呂建樂(lè)

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

川藏鐵路具有海拔高、埋深大、地質(zhì)和建設(shè)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，其中隧道施工主要采用鉆爆工法和TBM 工法，如何實(shí)現(xiàn)高原、高寒、復(fù)雜地質(zhì)條件下的快速施工，是建設(shè)、設(shè)計(jì)、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(zhì)類似、工法相同，本文結(jié)合高黎貢山隧道TBM 施工和鉆爆法施工情況，提出對(duì)川藏鐵路隧道機(jī)械化施工的認(rèn)識(shí)和建議。

1 川藏鐵路TBM隧道施工的認(rèn)識(shí)和建議

1.1 高黎貢山隧道TBM施工特點(diǎn)

1.1.1 工程概況

高黎貢山隧道全長(zhǎng)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(zhì)和重大風(fēng)險(xiǎn)，堪稱隧道建設(shè)的“地質(zhì)博物館”。全隧采用“貫通平導(dǎo)+1 座斜井+2 座豎井”的輔助坑道設(shè)置方案。出口段使用1 臺(tái)9.03m（正洞）和1 臺(tái)6.36m（平導(dǎo)）敞開(kāi)式TBM 施工，其余為人工鉆爆施工。

1.1.2 施工過(guò)程遇到的問(wèn)題

正洞和平導(dǎo)TBM 掘進(jìn)期間，遇到的不良地層主要為巖性接觸帶、斷層破碎帶、粉細(xì)砂侵入、掌子面溜坍和涌水等，由于圍巖整體破碎、糜棱化嚴(yán)重，遇水呈流塑狀流出，致使TBM 無(wú)法掘進(jìn)，并跟隨巖塊掉落，壓死刀盤、護(hù)盾，多次造成卡機(jī)。

1.1.3 TBM卡機(jī)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(dòng)后，沿接觸面結(jié)合位置滑塌，大塊狀巖塊堆積在刀盤上，巖塊與刀盤交錯(cuò)咬合形成極大阻力，造成刀盤扭矩過(guò)大不能轉(zhuǎn)動(dòng)，致使卡機(jī)。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(qiáng)風(fēng)化花崗巖，完整性差，呈角礫狀?yuàn)A雜細(xì)渣，刀孔均為泥沙狀松散渣體，地下水發(fā)育，掌子面呈股狀出水及整體線狀出水，巖體強(qiáng)風(fēng)化，遇水軟化，有流塑狀渣體從刀孔內(nèi)涌出，刀盤扭矩持續(xù)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(xì)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(wěn)，泥沙狀渣體不斷涌入刀盤，極易出現(xiàn)超量出渣情況，造成掘進(jìn)扭矩持續(xù)增大，推進(jìn)異常困難，最終導(dǎo)致TBM 被困。

4）掌子面溜坍 掌子面圍巖破碎，風(fēng)化程度高，拱部持續(xù)垮塌掉塊，且攜帶渣體不斷流出，造成刀盤和皮帶機(jī)大量積渣，伴有大量出水，致使TBM掘進(jìn)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(jìn)時(shí)，掌子面突發(fā)涌水，涌水量約500m3/h。地下水裹挾巖渣進(jìn)入刀盤后，分別從護(hù)盾底部和1#皮帶機(jī)處涌出，導(dǎo)致拱部形成大型空腔，TBM 掘進(jìn)受阻。

1.2 川藏鐵路TBM施工及設(shè)備選型建議

高黎貢山隧道TBM 雖然進(jìn)行了一系列針對(duì)性設(shè)計(jì)，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題，川藏鐵路存在高地應(yīng)力變形、巖爆、斷層破碎帶、巖溶、高地溫、突泥涌水等不良地質(zhì)和高原高寒的特點(diǎn)，結(jié)合高黎貢山隧道TBM 施工經(jīng)驗(yàn)，川藏鐵路TBM 施工及設(shè)備選型，應(yīng)從以下方面重點(diǎn)考慮。

1）TBM 施工要規(guī)避極端不良地質(zhì)占比大，易造成卡機(jī)和易發(fā)生重大安全事故的地質(zhì)段落，如高地應(yīng)力變形、強(qiáng)烈?guī)r爆等復(fù)雜地質(zhì)[1]。

2）TBM 施工要充分考慮長(zhǎng)大隧道中間不良地質(zhì)的影響，特別是會(huì)導(dǎo)致卡機(jī)和長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，一方面要合理考慮超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施，在遇到重大不良地層時(shí)，要果斷采用小導(dǎo)洞和迂回導(dǎo)坑提前處理；另一方面對(duì)于長(zhǎng)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(dǎo)坑方案，導(dǎo)坑斷面要滿足大型鉆注設(shè)備的通過(guò)和作業(yè)要求。

3）要充分考慮TBM 開(kāi)挖斷面的預(yù)留變形量，因?yàn)镮V、V 級(jí)軟弱及高地應(yīng)力地層的收斂變形較大，需要加強(qiáng)初支，根據(jù)TBM 在變形地層掘進(jìn)中的施工統(tǒng)計(jì)，斷面預(yù)留30cm 變形量為宜，與此相關(guān)的開(kāi)挖和回填工程量要納入設(shè)計(jì)。

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

5）TBM 設(shè)備設(shè)計(jì)上應(yīng)重點(diǎn)考慮鉆、探系統(tǒng)配置，并保證這些設(shè)備能夠穩(wěn)定、高效地使用。要配置獨(dú)立的管棚鉆機(jī)和灌漿系統(tǒng)，以便對(duì)TBM 前方不良地層進(jìn)行加固[2]。

6）要增大刀盤驅(qū)動(dòng)功率和主機(jī)皮帶機(jī)扭矩，增強(qiáng)TBM 脫困能力，L1 區(qū)應(yīng)配置較強(qiáng)的支護(hù)能力，包括拱架、網(wǎng)片安裝和混凝土噴射等功能配置。

7）TBM 應(yīng)具備可靠的長(zhǎng)距離擴(kuò)挖能力，防止盾體和后配套被卡。

2 鉆爆法隧道機(jī)械化施工的認(rèn)識(shí)和建議

2.1 鉆爆法隧道機(jī)械化施工的應(yīng)用

目前，鐵路隧道機(jī)械化施工配套可分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)。Ⅰ級(jí)機(jī)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(dú)頭施工長(zhǎng)度不少于3 000m。主要配置設(shè)備有超前地質(zhì)鉆機(jī)、三臂鑿巖臺(tái)車、混凝土噴射機(jī)械手、仰拱棧橋、防水板安裝臺(tái)車、襯砌臺(tái)車等。Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套適用于施工進(jìn)度要求較快的項(xiàng)目，Ⅲ級(jí)適用于施工進(jìn)度要求一般的項(xiàng)目[3]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套單作業(yè)面較一般機(jī)械化施工費(fèi)用增加約3 500 萬(wàn)元。Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套多采用全斷面施工，V 級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺85m，IV 級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺115m，III 級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺180m。

2.2 對(duì)鉆爆法隧道機(jī)械化施工應(yīng)用的認(rèn)識(shí)

2.2.1 鐵路定額不能支撐Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套費(fèi)用

目前部分鐵路項(xiàng)目Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套施工，沒(méi)有充分考慮設(shè)備投入和工藝質(zhì)量的控制難度，造成設(shè)備投入大，利用率不高，成本虧損嚴(yán)重。部分工程成本盈虧率接近-11%。究其原因，主要是沒(méi)有與之配套的大機(jī)定額，仍沿用傳統(tǒng)隧道施工進(jìn)行概預(yù)算，造成實(shí)際成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出預(yù)算成本。

1）設(shè)備費(fèi)用一次性投入大 資金占用費(fèi)、設(shè)備折舊及攤銷費(fèi)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)以及人工費(fèi)等投入較大，Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套費(fèi)用在施工成本中占比較高，定額無(wú)對(duì)應(yīng)內(nèi)容。在不考慮設(shè)備攤銷和人工費(fèi)及材料上漲因素，Ⅰ級(jí)機(jī)械化投入與常規(guī)機(jī)械化相比提高約10%，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖Ⅰ級(jí)機(jī)械化作業(yè)實(shí)際成本分別高于現(xiàn)行預(yù)算價(jià)10.3%、5.2%、7.1%。目前，定額中間接費(fèi)和措施費(fèi)費(fèi)率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，間接費(fèi)、措施費(fèi)費(fèi)率整體下降了13.8%，相比公路隧道，工程間接費(fèi)、措施費(fèi)低約30%。

2）工藝性超挖大 采用鑿巖臺(tái)車開(kāi)挖，受設(shè)備本身結(jié)構(gòu)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(fèi)用增加，定額未能充分體現(xiàn)。

3）人工費(fèi)高 設(shè)備操作和維保等專業(yè)人員費(fèi)用高，根據(jù)最新調(diào)整后的規(guī)定，隧道工費(fèi)為82 元/工日，而市場(chǎng)上平均在200～300 元/工日，司鉆工、混凝土噴射手等在人員工費(fèi)在400～600 元/工日，概預(yù)算工費(fèi)遠(yuǎn)低于市場(chǎng)水平，實(shí)際人工費(fèi)是預(yù)算的5～8 倍。

2.2.2 設(shè)備工效有待進(jìn)一步提高

1）安全步距制約鑿巖臺(tái)車效率的發(fā)揮 鑿巖臺(tái)車在Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖下的開(kāi)挖能力可達(dá)300～400m/月，但受步距影響，實(shí)際進(jìn)度僅達(dá)到其最大能力的一半。

2）質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)超常規(guī) 隧道襯砌厚度不允許有負(fù)的施工誤差，“寧超勿欠”思想嚴(yán)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(jù)統(tǒng)計(jì)，噴射混凝土超耗率在143%～230%，富水區(qū)域超耗率在350%～550%。

3）不合理壓縮工期造成非均衡生產(chǎn) 由于壓縮工期，或因征遷滯后、重大地質(zhì)變更等出現(xiàn)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(wú)費(fèi)用解決途徑。無(wú)論是停工、窩工損失，還是趕工、搶工費(fèi)用，一般很難得到補(bǔ)償或變更。

2.3 川藏鐵路鉆爆法隧道機(jī)械化施工建議

2.3.1 配套原則

川藏鐵路高海拔地區(qū)的低溫、低壓和低氧環(huán)境會(huì)導(dǎo)致人工和機(jī)械工效降低，推薦采用全工序機(jī)械化配套，充分體現(xiàn)“先進(jìn)性、適用性、高效性”的原則，達(dá)到“快速施工、以機(jī)換人”的目標(biāo)。

2.3.2 加快配套定額標(biāo)準(zhǔn)編制

川藏鐵路隧道應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械化配套，減少人工，對(duì)于采用大機(jī)配套的作業(yè)面，當(dāng)遇到IV、V 級(jí)軟弱地層時(shí)，應(yīng)采用掌子面預(yù)加固+全斷面開(kāi)挖的方式，不宜頻繁變換工法工裝，減少人員和設(shè)備重復(fù)配置造成的浪費(fèi)[5]，預(yù)加固或工裝費(fèi)用要納入設(shè)計(jì)概算。

采用鑿巖臺(tái)車施工的隧道，由于受設(shè)備鉆臂尺寸限制，平均超挖量在15cm 以上，按規(guī)范要求，在襯砌前全部需要采用噴射砼進(jìn)行回填，這些費(fèi)用也應(yīng)納入設(shè)計(jì)概算。

川藏鐵路長(zhǎng)大隧道多、施工時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)合理選擇設(shè)備攤銷臺(tái)班數(shù)，另外，由于高原高寒對(duì)人員和設(shè)備造成的影響，人員的交替輪換和休整以及臨建設(shè)施的使用周期等造成的費(fèi)用增加，都需要在設(shè)計(jì)概算中予以充分考慮。

3 隧道機(jī)械化施工風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)與建議

3.1 對(duì)隧道機(jī)械化施工風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)

1）復(fù)雜工程地質(zhì)及環(huán)境影響導(dǎo)致工程投資控制難度大。應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)方案綜合研究TBM 工法的經(jīng)濟(jì)性，詳盡的地質(zhì)勘查資料是保障TBM 施工順利的重要基礎(chǔ)，復(fù)雜地質(zhì)對(duì)進(jìn)度和施工安全影響大，進(jìn)而影響到建設(shè)投資。概算補(bǔ)充單價(jià)與實(shí)際消耗偏差較大，對(duì)建設(shè)管理和工程成本影響較大。

2）TBM 通過(guò)不良地質(zhì)段處理措施成本大。不良地質(zhì)對(duì)TBM 施工的影響很大，軟弱圍巖、巖爆地段經(jīng)常造成卡機(jī)，脫困時(shí)間長(zhǎng)造成施工進(jìn)度、人工和設(shè)備工效大幅降低，脫困處理措施費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)大，宜在工程投資中充分考慮預(yù)留費(fèi)用。川藏鐵路TBM 施工中可能發(fā)生卡機(jī)脫困事件，不同的脫困方案以及所處的地質(zhì)條件不同，造成脫困費(fèi)用差異較大，需要提前從合同中約定費(fèi)用處理原則。

3）鉆爆法復(fù)雜地質(zhì)施工相關(guān)措施費(fèi)用嚴(yán)重不足。隧道鉆爆法施工中遇到高地應(yīng)力變形、巖爆和高地溫時(shí)，針對(duì)性處理工作已納入隧道施工工序循環(huán)，人員和設(shè)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(jù)隧道施工難度，明確相關(guān)費(fèi)用調(diào)整系數(shù)，合理確定投資概算。

4）TBM 等大型設(shè)備攤銷、大修費(fèi)用、日常使用費(fèi)等概算費(fèi)用不足。鐵路行業(yè)的機(jī)械臺(tái)班單價(jià)一直是按照2005 年版的鐵路機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額執(zhí)行的，盡管2017 年公布了新的機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額，但鐵路行業(yè)的機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額，較住建部公布的全國(guó)統(tǒng)一機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額和其他行業(yè)公布的臺(tái)班費(fèi)用定額低，臺(tái)班單價(jià)有較大差距。川藏鐵路地處高原，更應(yīng)綜合考慮以上因素，合理確定相關(guān)費(fèi)用。

5）TBM 進(jìn)出場(chǎng)運(yùn)輸困難，需合理確定專項(xiàng)運(yùn)輸費(fèi)用。TBM 運(yùn)輸線路長(zhǎng)、困難地段多，為滿足TBM大件運(yùn)輸要求，部分道路和構(gòu)筑物需要改建、加固、拓寬、拆除還建等，應(yīng)預(yù)留相關(guān)專項(xiàng)費(fèi)用。

3.2 相關(guān)建議

1）TBM 攤銷及大修建議。通過(guò)對(duì)秦嶺、中天山等鐵路隧道及水利工程TBM 使用情況統(tǒng)計(jì)，TBM設(shè)備掘進(jìn)里程20km 內(nèi)需要進(jìn)行2 次大修，設(shè)備大修費(fèi)和大修期間的停工費(fèi)用宜給予充分考慮，同時(shí)川藏鐵路TBM 及配套設(shè)備宜按照一次性攤銷考慮。

2）建議投資概算中預(yù)留TBM 通過(guò)不良地質(zhì)地段費(fèi)用（包括卡脫機(jī)費(fèi)用）。發(fā)生巖爆、高地溫、高地應(yīng)力變形等特殊地質(zhì)時(shí)，依據(jù)處理方案，應(yīng)對(duì)受影響的工序進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，據(jù)實(shí)調(diào)整費(fèi)用。TBM 在通過(guò)不良地質(zhì)段時(shí)，為了防止松散體抱死盾體，需要進(jìn)行超前化學(xué)注漿等，此項(xiàng)費(fèi)用宜按暫估價(jià)納入投資概算工程量清單，過(guò)程中依據(jù)技術(shù)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3）變更設(shè)計(jì)建議。川藏鐵路工程建設(shè)管理難度大，建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)高，復(fù)雜地質(zhì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)和投資風(fēng)險(xiǎn)大，川藏鐵路宜采取動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)分析研究，做到技術(shù)方案與工程投資合理匹配，優(yōu)化變更設(shè)計(jì)程序，過(guò)程中快速處理現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，不約定總承包風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)，對(duì)發(fā)生的設(shè)計(jì)變更費(fèi)用及時(shí)進(jìn)行核實(shí)解決。

4）合理考慮隧道進(jìn)度指標(biāo)。為了控制投資，確保川藏定額水平接近或略高于現(xiàn)行平原地區(qū)定額水平，《川藏鐵路隧道機(jī)械化施工補(bǔ)充定額》課題成果中，由于對(duì)TBM 施工和大機(jī)配套施工的進(jìn)度指標(biāo)進(jìn)行了多次調(diào)整，造成隧道進(jìn)度指標(biāo)過(guò)高，概算指標(biāo)較低。高黎貢山隧道正洞TBM 進(jìn)度指標(biāo)已經(jīng)給了我們很好的啟示，因此，宜科學(xué)合理的制定工期和進(jìn)度指標(biāo)。O