川藏铁路TBM隧道建设挑战及装备创新设计探索

　　摘要：川藏铁路具有显著的地形高差、强烈的板块活动、频发的山地灾害、脆弱的生态环境、严重的高寒缺氧等特征，是目前国内外最具有挑战性的铁路工程。为充分应对川藏铁路隧道建设过程中将面临的长大隧道多、地应力高、活动断层频繁等重大挑战，详细阐述各类复杂工况下采用TBM施工所面临的相应挑战。

　　系统分析川藏铁路TBM创新设计理念及特点，从高原高寒、长距离硬岩掘进、岩爆等8个方面进行了TBM针对性的创新设计分析，并提出：超前地质探测和处理是用于川藏铁路隧道TBM施工风险控制的主要手段;对于以岩爆为主的隧道，创新设计“双护盾+锚喷支护”的双护盾TBM或双支护TBM显得尤为必要;对于以大变形为主的隧道，宜首选双结构的敞开式TBM或进行其他结构方面的创新设计，以期为TBM针对性设计及后期工程施工提供一定参考。

　　关键词：川藏铁路;特长隧道;TBM;高原高寒;高地应力;高地温;不良地质条件;创新设计

　　0引言

　　川藏铁路穿越世界最雄壮的横断山脉，35万km2的横断山区是全世界最复杂、险峻、庞大的山系[1-2]。川藏铁路的断层破碎带远胜他处，且仍在发育扩张，其建设难度与风险不言而喻，例如：全长14.7km的大瑞铁路大柱山隧道，途经12条断层，仅处横断山脉一隅，却历经10年尚未修通[3])。

　　全长57km的圣哥达基线隧道[4]，横穿欧州阿尔卑斯山脉，被誉为欧州团结的象征，最高峰勃朗峰海拔4810m，然而这座隧道却历时17年才建成。川藏铁路雅安至林芝段正线，隧线比达84%，20km以上的隧道16座。川藏铁路隧道建设面临着长大隧道多、地应力高、活动断层频繁等重大挑战，传统TBM装备已难以满足该类复杂地质条件下的施工需求，进行针对性的创新设计显得尤为迫切。针对复杂地质条件下TBM隧道建设所遇到的工程技术难题，有关学者已经进行了相关研究，并通过工程进行了应用与验证。

　　例如：陈馈等[5]对复杂地质条件下的TBM施工风险进行了论述，并对其应对措施进行了研究。RemoGrandori[6]阐述了复杂地质条件下大直径隧道TBM的设计进展，提出传统TBM没有针对复杂地质条件进行研究与设计，为满足工程需求，必须开发针对性的TBM机型。洪开荣等[7]、杨延栋等[8]对复杂地质条件下的大瑞铁路高黎贡山隧道TBM施工关键技术进行了研究，同时对其TBM针对性研制技术进行了探讨。

　　董泗龙[9]、杨继华[10]、徐虎城[11]等分别针对某引水工程、厄瓜多尔CCS水电站等工程施工过程中，TBM穿越断层破碎带被卡时的脱困技术开展了针对性研究。刘大鹏[12]研究建议从合理调整掘进参数以及制定具体的TBM施工措施等方面入手，来保证TBM穿越断层破碎带等不良地质地段的施工能够取得实效。陈卫忠[13]等研究探讨了围岩挤压大变形的机制、挤压性地层预报方法、围岩收敛变形预测方法，总结归纳了常用的应对挤压性地层的处置手段，并提出应结合具体工程问题来综合比选TBM隧道挤压大变形的辨识公式、预测方法以及处置手段。

　　张建设[14]研究分析了高黎贡山隧道岩溶及软岩大变形洞段敞开式TBM施工技术，由于功能及结构等因素限制，现有的常规TBM尚难以很好适应软岩大变形地层条件。本文基于前人关于复杂多变地质条件下的TBM设计与施工关键技术研究成果，针对川藏铁路这一目前国内外最具有挑战性的铁路工程修建过程中，可能遇到的断层破碎带、软岩大变形、岩爆、高地温、高地应力等不良地质条件，系统性分析川藏铁路隧道面临的建设难题，详细论述TBM针对性设计理念及其创新设计方法。

　　1川藏铁路工程概况

　　1.1地理位置及线路

　　川藏铁路东起四川省成都市，向西经雅安、康定、昌都、林芝、山南到拉萨。新建的雅安至林芝段(简称“雅林段”)全长1011km，其中，中桥隧总长958km，桥隧比约95%。

　　1.2隧道基本概况

　　川藏铁路雅林段隧道总计72座，合计长838km，隧道占比83%，最长隧道为易贡隧道(42.5km)。其中，30km及以上隧道7座，长约240km;20~30km隧道9座，长约216km;10~20km隧道19座，长约274km。隧道穿越地质主要为片麻岩、花岗岩、石英闪长岩、花岗闪长岩、板岩、砂岩、石英砂岩、灰岩、大理岩等。川藏铁路先后跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、帕隆藏布江和雅鲁藏布江等7条大江大河;穿越二郎山、折多山、高尔寺山、沙鲁里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉岭和色季拉山等8座高山。

　　全线平均海拔3800m，相对高差4000～6000m，山高谷深，地形条件艰险，跌宕起伏，地貌极其复杂。总的地势：北高南低、西高东低、跨七江穿八山、七下八上(沿线地形地势如图2所示)。海拔超过4000m的隧道17座，总长约199.6km，约占隧道总长的24%;海拔3000~4000m的隧道32座，总长约433.6km，约占隧道总长的52%。

　　1.3隧道主要技术标准

　　1.3.1设计行车速度

　　川藏铁路雅林段隧道设计行车速度为200km/h(部分路段限速160km/h)。

　　1.3.2建筑限界及隧道横断面隧道建筑限界采用TB10003-2016《铁路隧道设计规范》中“客货共线铁路隧道建筑限界(160km/h<υ≤200km/h)电力牵引区段”规定的限界尺寸。隧道内轮廓综合考虑建筑限界、隧道内线间距、接触网悬挂布置方式和高海拔地区绝缘距离等因素。根据整体道床形式、中心水沟及各种管沟、设备的布置及接触网采用简链悬挂等，确定隧道基本内轮廓直径为8.8m的圆形断面。

　　1.3.3洞内轨道类型隧道内以铺设无砟轨道为主，在活动断裂带及两侧各200m范围内采用有砟轨道。无砟轨道推荐采用双块式结构，轨道结构高度为515mm;有砟轨道结构高度为766mm。

　　2川藏铁路隧道面临的重大挑战

　　2.1五大工程环境特征

　　1)显著的地形高差川藏铁路依次经过二郎山、折多山、高尔寺山、沙鲁里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉岭、色季拉山等高大山脉，先后经过大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、帕隆藏布江、雅鲁藏布江等大江大河，线路爬升高度近万米。2)强烈的板块活动川藏铁路地处青藏高原中东部，位于印度板块与欧亚板块挤压造山带;构造地质作用强烈(以每年4～12mm的速度位移);沿线地震活动强烈、大地震频发。据史料记载(公元1128年至2012年)，发生7级以上地震至少22次;全线共有约50个对线路有影响的高温热泉。

　　3)频发的山地灾害沿线山高坡陡，滑坡、崩坍以及冰湖溃决、泥石流等山地灾害广泛分布，工程地质环境十分复杂;三江并流区山高谷深，气候差异显著，海洋性冰川气候等多种环境耦合作用，形成了高寒、强震、立体气候等复杂的地质气候条件。4)脆弱的生态环境穿越四川、西藏两地生态红线、涉及大熊猫栖息地世界自然遗产、贡嘎山国家级自然保护区等各级敏感区20余处。5)严重的高寒缺氧全线平均海拔3800m，最低气温-30℃，属严重高寒缺氧，人工和普通施工机械的工效均严重降低。

　　3川藏铁路TBM创新设计

　　按照目前的设计方案，川藏铁路隧道中目前计划采用TBM施工的隧道有：色季拉山隧道、伯舒拉岭隧道、果拉山隧道、孜拉山隧道和德达隧道等5座隧道，其正洞共计采用18台大直径TBM(10.2m)施工，涉及机型有敞开式、双护盾等。

　　3.1川藏铁路TBM施工面临的风险隧道施工过程中将会遇到高地应力岩爆、大变形、断层破碎带、涌水突泥等系列不良地质条件，进而给TBM施工带来了诸多挑战。

　　铁路论文范例：铁路工程测绘技术标准体系研究

　　4结论与讨论

　　TBM创新设计是川藏铁路隧道施工成败的关键，要推进极端条件下新型多功能TBM(双结构TBM、双支护TBM)研发工作。

　　(1)超前地质预报和超前处理是控制施工风险的重要手段，用于川藏铁路隧道的TBM应具备超前探测功能并应作为日常作业。对各种地质风险要深入分析，用于川藏铁路隧道的TBM应具有相应的针对性设计，同时要有详细的可操作的专项应急预案。

　　(2)对于软岩大变形和强岩爆的防控技术，应进行深入研究与创新设计;对于以岩爆为主的隧道，宜首选“双护盾+锚喷支护”的双护盾TBM或双支护TBM，次选双结构的敞开式TBM。

　　(3)对于以大变形为主的隧道，宜首选双结构的敞开式TBM。与TBM施工特点结合的隧道初期支护、永久支护仍需进一步深入研究与设计创新。

　　参考文献(References):

　　[1]仲志伟.川藏铁路三江并流区岸坡特征及稳定性分区[D].成都：西南交通大学,2015.

　　[2]郑宗溪，孙其清.川藏铁路隧道工程[J].隧道建设,2017,37(8):1049.ZHENGZongxi,SUNQiqing.Sichuan-TibetRailwayTunnelProject[J].TunnelConstruction,2017,37(8):1049.

　　[3]张金夫，汶文钊.大瑞铁路大柱山隧道高压富水断层处理技术[J].现代隧道技术,2018,55(3):160.ZHANGJinfu,WENWenzhao.ConstructionTechnologyfortheDazhushanTunnelinaHigh-PressureFaultwithAbundantWater[J].ModernTunnellingTechnology,2018,55(3):160.

　　作者：陈馈1，2，冯欢欢1，2，*，贺飞3