崔国勇，黄永洪，常志旺，徐 丹

(1.中国中元国际工程有限公司，北京 100089； 2.甘孜州交通和城乡建设投资集团有限公司， 四川 康定 626000； 3.西南交通大学，四川 成都 610031)

0 引言

省道S434康定榆林经磨西镇至猫子坪公路位于四川省甘孜州康定市和泸定县，是四川旅游西环线中以“中国情歌城”为代表的康巴风情旅游区以及以“冰川自然奇观”为代表的海螺沟段的重要通道之一。S434段全长79.23km，其中新建和改建段长55.26km，雅家埂隧道属特长隧道，长14.75km，隧道工期是制约整个项目的控制性因素，项目总投资64.4亿元。原方案采用贯通平导+施工斜井+通风斜井方案，全隧总工期52个月。为疏解甘孜州州府康定市的城市功能，打造成都后花园特色康养基地，配合甘孜新区的规划建设，解决甘孜新区外部快速通道问题，甘孜州州委、州政府决定加快推进雅家埂隧道项目建设，将总工期提前。经专家反复论证，采用原方案无法保证项目顺利完工。

为加快推进S434建设，考虑采用TBM技术提升建设效率。既有榆磨公路等级较低、路线长、养护成本高，特别是翻越海拔3 830.000m的雅家埂山垭口段的34km公路更是坡陡弯急、傍山路险、地质松软、灾害频发。冬季康定端海拔3 800.000m以上、磨西端海拔3 690.000m以上路段长期被冰雪封盖，车辆通行极为困难、交通事故频发且道路经常中断；春季山上冰雪消融，雪水对坡体冲刷严重，经常造成边坡垮塌、滚石，严重危及行车安全；夏季降雨较大，山沟易形成泥石流，冲毁公路，2005年8月、2006年7月榆磨路先后遭受2次特大水灾、泥石流灾害，造成了公路交通长时间中断。雅家埂隧道的顺利建成将有效解决这一系列问题。因此，对隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)应用于该项目进行了详细分析比较，最终确定采用双护盾TBM来推进此项目的顺利实施。

1 工程概况

隧道地质以英云闪长岩为主，岩体完整性较好，力学性质较好，主要围岩地质参数如表1所示。隧道长度约14.75km，最大埋深为 1 215m，进口海拔为 3 067m，出口海拔为 3 046.000m。隧道于 NK7+770(埋深约 540m)斜穿色拉哈—康定断裂、于 NK19+790(埋深约 220m)斜穿磨西断裂，穿越 5 条支断层，隧道工程总体上位于断深大活动断裂的下盘，距色拉哈—康定断裂约1.5km，约4.7km长隧道距磨西断裂430～530m。隧道III级围岩占29.5%(长4 360m)，IV级围岩占49.3%(长7 270m)， V级围岩占21.2%(长3 125m)。

表1 雅家埂隧道主要围岩地质参数

2 TBM法可行性分析

TBM法在国内水利、铁路等行业已广泛运用多年，而且TBM掘进圆形断面适用于平导通道[1-3]。TBM掘进将极大地提升设备施工效率、探明围岩地质条件、大幅度缩短工期、降低各类施工风险[4]。

平导先于主洞贯通，也极大地缓解了主洞钻爆法施工的通风难题，加之平导先行掘进，彻底探明隧址区地质条件，将极大地降低主洞钻爆法施工的难度和风险，并进一步缩短主洞开挖工期[5]。

TBM掘进深埋特长隧道具有显著优势[6]，且掘进需风要求低，平导提前贯通有利于主洞施工通风。四川省川西高原地区的特长隧道施工中，在高海拔、低气温、低气压和低含氧量的恶劣建设条件下，普遍存在长距离施工通风和供氧的难题，例如，雀儿山隧道在施工过程中就多次出现洞内施工人员晕厥、休克等人身安全事故，并导致工程建设额外增加通风供氧费用约4 000万元。

本隧道地质构造简单且围岩条件较好，有利于TBM快速掘进。根据本项目前期地质勘察资料，围岩级别以Ⅲ，Ⅳ级为主，占隧道总长近80%，结合施工经验和文献[7]，TBM法开挖的适宜性和基础条件总体良好。

3 TBM法与传统钻爆法工期分析

3.1 传统钻爆法工期分析

采用贯通平导+施工斜井+通风斜井方案，于线路左侧35m平行于主洞设置1座贯通平导，全长约14.755km，为保证出渣效率和施工通风，并结合车行与人行横通道的设置要求，平导与主洞之间约每隔265m设置1座横通道。同时于NK9+000设置长度为2 200m 的施工斜井，于NK15+000设置长度为2 550m的施工斜井和长度为2 630m的通风斜井，于NK19+200设置长度为875m的施工斜井。传统钻爆法方案布置如图1所示。

图1 传统钻爆法方案布置(单位:m)

隧道施工采用大型机械化配套，其施工进度指标如表2所示。

表2 雅家埂隧道钻爆法方案施工进度指标

m·月-1

隧道分进口工区、1号斜井工区、2号斜井工区、3号斜井工区和出口工区组织施工。本方案隧道设计土建工期为46个月(含施工准备工期和二衬时间)，机电、消防工程6个月，总工期52个月。

3.2 TBM法工期分析

国内水利、铁路使用TBM的情况如表3所示，TBM的各种类型均在使用。敞开式TBM造价较其他两类低，主要适应于硬岩，能利用自身支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭矩的全断面岩石掘进机。单护盾TBM只有1个护盾，多用于软岩和破碎地层，由于无撑靴支撑，掘进时掘进机的前推力是靠护盾尾部的推进油缸支撑在管片上获得，由于单护盾的掘进需靠衬砌管片来承受后坐力，因此在安装管片时必须停止掘进，施工进度较慢[8]。双护盾TBM在遇到软岩时，若软岩不能承受支撑板的压应力，则由盾尾推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌块上或钢圈梁上以推进刀盘破岩前进；遇到硬岩时，与敞开式掘进机的工作原理相同，靠支撑板撑紧洞壁，由主推进液压缸推进刀盘破岩前进。因此，双护盾TBM适用性最强，施工进度最快。结合雅家埂隧道的地质情况，本项目选择双护盾TBM。该设备为德国海瑞克(广州)公司生产，核心部件全部为原装进口。TBM主机部分长11.7m，刀盘直径为9 130mm，设备重约230t，隧道衬砌后内径8.1m。结合目前国内TBM使用情况，雅家埂隧道施工周期按平导III级700m/月、IV级508m/月、V级292m/月考虑，不考虑断裂带，结合地质分布情况，平均进尺为518m/月。

表3 国内水利、铁路使用TBM情况(开工时间截至2017年)

3.2.1平导TBM法施工组织

采用常规钻爆法从隧道出口NK20+430方向掘进，穿越磨西断裂带后约300m，TBM始发施工。在充分调研地质磨西断层前提下(如磨西断层不是很破碎、隧道出口岩石较完整的前提下)，也可钻爆开挖50m左右，TBM即可始发。此后始终采用TBM开挖至NK8+800位置(即进口色拉哈—康定断裂带)位置，进口位置NK5+675—NK8+800段为断层密集区域，尽量采用钻爆法施工。在NK8+800位置选取好岩石位置做拆机洞进行洞内拆机。

出口300m开挖及进口3 125m采用钻爆法施工，磨西断层宽度取200m，出口钻爆300m大约历时5个月，期间进行洞外TBM始发组装场施工2个月。隧道进口钻爆段3 125m区域与出口段钻爆同时施工，因为断层密集区按照月均100m(中间设置1个支洞开挖计算)共需31个月，衬砌工作同步实施按滞后1个月考虑，共需32个月。

从TBM开挖到结束共约11 330m。其中Ⅳ级围岩6 970m，进尺500m/月左右，穿越F111，F92 较大断层时考虑800m，历时2.7个月，剩余6 170m， 需12.4个月。Ⅲ级围岩4 360m，进尺700m/月左右，需6.2个月。掘进工期21.3个月，加上前期准备5个月，总掘进工期为26.3个月，而后利用5个月时间进行仰拱施作回填及路面、通风、机电等施工，总工期约31.3个月。

3.2.2主洞钻爆法施工组织

主洞与平导施工同步进行，距离约35m。TBM掘进过后即可进行横向导洞施工。共分5段进行，总工期为36个月。分段如下。

1)NK5+675—NK8+800进口段1个作业面，开挖约32个月，施工期为第1个月至第32个月。

2)NK8+800—NK11+500段通过平导增加2个作业面，开挖约8个月，施工期为第24.5个月到第32.5个月。

3)NK11+500—NK15+500段为通过平导增加2个作业面，开挖约14.5个月，施工期为第17.5个月至第32个月。

4)NK15+500—NK20+130段通过平导增加2个作业面，开挖约13.6个月，施工期为第9.4个月至第23个月。主洞从磨西侧NK20+430施工5个月后继续开挖至平导，在NK17+300增加2个作业面停止，施工期为第5个月至第10个月。

5)NK20+130—NK20+430段开挖约5个月。

其中，进口段及出口段不占用总工期，控制工期为内部支洞工期影响。TBM皮带机及支洞运输车陆续作为主洞石渣及混凝土运输主要通道线。内部NK11+500—NK15+500段占用时间最长，主洞施工完成总工期约36个月。采用TBM进行平导施工配合主洞开挖，总体工期可保证。

4 TBM法与传统钻爆法造价分析

4.1 钻爆法造价分析

钻爆法开挖断面根据不同地质情况开挖断面不一，开挖断面面积为43.39～60.38m2，平均开挖断面面积为47.04m2。钻爆法综合开挖单价为326元/m2， 平导开挖费用约2.27亿元；3个施工斜井、1个通风斜井费用约1.60亿元，总开挖造价3.87亿元，预估支护费用1亿元，总造价4.87亿元。

4.2 TBM法造价分析

TBM法造价预估5.99亿元。主要构成为：①水泥砂浆豆砾石回填间隙、管片安装、管片制造及钢筋等计算31 414元/m，合计约46 350万元；②油脂油品及工器具、刀具及刀件配件、备品备件和易损件、TBM开挖电费、TBM运维费计算10 561元/m，共12 180万元；③TBM设备运输费用800万元；④安装和调试费620万元。

TBM法比传统钻爆法施工增加工程投资1.12亿元左右。

5 经济效益分析

通过对项目区域高速公路交通量分布情况进行分析，结合未来交通量增长情况，未来汽车交通量约5 365辆/d。修建S434线汽车综合运输成本约166.52元/百车公里，原路线情况下，运输成本约218.52元/百车公里，采用TBM法缩短工期16个月时间内，拟建项目降低汽车运营成本效益0.4亿元。根据甘孜州劳动力资源现状及预测的人均单位工作时间的GDP，计算旅客单位时间价值45.9元/(h·人)， 旅客节约时间效益2.7亿元，拟建项目减少交通事故的效益忽略不计。综上，采用TBM法综合经济效益比采用传统爆破法提高1.98亿元。

6 结语

为加快推进省道S434线尽早贯通，本文通过收集并分析国内TBM的使用情况，对两种方案在工期和造价上进行分析，主要结论如下。

1)从地质条件、施工进度安排、双护盾TBM适用性上，雅家埂隧道采用双护盾TBM方案可行。

2)平导采用TBM法+主洞爆破法方案比贯通平导+施工斜井+通风斜井方案在工期上有很大优势，增加的投资额也在可控范围内，综合效益提高较大。

3)该项目属于特长隧道，施工难度大，地质情况复杂，下阶段将继续开展施工进度和投资的实际跟踪研究。