏鐵路隧道面臨的建設(shè)難題，詳細(xì)論述TBM針對性設(shè)計理念及其創(chuàng)新設(shè)計方法，以期為川藏鐵路TBM針對性設(shè)計及后期工程施工提供參考。

1 川藏鐵路工程概況

1.1 地理位置及線路情況

川藏鐵路東起四川省成都市，向西經(jīng)雅安、康定、昌都、林芝、山南到拉薩。新建的雅安至林芝段(簡稱雅林段)全長1 011 km，其中，橋隧總長958 km，橋隧比約95%。川藏鐵路線路如圖1所示。

圖1 川藏鐵路線路示意圖

1.2 隧道基本概況

川藏鐵路雅林段隧道總計72座，合計長838 km，隧道占比83%，最長隧道為易貢隧道(42.5 km)。其中，30 km及以上隧道7座，總長約240 km；20～30 km隧道9座，總長約216 km；10～20 km隧道19座，總長約274 km。隧道穿越地質(zhì)主要為片麻巖、花崗巖、石英閃長巖、花崗閃長巖、板巖、砂巖、石英砂巖、灰?guī)r、大理巖等。川藏鐵路先后跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布江和雅魯藏布江等7條大江大河；穿越二郎山、折多山、高爾寺山、沙魯里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉嶺和色季拉山等8座高山。全線平均海拔3 800 m，相對高差4 000～6 000 m，山高谷深，地形條件艱險，跌宕起伏，地貌極其復(fù)雜?？偟牡貏莩时备吣系?、西高東低、跨七江穿八山、七下八上。沿線地形地勢如圖2所示。海拔超過4 000 m的隧道17座，總長約199.6 km，約占隧道全長的24%；海拔3 000～4 000 m的隧道32座，總長約433.6 km，約占隧道全長的52%。

圖2 川藏鐵路沿線地形地勢圖

1.3 隧道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 設(shè)計行車速度

川藏鐵路雅林段隧道設(shè)計行車速度為200 km/h(部分路段限速160 km/h)。

1.3.2 建筑限界及隧道橫斷面

隧道建筑限界采用TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中“客貨共線鐵路隧道建筑限界(160 km/h

1.3.3 洞內(nèi)軌道類型

隧道內(nèi)以鋪設(shè)無砟軌道為主，在活動斷裂帶及兩側(cè)各200 m范圍內(nèi)采用有砟軌道。無砟軌道推薦采用雙塊式結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)高度為515 mm；有砟軌道結(jié)構(gòu)高度為766 mm。

2 川藏鐵路隧道面臨的重大挑戰(zhàn)

2.1 工程環(huán)境挑戰(zhàn)

1)顯著的地形高差。川藏鐵路依次經(jīng)過二郎山、折多山、高爾寺山、沙魯里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉嶺和色季拉山等高大山脈，先后經(jīng)過大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布江、雅魯藏布江等大江大河，線路爬升高度近萬m。

2)強烈的板塊活動。川藏鐵路地處青藏高原中東部，位于印度板塊與歐亞板塊擠壓構(gòu)造山帶，構(gòu)造地質(zhì)作用強烈(以每年4～12 mm的速度移動)，沿線地震活動強烈、大地震頻發(fā)。據(jù)史料記載，公元1128年至2012年發(fā)生7級以上地震至少22次；全線共有約50個對線路有影響的高溫?zé)崛?/p>

3)頻發(fā)的山地災(zāi)害。沿線山高坡陡，滑坡、崩坍以及冰湖潰決、泥石流等山地災(zāi)害廣泛分布，工程地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜；三江并流區(qū)山高谷深，氣候差異顯著，海洋性冰川氣候等多種環(huán)境耦合作用下，形成了高寒、強震、立體氣候等復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件。

4)脆弱的生態(tài)環(huán)境。穿越四川、西藏兩地生態(tài)紅線，涉及大熊貓棲息地世界自然遺產(chǎn)、貢嘎山國家級自然保護區(qū)等各級敏感區(qū)共20余處。

5)嚴(yán)重的高寒缺氧。全線平均海拔3 800 m，最低氣溫-30 ℃，嚴(yán)重高寒缺氧，人工和普通施工機械的工效均嚴(yán)重降低。

2.2 地質(zhì)挑戰(zhàn)

根據(jù)目前的地質(zhì)勘察資料，分析川藏鐵路隧道修建過程中所面臨的主要地質(zhì)特征，具體如下[15]。

2.2.1 高地應(yīng)力

最大水平地應(yīng)力為64 MPa，最小水平地應(yīng)力為38 MPa(埋深2 000 m處)。依據(jù)拉林鐵路現(xiàn)場地應(yīng)力測量資料可知，隧道穿越地層的最大地應(yīng)力達(dá)78 MPa。

1)巖爆。對于高深埋隧道，在高地應(yīng)力作用下，硬質(zhì)圍巖會發(fā)生巖爆。川藏鐵路隧道圍巖為花崗巖、片麻巖等，屬于較硬巖，極易發(fā)生巖爆。川藏鐵路隧道中巖爆等級為中等—強烈的高風(fēng)險洞段長度約為109.2 km。

2)大變形。藏噶隧道施工過程中發(fā)生了初期支護混凝土開裂，出現(xiàn)了鋼架扭曲變形甚至接頭直接斷裂的情況(如圖3所示)。經(jīng)現(xiàn)場實測可知，初期支護累計最大收斂1 466 mm。因此，川藏鐵路隧道也將面臨因高地應(yīng)力而引起的軟巖大變形的情況。

2.2.2 多處深大活動斷裂

川藏鐵路在巨大的橫斷山脈間七下八上，主要活動斷裂有： 龍門山、鮮水河、理塘、甘孜—理塘、巴塘、金沙江、瀾滄江、怒江、八宿、嘉黎、雅魯藏布江、沃卡等，如圖4所示。

圖3 藏噶隧道蝕變巖段初期支護鋼架被剪斷

圖4 川藏鐵路穿越的主要活動斷裂帶分布情況

川藏鐵路全線50%的路段設(shè)計地震動峰值加速度達(dá)到0.2g及以上，在康定附近更有地震動峰值加速度0.4g左右的分布區(qū)。沿線地震活動強烈，大地震頻發(fā)。

2.2.3 高地溫

所經(jīng)地區(qū)地?zé)釋儆诘刂泻！柴R拉雅地?zé)釒?，為大氣降水深循環(huán)型的水熱對流型熱水系統(tǒng)。全線約有50個高溫?zé)崛s15座隧道可能存在高溫?zé)岷?，例? 昌都吉塘鎮(zhèn)分布有82 ℃高溫?zé)崛绊懤死剿淼?；通麥?zhèn)分布有92 ℃高溫?zé)崛绊懸棕曀淼?；康定分布?1 ℃高溫?zé)崛?，影響折多山隧道?/p>

2.2.4 洞口災(zāi)害源多

卡達(dá)橋路段曾突發(fā)雪崩，崩塌堆積物阻斷帕隆藏布江，造成60 m的路基被雪崩徹底沖毀；埡口湖區(qū)處于安久拉山西坡，每年暴發(fā)3～5次雪崩；凍土區(qū)地下水隨季節(jié)變化，對路堤、地基及隧道洞門結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性影響較大。典型洞口災(zāi)害源如圖5所示。

2.3 其他挑戰(zhàn)

1)施工組織困難。沿線空氣稀薄、人煙稀少，交通極不便利，基礎(chǔ)設(shè)施匱乏。在如此惡劣的條件下，要修建大量超長隧道(群)，對施工組織和施工方法帶來了巨大挑戰(zhàn)。

2)防災(zāi)救援挑戰(zhàn)大。在人煙稀少的高原，要運營包含大量超長隧道(群)的鐵路，對防災(zāi)救援帶來了巨大挑戰(zhàn)。

3)出渣處理困難。川藏鐵路部分區(qū)段處于大江大河的上游，植被覆蓋較低，生態(tài)環(huán)境非常敏感，生態(tài)恢復(fù)極為困難。隧道出渣約1.2億m3。如何實現(xiàn)隧道棄渣的綜合利用顯得尤為重要。

(a) 怒江干流巨型滑坡 (b) 超高位危巖落石

(c) 古鄉(xiāng)溝冰川泥石流全貌 (d) 畢細(xì)滑坡全貌

(e) 鮮水河孔巴鄉(xiāng)不穩(wěn)定斜坡 (f) 溜砂坡

2.4 以色季拉山隧道為例

色季拉山隧道全長37.965 km，進口端位于魯朗兵站附近，出口端位于林芝市巴宜區(qū)林芝鎮(zhèn)尼池村境內(nèi)，隧道段線路為人字坡，隧道最高海拔約3 158 m，隧道最大埋深約1 696 m。該隧道共有2座斜井、1座橫洞，采用TBM法+鉆爆法聯(lián)合施工。

1)圍巖巖性。主要為花崗巖、閃長巖、片麻巖、片巖，最大天然抗壓強度為196 MPa，平均石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖長度分別約占整個隧道長度的55.1%、28.8%、4.6%。

2)斷層破碎帶及節(jié)理密集帶。隧道穿越f4-3、f4-5、F61以及f4-6等4條斷裂帶，共有16段節(jié)理密集帶，總長4 965 m。

3)最大涌水量。預(yù)測隧道最大涌水量為20萬m3/d。

4)隧道巖爆段。全隧巖爆段長19.13 km，約占隧道總長的一半，判定為無巖爆地段也有發(fā)生巖爆的可能性。

3 川藏鐵路TBM創(chuàng)新設(shè)計及應(yīng)對措施

按照目前的設(shè)計方案，川藏鐵路隧道中計劃采用TBM施工的隧道有： 色季拉山隧道、伯舒拉嶺隧道、果拉山隧道、孜拉山隧道和德達(dá)隧道等5座隧道，其正洞共計劃采用18臺大直徑TBM(10.2 m)施工，涉及機型有敞開式、雙護盾等。

3.1 川藏鐵路TBM施工面臨的風(fēng)險

隧道施工過程中將會遇到高地應(yīng)力巖爆、大變形、斷層破碎帶、突泥涌水等一系列不良地質(zhì)條件，進而給TBM施工帶來了諸多挑戰(zhàn)。

3.1.1 無法獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)信息風(fēng)險

隧道埋深大，所處地區(qū)人跡罕至、環(huán)境惡劣，地質(zhì)勘察條件極差，給前期地質(zhì)勘察帶來了極大的難度。由于地質(zhì)勘察階段所獲取的地質(zhì)信息與TBM掘進過程中實際遇到的地質(zhì)信息可能不一致，很可能會造成TBM卡機、姿態(tài)失控、塌方、人員及設(shè)備損傷等重大工程事故。

3.1.2 軟巖大變形和深大斷層破碎帶風(fēng)險

川藏鐵路隧道地處歐亞板塊與印度洋板塊碰撞隆升形成的板塊縫合帶，構(gòu)造地質(zhì)作用強烈(每年有4～12 mm的位移)，深埋長大隧道的高地應(yīng)力大變形及穿越深大斷層破碎帶問題突出。大變形直接抱死刀盤、護盾，引起初期支護變形，造成后配套通過困難；斷層破碎帶易造成突泥涌水、大塌方，造成TBM被卡，卡機事故處理難度大，風(fēng)險高，將造成工期延誤。

3.1.3 強烈?guī)r爆風(fēng)險

深埋長大隧道的高地應(yīng)力巖爆問題突出(最高地應(yīng)力達(dá)78 MPa)，中等及以下巖爆風(fēng)險可控，但強烈和極強巖爆可能導(dǎo)致設(shè)備報廢、人員傷亡等重大工程損失。

3.1.4 突泥涌水風(fēng)險

穿越的深大斷裂分布廣，突泥涌水風(fēng)險高；突泥涌水可能導(dǎo)致TBM被淹被埋及人員傷亡，風(fēng)險極高；大面積淋水會惡化洞內(nèi)環(huán)境，降低作業(yè)效率。

3.1.5 高海拔、高地溫、高溫水風(fēng)險

高海拔缺氧導(dǎo)致人員、設(shè)備效率降低；高地?zé)岷透邷厮L(fēng)險高(局部巖溫可達(dá)90 ℃)，可能導(dǎo)致設(shè)備過熱而無法正常工作。

3.2 川藏鐵路TBM創(chuàng)新設(shè)計

3.2.1 創(chuàng)新設(shè)計原則和設(shè)計理念

根據(jù)川藏鐵路隧道“安全施工、快速掘進、及時支護”的施工理念，結(jié)合“超前探測、支護通風(fēng)、環(huán)境保護”的重點需求，確定對應(yīng)TBM創(chuàng)新設(shè)計的相關(guān)原則和設(shè)計理念。

3.2.1.1 川藏鐵路隧道TBM創(chuàng)新設(shè)計原則

1)可實現(xiàn)安全、快速的支護。由于特殊地質(zhì)原因，川藏鐵路隧道TBM掘進不是最大的問題，最大的問題是隧道坍塌。因此，支護是最大的問題，超前加固功能不可或缺。應(yīng)以時間換空間，確保施工安全。

2)具備完善的超前預(yù)報體系。根據(jù)實際情況配置激發(fā)極化法超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)、復(fù)頻電導(dǎo)超前探水系統(tǒng)等。

3)高效的出渣系統(tǒng)。長大隧道TBM高效施工的關(guān)鍵問題之一就是隧道出渣，如何實現(xiàn)高效出渣與渣土后期綜合利用的有機結(jié)合有待進一步研究與應(yīng)用。

3.2.1.2 TBM應(yīng)對不良地質(zhì)的創(chuàng)新設(shè)計理念

結(jié)合目前在建的高黎貢山隧道、滇中引水隧洞等重大工程案例及川藏鐵路色季拉山隧道的工程特點，提出TBM針對性的設(shè)計理念。

1)高寒高海拔： 降低勞動強度+完善動力配置+配置安全設(shè)施。

2)長距離硬巖掘進： 高效破巖+結(jié)構(gòu)可靠+參數(shù)合理。

3)巖爆： 監(jiān)測預(yù)報+主動防控+積極被動防護。

4)大變形： 預(yù)留變形量+以時間換空間。

5)斷層破碎帶： 超前探測+及時支護。

6)突泥涌水： 加強監(jiān)測+堵排結(jié)合。

7)高地溫： 加強通風(fēng)+設(shè)置制冷設(shè)備。

3.2.2 TBM創(chuàng)新設(shè)計要點

對于川藏鐵路隧道，常規(guī)的敞開式或護盾式TBM均難以適應(yīng)，必須進行創(chuàng)新設(shè)計，使TBM具備以下特點： 1)若采用敞開式TBM，必須具備巖爆段能及時封閉圍巖、撐靴撐不住時可以繼續(xù)勻速掘進的能力； 2)若采用護盾式TBM，必須具備在軟巖大變形地層實現(xiàn)較大擴挖及脫困的能力，以防止TBM被卡。

3.2.2.1 敞開式TBM創(chuàng)新設(shè)計

為適應(yīng)川藏鐵路隧道施工，對于敞開式TBM，應(yīng)進行創(chuàng)新設(shè)計，其應(yīng)兼?zhèn)淦囱b管片(預(yù)制混凝土管片或鋼管片)的功能。將這種創(chuàng)新設(shè)計的敞開式TBM稱為“雙結(jié)構(gòu)TBM”。雙結(jié)構(gòu)TBM具備以下特點：

1)安全性好。在巖爆地層，設(shè)計并選用具有較強抗巖爆功能的新型管片，及時封閉圍巖，對作業(yè)人員和設(shè)備提供防護。

2)適應(yīng)性強。在軟巖、破碎地層，可使用輔助推進系統(tǒng)，通過管片提供推進反力，實現(xiàn)推力轉(zhuǎn)換。

3)通過“型鋼骨架+可變形材料”確保TBM順利通過大變形段。

該新型TBM是在常規(guī)敞開式TBM的基礎(chǔ)上進行的創(chuàng)新設(shè)計，其增加了安裝管片功能(含鋼管片、型鋼骨架)和輔助推進功能，以實現(xiàn)在巖爆區(qū)段能封閉施工以及順利通過軟巖、破碎地層和大變形段。

3.2.2.2 護盾式TBM創(chuàng)新設(shè)計

若采用護盾式TBM，其應(yīng)具備在軟巖大變形地層實現(xiàn)較大擴挖及脫困的能力，并能在大變形區(qū)段進行敞開作業(yè)。通過在雙護盾TBM上增加噴錨支護系統(tǒng)，以實現(xiàn)上述功能。將這種新型TBM稱為“雙支護TBM”。

雙支護TBM還可采用“薄管片+二次襯砌”的支護方式，或不使用預(yù)制混凝土管片，而只在不良地層使用鋼管片，這樣仍可像敞開式TBM一樣進行二次襯砌，以適應(yīng)隧道永久結(jié)構(gòu)的需要。雙支護TBM具備以下特點：

1)安全性好。在盾體及襯砌管片的保護下實現(xiàn)安全作業(yè)。

2)適應(yīng)性強。針對中等及以上巖爆地層，相對敞開式TBM具有一定優(yōu)勢。

3)經(jīng)濟性好。采用“薄管片(或鋼管片)+二次襯砌”方式可降低施工成本，亦能確保隧道永久結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

該類型TBM是在常規(guī)雙護盾TBM前盾的尾部增加了安裝鋼拱架的功能，且后部盾體可以收縮，以適應(yīng)大變形地層；同時，還可在24 h變形量為300～400 mm的圍巖中正常掘進。

3.3 川藏鐵路典型不良地質(zhì)TBM應(yīng)對策略與防控措施建議

3.3.1 典型不良地質(zhì)TBM應(yīng)對策略分析

為更好地應(yīng)對川藏鐵路隧道建設(shè)過程中所遇到的各類重大風(fēng)險，對以往典型不良地質(zhì)條件(主要包括巖爆、大變形、破碎帶等)下的TBM應(yīng)對措施進行總結(jié)分析，具體如下。

3.3.1.1 巖爆

在面對不同強度的巖爆時，TBM應(yīng)采取對應(yīng)的巖爆預(yù)防與應(yīng)對措施。

1)中等巖爆處理措施有: 彈性膨脹錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼筋排、頂部設(shè)置拱架。為保證仰拱處人員的安全，最好在270°范圍內(nèi)采取以上支護措施。

2)強烈?guī)r爆處理措施有: 柔性拱架接頭(見圖6)、部分范圍使用吸能緩沖支護，或通過大直徑鉆孔釋放徑向壓力。

圖6 柔性拱架接頭

在應(yīng)對巖爆時,主動措施要到位，被動防護要管用。主動措施是降低巖爆發(fā)生的重要手段，包括超前鉆孔釋放應(yīng)力、噴射冷卻水、降低掘進速度等； 被動防護是防止巖爆損壞人和設(shè)備的重要手段，主要有錨桿、拱架、掛網(wǎng)、管片等措施。

3.3.1.2 大變形

敞開式TBM盾體短，且可徑向伸縮，卡機風(fēng)險一般低于護盾式TBM。TBM應(yīng)對卡機的措施主要有： 輕微變形靠擴挖，可用拱架和網(wǎng)片； 中度變形用管片或重型拱架； 重度變形則用管棚。

1)輕微變形。對于護盾式TBM，刀盤擴挖、圍巖收斂釋放應(yīng)力后，利用管片抵消變形量，并承受圍巖荷載；對于敞開式TBM，安裝鋼拱架、網(wǎng)片、鋼筋排，及時噴射混凝土封閉圍巖。

2)中度變形。依靠管片或拱架抵消變形量，承受荷載。對于護盾式TBM，通過刀盤偏心、盾體倒錐形、刀盤擴挖設(shè)計等措施，增加盾體與隧道頂部的間隙，圍巖收斂釋放應(yīng)力后，依靠管片或舉升鋼拱架抵消變形量，進而承受圍巖荷載；同時，TBM應(yīng)具備大轉(zhuǎn)矩脫困功能。對于敞開式TBM，安裝柔性鋼拱架或鋼管片，保持對圍巖的支撐力，同時可適應(yīng)一定的圍巖變形。

3)重度變形。加大TBM開挖直徑，TBM主機段設(shè)計獨立超前鉆機系統(tǒng)，通過超前注漿加固，減少圍巖變形量。對于Ⅲ級大變形，無論哪種機型掘進都會受到較大影響。當(dāng)重度變形造成盾體被卡時，可在護盾頂部采取人工開挖的方式進行處理。處理大變形最后的方案是人工擴挖洞室、安裝鋼拱架。

3.3.1.3 破碎帶、不穩(wěn)定圍巖

1)強化輔助工法。L1區(qū)域采用加強型快速支護系統(tǒng)設(shè)計，要求“刀盤暴露區(qū)盡量短，刀盤轉(zhuǎn)矩足夠大”。L1區(qū)域設(shè)備配置有鋼筋排支護系統(tǒng)、鋼筋網(wǎng)存儲系統(tǒng)、鋼拱架安裝器、錨桿鉆機快速支護系統(tǒng)、鋼管片安裝器、應(yīng)急噴射混凝土系統(tǒng)和相關(guān)操作平臺。L2區(qū)域設(shè)備配置有錨桿鉆機和噴射混凝土系統(tǒng)。支護區(qū)域分布示意圖見圖7。

圖7 支護區(qū)域分布示意圖

2)超前加固。使用化學(xué)灌漿混合物加固塌方區(qū)域，使用樹脂填充空隙，如圖8所示。

3.3.2 TBM應(yīng)對不良地質(zhì)的針對性措施

3.3.2.1 應(yīng)對高原高寒的措施

1)提高機械化程度，降低勞動強度。例如： 采用全自動智能遙控拼裝、自動噴射混凝土、機械化物料轉(zhuǎn)運、智能掘進等技術(shù)。

2)增大設(shè)備功率，彌補降容損失。風(fēng)冷電機、軟啟動器、變頻器按照海拔降容系數(shù)進行選型設(shè)計； 增加絕緣間隙，降低高海拔對內(nèi)絕緣的影響； 應(yīng)急發(fā)電機、斷路器選用高原型產(chǎn)品。

3)配置通風(fēng)、供氣等安全設(shè)備。在TBM設(shè)備上配置醫(yī)療艙和避險艙； 提高有害氣體預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)； 提高供風(fēng)量和回風(fēng)風(fēng)速。

圖8 超前加固措施示意圖

3.3.2.2 應(yīng)對長距離硬巖掘進的措施

1)采用合理滾刀間距設(shè)計，專門應(yīng)對高強度巖石，提高破巖能力，例如： 中心刀采用43.18 cm(17英寸)雙聯(lián)滾刀，正滾刀及邊滾刀采用48.26/50.8 cm(19/20英寸)單刃滾刀。

2)對于主軸承密封、液壓/潤滑油泵、液壓馬達(dá)、液壓油缸、液壓閥件、控制系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)等，均需充分考慮高原、高海拔環(huán)境下的特殊要求。

3.3.2.3 應(yīng)對巖爆的措施

1)利用微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過對圍巖工程動力型災(zāi)害進行24 h不間斷監(jiān)測，為巖體穩(wěn)定性評估、巖爆災(zāi)害預(yù)警提供依據(jù)。

2)配置大功率鉆機，噴水釋放地應(yīng)力。

3)配置徑向鉆機，安裝錨索； 同時，控制TBM掘進速度，盡早施作加長錨桿。

4)主機及后配套設(shè)施可拆或采用移動式防護裝置；采用管片支護(含鋼管片、型鋼骨架)。

5)使用護盾式TBM時采用“薄管片(或鋼管片)+二次襯砌”的支護方式。

3.3.2.4 應(yīng)對斷層破碎帶的措施

1)利用三維地震波法對掌子面前方100 m、隧道左右上下各20 m的范圍進行探測，同時配置地震波探測系統(tǒng)及超前取芯鉆機。

2)采用全液壓一體式拱架安裝機，可完成拼裝、成環(huán)、撐緊作業(yè)； L2區(qū)噴漿配置3D掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)自動噴漿。

3)采用鋼管片、型鋼骨架支護，減少洞內(nèi)落渣； 配置清渣機械抓斗，實現(xiàn)機械清渣； 同時，配置清渣皮帶機，通過連續(xù)皮帶機將渣土直接輸送至洞外。

4)配置大功率管棚鉆機，通過護盾預(yù)留孔或護盾外側(cè)向前鉆孔，同時套管跟進，回收鉆桿并進行注漿加固，實現(xiàn)管棚支護。

3.3.2.5 應(yīng)對大變形的措施

1)采用“機械墊塊+50.8 cm(20英寸)滾刀”的配置模式，同時確保刀盤驅(qū)動系統(tǒng)具備抬升功能。

2)創(chuàng)新設(shè)計出具備拼裝柔性拱架的TBM，如型鋼骨架+可變形材料； 同時，盾體具有收縮功能。

3)配置輔助推進系統(tǒng)，當(dāng)撐靴無法提供反力時，可利用管片提供動力。

4)完善護盾式TBM防卡功能設(shè)計也是很重要的一方面，具體可采用的措施包括增加刀盤驅(qū)動功率及轉(zhuǎn)矩、刀盤配置連續(xù)擴挖功能、盾體采用前大后小階梯式設(shè)計、盾體外側(cè)注漿潤滑設(shè)計等。

3.3.2.6 應(yīng)對突泥涌水的措施

1)配置激發(fā)極化法超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，建立前向探測模式，實現(xiàn)掌子面前方30 m內(nèi)含水體三維成像定位。

2)TBM主機段配置超前鉆機系統(tǒng)；同時，配合注漿系統(tǒng)，實現(xiàn)360°超前鉆孔注漿止水。

3)進行高防水等級、強排水設(shè)計，TBM刀盤電機防水等級為IP67，并預(yù)留應(yīng)急排水接口。

3.3.2.7 應(yīng)對高巖溫的措施

1)風(fēng)機、風(fēng)管并重，均應(yīng)充分考慮高巖溫這一特殊地質(zhì)條件。

2)配置制冷系統(tǒng)，使降溫效果滿足施工要求。

3)大功率電機采用水冷卻的方式，或洞外運輸冰塊冷卻的方式。

4 結(jié)論與討論

TBM創(chuàng)新設(shè)計是川藏鐵路隧道施工成敗的關(guān)鍵，要推進極端條件下新型多功能TBM(雙結(jié)構(gòu)TBM、雙支護TBM等)的研發(fā)工作。

1)超前地質(zhì)預(yù)報和超前處理是控制施工風(fēng)險的重要手段，用于川藏鐵路隧道的TBM應(yīng)具備超前探測功能并可用于日常作業(yè)。對各種地質(zhì)風(fēng)險要深入分析，用于川藏鐵路隧道的TBM應(yīng)具有相應(yīng)的針對性設(shè)計，同時要有詳細(xì)的可操作的專項應(yīng)急預(yù)案。

2)對于軟巖大變形和強巖爆的防控技術(shù)，應(yīng)進行深入研究和創(chuàng)新設(shè)計。對于以巖爆為主的隧道，宜首選“雙護盾+錨噴支護”的雙護盾TBM或雙支護TBM，次選雙結(jié)構(gòu)的敞開式TBM。

3)對于以大變形為主的隧道，宜首選雙結(jié)構(gòu)的敞開式TBM。

與TBM施工特點結(jié)合的隧道初期支護、永久支護仍需進一步深入研究與設(shè)計。