山岭公路隧道TBM应用方法探讨

山岭公路隧道TBM应用方法探讨

李红鹏

四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司  四川成都610000

摘要：山岭公路隧道采用TBM施工可有效保证安全，加快施工进度，并在生态保护、临近重要构筑物、国防建设等有特殊需求的项目中具有不可比拟的优势。本文结合既有工程的应用实践，详细探讨了在山岭公路隧道中应用TBM的三种方法，包括TBM独立贯通平导、TBM超前导洞扩挖和主洞全断面TBM，归纳了各种方法的优缺点及其适用条件，为山岭公路隧道应用TBM提供有益的参考。

关键词：山岭公路隧道；机械化施工；TBM

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0 引言

近年来，山区公路建设得到了迅猛发展，山岭公路隧道的占比越来越高，超特长公路隧道的数量越来越多。截至2020年底，长度超过10km的特长公路隧道已建成18座，其中近5年建成9座，在建22座[1]。山岭公路隧道愈发表现出“长、大、高、深”的特点，施工难度和安全风险越来越高，且在生态保护区、既有重大构筑物或国防建设等特殊需求的项目中，传统钻爆法施工或者机械施工难以满足工程的需要，应用TBM施工就成为了必然的选择，而TBM装备建造的不断成熟、成本的不断降低也为TBM的推广应用创造了条件。国内很多学者对山岭公路隧道TBM施工开展了很多研究，例如王建等[2]模拟了不同TBM导洞位置对洞周围岩变形的影响研究，得出导洞在下部时，钻爆法扩挖时的位移变形量最小；张子晗等[3]依托派墨公路多雄拉隧道研究了双护盾TBM在公路隧道建造中的应用，并对双护盾TBM公路隧道超前地质预报与信息采集技术、豆砾石影响的双护盾TBM管片设计技术、双护盾TBM施工临灾预警方法和防控措施等关键技术开展了研究，为高速公路隧道主洞采用TBM施工开创了先例；祝河清[4]依托世界第一长天山胜利公路隧道从工期、经济性、安全和质量管控等方面对比分析，确定主洞采用经济合理、安全可靠的钻爆法+平行中导洞采用TBM法的三洞方案。但已有的研究往往仅局限在具体的工程个例，没有对TBM的应用方式进行系统性的方法论述，限制了TBM在山岭公路隧道施工中的应用。本文系统分析了TBM独立贯通平导、TBM超前导洞扩挖和主洞全断面TBM施工3种施工方法的优缺点和存在的问题，并对各自的适用条件进行了总结。

1TBM独立贯通平导

该施工方法是在主洞之间或主洞的一侧采用TBM法施工独立的贯通平导（如图1），利用TBM快速掘进的优势显著缩短平导的贯通工期，并在平导贯通后，通过横通道在主洞增设掌子面，实现长隧短打，加快主洞贯通。该方法已在国道351线夹金山隧道、乐西高速大凉山隧道、天山胜利隧道等工程中得到验证，在加快施工进度、保证施工安全等方面取得了良好的应用效果。

工程实践表明，若不考虑平导贯通前的辅助施工功能，平导可采用6m直径TBM，否则需要采用至少8.5m直径的TBM为辅助主洞施工增设多个掌子面，同时作为钻爆法施工的出渣物料通道及通风通道。目前，6~8.5m级敞开式、双护盾等各类机型在国内水利、铁路等领域应用的非常成熟。

图 1大凉山1号隧道及天山胜利隧道TBM法施工

本方法设置的独立贯通平导工程规模大，虽然能够作为运营期防灾救援的应急通道，但受限于断面小、长度大，有以下问题还需进一步深入研究：（1）作为隧道的独立送排风通道经济性差，且施工期交通组织难度较大；（2）主洞仍然采用钻爆法施工，安全风险高；（3）TBM和钻爆法同时施工的施工组织设计优化，提高平导和主洞进出口端的施工效率；（4）应对不良地质的能力还需要针对性加强，特别是西南地区岩溶极为发育；（5）在双线公路隧道中，将独立平导置于两线之间还是置于一侧更有利于施工辅助和应急救援还不明确。

2 TBM超前导洞+钻爆法扩挖

该施工方法是采用TBM在主洞断面中间位置施工超前导洞，而后再采用钻爆法进行主洞扩挖成型。TBM超前导洞再钻爆法扩挖的优点有：（1）可作为超前地质探洞，对主洞隧道地质进行全面详实的勘探，有效规避重大不良地质风险；（2）可作为钻爆法扩挖的掏槽孔，提高光面爆破效果，减少超挖；提高钻爆法扩挖进度2～3倍；降低爆破震动速度约30%；[5]（3）可在在建项目中应用，对已施工段的影响较小。

TBM超前导洞与主洞的位置关系需兼顾后期扩挖的便利性，由于Ⅲ级与Ⅳ级围岩较完整段通常不设置仰拱，因此TBM超前导洞尽量布置在路面结构层以上，以减少后期回填工程量（如图2），但超前导洞需进行临时支护，后期再进行拆除和扩挖，存在较大的报废工程。

图 2 TBM超前导洞与隧道的位置关系图

虽然目前国内在抽水蓄能电站针对9~10m级交通洞、通风洞的开挖已经开始采用3.5mTBM先导+钻爆法扩挖的工法验证，但工程调研表明，该方法应用的并不理想，但仍存在很多问题需要进一步研究：（1）选取多大尺寸的超前导洞更有利于导洞的掘进速度和钻爆法扩挖的效率；（2）超前导洞掘进能否与钻爆法扩挖同步进行，同步进行时能否面临哪些问题，能否保证项目的工期。

3 主洞全断面TBM

该方法是采用大直径TBM施工隧道主洞，使主洞断面一次成型（如图3），既能保证主洞施工安全，又显著缩短隧道开挖工期。该方法在市政公路隧道施工中应用较多，在山岭公路隧道中也仅在派墨公路多雄拉隧道中应用，但多雄拉隧道规模较小，对超特长隧道的主洞全断面TBM施工不具有指导意义。

经测算，满足时速80km/h主洞建筑限界需求的TBM断面直径约13m。虽然目前国内10m级以上大直径的TBM生产和应用已较为常见，如四川锦屏电站采用的12.4m敞开式TBM、西秦岭隧道采用的10m级敞开式TBM、川藏铁路已全面采用国产10m级敞开式TBM，但TBM的成本与施工风险随直径的加大会显著提高。此外，按照常规山岭隧道断面布置，大直径圆形断面会存在较大的空间浪费，因此需对隧道的衬砌形式、通风方式、空间利用等开展深入研究。

图 3大直径TBM一次开挖成型隧道示意图

4 结论

山岭公路隧道TBM的应用方法的选择应根据不同方法的优缺点，结合山岭公路隧道的特点，综合考虑工程项目的规模、地形地质条件、工期要求、环保限制等多方面，现归纳如下：

（1）拟建隧道长度L＞10km，不具备布设斜竖井条件，或斜竖井规模大，辅助主洞施工效果不明显，或需满足运营期通风、救援等需要的隧道采用TBM平行导洞辅助施工方法。

（2）在建隧道剩余长度＞6km、拟建隧道长度6Km≤L≤l0km，且地质构造复杂，单向坡存在逆坡施工，涌突水风险高的隧道选取TBM超前导洞+钻爆法扩挖施工方法。

（3）拟建长度L＞20km,或埋深浅且沉降变形和爆破控制严格,或严禁爆破作业施工，或国家战略通道、工期紧迫的隧道采用TBM全断面主洞施工方法。

[1]交通运输部．2020年交通运输行业发展统计公报[R]．北 京：交通运输部，2021.

[2]王建，胡俊伟.不同TBM导洞位置对洞周围岩变形的影响研究[J].公路，2021（7）.

[3]张子晗，陈炜韬，王建，等.双护盾TBM建造技术在派墨公路多雄拉隧道中的应用[J].水电站设计

[4]祝河清.天山胜利特长公路隧道施工方法探讨[J].现代隧道技术，2020（2）.

[5]王梦恕.中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路[J].隧道建设，2014（3）.

作者简介：李红鹏（1987-），男，工程师，硕士研究生，主要研究山岭公路隧道勘察设计、机械化施工、智能建造等方面工作。