吕建乐

（中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458）

川藏铁路具有海拔高、埋深大、地质和建设条件复杂等特点，其中隧道施工主要采用钻爆工法和TBM 工法，如何实现高原、高寒、复杂地质条件下的快速施工，是建设、设计、施工等面临的难题。

目前正在施工的大瑞铁路高黎贡山隧道与川藏铁路工程地质类似、工法相同，本文结合高黎贡山隧道TBM 施工和钻爆法施工情况，提出对川藏铁路隧道机械化施工的认识和建议。

1.1 高黎贡山隧道TBM施工特点

1.1.1 工程概况

高黎贡山隧道全长34.5km，最大埋深1 155m，隧道具有“三高、四活跃”的特征，几乎涵盖了所有隧道施工不良地质和重大风险，堪称隧道建设的“地质博物馆”。全隧采用“贯通平导+1 座斜井+2 座竖井”的辅助坑道设置方案。出口段使用1 台9.03m（正洞）和1 台6.36m（平导）敞开式TBM 施工，其余为人工钻爆施工。

1.1.2 施工过程遇到的问题

正洞和平导TBM 掘进期间，遇到的不良地层主要为岩性接触带、断层破碎带、粉细砂侵入、掌子面溜坍和涌水等，由于围岩整体破碎、糜棱化严重，遇水呈流塑状流出，致使TBM 无法掘进，并跟随岩块掉落，压死刀盘、护盾，多次造成卡机。

1.1.3 TBM卡机类型及典型案例

1）岩性接触带 地层为白云岩、砂岩与花岗岩接触带，岩性接触带受扰动后，沿接触面结合位置滑塌，大块状岩块堆积在刀盘上，岩块与刀盘交错咬合形成极大阻力，造成刀盘扭矩过大不能转动，致使卡机。掌子面揭示围岩情况如图1。

图1 掌子面揭示破碎围岩

2）断层破碎带 揭露围岩为全～强风化花岗岩，完整性差，呈角砾状夹杂细渣，刀孔均为泥沙状松散渣体，地下水发育，掌子面呈股状出水及整体线状出水，岩体强风化，遇水软化，有流塑状渣体从刀孔内涌出，刀盘扭矩持续增大，大量软弱破碎围岩堆积在刀盘周边造成刀盘被困。围岩情况如图2。

图2 断层破碎带揭示的围岩

3）粉细砂侵入 掌子面整体呈泥沙状，拱腰位置有线状出水，其余部位遍布滴状或线状出水，掌子面不能自稳，泥沙状渣体不断涌入刀盘，极易出现超量出渣情况，造成掘进扭矩持续增大，推进异常困难，最终导致TBM 被困。

4）掌子面溜坍 掌子面围岩破碎，风化程度高，拱部持续垮塌掉块，且携带渣体不断流出，造成刀盘和皮带机大量积渣，伴有大量出水，致使TBM掘进受阻。掌子面溜坍情况如图3。

图3 掌子面溜坍

5）涌水 TBM 在某段掘进时，掌子面突发涌水，涌水量约500m3/h。地下水裹挟岩渣进入刀盘后，分别从护盾底部和1#皮带机处涌出，导致拱部形成大型空腔，TBM 掘进受阻。

1.2 川藏铁路TBM施工及设备选型建议

高黎贡山隧道TBM 虽然进行了一系列针对性设计，但在实际应用中也存在一些问题，川藏铁路存在高地应力变形、岩爆、断层破碎带、岩溶、高地温、突泥涌水等不良地质和高原高寒的特点，结合高黎贡山隧道TBM 施工经验，川藏铁路TBM 施工及设备选型，应从以下方面重点考虑。

1）TBM 施工要规避极端不良地质占比大，易造成卡机和易发生重大安全事故的地质段落，如高地应力变形、强烈岩爆等复杂地质[1]。

2）TBM 施工要充分考虑长大隧道中间不良地质的影响，特别是会导致卡机和长时间停机，一方面要合理考虑超前地质预报措施，在遇到重大不良地层时，要果断采用小导洞和迂回导坑提前处理；
另一方面对于长大断层、软弱流变等不良地层，需要超前加固或全断面帷幕注浆加固的，必须采用迂回导坑方案，导坑断面要满足大型钻注设备的通过和作业要求。

3）要充分考虑TBM 开挖断面的预留变形量，因为IV、V 级软弱及高地应力地层的收敛变形较大，需要加强初支，根据TBM 在变形地层掘进中的施工统计，断面预留30cm 变形量为宜，与此相关的开挖和回填工程量要纳入设计。

4）要合理考虑TBM 掘进与同步衬砌的施工组织，特别是采用皮带机出渣方式下，同步衬砌的影响和操作难度较大，这时TBM 掘进快，同步衬砌速度慢，衬砌工作面对TBM 掘进的运输组织影响较大。

5）TBM 设备设计上应重点考虑钻、探系统配置，并保证这些设备能够稳定、高效地使用。要配置独立的管棚钻机和灌浆系统，以便对TBM 前方不良地层进行加固[2]。

6）要增大刀盘驱动功率和主机皮带机扭矩，增强TBM 脱困能力，L1 区应配置较强的支护能力，包括拱架、网片安装和混凝土喷射等功能配置。

7）TBM 应具备可靠的长距离扩挖能力，防止盾体和后配套被卡。

2.1 钻爆法隧道机械化施工的应用

目前，铁路隧道机械化施工配套可分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级。Ⅰ级机械化配套主要适用于快速施工、隧道断面一般在100m2以上的大断面隧道，独头施工长度不少于3 000m。主要配置设备有超前地质钻机、三臂凿岩台车、混凝土喷射机械手、仰拱栈桥、防水板安装台车、衬砌台车等。Ⅱ级机械化配套适用于施工进度要求较快的项目，Ⅲ级适用于施工进度要求一般的项目[3]。

据统计，Ⅰ级机械化配套单作业面较一般机械化施工费用增加约3 500 万元。Ⅰ级机械化配套多采用全断面施工，V 级围岩平均月进尺85m，IV 级围岩平均月进尺115m，III 级围岩平均月进尺180m。

2.2 对钻爆法隧道机械化施工应用的认识

2.2.1 铁路定额不能支撑Ⅰ级机械化配套费用

目前部分铁路项目Ⅰ级机械化配套施工，没有充分考虑设备投入和工艺质量的控制难度，造成设备投入大，利用率不高，成本亏损严重。部分工程成本盈亏率接近-11%。究其原因，主要是没有与之配套的大机定额，仍沿用传统隧道施工进行概预算，造成实际成本远远高出预算成本。

1）设备费用一次性投入大 资金占用费、设备折旧及摊销费、设备维护费以及人工费等投入较大，Ⅰ级机械化配套费用在施工成本中占比较高，定额无对应内容。在不考虑设备摊销和人工费及材料上涨因素，Ⅰ级机械化投入与常规机械化相比提高约10%，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩Ⅰ级机械化作业实际成本分别高于现行预算价10.3%、5.2%、7.1%。目前，定额中间接费和措施费费率呈现下降趋势，间接费、措施费费率整体下降了13.8%，相比公路隧道，工程间接费、措施费低约30%。

2）工艺性超挖大 采用凿岩台车开挖，受设备本身结构影响，隧道理论线性超挖在20cm 左右，这部分超挖是不可避免的[4]。由于超挖大，喷射砼和二衬砼回填造成的费用增加，定额未能充分体现。

3）人工费高 设备操作和维保等专业人员费用高，根据最新调整后的规定，隧道工费为82 元/工日，而市场上平均在200～300 元/工日，司钻工、混凝土喷射手等在人员工费在400～600 元/工日，概预算工费远低于市场水平，实际人工费是预算的5～8 倍。

2.2.2 设备工效有待进一步提高

1）安全步距制约凿岩台车效率的发挥 凿岩台车在Ⅱ、Ⅲ级围岩下的开挖能力可达300～400m/月，但受步距影响，实际进度仅达到其最大能力的一半。

2）质量验收标准超常规 隧道衬砌厚度不允许有负的施工误差，“宁超勿欠”思想严重，超挖部分用喷射砼和二衬砼回填，造成直接成本和间接成本增加。据统计，喷射混凝土超耗率在143%～230%，富水区域超耗率在350%～550%。

3）不合理压缩工期造成非均衡生产 由于压缩工期，或因征迁滞后、重大地质变更等出现工期延误后，施工单位被迫增加大量赶工资源，但合同中并无费用解决途径。无论是停工、窝工损失，还是赶工、抢工费用，一般很难得到补偿或变更。

2.3 川藏铁路钻爆法隧道机械化施工建议

2.3.1 配套原则

川藏铁路高海拔地区的低温、低压和低氧环境会导致人工和机械工效降低，推荐采用全工序机械化配套，充分体现“先进性、适用性、高效性”的原则，达到“快速施工、以机换人”的目标。

2.3.2 加快配套定额标准编制

川藏铁路隧道应加强机械化配套，减少人工，对于采用大机配套的作业面，当遇到IV、V 级软弱地层时，应采用掌子面预加固+全断面开挖的方式，不宜频繁变换工法工装，减少人员和设备重复配置造成的浪费[5]，预加固或工装费用要纳入设计概算。

采用凿岩台车施工的隧道，由于受设备钻臂尺寸限制，平均超挖量在15cm 以上，按规范要求，在衬砌前全部需要采用喷射砼进行回填，这些费用也应纳入设计概算。

川藏铁路长大隧道多、施工时间长，应合理选择设备摊销台班数，另外，由于高原高寒对人员和设备造成的影响，人员的交替轮换和休整以及临建设施的使用周期等造成的费用增加，都需要在设计概算中予以充分考虑。

3.1 对隧道机械化施工风险的认识

1）复杂工程地质及环境影响导致工程投资控制难度大。应结合设计方案综合研究TBM 工法的经济性，详尽的地质勘查资料是保障TBM 施工顺利的重要基础，复杂地质对进度和施工安全影响大，进而影响到建设投资。概算补充单价与实际消耗偏差较大，对建设管理和工程成本影响较大。

2）TBM 通过不良地质段处理措施成本大。不良地质对TBM 施工的影响很大，软弱围岩、岩爆地段经常造成卡机，脱困时间长造成施工进度、人工和设备工效大幅降低，脱困处理措施费用高、风险大，宜在工程投资中充分考虑预留费用。川藏铁路TBM 施工中可能发生卡机脱困事件，不同的脱困方案以及所处的地质条件不同，造成脱困费用差异较大，需要提前从合同中约定费用处理原则。

3）钻爆法复杂地质施工相关措施费用严重不足。隧道钻爆法施工中遇到高地应力变形、岩爆和高地温时，针对性处理工作已纳入隧道施工工序循环，人员和设备工效都不同程度受到影响，宜充分考虑施工降效因素，根据隧道施工难度，明确相关费用调整系数，合理确定投资概算。

4）TBM 等大型设备摊销、大修费用、日常使用费等概算费用不足。铁路行业的机械台班单价一直是按照2005 年版的铁路机械台班费用定额执行的，尽管2017 年公布了新的机械台班费用定额，但铁路行业的机械台班费用定额，较住建部公布的全国统一机械台班费用定额和其他行业公布的台班费用定额低，台班单价有较大差距。川藏铁路地处高原，更应综合考虑以上因素，合理确定相关费用。

5）TBM 进出场运输困难，需合理确定专项运输费用。TBM 运输线路长、困难地段多，为满足TBM大件运输要求，部分道路和构筑物需要改建、加固、拓宽、拆除还建等，应预留相关专项费用。

3.2 相关建议

1）TBM 摊销及大修建议。通过对秦岭、中天山等铁路隧道及水利工程TBM 使用情况统计，TBM设备掘进里程20km 内需要进行2 次大修，设备大修费和大修期间的停工费用宜给予充分考虑，同时川藏铁路TBM 及配套设备宜按照一次性摊销考虑。

2）建议投资概算中预留TBM 通过不良地质地段费用（包括卡脱机费用）。发生岩爆、高地温、高地应力变形等特殊地质时，依据处理方案，应对受影响的工序进行经济分析，据实调整费用。TBM 在通过不良地质段时，为了防止松散体抱死盾体，需要进行超前化学注浆等，此项费用宜按暂估价纳入投资概算工程量清单，过程中依据技术方案进行经济分析，动态调整。

3）变更设计建议。川藏铁路工程建设管理难度大，建设风险高，复杂地质隧道施工风险和投资风险大，川藏铁路宜采取动态设计，加强经济分析研究，做到技术方案与工程投资合理匹配，优化变更设计程序，过程中快速处理现场问题，不约定总承包风险费，对发生的设计变更费用及时进行核实解决。

4）合理考虑隧道进度指标。为了控制投资，确保川藏定额水平接近或略高于现行平原地区定额水平，《川藏铁路隧道机械化施工补充定额》课题成果中，由于对TBM 施工和大机配套施工的进度指标进行了多次调整，造成隧道进度指标过高，概算指标较低。高黎贡山隧道正洞TBM 进度指标已经给了我们很好的启示，因此，宜科学合理的制定工期和进度指标。O

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