李志軍， 陳 饋， 陳 橋， *， 周 毅， 李 增， 于京波， 張 嘯

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458；3. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 4. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

敞開式TBM在我國長大鐵路隧道、引水隧洞建造中應(yīng)用越來越廣泛，如西康鐵路秦嶺隧道、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、大瑞鐵路高黎貢山隧道、引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞等[1-3]。由于敞開式TBM開挖直徑相對(duì)固定，擴(kuò)挖能力十分有限，難以足量擴(kuò)挖，為保證襯砌厚度和斷面凈空同時(shí)滿足要求，在出現(xiàn)初期支護(hù)侵限后，往往只能采取撤換支護(hù)的措施，增加了隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，影響了施工進(jìn)度。

在隧道襯砌斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方面，文獻(xiàn)[4-6]從隧道結(jié)構(gòu)受力方面研究襯砌設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[7]從剛性接觸網(wǎng)、減小疏散通道寬度、縮小凈空有效面積等方面出發(fā)，對(duì)TBM施工隧道內(nèi)輪廓和斷面進(jìn)行優(yōu)化，認(rèn)為TBM+剛性接觸網(wǎng)可顯著降低隧道工程造價(jià)、減少隧道棄渣量,有利于TBM同步襯砌技術(shù)的實(shí)施，提高隧道防災(zāi)能力。文獻(xiàn)[8-11]針對(duì)客運(yùn)專線鐵路，研究隧道內(nèi)輪廓有效凈空面積大小、隧道開口、隧道結(jié)構(gòu)受力條件、排水系統(tǒng)布設(shè)及工程量大小等因素與緩解空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的關(guān)系，以優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[12]針對(duì)礦山法鐵路隧道復(fù)合式襯砌存在開挖成型難、超欠挖、襯砌厚度控制難等諸多斷面尺寸問題，從隧道斷面的尺寸預(yù)設(shè)和調(diào)整、斷面測量方法、欠挖處理、初期支護(hù)基面修整、拱墻襯砌臺(tái)車二次襯砌澆筑混凝土方量計(jì)算、斷面尺寸質(zhì)量控制等方面提出施工對(duì)策和建議，認(rèn)為圍巖隧道預(yù)留變形量值和襯砌預(yù)留凈空值各有用途，不宜疊加使用，應(yīng)結(jié)合大數(shù)據(jù)，修訂各工序施工允許的隧道斷面尺寸誤差(偏差)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[13]認(rèn)為我國鐵路隧道斷面尺寸及布置需要進(jìn)一步優(yōu)化，單線TBM隧道可采用直徑為10.1 m的敞開式TBM。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為隧道復(fù)合式襯砌預(yù)留變形量值可根據(jù)圍巖級(jí)別、開挖跨度、埋置深度、施工方法和支護(hù)條件，采用工程類比法確定。

既有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，僅依靠TBM本身的擴(kuò)挖能力緩解或解決不良地質(zhì)初期支護(hù)侵限是不夠的，選取合適的開挖直徑才是關(guān)鍵。但從上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于隧道襯砌斷面設(shè)計(jì)的研究多集中于結(jié)構(gòu)形式、力學(xué)狀態(tài)的合理性等，從TBM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工角度探討TBM隧道開挖直徑的較少。在高應(yīng)力環(huán)境下，巖爆、節(jié)理密集帶、蝕變巖、軟巖變形、破碎地層等引起的坍塌、變形會(huì)直接影響成型隧道內(nèi)的凈空。由于從TBM刀盤后方至初期支護(hù)封閉段，有60～70 m長的段落初期支護(hù)結(jié)構(gòu)長時(shí)間未達(dá)到設(shè)計(jì)支護(hù)能力，因此在遇到不良地質(zhì)段時(shí)，要保證隧道的凈空，合理選擇TBM隧道的開挖直徑是關(guān)鍵性問題，也是源頭性問題。

1 依托工程概況

1.1 隧道線位

該高原鐵路隧道全長37.965 km，為全線控制性重點(diǎn)工程，設(shè)計(jì)采用4臺(tái)直徑10.2 m的敞開式TBM+鉆爆法聯(lián)合施工。全線設(shè)置有3座輔助坑道，從林芝(出口)至昌都(進(jìn)口)方向依次為林芝鎮(zhèn)橫洞、捌弄曲溝斜井以及隆巴溝斜井，如圖1所示。隧道采用雙洞單線，軌面高程2 969～3 376 m，最大埋深1 687.85 m。

圖1 隧道平面線位示意圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.2.1 工程地質(zhì)概況

隧道進(jìn)、出口及溝谷內(nèi)厚層地層為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖-洪積黏性土及碎石土層；隧道洞身地層主要為喜山期花崗巖、閃長巖及加里東期花崗巖，出口段分布有中—新元古代念青唐古拉巖群真巴巖組片麻巖地層，構(gòu)造巖類主要為斷層角礫及壓碎巖，隧道主要巖性分布如圖2所示。隧道洞身通過花崗巖長度約為29.835 km，閃長巖長度約為3.458 km，片麻巖長度約為3.365 km，第四系地層長度約為770 m。其中，花崗巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為55.4～163.9 MPa，平均為82.9 MPa；閃長巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為55.39～183.45 MPa，平均為88.9 MPa；片麻巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為60.11～145.24 MPa，平均為88.67 MPa。

圖2 隧道主要巖性分布示意圖

該高原鐵路隧道Ⅱ級(jí)圍巖長度為4.08 km，占隧道總長的10.75%；Ⅲ級(jí)圍巖長度為24.295 km，占隧道總長的63.99%；Ⅳ級(jí)圍巖長度為7.985 km，占隧道總長的21.03%；Ⅴ級(jí)圍巖長度為1.53 km，占隧道總長的4.03%；Ⅵ級(jí)圍巖長度為0.075 km，占隧道總長的0.20%。不同級(jí)別圍巖占比如圖3所示。

圖3 不同級(jí)別圍巖占比

1.2.2 水文地質(zhì)概況

該高原鐵路隧道區(qū)域?qū)儆谘鹏敳夭冀饔?，基巖裂隙水含水巖組為隧址區(qū)主要含水巖組，其補(bǔ)給來源以大氣降水和冰雪水為主。預(yù)測隧道正線正常涌水量為73 182.59 m3/d，最大涌水量為187 266.805 m3/d。隧道總體以中等—弱富水為主，局部段落強(qiáng)富水，尤其是在節(jié)理密集帶和蝕變巖區(qū)，發(fā)生突涌水的可能性較大。

1.3 TBM面臨的主要地質(zhì)問題

設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察報(bào)告揭示，TBM段隧道不良地質(zhì)問題主要有巖爆、節(jié)理密集帶和蝕變巖。

1.3.1 巖爆危害

隧道最大埋深為1 687.85 m，最大水平主應(yīng)力為45.52 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比為2.07～5.37，屬高地應(yīng)力—極高地應(yīng)力范疇[14]。TBM穿越Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地層，在極高地應(yīng)力作用下，極易發(fā)生硬巖巖爆。

全隧巖爆段長20.34 km，占全隧長度的53.58%。其中，強(qiáng)烈?guī)r爆段長3.715 km，占9.79%；中等巖爆段長11.77 km，占31.00%；輕微巖爆段長4.855 km，占12.79%，具體分布如圖4所示。巖爆對(duì)施工人員的人身安全、TBM裝備安全和隧道施工質(zhì)量均會(huì)造成不利影響，如引起TBM護(hù)盾收縮變形，拱架安裝不到位，鋼筋排、鋼拱架嚴(yán)重變形侵限等，如圖5所示。

圖4 隧道不同巖爆等級(jí)段所占比例

(a) (b) (c)

1.3.2 節(jié)理密集帶危害

全隧洞身通過17條節(jié)理密集帶，總計(jì)寬度約為3.5 km。節(jié)理密集帶平均寬度約為240 m，最大寬度約為500 m。節(jié)理密集帶位于Ⅳ級(jí)圍巖段，其傾角較陡，呈碎裂狀，富水自穩(wěn)能力差，施工中易坍塌，對(duì)施工人員與TBM設(shè)備安全、施工質(zhì)量造成不利影響。地質(zhì)鉆孔揭示的節(jié)理密集帶巖芯如圖6所示。TBM在節(jié)理密集帶掘進(jìn)時(shí)，圍巖失穩(wěn)塌落會(huì)造成TBM護(hù)盾下沉，鋼筋排變形；另外，節(jié)理密集帶碎巖塊被高地應(yīng)力擠出造成鋼拱架出護(hù)盾時(shí)安裝不到位；更為嚴(yán)重的是，圍巖的嚴(yán)重松弛變形受高地應(yīng)力影響，持續(xù)擠壓“拱架+鋼筋排”，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的大變形，甚至侵限，如圖7所示。

(a) (b)

(a) (b) (c)

1.3.3 蝕變巖危害

蝕變巖是指受到構(gòu)造作用、熱液蝕變和地下水等因素影響，巖體局部發(fā)生風(fēng)化蝕變的一類巖石。設(shè)計(jì)指出,該高原鐵路隧道蝕變巖主要分布于洞身，呈碎裂結(jié)構(gòu)。蝕變巖局部黏土礦物含量較高，可能存在膨脹性，以Ⅴ級(jí)圍巖為主。蝕變巖具有低強(qiáng)度、吸水膨脹、遇水松裂崩解、差異風(fēng)化嚴(yán)重等特征，隧道開挖容易引起坍塌冒頂、涌水涌泥、擠出變形，造成TBM卡機(jī)。

1.4 隧道設(shè)計(jì)斷面

該高原鐵路隧道TBM開挖直徑為10.2 m，具體為： TBM段設(shè)計(jì)斷面基本內(nèi)輪廓直徑8.8 m，施工誤差10 cm，二次襯砌厚度30 cm，最大預(yù)留變形量為10 cm，最大初期支護(hù)厚度20 cm，如圖8所示。

隧道Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖巖爆段和Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖TBM段的襯砌斷面設(shè)計(jì)概況如表1所示。襯砌內(nèi)輪廓直徑=開挖直徑-2×(初期支護(hù)噴射混凝土厚度+預(yù)留變形量+二次襯砌厚度)。從表1中可以看出，雖然開挖直徑均為10.2 m，但不同等級(jí)圍巖的襯砌內(nèi)輪廓直徑變化范圍為9.00～9.44 m，最大相差0.44 m。初期支護(hù)噴射混凝土厚度變化范圍為5～20 cm； 預(yù)留變形量為3～10 cm，其中Ⅱ級(jí)圍巖巖爆段預(yù)留變形量為3 cm，Ⅲ級(jí)圍巖巖爆段為5 cm，Ⅳ級(jí)圍巖為8 cm，Ⅴ級(jí)圍巖為10 cm； Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖巖爆段，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的二次襯砌厚度均為30 cm。

圖8 該高原鐵路隧道TBM段標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面(單位： m)

2 典型TBM隧道不良地質(zhì)初期支護(hù)變形侵限情況

2.1 Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖高地應(yīng)力巖爆段侵限情況

引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞全長81.78 km，最大埋深2 050 m，TBM開挖直徑為8.02 m。隧洞巖性主要為印支期花崗巖、石英巖，巖石強(qiáng)度達(dá)96.7～307.9 MPa，實(shí)測最大水平地應(yīng)力為65.4 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比為1.47～4.7。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞高地應(yīng)力巖爆主要發(fā)生在拱頂部位150°、掌子面后方6 m的范圍內(nèi)，80%的巖爆會(huì)在掌子面開挖后的2 d內(nèi)發(fā)生，且60%為強(qiáng)烈?guī)r爆。2019年8月12日，嶺南段TBM隧洞因強(qiáng)烈(最大能量58.9萬J)滯后性巖爆導(dǎo)致5榀拱架(HW150，間距45 cm)拱部范圍局部變形，右側(cè)腰部凸出侵限近15 cm，拱頂均有不同程度下沉侵限。巖爆導(dǎo)致拱架安裝器環(huán)形梁斷裂、弧形齒斷裂錯(cuò)位且整體嚴(yán)重變形，無法進(jìn)行拱架拼裝作業(yè)，現(xiàn)場被迫停機(jī)15 d[15]。通過分析測量數(shù)據(jù)，秦嶺輸水隧洞嶺南TBM施工段共掘進(jìn)11 031 m，經(jīng)歷輕微巖爆段3 905 m，中等巖爆段1 785.7 m，強(qiáng)烈?guī)r爆段1 559 m，極強(qiáng)巖爆段29.4 m。在中等及以上巖爆地段，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)基本上都發(fā)生了不同程度的侵限(半徑方向)。其中，中等巖爆段占總巖爆段的24.53%，初期支護(hù)普遍侵限30～110 mm；強(qiáng)烈?guī)r爆段占比21.42%，初期支護(hù)普遍侵限50～180 mm；極強(qiáng)巖爆段占比0.40%，初期支護(hù)普遍侵限60～320 mm。該隧洞設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為5 cm，實(shí)際施工中，中等—強(qiáng)烈?guī)r爆引起的最大初期支護(hù)侵限量為其設(shè)計(jì)預(yù)留變形量的2.2～3.6倍。

表1 Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖巖爆段和Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖TBM段襯砌斷面設(shè)計(jì)概況

2.2 Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱破碎圍巖段侵限情況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM在Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱破碎地層掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)圍巖變形、坍塌破壞[16]；西康鐵路秦嶺隧道存在自穩(wěn)能力較差的Ⅳ級(jí)(節(jié)理密集帶)、Ⅴ級(jí)(蝕變巖)圍巖[17]，TBM通過時(shí)因圍巖失穩(wěn)坍塌、拱架嚴(yán)重變形，部分拱架侵入襯砌凈空超過5 cm[18]；高黎貢山隧道已掘進(jìn)段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)侵限段長度達(dá)5.255 km，占已掘進(jìn)長度6.18 km的85.03%，主要發(fā)生在破碎帶、斷層帶、巖性接觸帶等Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段。高黎貢山隧道不同級(jí)別圍巖下各侵限量長度占比如圖9所示。由圖可知，在Ⅳ級(jí)圍巖中，侵限量小于5 cm的長度占比為67.51%，侵限量在5～10 cm的占比19.55%，侵限量在10～15 cm的占比8.88%，侵限量在15～20 cm的占比4.06%；在Ⅴ級(jí)圍巖中，侵限量小于5 cm長度占比32.20%，侵限量在5～10 cm的占比33.82%，侵限量在10～15 cm的占比18.11%，侵限量在15～20 cm的占比14.75%。很顯然，高黎貢山隧道Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段初期支護(hù)全部發(fā)生了侵限，只是存在侵限程度的差異而已。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，高黎貢山隧道Ⅳ級(jí)圍巖段侵限10 cm以內(nèi)的長度占比為87.06%，Ⅴ級(jí)圍巖侵限10 cm以內(nèi)的長度占比為66%，因此徑向凈空侵限10 cm以上的段落長度占比均較大，且Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖侵限量已達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)留變形量的3.94～5.58倍，其設(shè)計(jì)預(yù)留變形量已明顯低于實(shí)際侵限量。

(a) Ⅳ級(jí)圍巖

(b)Ⅴ級(jí)圍巖

3 隧道TBM段初期支護(hù)侵限量預(yù)測分析

3.1 初期支護(hù)侵限原因

3.1.1 不良地質(zhì)條件下TBM護(hù)盾收縮導(dǎo)致隧道斷面凈空減小

以敞開式TBM頂護(hù)盾為例，在巖爆段及Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟巖段施工時(shí)，為安裝鋼筋排，頂護(hù)盾由雙層鋼板焊接成水平放置的U形槽結(jié)構(gòu)(U形槽中放置鋼筋排)，如圖10所示。為避免施工中因圍巖收斂造成護(hù)盾被卡，護(hù)盾被設(shè)計(jì)成通過油缸沿徑向方向伸縮。圍巖穩(wěn)定時(shí)，護(hù)盾外側(cè)鋼板緊貼圍巖，鋼拱架緊貼鋼筋排，使其緊靠U形槽上檐，護(hù)盾無縮徑；當(dāng)遇到巖爆或軟弱破碎圍巖時(shí)，大量圍巖碎塊擠壓護(hù)盾，造成護(hù)盾油缸過載，護(hù)盾油缸液壓控制系統(tǒng)壓力超限而被迫卸荷，致使護(hù)盾沿徑向收縮，隨著TBM掘進(jìn)，圍巖碎塊露出護(hù)盾后進(jìn)一步擠壓鋼筋排，造成鋼筋排緊靠U形槽下檐，此時(shí)隧道縮徑量(半徑方向)為護(hù)盾收縮量、護(hù)盾上層鋼板厚度和U形槽厚度之和，如圖11所示。

圖10 敞開式TBM頂護(hù)盾結(jié)構(gòu)

3.1.2 初期支護(hù)體系形成支護(hù)能力周期長

TBM施工過程中，隧道初期支護(hù)體系施作完成并達(dá)到設(shè)計(jì)支護(hù)能力并不是一蹴而就的。TBM刀盤后方至初期支護(hù)封閉段有60～70 m長的段落(掌子面至TBM噴漿橋的距離)為初期支護(hù)施作段。受TBM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工法的影響，該段落初期支護(hù)體系是循序漸進(jìn)完成，相應(yīng)的支護(hù)能力也是漸進(jìn)式形成的。遇到不良地質(zhì)時(shí)，存在支護(hù)能力不足的可能性，有可能滯后25～30 d才能達(dá)到設(shè)計(jì)支護(hù)能力。在這期間，初期支護(hù)不足區(qū)域已開挖成型，原有的地層應(yīng)力狀態(tài)被破壞，而初期支護(hù)能力又沒有達(dá)標(biāo)，隧道結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力狀態(tài)處于重構(gòu)過程中，高地應(yīng)力巖爆沖擊或軟弱破碎地層變形會(huì)引起隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，甚至侵限。

3.2 設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)對(duì)比

該高原鐵路隧道TBM段與蘭渝鐵路西秦嶺隧道、西康鐵路秦嶺隧道、引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞和高黎貢山鐵路隧道TBM段不同圍巖級(jí)別對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)如表2所示。

對(duì)比相同圍巖級(jí)別下的設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：

1)本文隧道Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖巖爆段支護(hù)參數(shù)優(yōu)于蘭渝鐵路西秦嶺隧道和西康鐵路秦嶺隧道，但與引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞相比，無明顯的優(yōu)勢。本文隧道TBM段的巖性、埋深、巖石強(qiáng)度和強(qiáng)度應(yīng)力比等參數(shù)與引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞的相關(guān)參數(shù)非常相似，故推測發(fā)生類似量級(jí)巖爆的概率很高，但本文隧道Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖巖爆段鋼拱架為HW100，間距為0.9 m，其抵抗巖爆沖擊的能力弱于引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞，而設(shè)計(jì)預(yù)留變形量與之相當(dāng)，故推測因巖爆造成的初期支護(hù)變形侵限程度將會(huì)比秦嶺輸水隧洞更嚴(yán)重。

2)在Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖段，本文隧道初期支護(hù)相較其他工程并未有明顯的優(yōu)勢，尤其是Ⅳ級(jí)圍巖下采用HW100拱架，間距1.8 m，拱架支護(hù)能力低于蘭渝鐵路西秦嶺隧道和西康鐵路秦嶺隧道，拱架布置密度也低于高黎貢山隧道。本文隧道TBM開挖直徑大于高黎貢山隧道，但Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段初期支護(hù)未有明顯的優(yōu)勢，因此預(yù)測本文隧道TBM在節(jié)理密集帶、蝕變巖地層掘進(jìn)時(shí)也將出現(xiàn)更為嚴(yán)重的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形侵限問題。

表2 典型敞開式TBM隧道工程設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

3.3 設(shè)計(jì)斷面侵限量預(yù)測

該高原鐵路隧道TBM護(hù)盾內(nèi)、外層鋼板厚4 cm，鋼筋槽厚度5 cm，如圖12所示，護(hù)盾伸縮范圍為+7～-5 cm(正值表示伸出，負(fù)值表示縮回)。根據(jù)3.1.1節(jié)的分析，凈空損失量最大為14 cm(外層鋼板厚4 cm+鋼筋槽厚度5 cm+護(hù)盾縮回5 cm)。以隧道進(jìn)口標(biāo)段為例，當(dāng)TBM遇到硬巖巖爆、節(jié)理密集帶、蝕變巖等時(shí)，不同襯砌斷面類型在該標(biāo)段的使用長度及對(duì)應(yīng)的隧道縮徑量如表3所示。

圖12 某高原鐵路隧道TBM護(hù)盾結(jié)構(gòu)示意

對(duì)TBM在不良地質(zhì)中掘進(jìn)時(shí)的隧道縮徑情況進(jìn)行預(yù)測： 1)若巖爆、節(jié)理密集帶、蝕變巖引起的巖渣碎塊量較少，未引起護(hù)盾縮回，只造成鋼筋排緊貼鋼筋槽下檐，則隧道縮徑量(半徑方向)為9 cm，此時(shí)只有在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖下出現(xiàn)侵限，侵限段占TBM掘進(jìn)段比例預(yù)計(jì)為17.4%。2)若巖爆劇烈，節(jié)理密集帶、蝕變巖地段圍巖失穩(wěn)嚴(yán)重，引起護(hù)盾縮回，則隧道縮徑量(半徑方向)會(huì)達(dá)到14 cm；Ⅲ圍巖中等及以上巖爆段，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖下均出現(xiàn)侵限，總侵限段占TBM掘進(jìn)段比例預(yù)計(jì)為58.8%，其中，巖爆段侵限長度占總侵限段長度的70.4%。引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞中等—強(qiáng)烈?guī)r爆段，TBM護(hù)盾出現(xiàn)了不同程度的縮回和變形，本文隧道強(qiáng)度應(yīng)力比低于引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞平均值3.085的長度占比為70%。因此，預(yù)計(jì)本文隧道的巖爆情況比引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞的更嚴(yán)重，巖爆段TBM護(hù)盾收縮、支護(hù)結(jié)構(gòu)侵限風(fēng)險(xiǎn)更高。

表3 不同襯砌斷面侵限(半徑方向)情況

4 調(diào)增TBM開挖直徑應(yīng)對(duì)侵限的必要性探討

4.1 護(hù)盾結(jié)構(gòu)

受敞開式TBM護(hù)盾結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響，在不良地質(zhì)段TBM會(huì)出現(xiàn)不同程度的縮徑。此外，本文隧道設(shè)計(jì)斷面未考慮TBM護(hù)盾厚度，加劇了不良地質(zhì)段隧道支護(hù)侵限的風(fēng)險(xiǎn)，故建議在原設(shè)計(jì)斷面尺寸的基礎(chǔ)上至少增加護(hù)盾外層鋼板厚度4 cm和鋼筋槽厚度5 cm，即開挖直徑增加2×(4 cm+5 cm)=18 cm，由原設(shè)計(jì)的10.2 m增加至10.38 m。由表3可知，護(hù)盾縮回時(shí)侵限段長度預(yù)計(jì)達(dá)到19 328 m，占TBM掘進(jìn)段的58.8%，當(dāng)開挖直徑調(diào)整為10.38 m時(shí)，理論上可解決Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段的侵限，占理論總侵限段的96.5%；若開挖直徑繼續(xù)調(diào)整為10.48 m，理論上解決了余下3.5%的侵限段，但開挖直徑從10.38 m調(diào)整為10.48 m后解決的侵限段長度已遠(yuǎn)低于從10.2 m調(diào)整為10.38 m時(shí)解決的長度。

4.2 鋼管片支護(hù)結(jié)構(gòu)

為提高初期支護(hù)的及時(shí)性，快速形成支護(hù)能力，在敞開式TBM上搭載鋼管片拼裝系統(tǒng)。TBM在強(qiáng)烈?guī)r爆段、節(jié)理密集帶、蝕變巖帶等不良地質(zhì)段掘進(jìn)時(shí)，若在護(hù)盾內(nèi)側(cè)拼裝全環(huán)鋼管片，圍巖出護(hù)盾后可由鋼管片作臨時(shí)支護(hù)，為后續(xù)施作錨桿、鋼筋網(wǎng)片和鋼拱架爭取時(shí)間。首先，利用錨桿鉆機(jī)穿過鋼管片上預(yù)設(shè)的注漿孔施作預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿；然后，通過錨桿注水泥漿或水泥砂漿固結(jié)不良地質(zhì)段的圍巖；待圍巖穩(wěn)定后拆下鋼管片安裝鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架，噴射混凝土，再繼續(xù)下一階段掘進(jìn)。TBM搭載鋼管片拼裝系統(tǒng)如圖13所示。沿護(hù)盾周邊布置18根輔助油缸，油缸僅用于輔助鋼管片安裝，不提供推進(jìn)力。

(a) 縱剖面圖 (b) 橫剖面圖

每環(huán)鋼管片分為6塊： 底管片、底左管片、底右管片、頂左管片、頂右管片、頂管片。除頂管片為梯形結(jié)構(gòu)形式，其余均為平行四邊形結(jié)構(gòu)形式。每塊鋼管片共有14個(gè)螺栓孔(環(huán)縫2個(gè)，縱縫12個(gè))，采用M24高強(qiáng)度(10.9級(jí))螺栓連接；每塊管片預(yù)留多個(gè)錨桿/注漿孔和1個(gè)起吊孔，如圖14所示。鋼管片與鋼拱架支護(hù)的過渡段如圖15所示，在鋼拱架上焊接鋼管片支撐，為安裝多環(huán)鋼管片提供反力。

圖14 鋼管片安裝結(jié)構(gòu)

圖15 鋼管片與鋼拱架支護(hù)過渡段

采用鋼管片支護(hù)結(jié)構(gòu)后，由于鋼管片在護(hù)盾內(nèi)拼裝，且鋼管片自身也有一定厚度，因此這種結(jié)構(gòu)對(duì)隧道內(nèi)凈空及開挖直徑有一定的要求，如圖16所示。

圖16 鋼管片支護(hù)結(jié)構(gòu)下隧道開挖直徑組成示意圖(單位： cm)

若該高原鐵路隧道采用鋼管片支護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程設(shè)計(jì)邊界條件，隧道基本輪廓線直徑為880 cm，二次襯砌厚度為30 cm，施工誤差為10 cm，擬設(shè)計(jì)的鋼管片厚度為16 cm，鋼管片與護(hù)盾盾尾之間的間隙為1 cm，護(hù)盾厚13 cm，則采用鋼管片支護(hù)結(jié)構(gòu)下TBM開挖直徑=隧道基本輪廓線直徑880 cm+2×二次襯砌厚度30 cm+2×施工誤差10 cm+2×鋼管片厚度16 cm+2×鋼管片與護(hù)盾盾尾之間間隙1 cm+2×護(hù)盾厚度13 cm+2×護(hù)盾縮回量5 cm+2×刀具磨損量1.5 cm=1 033 cm，即如果采用鋼管片臨時(shí)代替當(dāng)前初期支護(hù)結(jié)構(gòu)(錨桿+鋼筋排/網(wǎng)+噴射混凝土)也需要調(diào)增TBM開挖直徑。

5 工程成本變化分析

TBM刀盤直徑增加后增加的工程成本主要包括掘進(jìn)成本(不含TBM設(shè)備攤銷費(fèi))、初期支護(hù)成本和二次襯砌成本3大類。由于擴(kuò)徑量為定值，故與之相關(guān)的掘進(jìn)成本和初期支護(hù)成本相對(duì)也為定值；由于開挖后隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量難以準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，只有待實(shí)際施工過程中，根據(jù)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量實(shí)測值動(dòng)態(tài)確定二次襯砌的內(nèi)凈空輪廓線，并以此統(tǒng)計(jì)二次襯砌成本的實(shí)際增加量。以隧道進(jìn)口標(biāo)段為例，在不計(jì)二次襯砌成本增加的情況下，TBM直徑由10.20 m擴(kuò)徑至10.33 m引起掘進(jìn)成本(不含TBM設(shè)備攤銷費(fèi))增加4 440萬元，初期支護(hù)成本增加205萬元，合計(jì)為4 645萬元。

6 結(jié)論與討論

1)在TBM裝備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、初期支護(hù)體系施作方式和不良地質(zhì)共同作用下，本文隧道TBM段Ⅲ級(jí)圍巖中等及以上巖爆段、節(jié)理密集帶(Ⅳ級(jí)圍巖)和蝕變巖段(Ⅴ級(jí)圍巖)存在初期支護(hù)侵限風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測各段落侵限量將分別達(dá)到1 cm、7 cm和14 cm，預(yù)測侵限段長度將占TBM掘進(jìn)長度的58.8%左右。

2)建議在設(shè)計(jì)TBM隧道襯砌斷面時(shí)，不僅要考慮基本內(nèi)輪廓、施工誤差、襯砌厚度、預(yù)留變形量等因素，也要考慮在不良地質(zhì)段施工時(shí)TBM護(hù)盾厚度及鋼筋排下沉對(duì)隧道內(nèi)凈空的影響；對(duì)于該高原鐵路隧道，若考慮護(hù)盾外層鋼板厚度及鋼筋排下沉量，將TBM開挖直徑調(diào)增至10.38 m理論上可減少約96.5%的侵限段。

3)為提高初期支護(hù)的及時(shí)性，快速形成支護(hù)能力，建議在強(qiáng)烈?guī)r爆段、節(jié)理密集帶和蝕變巖段等不良地質(zhì)段采用鋼管片作臨時(shí)支護(hù)，為施作初期支護(hù)并形成支護(hù)能力留夠時(shí)間，但需要將TBM開挖直徑適當(dāng)調(diào)增，該工程建議由10.2 m調(diào)整為10.33 m。

4)以隧道進(jìn)口標(biāo)段為例，在不計(jì)二次襯砌成本增加的情況下，TBM由直徑10.20 m擴(kuò)徑至10.33 m引起的掘進(jìn)成本(不含TBM設(shè)備攤銷費(fèi))增加4 440萬元，初期支護(hù)成本增加205萬元，合計(jì)為4 645萬元，但刀盤擴(kuò)徑可降低支護(hù)侵限拆換費(fèi)用。刀盤擴(kuò)徑帶來的利弊需要在實(shí)際施工中進(jìn)行驗(yàn)證。

由于工程地質(zhì)的復(fù)雜性和不確定性，本文所預(yù)測的該高原鐵路TBM隧道不良地質(zhì)段下的侵限量與實(shí)際值會(huì)存在一定的偏差。針對(duì)該段TBM隧道不良地質(zhì)提出的隧道開挖直徑調(diào)增量建議值，僅供行業(yè)同仁討論；所提出的采用TBM設(shè)備安裝鋼管片支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)強(qiáng)烈?guī)r爆問題，其有效性和優(yōu)化改進(jìn)方式均需要在工程實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證和探索。

致謝

高黎貢山隧道工程司景釗、王亞鋒，引漢濟(jì)渭輸水隧洞工程游金虎、陳小強(qiáng)為本文提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)，在此表示感謝！