宋法亮1，2，赵海雷1
（1．盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001；2．中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471000）
摘要：高黎贡山隧道地质条件极其复杂，可总结为“三高四活跃”。其中，高地热、高地应力、多断层破碎带、高压突涌水是制约TBM施工质量和安全的主要地质因素，将给TBM施工带来不可预估的风险。为了减少以上地质问题带来的TBM施工风险，通过资料查阅、调研国内外现有的TBM施工案例、专家咨询研讨、设计高适应性的TBM，并结合工程目前的施工状况，提出了TBM超前地质预报、钢筋排和钢拱架联合喷射混凝土及时支护、合理调整掘进参数等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。研究结果可为即将进场施工的TBM提供理论参考。
关键词：高黎贡山隧道；超复杂地质；敞开式TBM
全断面隧道掘进机TBM（tunnel boring machine）作为岩石隧道最先进的施工设备，在我国已广泛应用于铁路和水利隧洞工程、城市轨道工程以及煤矿巷道工程等领域［1］。与传统的钻爆法隧道施工相比，TBM具有安全、快速、优质、利于环保、节省用工、提高工作效率等优点，整体上比较经济［2］。敞开式TBM自1997年引入国内以来，已先后在磨沟岭隧道、中天山隧道、西秦岭隧道辽西北供水工程中得到了应用，是国内长大隧道施工技术的一次巨大革新，大大提升了隧道施工机械化水平［3］。然而，针对复杂的地质条件，TBM适应性差，掘进效率较低［4－5］，并且由于TBM施工措施不当导致的重大事故国内外有很多实例，如我国昆明掌鸠河引水工程上公山隧洞［6］、山西万家寨引黄工程7＃连接段［7］、台湾坪林公路隧道［8］、荷兰南部的西斯凯尔特河隧道，其中大多数都是TBM通过不良地质地段时发生了突水、塌方、卡机等工程事故，严重影响了工程安全、质量、经济与社会效益。因此，对复杂地质条件下敞开式TBM隧道施工关键技术进行研究尤为重要。
目前，针对复杂地质条件的TBM施工，很多学者进行了不同方面的研究。赵斌等［9］研究了特大断面铁路隧道施工过程中的应力特性；赵志强［10］研究了秦岭引水隧洞TBM施工段岩爆的预防与治理；陈琼等［11］对高地应力条件下隧道TBM施工过程中的岩爆进行了分析。但是，以上几位学者研究的地形复杂程度相对单一，而高黎贡山隧道工程地理位置特殊，地质构造极为复杂，具有“三高”（高地热、高地应力、高地震烈度）、“四活跃”（活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程）的特征［12］，被誉为“地质博物馆”，其中高地热、高地应力、多断层破碎带以及高压突涌水为施工重点考虑的因素。高黎贡山隧道的出口段主要采用敞开式的TBM施工，复杂的地质条件将为TBM施工带来前所未有的挑战，为了使TBM顺利通过以上地段，施工关键技术及合理应对措施的研究至关重要。
大瑞铁路全长约330 km，东起大理站，西至瑞丽站，穿越了云南省西部的苍山、怒山、高黎贡山等山脉，且跨怒江、澜沧江、西洱河，沿线地质地貌非常复杂。制约大瑞铁路贯通的关键性工程——高黎贡山隧道，全长34．5 km，是目前国内在建的第1特长单线铁路隧道，是世界第7长大隧道，高黎贡山隧道平面位置见图1。
图1 高黎贡山隧道平面位置图
Fig．1 Plan of Gaoligongshan Tunnel
高黎贡山隧道采用TBM与钻爆法相结合的施工方法，正洞和平导洞出口段分别采用直径为9．03 m和6．36 m的敞开式TBM施工。正洞TBM掘进长度12.37 km，施工段最大坡度为－9‰，隧洞最大埋深为1 155 m，其中有2段施工段（共计300 m）采用钻爆法施工后，步进通过2段扩挖段（共计140 m），开挖直径增加10 cm；平导洞TBM掘进长度10．18 km，其中有2段施工段（共计180 m）采用钻爆法施工后步进通过。高黎贡山隧道施工平面布置如图2所示。
图2 高黎贡山隧道平面布置图（单位：m）
Fig．2 Plan of Layout of Gaoligongshan Tunnel（m）
2．1 高地热条件
高黎贡山隧道所处位置为地中海－南亚地热异常带，为区域性高热流区，且隧道出口所经路线有多处温泉。由地质勘探可知，高黎贡山隧道最高岩温50℃，最低岩温28℃，TBM施工段的高地热区域长度为8.88 km。高温环境容易造成人员和施工设备效率降低，除危及人的健康安全以外，也直接影响到工程实体的质量，施工阶段如不能采取有效的措施进行防治，将可能造成人身伤害或安全质量事故，进而影响工期和成本。主要表现在如下方面：1）施工人员会出现头晕、呕吐，甚至休克的情况；2）TBM主机系统散热困难，机械故障率逐步升高，很难正常作业；3）在部分地段，围岩表面经常出现潮解现象，遇水即变成粉末状，造成喷射在岩面的混凝土很难粘结；4）大部分砂浆锚杆强度降低；5）测量仪器的测量精度大大降低。因此进行高地热条件下TBM隧道施工关键技术的研究迫在眉睫。高黎贡山的地热图见图3。
图3 高黎贡山地热图
Fig．3 Picture of geothermy on ground surface of Gaoligongshan Tunnel
为了保证TBM顺利通过高地热地段、保证施工安全，主要采取下列措施：1）分析地热的成因、运动、参数，尤其是在高温高压气体出现的洞段，施做超前地质预报，减少因地热、高温高压气体产生的安全事故，并针对高地热地质段提前设计好TBM施工方案和关键技术；2）采用国际著名品牌的通风系统，确保新鲜空气能够足量进入TBM作业区域；3）通过进行高地热条件下热交换的分析和计算，为TBM配置空气冷却系统，降低工作区域温度；4）保证洞外较低温度的供水，使制冷设备正常工作，确保TBM正常运行；5）在地热洞段施工时，考虑采取辅助散热通道通风；6）针对高黎贡山隧道出口段，采用正洞大直径TBM、平行导洞小直径TBM的施工方案，提前在确定的试验段针对高地热地质条件做充分的试验，然后将实验数据运用于TBM掘进段。
2．2 高地应力条件
隧道埋深较大、区域应力场较高时，隧道可能发生岩爆及软岩大变形。根据深孔钻探揭露，局部岩芯饼化现象十分明显，反映了埋深较大处的应力集中状态。在加深地质工作及专题地质研究阶段，对岩爆条件下的地质进行综合分析以及使用强度应力比法对34.5 km隧道的岩爆情况进行了预测。根据预测结果可知，高黎贡山隧道正洞岩爆段总长为2 020m，其中中等岩爆长1 250 m，轻微岩爆长770 m；隧道正洞软岩大变形段总长达3 185 m。根据现场钻爆法的施工情况可知，当埋深达到800 m时，围岩收敛变形将会大于60 mm。根据以往的工程统计，TBM施工过程中，主要地质问题引起的事故占比如图4所示，其中软岩大变形和岩爆造成的事故率占比高达51%。南非金矿、日本关越隧道以及中国的天生桥引水隧洞均发生了不同程度的岩爆事故［13］，我国宝中线的大寨岭、老爷岭、老头沟隧道以及穿越煤系地层的家竹箐隧道等均出现了软岩大变形的问题［14－15］，以上的问题和事故，给隧道施工带来了极大的挑战。因此，针对高应力条件下的高黎贡山隧道，进行TBM施工关键技术控制尤为重要。
图4 TBM施工中主要工程地质问题引起的事故占比
Fig．4 Proportions of incidents induced by different geological problems in TBM tunneling
2．2．1 岩爆段TBM施工关键技术
1）做好超前地质预报工作，利用模糊数学和系统决策相结合的方法，对TBM施工段围岩的切向应力、岩石单轴抗压强度、岩石拉伸强度以及岩石弹性能量指数等进行分析，预测可能发生岩爆的地段，提前策划TBM通过方案。
2）根据超前地质预报的结果，对于可能发生强烈岩爆的地段，采用微震监测系统与钻爆法超前实施导洞相结合的方法，进一步预测并减轻岩爆，微震监测系统及钻爆法超前实施导洞示意图如图5所示。为了准确、科学的预测现场岩爆风险，应在TBM机头后方、掌子面开展微震监测，根据监测的微震活动情况，了解潜在的岩爆风险等级。
3）高黎贡山隧道采用平行导洞小直径TBM与正洞大直径TBM相结合的施工方案。小直径TBM先行施工，预先探明地质情况、岩爆地段。对于遭遇岩爆的洞段，采用钻爆法超前实施导洞的方法降低小直径TBM掘进时的风险。然后将小直径TBM经历岩爆的参数进行相似换算，用于指导正洞大直径TBM的施工。该方法可以使施工人员提前做好岩爆应急预案，将风险降至最低。
4）将岩体内部的锚固和完整的开挖面表面支护通过连接装置紧密的连接在一起，体现支护的系统性，即利用表面支护的抗冲击能力来避免岩体的破坏、利用锚杆的承载力来承担冲击表面系统的载荷，这样可同时满足支护系统在抗冲击变形和承载力2方面的要求，为减轻岩爆的危害提供更强有力的保障。
5）及时支护，提高围岩强度，改善围岩的应力状态，发挥围岩自身的承载能力。
6）针对施工隧洞的不同情况，也可提前采用钻孔卸载的方法防治岩爆，即在高应力条件下，利用岩层中积聚的弹性能来破坏钻孔周围的岩体，使岩层卸压，释放能量，消除冲击危险。另外在岩爆段TBM掘进时还应加强支护的强度，同时开挖进尺要比正常掘进段适度减小，并减小TBM掘进机的震动对周围岩层的扰动，降低岩爆发生的概率。
图5 微震监测系统与钻爆法超前实施导洞示意图
Fig．5 Micro seismic monitoring system and pilot boring by drilling and blastingmethod
2．2．2 软岩大变形段TBM施工关键技术
1）超前地质预报。针对高地应力条件下软弱围岩的力学性能，在施工时采取强有力的超前地质预报，将超前地质预报纳入TBM掘进工序；同时，根据平行导洞小直径TBM开挖揭露的围岩地质情况，准确地预测正洞隧道相应地段的工程地质及水文地质条件，在掘进过程中采取相应的处理措施，确保施工安全。
2）针对探明的地质条件和预报结果，坚持“强支护，早支护”的理念，即利用TBM掘进机L1区配备的超前钻机及超前注浆设备与应急喷射混凝土装置、拱架安装器与钢筋排安装器、锚杆钻机与钢筋网安装平台等协同配合，对不良地质围岩先进行超前预加固，然后对出露护盾的围岩进行及时的强支护，将围岩的收敛变形控制在合理的范围内。
3）随着掘进的继续，进入到TBM的L2区范围内。为了进一步保证软弱围岩的稳定性，利用L2区配备的2台锚杆钻机，协作完成270°范围内的锚杆施作，然后利用L2区配置的工作能力更强的混凝土喷射机械手，对围岩进行再次加固。
4）在隧道断面内开挖超前导洞的作用主要有：一是超前应力释放作用；二是超前应力预调整作用；三是超前地质预报作用；四是对正洞支护参数的预设计作用。
5）在TBM掘进时，建议降低贯入度和转速，为出露护盾软弱围岩的支护争取更长的处理时间，降低因软岩变形造成的卡机事故概率。
2．3 断层破碎带条件
高黎贡山隧道正洞TBM施工段共有20段，共1 280 m，属于岩体破碎—极破碎地段，其中有2段（共计300 m）采用钻爆法施工后，TBM步进通过2段扩挖段（共计140 m）；平导洞TBM施工段共有15段，共980 m，属于岩体破碎—极破碎地段，其中有2段（共计180 m）采用钻爆法施工后，TBM步进通过。IV、V级围岩占比高达40%，为保证TBM能顺利通过断层破碎地带，必须采取有力的措施，具体方法如下。
1）超前地质预报。提前做好超前地质预报探测，并在掘进期间加强超前地质预报的频率，以确定破碎带边缘、长度、破碎程度以及含水情况等。根据超前地质预报的结果，提前调整掘进参数、姿态及洞内应急物资储备。
2）掘进参数控制。TBM通过断层破碎带时，适当减小TBM的掘进速度、刀盘转速、掘进推力、撑靴压力等掘进参数，这样能有效减小对围岩的扰动，从而减少或避免发生塌方。
3）加强支护。围岩出护盾后及时进行加强支护，坚持“防止临空面发展，支护宁强勿弱，短进尺，强支护，勤量测”的原则。TBM通过断层破碎带时的处理措施施工图如图6所示。在拱顶位置，对于一般破碎地段，采用钢筋排、钢拱架、连接筋、喷射混凝土等进行联合支护；对于严重破碎地段，采用钢筋排、加密钢拱架或改为型钢拱架、工字钢代替连接筋、拱架背部加焊支撑等联合支护措施，必要时，利用应急喷护系统及时对该段进行喷混凝土封闭；对于塌腔范围较大的位置采用灌注或喷射混凝土的方式进行填充，并确保注浆密实。对于撑靴位置因存在掉块或塌腔而无法提供撑靴反力，采取以下3种方法通过：1）在撑靴位置加垫方木；2）在撑靴位置挂网喷混凝土封闭；3）灌注混凝土充填密实。
图6 TBM通过断层破碎带的处理措施施工图［16］
Fig．6 Countermeasures for TBM boring through fault fractured zone［16］
2．4 高压突涌水条件
高黎贡山地区内基本为由北向南流的国际河流，属印度洋水系。工程所在区域的地表水主要来源于怒江、龙川江、山间盆地以及地表水库。可将工程所在区域的地下水划分为2大相对独立的系统，即浅表地下水循环系统（冷水）与深部地下水循环系统（热水），地下水储存量极其丰富。预测隧道正常涌水量为12．77×104m3／d，最大涌水量为19．2×104m3／d。在TBM施工时，高压突涌水条件使支护人员在底部安装拱架困难、刀盘前方石渣随水流出、连续皮带系统打滑、TBM行走轨线及运输轨线淹没，甚至危及人员和设备的安全。因此，在高压突涌水地段，在做好隧道围岩安全支护的前提下，要创造条件保证TBM快速掘进，尽可能用最短的时间通过。针对高黎贡山隧道高压突涌水地段的复杂地质条件，结合TBM设备，坚持“预报先行，排堵结合”的理念，主要从以下几个方面对TBM施工关键技术进行控制。
1）地质预测。对高黎贡山隧道突涌水的预测，主要采取宏观预测和激发极化法超前预报系统［17］相结合的方式。宏观预测是通过对区域地质构造、水文地质条件以及地质勘探资料进行分析宏观判断出可能出现涌水的地层；激发极化法超前预报系统采用同性源阵列激发极化法，利用三维反演成像的方法，实现掌子面前方约30 m内含水构物的三维成像，同性源陈列激发极化法如图7所示。新型TBM搭载激发极化设计方案为：刀盘上安装测量电极19个、护盾及其后方围岩安装供电电极20个、无穷远电极2个，依靠液压控制系统实现电极伸缩。
图7 同性源阵列激发极化法示意图
Fig．7 Isotropic source array of induced polarization
2）针对高黎贡山隧道出口段采用平行导洞小直径TBM开挖和正洞大直径TBM开挖的特点，首先将地质预报的突涌水地段进行分类。对于比较严重、容易引发TBM淹没的突涌水地段，建议采用平行导洞先行的方法，对主洞相同地段提前进行处理，以便大直径TBM安全通过；对于程度比较轻的突涌水地段，可以依靠TBM自身的能力通过，以便节省开支。
3）TBM掘进参数控制。掘进采取手动模式，同时降低掘进速度、刀盘转速、掘进推力，以减少出渣量，避免出渣量较大造成皮带堵死或急停。在掘进过程中对出水点采取引、排、封堵和排堵结合的方式，尽量做到不出现突涌水或大的涌水，该方法在吉林引松供水项目中得到了成功的运用。另外采用TBM掘进参数互联机制，即在不同的突涌水地段，得到小直径TBM的掘进参数，然后将以上参数提供给正洞大直径TBM作为参考，合理设定其掘进参数，减小不安全的因素。
4）考虑正常排水与应急排水二者相结合的排水方式，配置多处强力排水系统。根据隧道涌水量预测值，建议在正常排水能力的基础上，提升50%的应急排水能力，即TBM的最大排水能力（正常排水能力＋应急排水能力）应不小于最大排水量预测值的1．5倍。
针对高黎贡山隧道复杂的“三高四活跃”地质特点，分析了高地热、高地应力、多断层破碎带、高压突涌水等影响TBM通过的主要地质条件，并开展了高地热通风降温研究、高地应力引发岩爆及软岩大变形研究、断层破碎带的卡机研究和高压突涌水的处理研究，通过资料查阅、调研国内外现有的TBM施工案例、专家咨询研讨、高适应性的TBM设计以及结合工程目前施工状况，提出了TBM超前地质预报、钢筋排及钢拱架与喷射混凝土联合及时支护、导洞开挖及合理调整掘进参数等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。这些措施的实施，将极大的减少TBM通过高地热、高地应力、断层破碎带、突涌水等洞段的施工风险，为工程质量和工期提供保障。但由于目前TBM还未进场施工，施工措施中的一些具体参数还未能获得，计划在下一步研究中，结合TBM的具体施工过程，做更深一步的科学研究，以便为今后同类型的隧道施工提供借鉴。
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Study of Key Construction Technologies of Open TBM in Com plex Geological Conditions：Case Study of Gaoligongshan Tunnel
SONG Faliang1，2，ZHAO Hailei1
（1．State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology，Zhengzhou 450001，Henan，China；2．China Railway Tunnel Group Co．，Ltd．，Luoyang 471000，Henan，China）
Abstract：The geological conditions of Gaoligongshan Tunnel are extremely complex．The high geothermy，high ground stress，fault fractured zones and water gushing with high pressure are the key control factors for safe TBM construction．After carrying out data investigation，TBM cases study in China and abroad，expert consultation and TBM design，a series of technologies，i．e．advance geological prediction，rebar row＋steel arch frame＋shotcrete support and rational boring parameters，are adopted so as to guarantee continuous TBM construction．The study results can provide theoretical guidance for further TBM construction．
Keywords：Gaoligongshan Tunnel；extremely complex geological condition；open TBM
DOI：10．3973／j．issn．1672－741X．2017．S1．021
中图分类号：U 455．43
文献标志码：B
文章编号：1672－741X（2017）S1－0128－06
收稿日期：2017－01－06；
修回日期：2017－04－05
基金项目：国家973计划（2014CB046906）；中国铁路总公司科技研究开发计划（2016G004－A）；中铁隧道集团科技创新计划（隧研合2016－03）
第一作者简介：宋法亮（1971—），男，河南荥阳人，1991毕业于成都铁路工程学校，工程机械专业，本科，工程师，主要从事TBM及盾构施工技术工作。E mail：653085359＠qq．com。
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