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    科學技術論文

    復雜地質鐵路隧道敞開式TBM施工挑戰及思考

    時間:2021年04月09日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:為降低復雜地質條件下敞開式TBM施工極易發生的工期延誤、成本大幅增加、環保事故等風險,以高黎貢山隧道敞開式TBM施工為背景,結合鐵路隧道定額體系和規范標準,針對施工過程中遭遇的卡機、初期支護背后脫空、開挖斷面不足、隧道清渣排水困難、棄渣松散

      摘要:為降低復雜地質條件下敞開式TBM施工極易發生的工期延誤、成本大幅增加、環保事故等風險,以高黎貢山隧道敞開式TBM施工為背景,結合鐵路隧道定額體系和規范標準,針對施工過程中遭遇的卡機、初期支護背后脫空、開挖斷面不足、隧道清渣排水困難、棄渣松散系數選擇不準、掘進指標不合理以及污水處理能力不足等影響較大的問題,從地質、設計和施工方面進行分析思考,提出以下建議:1)完善TBM法隧道地質勘察具體要求,明確地質特性,提高TBM設備設計針對性;2)結合TBM施工特點,優化圍巖分級修正項,設置合理預留變形量、增強隧道斷面尺寸、支護參數的適應性;3)棄渣松散系數合理范圍為1.5~1.9,復雜地質隧道敞開式TBM施工進度指標結合高黎貢山隧道的TBM利用率14.66%考慮;4)污水處理綜合考慮多種因素,保護生態環境;5)規范標準與定額體系相結合,及時調整完善,提高概算與進度、成本的匹配性。

      關鍵詞:鐵路隧道;敞開式TBM;復雜地質;地質勘察;規范標準;定額體系;圍巖分級

    隧道建設

      0引言

      TBM具有進度快、施工環境好的優點,但由于受工法轉換不靈活、超前加固困難等因素影響,復雜地質隧道一般不采用敞開式TBM施工。隨著我國綜合國力的增強和經濟的飛速發展,同時國內TBM設計制造技術不斷突破,雙模TBM等新型設備不斷涌現、TBM配套設備快速升級,復雜地質隧道采用TBM施工的可行性也在逐步提高。近年來,超過30km的特長隧道逐漸增多,對輔助坑道設置極為困難的隧道,首選工法仍然是TBM法。隧道地質條件日趨復雜,對TBM設備設計研制[1]、工程勘察設計、施工提出了更高的要求。水利及鐵路復雜地質條件下采用TBM施工的項目,曾遭遇連續卡機、長期卡機、突水涌泥、設備報廢、工法改變等不同程度的困難,工期延誤嚴重、成本大幅增加。

      國內外學者針對敞開式TBM在復雜地質條件下的施工技術做了不同程度的分析和研究。吳煜宇等[2]依據巖石的單軸抗壓強度、巖石的耐磨性和巖體的完整性將TBM施工條件下的隧洞圍巖分為A(好)、B(一般)、C(差)3級,對TBM施工圍巖條件做了初步的適應性判定,讓隧道設計和TBM設備選型有了新的思路。梁文灝等[3]結合秦嶺特長隧道闡述了TBM設計考慮因素、分析過程及設計情況。洪開榮等[4]分析總結了高黎貢山隧道TBM法施工重難點及關鍵技術,并對TBM主要功能參數及設備配備提出要求。

      周路軍等[5]結合川藏鐵路特殊的地質條件,對選型原則及TBM設備改進建議做了闡述。史林肯等[6]選取工程沿線地質力學參數,評價了隧洞開挖過程中復合地層圍巖的穩定性,研究了在TBM工況下深部復合地層交替變化的掌子面巖體在開挖過程中其圍巖在變形破壞等規律方面的明顯差異。趙偉等[7]研究了極硬巖條件、隧底少量積渣情況下敞開式TBM隧底皮帶機清渣系統。景琦[8]研究了敞開式TBM撐靴反力不足條件下的多種應對措施。

      文獻[9-15]分析了敞開式TBM穿越不良地質造成卡機、突涌、軟巖變形等不同難題的原因,從設備優化、超前加固、處理措施等不同角度研究了應對方案。但以上研究均未結合復雜地質敞開式TBM施工遭遇困難的影響程度、頻繁程度,綜合分析研究解決或降低敞開式TBM施工風險的對策。本文在上述研究總結的基礎上,結合高黎貢山隧道TBM施工過程中遇到的難點進行歸納,思考規避或降低復雜地質TBM施工隧道建設期遭遇類似困難的對策,以期為復雜地質敞開式TBM規范標準修訂、勘察設計施工提供參考,提高敞開式TBM在不良地質條件下的適應性,降低工程風險。

      1工程概況

      新建大理至瑞麗鐵路保山至瑞麗段高黎貢山隧道,位于云南省龍陵縣境內,全長34538m,為亞洲第一鐵路長隧,隧道最大埋深約1155m。隧址位于云南高原西部邊緣,屬高黎貢山脈南延段,向東南方向大雪山附近與怒山余脈相接,屬高黎貢山古生界變質巖緊密褶皺和花崗巖體高山區。隧道出口段正洞(12.070km)、平導(10km)分別采用直徑為9.03、6.39m的敞開式TBM施工,線間距30m。TBM掘進段均位于直線上,最大縱坡9‰(上坡)。

      2地質情況

      TBM掘進段主要地層巖性為燕山期花崗巖(8810m)、中泥盆系回賢組白云巖(290m)、斷層角礫(90m)、物探Ⅴ級異常帶(840m)、志留系中上統灰巖、白云巖夾石英砂巖(460m)。TBM掘進段地下水主要為基巖裂隙水,最大涌水量預測45300m3/d。高黎貢山隧道存在“三高”“四活躍”特征,地質條件異常復雜。TBM施工段主要不良地質為高烈度地震、巖爆及軟巖大變形、巖溶等,工程重、難點為高地應力軟巖變形和軟弱破碎洞段TBM施工。

      3施工情況

      正洞采用連續皮帶機出渣、有軌運輸(四軌兩線)、仰拱采用預制仰拱塊、拱墻現澆襯砌;平導采用有軌運輸(四軌三線)、礦車出渣、鋪設仰拱預制塊。平導、正洞TBM分別于2017年11月25日、2018年2月1日開始掘進,平導TBM掘進4475m,卡機11次,綜合進度指標146m/月;正洞TBM掘進5145m,卡機8次,綜合進度指標182m/月。

      4施工挑戰及思考

      4.1地質勘察變動大及卡機成本高

      4.1.1存在問題根據地勘結果,高黎貢山隧道TBM施工段Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比39.8%(含斷層破碎帶、蝕變巖),TBM卡機主要集中在斷層破碎帶范圍內。實際揭示破碎圍巖程度、范圍較勘察有較大增幅。

      4.1.2主要原因《鐵路工程地質勘察規范》指出:采用全斷面巖石掘進機(TBM)法施工的隧道,地質工作除符合常規規定外,還應查明影響掘進機的選型及地質條件,但沒有針對“查明影響掘進機選型及地質條件”作具體的條款陳述。TBM地質適應性差,需要有比礦山法隧道更為詳細、針對性的地質勘察要求。TBM設備及后配套成本較高,施工過程中管理人員、生產人員均是礦山法隧道的2倍以上。目前概算中只計列卡機處理過程中構成工程實體工程數量的費用,且按現有定額計算其費用較低,而卡機處理的其他費用,如TBM停機維保、TBM停機保壓、通風、抽排水、風水電管線攤銷、運輸折舊等費用均未計列,造成現場成本急劇增加。

      4.1.3建議1)增加TBM法隧道地質勘察專項要求,盡可能采用多物探方法結合、增加鉆孔取芯數量等,同時在常規的巖石參數試驗之外,通過磨片試驗及其他辦法對巖芯的微裂隙發育情況進行辨別,提高TBM適應性分析的準確度。2)增加施工階段勘察,明確變形風險等級、橫縱斷面局部劣化程度、風險源、水環境對圍巖穩定性的影響程度等。

      4.2圍巖分級標準

      4.2.1存在問題受設備影響,敞開式TBM施工超前加固困難,圍巖局部破碎時,對施工進度、成本影響較大,TBM掘進后必須加強初期支護以確保安全。

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      5結論與討論

      綜上所述,復雜地質采用敞開式TBM施工時,建議如下:

      1)完善TBM法隧道地質勘察具體要求,明確地質特性,提高TBM設備設計針對性。2)結合TBM施工特點,優化圍巖分級修正項,設置合理預留變形量、增強隧道斷面尺寸、支護參數的適應性。3)棄渣松散系數合理范圍為1.5~1.9,復雜地質隧道敞開式TBM施工進度結合高黎貢山隧道TBM利用率考慮。4)污水處理綜合考慮多種因素,保護生態環境。

      5)規范標準與定額體系相結合,及時調整完善,提高概算與進度、成本的匹配性。由于TBM在鐵路隧道施工過程中的樣本較少,前期研究方向、內容也僅結合少量樣本進行,復雜地質隧道敞開式TBM施工需要更多研究,如L1區隧底清渣及快速立模灌注設備、超前加固工藝設備、輕型材料加工襯砌臺車等多方面需繼續研究,以上問題逐步攻克方能徹底提高復雜地質敞開式TBM的適應性。

      參考文獻(References):

      [1]楊延棟,陳饋,張嘯.復雜地質條件TBM研制關鍵技術及應用[J].隧道建設(中英文),2019,39(6):1052.YANGYandong,CHENKui,ZHANGXiao.DevelopmentandapplicationofkeytechnologiesforTBMusedincomplexgeologicalconditions[J].TunnelConstruction,2019,39(6):1052.

      [2]吳煜宇,吳湘濱,尹俊濤,等.關于TBM施工隧洞圍巖分類方法的研究[J].水文地質工程地質,2006(5):126.WUYuyu,WUXiangbin,YINJuntao,etal.ResearchwithrelationtorockclassificationofTBMtunnels[J].Hydrogeology&EngineeringGeology,2006(5):126.

      [3]梁文灝,劉培碩.秦嶺特長隧道采用TBM施工設計方案綜述[J].隧道及地下工程,1996,17(4):10.LIANGWenhao.LIUPeishuo.SummaryofTBMconstructiondesignschemesofQinlingsuper-longtunnel[J].TunnelandUndergroundEngineering,1996,17(4):10.

      作者:司景釗1,曾云川2,劉建兵2

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