摘要：川藏鐵路具有顯著的地形高差、強(qiáng)烈的板塊活動、頻發(fā)的山地災(zāi)害、脆弱的生態(tài)環(huán)境、嚴(yán)重的高寒缺氧等特征，是目前國內(nèi)外最具有挑戰(zhàn)性的鐵路工程。為充分應(yīng)對川藏鐵路隧道建設(shè)過程中將面臨的長大隧道多、地應(yīng)力高、活動斷層頻繁等重大挑戰(zhàn)，詳細(xì)闡述各類復(fù)雜工況下采用TBM施工所面臨的相應(yīng)挑戰(zhàn)。

　　系統(tǒng)分析川藏鐵路TBM創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念及特點(diǎn)，從高原高寒、長距離硬巖掘進(jìn)、巖爆等8個(gè)方面進(jìn)行了TBM針對性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析，并提出：超前地質(zhì)探測和處理是用于川藏鐵路隧道TBM施工風(fēng)險(xiǎn)控制的主要手段;對于以巖爆為主的隧道，創(chuàng)新設(shè)計(jì)“雙護(hù)盾+錨噴支護(hù)”的雙護(hù)盾TBM或雙支護(hù)TBM顯得尤為必要;對于以大變形為主的隧道，宜首選雙結(jié)構(gòu)的敞開式TBM或進(jìn)行其他結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以期為TBM針對性設(shè)計(jì)及后期工程施工提供一定參考。

　　關(guān)鍵詞：川藏鐵路;特長隧道;TBM;高原高寒;高地應(yīng)力;高地溫;不良地質(zhì)條件;創(chuàng)新設(shè)計(jì)

　　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(qū)是全世界最復(fù)雜、險(xiǎn)峻、龐大的山系[1-2]。川藏鐵路的斷層破碎帶遠(yuǎn)勝他處，且仍在發(fā)育擴(kuò)張，其建設(shè)難度與風(fēng)險(xiǎn)不言而喻，例如：全長14.7km的大瑞鐵路大柱山隧道，途經(jīng)12條斷層，僅處橫斷山脈一隅，卻歷經(jīng)10年尚未修通[3])。

　　全長57km的圣哥達(dá)基線隧道[4]，橫穿歐州阿爾卑斯山脈，被譽(yù)為歐州團(tuán)結(jié)的象征，最高峰勃朗峰海拔4810m，然而這座隧道卻歷時(shí)17年才建成。川藏鐵路雅安至林芝段正線，隧線比達(dá)84%，20km以上的隧道16座。川藏鐵路隧道建設(shè)面臨著長大隧道多、地應(yīng)力高、活動斷層頻繁等重大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)TBM裝備已難以滿足該類復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工需求，進(jìn)行針對性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)顯得尤為迫切。針對復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM隧道建設(shè)所遇到的工程技術(shù)難題，有關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，并通過工程進(jìn)行了應(yīng)用與驗(yàn)證。

　　例如：陳饋等[5]對復(fù)雜地質(zhì)條件下的TBM施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了論述，并對其應(yīng)對措施進(jìn)行了研究。RemoGrandori[6]闡述了復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑隧道TBM的設(shè)計(jì)進(jìn)展，提出傳統(tǒng)TBM沒有針對復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，為滿足工程需求，必須開發(fā)針對性的TBM機(jī)型。洪開榮等[7]、楊延棟等[8]對復(fù)雜地質(zhì)條件下的大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，同時(shí)對其TBM針對性研制技術(shù)進(jìn)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(shí)的脫困技術(shù)開展了針對性研究。劉大鵬[12]研究建議從合理調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)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(zhì)地段的施工能夠取得實(shí)效。陳衛(wèi)忠[13]等研究探討了圍巖擠壓大變形的機(jī)制、擠壓性地層預(yù)報(bào)方法、圍巖收斂變形預(yù)測方法，總結(jié)歸納了常用的應(yīng)對擠壓性地層的處置手段，并提出應(yīng)結(jié)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(yù)測方法以及處置手段。

　　張建設(shè)[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(shù)，由于功能及結(jié)構(gòu)等因素限制，現(xiàn)有的常規(guī)TBM尚難以很好適應(yīng)軟巖大變形地層條件。本文基于前人關(guān)于復(fù)雜多變地質(zhì)條件下的TBM設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究成果，針對川藏鐵路這一目前國內(nèi)外最具有挑戰(zhàn)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(yīng)力等不良地質(zhì)條件，系統(tǒng)性分析川藏鐵路隧道面臨的建設(shè)難題，詳細(xì)論述TBM針對性設(shè)計(jì)理念及其創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jīng)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(jì)72座，合計(jì)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(zhì)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?guī)r、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(xiǎn)，跌宕起伏，地貌極其復(fù)雜。總的地勢：北高南低、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(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　1.3.1設(shè)計(jì)行車速度

　　川藏鐵路雅林段隧道設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范》中“客貨共線鐵路隧道建筑限界(160km/h<υ≤200km/h)電力牽引區(qū)段”規(guī)定的限界尺寸。隧道內(nèi)輪廓綜合考慮建筑限界、隧道內(nèi)線間距、接觸網(wǎng)懸掛布置方式和高海拔地區(qū)絕緣距離等因素。根據(jù)整體道床形式、中心水溝及各種管溝、設(shè)備的布置及接觸網(wǎng)采用簡鏈懸掛等，確定隧道基本內(nèi)輪廓直徑為8.8m的圓形斷面。

　　1.3.3洞內(nèi)軌道類型隧道內(nèi)以鋪設(shè)無砟軌道為主，在活動斷裂帶及兩側(cè)各200m范圍內(nèi)采用有砟軌道。無砟軌道推薦采用雙塊式結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)高度為515mm;有砟軌道結(jié)構(gòu)高度為766mm。

　　2川藏鐵路隧道面臨的重大挑戰(zhàn)

　　2.1五大工程環(huán)境特征

　　1)顯著的地形高差川藏鐵路依次經(jīng)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(jīng)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(qiáng)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(gòu)造地質(zhì)作用強(qiáng)烈(以每年4～12mm的速度位移);沿線地震活動強(qiáng)烈、大地震頻發(fā)。據(jù)史料記載(公元1128年至2012年)，發(fā)生7級以上地震至少22次;全線共有約50個(gè)對線路有影響的高溫?zé)崛��?/p>

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

　　3川藏鐵路TBM創(chuàng)新設(shè)計(jì)

　　按照目前的設(shè)計(jì)方案，川藏鐵路隧道中目前計(jì)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(dá)隧道等5座隧道，其正洞共計(jì)采用18臺大直徑TBM(10.2m)施工，涉及機(jī)型有敞開式、雙護(hù)盾等。

　　3.1川藏鐵路TBM施工面臨的風(fēng)險(xiǎn)隧道施工過程中將會遇到高地應(yīng)力巖爆、大變形、斷層破碎帶、涌水突泥等系列不良地質(zhì)條件，進(jìn)而給TBM施工帶來了諸多挑戰(zhàn)。

　　鐵路論文范例：鐵路工程測繪技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究

　　4結(jié)論與討論

　　TBM創(chuàng)新設(shè)計(jì)是川藏鐵路隧道施工成敗的關(guān)鍵，要推進(jìn)極端條件下新型多功能TBM(雙結(jié)構(gòu)TBM、雙支護(hù)TBM)研發(fā)工作。

　　(1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前處理是控制施工風(fēng)險(xiǎn)的重要手段，用于川藏鐵路隧道的TBM應(yīng)具備超前探測功能并應(yīng)作為日常作業(yè)。對各種地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)要深入分析，用于川藏鐵路隧道的TBM應(yīng)具有相應(yīng)的針對性設(shè)計(jì)，同時(shí)要有詳細(xì)的可操作的專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案。

　　(2)對于軟巖大變形和強(qiáng)巖爆的防控技術(shù)，應(yīng)進(jìn)行深入研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì);對于以巖爆為主的隧道，宜首選“雙護(hù)盾+錨噴支護(hù)”的雙護(hù)盾TBM或雙支護(hù)TBM，次選雙結(jié)構(gòu)的敞開式TBM。

　　(3)對于以大變形為主的隧道，宜首選雙結(jié)構(gòu)的敞開式TBM。與TBM施工特點(diǎn)結(jié)合的隧道初期支護(hù)、永久支護(hù)仍需進(jìn)一步深入研究與設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

　　參考文獻(xiàn)(References):

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

　　[2]鄭宗溪，孫其清.川藏鐵路隧道工程[J].隧道建設(shè),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?dāng)鄬犹幚砑夹g(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),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