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    川藏鐵路TBM隧道建設挑戰及裝備創新設計探索

    時間:2021年02月05日 所屬分類:推薦論文 點擊次數:

    摘要:川藏鐵路具有顯著的地形高差、強烈的板塊活動、頻發的山地災害、脆弱的生態環境、嚴重的高寒缺氧等特征,是目前國內外最具有挑戰性的鐵路工程。為充分應對川藏鐵路隧道建設過程中將面臨的長大隧道多、地應力高、活動斷層頻繁等重大挑戰,詳細闡述各類

      摘要:川藏鐵路具有顯著的地形高差、強烈的板塊活動、頻發的山地災害、脆弱的生態環境、嚴重的高寒缺氧等特征,是目前國內外最具有挑戰性的鐵路工程。為充分應對川藏鐵路隧道建設過程中將面臨的長大隧道多、地應力高、活動斷層頻繁等重大挑戰,詳細闡述各類復雜工況下采用TBM施工所面臨的相應挑戰。

      系統分析川藏鐵路TBM創新設計理念及特點,從高原高寒、長距離硬巖掘進、巖爆等8個方面進行了TBM針對性的創新設計分析,并提出:超前地質探測和處理是用于川藏鐵路隧道TBM施工風險控制的主要手段;對于以巖爆為主的隧道,創新設計“雙護盾+錨噴支護”的雙護盾TBM或雙支護TBM顯得尤為必要;對于以大變形為主的隧道,宜首選雙結構的敞開式TBM或進行其他結構方面的創新設計,以期為TBM針對性設計及后期工程施工提供一定參考。

      關鍵詞:川藏鐵路;特長隧道;TBM;高原高寒;高地應力;高地溫;不良地質條件;創新設計

    鐵路施工

      0引言

      川藏鐵路穿越世界最雄壯的橫斷山脈,35萬km2的橫斷山區是全世界最復雜、險峻、龐大的山系[1-2]。川藏鐵路的斷層破碎帶遠勝他處,且仍在發育擴張,其建設難度與風險不言而喻,例如:全長14.7km的大瑞鐵路大柱山隧道,途經12條斷層,僅處橫斷山脈一隅,卻歷經10年尚未修通[3])。

      全長57km的圣哥達基線隧道[4],橫穿歐州阿爾卑斯山脈,被譽為歐州團結的象征,最高峰勃朗峰海拔4810m,然而這座隧道卻歷時17年才建成。川藏鐵路雅安至林芝段正線,隧線比達84%,20km以上的隧道16座。川藏鐵路隧道建設面臨著長大隧道多、地應力高、活動斷層頻繁等重大挑戰,傳統TBM裝備已難以滿足該類復雜地質條件下的施工需求,進行針對性的創新設計顯得尤為迫切。針對復雜地質條件下TBM隧道建設所遇到的工程技術難題,有關學者已經進行了相關研究,并通過工程進行了應用與驗證。

      例如:陳饋等[5]對復雜地質條件下的TBM施工風險進行了論述,并對其應對措施進行了研究。RemoGrandori[6]闡述了復雜地質條件下大直徑隧道TBM的設計進展,提出傳統TBM沒有針對復雜地質條件進行研究與設計,為滿足工程需求,必須開發針對性的TBM機型。洪開榮等[7]、楊延棟等[8]對復雜地質條件下的大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM施工關鍵技術進行了研究,同時對其TBM針對性研制技術進行了探討。

      董泗龍[9]、楊繼華[10]、徐虎城[11]等分別針對某引水工程、厄瓜多爾CCS水電站等工程施工過程中,TBM穿越斷層破碎帶被卡時的脫困技術開展了針對性研究。劉大鵬[12]研究建議從合理調整掘進參數以及制定具體的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地段的施工能夠取得實效。陳衛忠[13]等研究探討了圍巖擠壓大變形的機制、擠壓性地層預報方法、圍巖收斂變形預測方法,總結歸納了常用的應對擠壓性地層的處置手段,并提出應結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、預測方法以及處置手段。

      張建設[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,由于功能及結構等因素限制,現有的常規TBM尚難以很好適應軟巖大變形地層條件。本文基于前人關于復雜多變地質條件下的TBM設計與施工關鍵技術研究成果,針對川藏鐵路這一目前國內外最具有挑戰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、高地應力等不良地質條件,系統性分析川藏鐵路隧道面臨的建設難題,詳細論述TBM針對性設計理念及其創新設計方法。

      1川藏鐵路工程概況

      1.1地理位置及線路

      川藏鐵路東起四川省成都市,向西經雅安、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1011km,其中,中橋隧總長958km,橋隧比約95%。

      1.2隧道基本概況

      川藏鐵路雅林段隧道總計72座,合計長838km,隧道占比83%,最長隧道為易貢隧道(42.5km)。其中,30km及以上隧道7座,長約240km;20~30km隧道9座,長約216km;10~20km隧道19座,長約274km。隧道穿越地質主要為片麻巖、花崗巖、石英閃長巖、花崗閃長巖、板巖、砂巖、石英砂巖、灰巖、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3800m,相對高差4000~6000m,山高谷深,地形條件艱險,跌宕起伏,地貌極其復雜?偟牡貏荩罕备吣系、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4000m的隧道17座,總長約199.6km,約占隧道總長的24%;海拔3000~4000m的隧道32座,總長約433.6km,約占隧道總長的52%。

      1.3隧道主要技術標準

      1.3.1設計行車速度

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

      1.3.2建筑限界及隧道橫斷面隧道建筑限界采用TB10003-2016《鐵路隧道設計規范》中“客貨共線鐵路隧道建筑限界(160km/h<υ≤200km/h)電力牽引區段”規定的限界尺寸。隧道內輪廓綜合考慮建筑限界、隧道內線間距、接觸網懸掛布置方式和高海拔地區絕緣距離等因素。根據整體道床形式、中心水溝及各種管溝、設備的布置及接觸網采用簡鏈懸掛等,確定隧道基本內輪廓直徑為8.8m的圓形斷面。

      1.3.3洞內軌道類型隧道內以鋪設無砟軌道為主,在活動斷裂帶及兩側各200m范圍內采用有砟軌道。無砟軌道推薦采用雙塊式結構,軌道結構高度為515mm;有砟軌道結構高度為766mm。

      2川藏鐵路隧道面臨的重大挑戰

      2.1五大工程環境特征

      1)顯著的地形高差川藏鐵路依次經過二郎山、折多山、高爾寺山、沙魯里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉嶺、色季拉山等高大山脈,先后經過大渡河、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,線路爬升高度近萬米。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造山帶;構造地質作用強烈(以每年4~12mm的速度位移);沿線地震活動強烈、大地震頻發。據史料記載(公元1128年至2012年),發生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熱泉。

      3)頻發的山地災害沿線山高坡陡,滑坡、崩坍以及冰湖潰決、泥石流等山地災害廣泛分布,工程地質環境十分復雜;三江并流區山高谷深,氣候差異顯著,海洋性冰川氣候等多種環境耦合作用,形成了高寒、強震、立體氣候等復雜的地質氣候條件。4)脆弱的生態環境穿越四川、西藏兩地生態紅線、涉及大熊貓棲息地世界自然遺產、貢嘎山國家級自然保護區等各級敏感區20余處。5)嚴重的高寒缺氧全線平均海拔3800m,最低氣溫-30℃,屬嚴重高寒缺氧,人工和普通施工機械的工效均嚴重降低。

      3川藏鐵路TBM創新設計

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

      3.1川藏鐵路TBM施工面臨的風險隧道施工過程中將會遇到高地應力巖爆、大變形、斷層破碎帶、涌水突泥等系列不良地質條件,進而給TBM施工帶來了諸多挑戰。

      鐵路論文范例:鐵路工程測繪技術標準體系研究

      4結論與討論

      TBM創新設計是川藏鐵路隧道施工成敗的關鍵,要推進極端條件下新型多功能TBM(雙結構TBM、雙支護TBM)研發工作。

      (1)超前地質預報和超前處理是控制施工風險的重要手段,用于川藏鐵路隧道的TBM應具備超前探測功能并應作為日常作業。對各種地質風險要深入分析,用于川藏鐵路隧道的TBM應具有相應的針對性設計,同時要有詳細的可操作的專項應急預案。

      (2)對于軟巖大變形和強巖爆的防控技術,應進行深入研究與創新設計;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,次選雙結構的敞開式TBM。

      (3)對于以大變形為主的隧道,宜首選雙結構的敞開式TBM。與TBM施工特點結合的隧道初期支護、永久支護仍需進一步深入研究與設計創新。

      參考文獻(References):

      [1]仲志偉.川藏鐵路三江并流區岸坡特征及穩定性分區[D].成都:西南交通大學,2015.

      [2]鄭宗溪,孫其清.川藏鐵路隧道工程[J].隧道建設,2017,37(8):1049.ZHENGZongxi,SUNQiqing.Sichuan-TibetRailwayTunnelProject[J].TunnelConstruction,2017,37(8):1049.

      [3]張金夫,汶文釗.大瑞鐵路大柱山隧道高壓富水斷層處理技術[J].現代隧道技術,2018,55(3):160.ZHANGJinfu,WENWenzhao.ConstructionTechnologyfortheDazhushanTunnelinaHigh-PressureFaultwithAbundantWater[J].ModernTunnellingTechnology,2018,55(3):160.

      作者:陳饋1,2,馮歡歡1,2,*,賀飛3

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