川藏铁路隧道TBM适应性选型分析及不良地质对策与思考

杜闯东， 周路军， 朵生君， 贺 飞

(1. 中铁隧道局集团有限公司, 广东 广州 511457； 2. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031； 3. 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043；4. 中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016)

0 引言

川藏铁路(Sichuan-Tibet railway)东起成都，向西经雅安、康定、昌都、林芝，终至拉萨，成都至雅安段已于2018年12月开通运营，林芝至拉萨段正在建设，目前开工建设的是最为艰难复杂的雅安至林芝段，面临着“极端地质灾害”和“工程异常艰巨”两大挑战[1-2]。建设川藏铁路对维护国家统一、促进民族团结、巩固边疆稳定，对推动西部地区特别是川藏两省区经济社会发展，具有十分重要的意义。为认真贯彻落实党中央、国务院“科学规划、技术支撑、保护生态、安全可靠”，“高起点、高标准、高质量”和“科学施工、安全施工、绿色施工” 推进川藏铁路建设的总体指导思想和明确要求，必须提高川藏铁路隧道的机械化施工水平，推广应用全断面隧道掘进机(TBM)将是科学高效建成川藏铁路的有效途径之一。

目前，TBM已经成为国内外隧道(洞)工程施工的重要选择，被广泛应用于水利隧洞、城市轨道、市政交通和铁路隧道等领域。长期以来，工程技术人员和业内专家对TBM技术进行了大量的研究、总结和创新。文献[3-5]对我国TBM技术的发展和应用进行了系统梳理，并对TBM的应用特点和适应性进行了分析研究，进一步明确了各类TBM的工程适应性和选型建议；文献[6-7]对近年来我国隧道、地下工程发展，以及硬岩掘进机的创新与实践进行了总结和研究，分析了我国隧道技术和国内外TBM应用现状，并开展了大量复杂地层TBM针对性设计研究；文献[8-9]结合TBM在引松供水工程总干线四标段的掘进施工情况，研究了TBM的各项技术特点与主要设计参数, 分析了TBM掘进各种地层(特别是灰岩地层)的特点及工程适应性；文献[10-13]结合引汉济渭、新疆ABH和锦屏水电站等工程在复杂不良地层(特别是高地应力岩爆、断层)中的超前地质预报、预防处理和脱困施工，分析了岩爆发生的时空特征规律、三维地震波法和微震监测在TBM隧道中的应用价值，提出了TBM高地应力岩爆分级防控准则、技术方案和“装备-掘进-支护”三者协同的分级防控理论技术体系，总结了断层破碎带等地层中的处理方法和脱困经验；文献[14-16]结合大瑞铁路高黎贡山隧道的地质特征(软弱破碎带卡机、高压突涌水等施工风险)、工程重难点和TBM应用情况，提出高适应性TBM的针对性设计方案, 提出TBM超前地质预报、钢筋排和钢拱架联合喷射混凝土及时支护、合理调整掘进参数等一系列方案与措施。各行业间对TBM的广泛应用和创新研究，有力促进了TBM技术的发展，也为下一步川藏铁路隧道TBM的应用提供了一系列案例参考和技术支撑。

川藏铁路通过前期大量地质勘察和研究工作，多条隧道拟采用TBM工法施工。文献[17-18]在调研国内外众多TBM工程的基础上，对川藏铁路TBM施工适应性及选型进行分析，对川藏铁路隧道TBM应用提出了一些针对性措施和建议。总体来看，目前对川藏铁路隧道TBM应用研究的文章还比较少，且基于川藏铁路特殊的区域地质和环境条件，尚有许多不同的看法。为了使TBM能在川藏铁路隧道进一步合理应用和成功推进，本文结合川藏铁路隧道的建设总体要求、地质条件、环境特征和各类型TBM特点，从前期专题研究深度参与者和先行标参建者的角度，充分吸收了前期相关各方的阶段性调查研究成果，通过进一步的深入分析和系统总结，综合性给出了川藏隧道TBM工法选择原则、适应性和选型结论，并针对川藏铁路隧道的重大不良地质，对TBM的针对性设计、施工措施和工程推进等方面提出了一些建议和思考，以期为川藏铁路或类似TBM隧道工程建设提供一定借鉴。

1 川藏铁路隧道工程概况

川藏铁路雅安至林芝段新建正线长度约1 010 km，自东向西横贯“横断山脉群”，山高谷深，建设区具有“陡峻的高原地形、剧烈的板块活动、频发的地质灾害、敏感的生态环境、恶劣的气候条件、薄弱的基础设施”等6大特征。雅安至林芝段是川藏铁路地形最为艰难险峻、地理环境和地质条件最为复杂的一段，勘察设计、施工和运营各阶段都面临巨大挑战，安全和建设管理风险高、难度大,是迄今为止世界上修建技术难度最大的铁路工程。

本线路段的长大隧道众多，辅助坑道设置条件差。初步设计阶段新建隧道69座，约841.5 km，占线路总长度83%。10 km以上隧道有36座，20 km以上隧道有15座，30 km以上隧道有6座，最长的易贡隧道长42.374 km。海拔在3 000 m以上隧道共45座，总长约630 km；海拔在3 500 m以上隧道共36座，总长约470 km；海拔在4 000 m以上隧道共13座，总长约200 km。海拔最高隧道为果拉山隧道，正洞最高海拔4 469 m。隧道线路线型和所穿越地层具有“大埋深、大坡度、高海拔、高应力、高地热、高压水、岩质差、不连续、差异大”等工程特点。设计方案还可能继续优化，现阶段隧道设计长度统计见表1。15座20 km以上隧道主要参数统计见表2。

表1 川藏铁路雅安至林芝段隧道长度分布

表2 15座20 km以上隧道主要参数

2 川藏铁路隧道TBM工法选择及适应性分析

川藏铁路长大隧道众多，并具有高寒高海拔的环境特征，隧道施工作业劳动强度大，人工和普通施工机械的工效均严重降低。TBM工法具有掘进速度快、作业环境好、对生态环境影响小、综合效益高等优点，在高原更能充分发挥TBM施工“高效、环保、安全、优质” 等特点，可较好解决传统钻爆法长大隧道辅助坑道设置困难和工效低等方面的施工难题。在适宜条件下采用TBM施工将是加快推进川藏铁路建设的重要手段，并可提高我国隧道的修建技术水平，也更符合国家“高起点、高标准、高质量”建成川藏铁路的总体要求。因此，针对川藏铁路各长大(尤其是特长)隧道的具体工程地质和施工环境条件，应深入开展TBM工法选择、设备选型和适应性分析等相关研究。

2.1 川藏铁路隧道TBM工法选择

对于川藏铁路TBM隧道的选择,要充分考虑本工程的隧道地质条件、区域地质特点、隧道位置、施工环境条件、工期、TBM工法适应性和各类型TBM的优缺点等，综合确定TBM隧道的选择原则，并结合川藏铁路TBM隧道各工点的具体情况进行综合比较和具体分析。川藏铁路隧道TBM工法选择的总体原则是TBM隧道前期地质勘查已经基本准确、TBM掘进段没有长大段落不良地层、严重不良地层段有条件采用超前或辅助工法处理。如果不良地质洞段较短，需要针对性地进行TBM适应性设计并与辅助工法相结合，以保证TBM安全穿越；如果不良地质围岩洞段所占TBM掘进段总长度比例较大，会大概率增加TBM掘进难度，或造成频繁卡机，严重影响工期和成本，则需要放弃TBM施工工法。主要考虑因素如下：

1)地质勘察尽量准确。从已经施工的TBM铁路隧道来看，大部分隧道的地质勘察是比较详细的，也较好地指导了TBM施工。而高黎贡山隧道TBM之所以目前遇到频繁卡机和喷涌等问题，也大多是由于对本工程的地质勘察不明和认识不足。

2)TBM选用需规避重大风险(即极端不良地质占比大，易造成长期被困和重大安全事故等情况)。强烈岩爆、极强岩爆要考虑TBM掘进降效的工期影响[12-13]，如锦屏电站和引汉济渭等工程，虽然TBM岩爆防控和施工技术有了很大提高，但要防止出现严重设备损坏和人员伤亡事故；当高地应力软岩大变形、宽大断层及严重软弱破碎带、严重突水涌泥地段、岩溶发育等不良地质段落区段较长，会对TBM施工产生严重影响，因此不推荐采用TBM。

3)对于岩体较完整、有一定自稳性的次硬岩—硬岩地层，断裂、褶皱等地质构造不发育或有条件处理的特长隧道，可采用TBM。

4)考虑川藏铁路高海拔、大直径TBM的特点，正洞TBM独头掘进距离不宜超过16 km；独头通风距离不宜超过10 km，困难情况下不宜超过15 km(目前新疆EH工程TBM最长独头掘进15.4 km，通风距离11 km，效果比较好；引大济湟工程TBM独头通风距离达15 km，但效果较差)。

5)在目前施工和技术条件下，TBM隧道的开挖断面不宜太大，TBM施工的正线隧道均采用双洞单线隧道。目前国内外的长大铁路TBM隧道基本都是采用双洞单线方式。

2.2 川藏铁路隧道TBM适应性分析

对TBM的适应性起决定性影响的主要在工程地质和水文地质2个方面。尤其川藏铁路隧道地处青藏高原南部印度板块与亚欧板块挤压造山带，高能地质环境突出，但受地形和人类活动条件限制，地质勘察工作开展困难，因此TBM施工的难度和风险进一步增加。川藏铁路隧道极端不良地质主要包括极硬岩、强岩爆、软弱大变形、断层破碎带、突泥突水和岩溶等，此类围岩属于TBM适应性极差的地质条件，这些不良地质因素可能会使TBM进尺困难、难以穿越、被卡被困，带来极大的工程风险，这对TBM自身的适应性提出了更高要求。

2.2.1 川藏铁路隧道对TBM适应性总体要求

川藏铁路隧道具有超长距离、大埋深、地质条件复杂、勘察难以准确和施工条件差等特点，相关不利因素的叠加对隧道的建设技术和TBM的适应性提出了更高要求，也对我国的TBM设计制造和施工技术提出了新的挑战。结合TBM技术的发展现状，提出川藏铁路隧道对TBM适应性总体要求。

1)隧道功能要求。TBM开挖和衬砌断面要满足川藏铁路设计断面要求，永久内衬断面不小于φ8.8 m，并满足转弯半径、纵坡和初期支护等基本功能需求。

2)工期和指标要求。TBM掘进能力要满足川藏铁路隧道各级围岩限定指标和工期要求，包含掘进机生产制造、施工的前期准备、掘进衬砌、拆卸转场全过程的工期要求。

3)长距离掘进要求。TBM要具有良好的性能、较长的使用寿命及充足的备件和配件。

4)处理局部不良地质的灵活性。需配置超前地质预报、超前钻探、注浆加固和较强的应急支护等设备，根据地层揭示情况，提前采取加固和加强措施，必要时采取适当的辅助方法预处理局部不良地质。

5)施工安全要求。喷锚、拱锚网喷或薄管片(钢管片)等初期支护必须满足施工期间结构安全，永久(或单层管片)衬砌需同时满足施工期间及运营期间的结构安全要求。

6)气候环境要求。满足川藏高原气候和自然环境特点要求，适应高寒缺氧和恶劣自然环境条件。

2.2.2 川藏铁路隧道TBM适应性分类与评价

川藏铁路雅安至林芝段，地层时代从震旦系至新生界均有分布，地层岩性十分复杂。主要岩性有以砂岩、板岩、千枚岩、片麻岩为主的沉积岩、变质岩，以花岗岩、闪长岩、辉长岩为主的侵入岩，以灰岩、大理岩为主的可溶岩。全线硬质岩以花岗岩、片麻岩为主，局部段落分布有闪长岩、辉长岩、灰岩、大理岩、砂岩等，隧道段硬质岩占比约47%。针对每座长大隧道不同地层岩性和地质条件，可按照以下方法进行TBM适应性分类和评价分析，分类和评价都达到A类(级)的推荐采用TBM工法，达到B类(级)的则应有条件并考虑辅助工法或预处理措施方可采用TBM，达到C类(级)及以下的则不建议采用TBM。

2.2.2.1 川藏铁路长大隧道TBM适应性分类

通过对隧道地质条件、施工风险、辅助坑道设置条件、施工工期等方面的综合比选，将川藏铁路长大隧道的TBM适应性分为以下5类。

A类： 工程地质条件好(硬岩为主)、构造影响小；钻爆法辅助坑道设置极其困难、工期长(100个月以上)、工期风险大；适合TBM施工的隧道。

B类： 工程地质条件好(硬岩为主)、构造影响小；钻爆法辅助坑道设置条件好；适合TBM施工的隧道。

C类： 工程地质条件较好(较软岩—硬岩为主)、构造影响小；钻爆法辅助坑道设置困难、工期较长；TBM施工正洞有一定的风险，可研究小TBM施工平导的适应性。

D类： 工程地质条件较差、构造影响较大；钻爆法辅助坑道设置困难、工期较长、工期风险大；根据揭示的地质资料，TBM施工风险较大，需进一步研究TBM施工的可行性。

E类： 工程地质条件差、构造影响大；钻爆法辅助坑道设置条件好、工期短；不适合TBM施工的隧道。

2.2.2.2 隧道围岩TBM工作条件分级

川藏铁路各长大隧道应根据岩石单轴饱和抗压强度、岩体完整程度、岩石磨蚀性等指标将隧道围岩进行分类、分级，并按照各级围岩将掘进机工作条件适应性由好到差再分成A、B、C 3级。具体的分级如表3所示，通过查证，本表的数据早期由中铁西南科学研究院相关科研人员根据西康铁路秦岭隧道TBM施工研究提出，后来经过了众多学者的应用修正，但到目前为止仍有较强的指导意义。

表3 隧道围岩掘进机工作条件分级表

2.3 川藏铁路初步设计推荐TBM隧道分析

川藏铁路在前期勘察资料基础上，充分考虑隧道地质条件、施工风险、辅助坑道设置条件、施工工期、工程投资等因素，根据上述隧道的TBM工法选择、适应性分类和掘进机工作条件适应性分级等原则和川藏铁路隧道的自身特点，对20多座重点隧道进行了TBM适应性综合分析。按照适合TBM施工的隧道尽量考虑选用TBM，经综合比选，初步选择了包括易贡、德达等隧道在内的近10座长大隧道计划采用TBM施工(最高达到了44台，包括辅助坑道TBM施工计划)。后来在初步设计方案报审过程中，经过多轮的评审论证和深化研究，综合各方面的影响因素，孜拉山、果拉山、伯舒拉岭和色季拉山4座隧道推荐采用TBM(共10台)施工，除色季拉山隧道已经开工外，另外3座隧道设计方案还在持续优化审查中。初步确定的4座TBM隧道概况见表4。

表4 川藏铁路4座TBM隧道概况及工筹分析表

3 川藏铁路隧道TBM选型

TBM隧道的工法选择、适应性分析及设备选型等是与TBM隧道施工密不可分的多个方面，在做好隧道TBM工法选择和适应性分析的同时，还要结合TBM选型及针对性设计等进行综合分析和专项论证。不同机型的TBM针对不同地层岩性和地质条件，其适用性及经济性存在很大差异，选用TBM类型不同，导致的工程工期和成本、工程可靠性和寿命也不同，因此TBM选型正确是隧道成功贯通的前提。根据支护模式和支撑方式不同，TBM可分为敞开式TBM和护盾式TBM，其中护盾式TBM又分为单护盾和双护盾2种，这3种类型的TBM一般均采用非闭胸、硬岩刀盘、刀盘刮碴、中心皮带机出碴的基本设计。另外，很多TBM(盾构)厂家还研发制造出了双模或多模式的TBM(盾构)。

3.1 各类型TBM特点及适应性分析

3.1.1 综合分析

隧道TBM选型得当可以提高掘进速度、缩短工期、降低施工成本。相反，不恰当的TBM选型会延误工期，增加施工成本，甚至无法持续掘进。川藏铁路长大隧道地层以岩层为主，结合以往施工经验，为提高TBM掘进效率，川藏铁路隧道所用TBM应以敞开式、单护盾和双护盾3种类型为主。

敞开式TBM： 采用拱、锚、网、喷等支护方式，无全环管片，依靠撑靴提供推进反力，掘进效率高，综合成本低，总体上适用于硬质岩层。

单护盾TBM： 没有撑靴，同步安装全环管片，隧道一次成型，管片背后回填碎石骨料并注浆固结，依靠管片提供推进反力，合适围岩成洞效率高，总体上适用于软质岩层。

双护盾TBM： 设伸缩盾和撑靴，原则上同步安装全环管片，管片背后回填碎石骨料并注浆固结，可由管片或撑靴2种方式提供推进反力，合适围岩成洞效率更高，总体上适用于硬质与软质岩交替岩层，但不能有较大和明显的接触破碎带或断层破碎带。

3.1.2 特点对比分析

1)地质适应性方面。3种类型的TBM实际上都要求开挖地层具有一定自稳性，护盾式TBM对于不良地层的适应性并非明显高于敞开式TBM[3]，因有管片保护，直观判断在岩爆的安全性上要优于敞开式TBM，但在永久结构安全性上还存在较大争议。敞开式TBM护盾后的主机区域可见洞壁，在应对地层变化上主动性更强，目前技术水平下，可通过针对性的设计显著提升敞开式TBM对不良地质的适应能力。

2)卡机和脱困方面。敞开式TBM护盾较短且可通过油缸径向伸缩，相对于护盾式TBM而言不易被卡，且在需要超前地质处理或卡机脱困时有较大作业空间，实施较为便利；双护盾TBM盾体更长，导致卡机概率相对更高，处理难度更大。

3)成洞效率和施工环境方面。护盾式TBM在稳定地层的施工特点是综合成洞速度快、作业环境友好，也确实拓宽了TBM对不同工程的适应性需求。但川藏铁路隧道断面比较大，可以实现一定的同步衬砌施工，并通过针对性设计和管理提升，大大改善现场的作业环境。

4)质量和成本方面。护盾式TBM受管片安装和管片背后回填限制，建设成本会增加，施工效率相对较低，管片受力、接缝防水和回填质量也很难保证，特别是大断面管片隧道；敞开式TBM可根据围岩情况实时调整支护参数和衬砌结构，并给予围岩和初期支护充分的暴露时间，以达到质量可控、经济合理的效果。

当然，影响TBM选型的因素还非常多，但从3种TBM类型特点和不同点等方面进行全面对比分析后，可明显看出3种类型TBM适应特性和范围，如表5所示。

表5 3种类型TBM适应特性对比表

3.2 川藏铁路隧道TBM选型分析

TBM选型不仅要考虑地质适应性，还要考虑工程质量、工程风险、工程工期和工程成本，相关各方和行业人士会因为所站角度和分析权重的不同产生不同的看法，因此，对于川藏TBM的选型也有多种不同的声音。基于以往大量工程实践经验和川藏铁路隧道的特点，在通过多轮评审后，目前川藏铁路初步设计4座TBM隧道的10台TBM全部推荐采用敞开式。

1)综合要素分析。应从地质条件出发，分析工程质量、工程风险、工程进度、工程成本等多种因素，抓住关键因素进行TBM选型分析。总结既有工程经验，同时结合川藏铁路隧道特点，提出“地质适应原则、风险控制原则、工期成本原则、相容有利原则”4个TBM选型原则。在不同工程和不同单位，4个原则体现的权重可能不同，一般情况下遵循的优先顺序为： 地质适应原则、风险控制原则、工期成本原则、相容有利原则。

2)从地质关键因素角度分析。如果隧道围岩整体条件好，软弱(质)围岩洞段较短，支护量不大，采用敞开式TBM具有显著的成本和进度优势；如果存在软硬质岩交替，软质围岩洞段比例较长，但不会频繁被卡被困，采用双护盾TBM掘进支护一次成洞，具有一定的工期优势；单护盾TBM掘进和管片安装不能同步，施工进度较慢，一般用于以软质围岩洞段为主、撑靴无法支撑洞壁的工程，而川藏铁路选择TBM工法的隧道绝大部分洞段为硬质围岩，所以单护盾TBM没有特定的适宜条件和优势；然而，在一般岩爆洞段，通常护盾式TBM比敞开式TBM安全性更高。

3)从风险控制角度分析。川藏铁路隧道大部分均为超长超大深埋复杂隧道，地质条件很难完全查明，存在断层破碎带、软岩大变形、岩爆及高地温等重大风险，双护盾TBM长期被卡被困的风险更大；采用预制管片支护灵活性相对较差，管片衬砌接缝多，在接缝处的防水性、耐久性以及全隧道衬砌结构整体性等方面还有待进一步研究。

4)从技术可靠性角度分析。虽然隧道地质条件是决定TBM选型的关键因素，但在应对不良地质方面的TBM设计制造、施工技术及其创新能力等决定了TBM工法和类型的被选择性；根据川藏线目前揭示的工程地质情况、围岩岩性、隧道长度及辅助坑道设置条件等，现阶段应以敞开式TBM为主；后续也可根据详勘地质资料及各隧道实际情况，进一步分析各隧道各洞段的TBM选型及针对性设计；另外，针对个别工点辅助坑道，在地质条件允许的情况下也可考虑护盾式TBM或双模TBM等。

4 川藏铁路隧道TBM设备配置及施工措施

川藏铁路通过大量前期地质勘查和论证工作，目前推荐采用TBM的隧道基本规避了大部分严重不良地质隧道，或者在较大不良地质段有条件采用辅助工法进行处理。但是，目前4座TBM隧道都是长大隧道，不能完全规避所有不良地质和复杂的环境条件，比如： 大埋深高地应力条件下的硬岩岩爆和少量软岩变形，局部的断层、软弱破碎带、突水涌泥和长大隧道的大涌水量，以及高海拔和高地温等环境影响。TBM设备还应有相应的针对性设计，并且在建设和施工管理过程中采取积极的管控措施，具体如下。

1)川藏铁路隧道TBM设备配置应结合地质勘察资料、隧道施工组织、外部环境、工程投资等因素综合选择，并做相应的针对性设计，对TBM设备性能进行优化。重点考虑岩爆、断层破碎带、软岩变形、突水涌泥、高地温、高海拔的针对性设计，同时应加强设备监造，确保制造质量符合设计要求。

2)在TBM超前地质预报和防突水涌泥方面，需要研究多种物探系统、地质钻探系统、岩爆监测预警系统在TBM上的有效集成搭载技术，力争实现“地勘先行、超前预报、钻探验证、处治得当”。隧道设置“人”字坡，TBM尽量从两端顺坡掘进，反坡掘进时应按地勘涌水量，加大TBM和隧道抽排水设备能力。

3)在TBM应对岩爆方面，搭载微震监测地质预报、超前钻机、径向锚杆钻机、钢筋排和拱架(钢管片)安装等系统，加大顶护盾盾体强度、油缸顶升和抗冲击能力，增强重点设备和作业区域的岩爆防护设计。

4)在TBM应对断层破碎带和软岩变形方面，完善刀盘提升、扩挖设计和功能实现，加大刀盘、推进系统和皮带机功率，增强TBM整体脱困能力；加大钢筋排存储范围和超前加固能力；重点加强L1区快速高效锚喷支护能力，增强应急喷射混凝土(或人工喷射)灵活性、及时性(紧靠扩盾)、覆盖范围和物料供给能力；并可考虑钢管片拼装支护和辅助推进系统；进一步研究撑靴模注、换填工艺、早强材料；合理空间布局，配备实用、高效的清碴系统等。

5)在TBM连续长距离掘进、高海拔作业环境和高地温方面，重点在如刀盘、主驱动、连续皮带机等关键部件采用超长寿命设计，优化电气系统选型，提高设备线路阻抗系数，合理设置TBM的物流供应和运输通道，加强通风和降温措施。

6)在TBM掘进与支护系统匹配方面，川藏TBM首先是重点考虑在长距离完整(适合)地层中满足快速高效掘进的功能要求，然后再重点提升TBM应对局部不良地质的支护系统可靠性和自动化水平，并能较好适应不同支护结构和参数变化，真正实现川藏铁路隧道TBM快速高效施工、减少作业人员和降低劳动强度的目标。

针对川藏铁路隧道各种不良地层和存在的风险，基于敞开式TBM，要在前面建议的基础上，广泛开展系统的技术研究和创新，重点提高TBM应对岩爆、断层破碎带、节理密集带和高地应力软岩变形等方面的能力。如： 重点研究钢筋排、拱架(包括钢管片)安装机、喷射机械手、锚杆钻机、超前钻注一体机和撑靴模注换填等系统在L1区的系统集成，开发论证双结构、新型结构、辅助推进、高效清碴和物料供应等技术稳定性及可靠性。其TBM支护系统集成和新型复合结构设计分别如图1和图2所示。同时，还要广泛开展针对性工业试验和应用验证，以便在川藏铁路隧道施工中能真正发挥作用。具体施工风险分析和对策见表6。

图1 川藏铁路隧道TBM支护系统集成设计概念图

图2 川藏铁路隧道TBM新型复合结构设计概念图

表6 川藏铁路不良地质TBM施工风险及对策

5 川藏铁路隧道TBM应用思考

川藏铁路通过半个多世纪的前期考察论证、规划选线、勘测设计和技术研究，做了充分的技术储备，成功推进了成都—雅安段和拉萨—林芝段的建设；在此基础上，近年来对雅安—林芝段又开展了大量的持续研究和深化的勘察设计。现在雅安—林芝段已正式开工建设，初步设计推荐4座隧道采用TBM工法，这是在充分调研、论证基础上做出的决策，也是工程建设和时代发展的必要选择。必须客观面对川藏铁路的工程特点和TBM技术的发展状况，深入开展TBM应用研究和实践，不辱工程人的使命和担当，以科学严谨的态度推动川藏铁路隧道TBM技术的高质量应用和发展。在此，提出几点思考与大家共同探讨。

1)TBM施工法是发展比较成熟的隧道施工技术，各类TBM特点和适应条件也比较清晰，对TBM设备进行针对性创新设计很有必要，但不能对TBM技术快速突破期望过高，不宜让TBM应对大量的、多种叠加(会造成设计的相互矛盾和冲突)的不良地质，使其应用超出TBM的适应性和应用初衷。现阶段的工法选择和选型应立足于目前成熟的TBM技术本身，有预案、有条件地依赖工艺和技术创新。

2)目前川藏铁路雅林段先行标已经开工，剩余段也在紧锣密鼓地推进，但川藏铁路建设周期长，沿线环境、地质复杂，TBM设计制造和施工技术创新研发速度快，过程中还应加强和深化全线长大隧道的施工勘察和动态设计工作，深入论证现有隧道TBM适应性和扩大应用的可行性，包括一些辅助坑道或新增工程。

3)TBM一般适用于地质条件好的地层，在软弱围岩复杂地质中使用TBM，TBM的高效优势会被削弱。然而，对于没有辅助坑道施作条件的长大隧道，钻爆法难以完成施工任务，特别是川藏铁路长大隧道施工，TBM仍然是首选工法，但对于TBM隧道围岩的地质、岩性条件要有基本的判断。根据笔者实践经验，TBM掘进围岩适应性分级总体建议如表7所示。

表7 TBM掘进围岩适应性分级建议表

4)近年来，通过对多座深埋隧道(特别是引汉济渭秦岭隧洞岭南段)在岩爆地层中的施工经验总结和理论研究，并随着岩爆微震监测等预报技术的成熟应用，岩爆地层的TBM施工技术有了很大提升，可以应对中等以上及强烈岩爆洞段的隧道施工，但应充分考虑强烈及以上岩爆地层掘进TBM设备局部损坏修复、支护加强和应力释放等待降效等对工程成本和工期的影响。

5)隧道TBM洞段中断层破碎带、高地应力软岩、突泥涌水及岩溶严重发育等软弱不良(或V级以上富水)地层则成为制约TBM应用的重要影响因素，段落占比宜不超过TBM掘进总长度的10%，密集系数平均不超过2处/km，针对每个TBM隧道要定量分析不良地质长度、规模和严重程度，综合分析对TBM掘进的影响程度，严重部分要有辅助超前处理措施，即不能盲目让TBM进入严重不良地层。

6)先期开工的色季拉山隧道共采用4台敞开式TBM双向掘进，目前已经开始TBM设备的设计制造。前期已经开展了一系列的科研开发和技术创新，但不能闭门造车，要客观理性、重心前移、注重现场，避免类似工程出现的问题并从中吸取经验，对新开发的技术要做好工厂试验和技术验证，要在保证TBM总体性能可靠的基础上进行先行先试和技术创新。

6 结论

1)根据川藏铁路的环境特征和各类TBM的适应性，并从川藏铁路各隧道的地质条件、埋深、结构耐久性和场地条件等方面考虑，现阶段推荐的4座TBM隧道和敞开式TBM选型是合理并符合TBM技术现状的。

2)敞开式TBM在隧道围岩条件整体较好情况下，具有显著的成本、进度、安全和质量优势，但不良地质会严重削弱TBM工法的各项优势，故不能对TBM应对严重不良地质的技术创新期望过高，遇到大的不良地质段落隧道要规避采用TBM，或有应对预案和补救措施。

致谢

国铁集团(中国国家铁路集团有限公司)在川藏铁路雅安至林芝段开建前期，密集组织多家施工单位、设计院、设备制造商、高校和科研院所等深入开展了川藏铁路一系列专题研究和指导丛书的编制，也重点开展了川藏铁路隧道TBM的研究，本文重点参考了相关成果和内容[19]，在此对相关单位和各位专家的辛勤付出深表感谢。