中天山隧道TBM掘进施工适应性研究

1　前言
　　敞开式全断面岩石掘进机（简称TBM））是集机械、电子、液压、激光、控制等技术于一体的高度机械化和自动化的大型隧道开挖配套设备，其最大的优点是快速，通常掘进速率为常规钻爆法的3~6倍。
　　南疆铁路二线吐库段中天山隧道位于新疆境内的天山山脉，穿越中天山北支博尔托乌山，海拔1100~2951m，其最大埋深为1700m；为两座单线隧道，左线长22449m，右线长22467m，全隧道为单面上坡，除出口308m位于曲线上外其余均位于直线上，左、右线间距为36m；工程地质地形条件十分复杂。自2005年起，在隧道勘察设计中广泛吸取了建设管理、科研和施工各方的意见，先后就钻爆法、TBM法、钻爆与TBM联合施工法展开了深入的比较研究，对各方案的诸多技术难题进行了分析论证。根据中天山隧道地质地形条件，若采用钻爆法方案施工，很难合理设置辅助坑道，工期长，施工通风极困难。因此，最终推荐采用TBM法加钻爆法的施工方案,即采用2台TBM从左、右线隧道进口端施工(在隧道右线掘进11km，在左线掘进10km)，出口端采用钻爆法施工。隧道已于2013年贯通，取得了良好的社会经济效益。本文就中天山隧道TBM掘进施工的适应性进行分析总结，期望为类似隧道选择TBM掘进施工提供借鉴。
2　隧道TBM施工适应性　
　　根据西康铁路秦岭隧道TBM掘进速度与岩石强度、耐磨性及岩体完整程度相关性的研究，一般而言：
　　（1）TBM最适合掘进的岩石抗压强度为30~120MPa。
　　（2）TBM掘进速度的高低主要取决于岩体的完整程度，并以较完整和较破碎状态（KV=0.45~0.75）为最佳适用范围。
　　（3）岩石耐磨性指数越高，岩石耐磨性越好，TBM掘进效率越低（耐磨等级划分见表1）。

表1　Ab与定性划分的岩石耐磨性的对应关系

　　在中低耐磨性的岩石中TBM的施工进度一般能够达到350~500m/月，在强耐磨性的岩石中施工进度一般能够达到250~400m/月。
3　中天山隧道岩性条件及岩体完整性条件
　　3.1岩性条件
　　除通过三条区域深大断裂及七条次级断裂带的构造岩外，隧道通过的地层岩性主要为泥盆系片岩夹大理岩、绢云千枚岩，志留系变质砂岩与片岩互层及中元古界混合岩夹片麻岩、片岩夹大理岩，并分布有华力西期花岗岩、闪长岩。其主要物理力学指标见表2。
　　由表2可见，除闪长岩、部分变质砂岩和部分大理岩强度高于120MPa，以及部分绢云母千枚岩强度低于30MPa外，绝大部分岩石饱和单轴抗压强度均在30~120MPa之间。
　　岩石的耐磨性指标为2.73~5.48，多为低—中耐磨性，花岗岩为强耐磨性。
　　3.2岩体完整性
　　中天山隧道通过区域性深大断裂（F）3条，次级断裂（f）7条，断层破碎带主要分布于隧道出口段，进口段断层分布较少。由于中天山隧道所处地质构造位置及经历的构造运动的差异，节理发育程度也存在较大区域性差异。根据现场统计的单位体积节理数，隧道围岩完整性指标如表3所示。
　　由表3可见，除通过三条区域深大断裂及七条次级断裂带的构造岩外，隧道围岩完整性多呈较完整—较破碎状态。
4　中天山隧道TBM掘进施工适应性及工程实践

表2 岩石主要物理力学指标统计

表3　中天山隧道岩体完整性指标

　　4.1中天山隧道TBM施工适应性分析
　　（1）三条区域深大断裂及七条次级断裂带的构造岩地段，TBM可能遭遇大塌方、围岩大变形、突发大涌水，导致TBM被埋、被卡或被淹的危害，因此TBM不适宜在以上类型的地段中应用。
　　（2）除闪长岩、部分变质砂岩和部分大理岩强度高于120MPa，以及部分绢云母千枚岩强度低于30MPa外，绝大部分岩石饱和单轴抗压强度均在30~120MPa之间，适宜采用TBM施工。
　　（3）除通过三条区域深大断裂及七条次级断裂带的构造岩外，隧道围岩完整性多呈较完整—较破碎状态，适于采用TBM掘进施工。
　　综上所述，除三条区域深大断裂及七条次级断裂带的构造岩带、闪长岩，以及部分强度高于120MPa的变质砂岩和大理岩、部分强度低于30MPa的绢云母千枚岩带外，其余隧道段适于采用TBM掘进施工。
　　4.2中天山隧道TBM掘进施工工程实践
　　中天山左、右线隧道施工采用的TBM在进场前已分别掘进施工了近10km，经大修进场后机器状况良好。TBM经过志留系下统变质砂岩与片岩互层和角斑岩地段时，施工相对比较顺利，掘进速度也比较理想，基本能够保证预期的施工进度（表4）。

表4 中天山隧道TBM施工进度统计

　　TBM在施工了5.2km后进入了强耐磨性的花岗岩地段，逐渐遇到了一些困难，致使掘进速度降低（表4）。主要原因是：花岗岩岩质坚硬、耐磨性高、岩体完整；碴体尺寸减小，多呈粉末状，刀具磨损率增大，刀具更换频繁。后经采用高质量和高耐磨性能的刀具，增大了TBM的总推力（20MPa以上），较好地解决了TBM机掘进效率降低的问题。
5　结论
　　（1）TBM法施工比钻爆法施工具有快速、优质、安全、环保和节能减排的特点，若地质条件适宜，深埋长隧道的施工应首选TBM法。
　　（2）除通过三条区域深大断裂及七条次级断裂带的构造岩、闪长岩，以及部分强度高于120MPa的变质砂岩和大理岩、部分强度低于30MPa的绢云母千枚岩外，其余隧道段围岩岩石强度在30~120MPa之间，围岩完整性多呈较完整至较破碎状态，适于采用TBM掘进施工。
　　（3）岩质坚硬、耐磨性高、岩体完整，是造成中天山隧道花岗岩隧道段掘进速度降低的主要原因。采用高质量和高耐磨性能的刀具、增大TBM的总推力，是提高TBM掘进效率的有效途径。

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