​ 人民网: 因地制宜 创新设计 ——四川公路设计院设计的国内首台高速公路隧道TBM进场工作纪实
TIME:2020-10-20




“月城凉山号”刀盘内部。郭莹 摄
“月城凉山号”刀盘内部。郭莹 摄

人民网成都10月20日电 (王波)10月13日,我国第一台高速公路TBM——“月城凉山号”,在四川省乐山至西昌高速公路大凉山1号隧道所在地完成了最后的现场调试,已进入洞内开始正式掘进作业,标志着西南第一公路长隧——乐西高速大凉山1号隧道施工迈出了最为重要的一步。这是TBM首次应用于国内高速公路隧道施工,是该项目设计单位四川省公路规划勘察设计研究院有限公司(以下简称“四川公路设计院”)又一项创新设计。

乐西高速公路起于乐山市马边彝族自治县,顺接仁沐新高速公路马边支线,经凉山州雷波县、美姑县,止于昭觉县南侧,与西昌至昭通高速公路(G7611线)相接,路线全长152Km,总投资335亿元,建设工期5年。作为首条深入大、小凉山腹地的高速公路,乐西高速概算造价近2.2亿元/Km,具有工程规模大、桥隧比例高、地质地形复杂、进场条件差等特点,桥隧比高达83.15%,也是目前四川省内桥隧比最高的高速公路项目。全长15.3Km的大凉山1号隧道,是乐西高速的主要控制性工程,其长度位列全国第四,西南地区第一。隧道设计速度80Km/h。设置1座无轨斜井和1座贯通平导,采用两区段送排式通风,其建设难度极大:一是地质条件复杂,构造发育。穿越多条断层、褶皱,岩体较为破碎,岩溶中等~强烈发育,存在断层破碎带、软岩大变形、涌水突泥、瓦斯、岩溶等不良地质条件,修建难度高,施工风险高;二是环境条件敏感,隧道紧邻大风顶国家级自然保护区、四川省嘛咪泽自然保护区等大熊猫栖息地保护区,对隧道选线存在很大限制,施工环保要求极高。四川公路设计院根据项目实际情况,因地制宜,做了大量深入细致的工作。

细化方案比选 敲定“主洞钻爆法+平导TBM”

大凉山1号隧道进口端的8Km,位于雷波县的嘛咪泽自然保护区内,由于受到保护区环境保护的严格限制,无法在区内设置斜井及竖井进行辅助施工,而其他斜井又受到背斜、向斜构造影响,采用常规钻爆法施工,存在施工安全风险高且工期不可控的不利条件。为满足施工安全、运营快速救援及通风需要,四川公路设计院在设计方案中,结合地质及施工场地实际情况,在隧道左右线之间设置了平行于主洞的贯通平导,首次创新性地提出了“主洞钻爆法+平导TBM”的组合施工方案,填补了国内公路隧道利用TBM施工工艺辅助施工的空白。

自2017年7月开始进场展开勘察设计工作以来,四川公路设计院运用多种勘察手段,已基本查明了大凉山1号隧道隧址区的地质和环境条件。隧道穿越两处背斜和一处向斜构造,地层岩性复杂多变,地下水发育,特别是黄果洛向斜段涌突水风险极高。基于其特殊的地理位置、复杂的地质条件和严格的保护区环境保护条件限制,在斜、竖井布设受限的前提下,四川公路设计院首先对多种平导方案进行了同精度比较研究,包括3Km平导、8Km平导和贯通平导方案,着重从项目总工期、施工难度与风险、运营通风、防灾救援、工程造价等多方面进行综合比选,最终选定了贯通平导的设计方案,并初步拟定了直径7.9m敞开式隧道掘进机的施工方案。

充分研究论证 优化设备设计改造

作为国产首台大直径敞开式TBM,“月城凉山号”开挖直径7.93m,整机长度176m,总重1400吨,总装机功率达5200Kw,由四川公路设计院会同TBM设备制造商、施工等多家单位联合攻关研发,并结合乐西高速的工程特点和地质条件,着重对刀盘、主驱动、护盾、初支系统等部件进行了针对性的改进,完成了国产首台大直径敞开式TBM的再制造,实现了TBM设备再利用技术的重大突破。

四川公路设计院先后调研了国内多家TBM设备制造厂商,并反复前往大瑞铁路高黎贡山隧道、引汉济渭工程、郑万铁路等多个采用TBM施工的铁路、水利工程施工现场考察学习,充分调研隧道TBM施工情况并进行设备选型,同时,集思广益,邀请国内外主要TBM设备制造厂商和西南交大、中铁一院、中铁二院、中隧股份等高校、企业的技术专家,多次召开大凉山1号隧道TBM施工专题论证会,从围岩适应性、TBM选型、投资估算、施工组织等多个方面,对本项目采用隧道掘进机施工方案的可行性进行充分论证,并对设计方案进行了5次反复修改,于2019年最终完成了正式施工图勘察设计文件。

针对大凉山1号隧道的地质条件及可能遭遇的不良地质发育段落,四川公路设计院还联合设备制造厂商,对隧道掘进机进行了针对性的设计及改造,增加了超前预加固设备、钢筋排,扩大了系统锚杆的打设范围,着重改造了超前支护技术,增加了超前管棚钻机。当设备探测到掌子面前方岩体有不稳定状态时,刀盘会自动暂停掘进,钻机将通过注浆等方式加固岩体,以确保后续段落的施工安全。同时针对隧道穿越软岩、断层、高地应力地段,采用了低转速、大扭矩的隧道掘进模式,为本项目的TBM施工方案实施打下了坚实的基础。

大幅节约工期 服务安全施工与运营

记者了解到,这是我国高速公路隧道行业TBM施工工法的首次尝试,也是公路隧道建设领域的重大创新和突破性技术成果。根据隧址区地质条件预估,传统钻爆法平均月进尺为100~120m,而改为采用主要在铁路、水利工程建设上运用的TBM施工工法后,平均月进尺将达到300~400m,是传统施工工法的2~3倍。以平导掘进为例,如采用钻爆法,本项目仅平导掘进工期就在6年以上,而使用TBM施工,平导工期将大幅缩减至30个月。与此同时,TBM可全天24小时施工,仅需20人左右即可实现不间断的自动化作业,相较于传统的公路隧道钻爆法施工,大大节省人力,也大幅降低了隧道施工带来的人身安全风险。

另外,平导TBM施工期间,作为超前洞,可以提前探明主洞前方地质条件,充分辅助主洞超前地质预报,降低涌水突泥等不良地质带来的施工风险,协助主洞排水,并通过平导与主洞间的横通道,增设多个主洞作业面,辅助掘进主洞,为超特长隧道的快速施工提供保障,大幅缩短主洞钻爆法施工工期;运营期间,平导作为服务洞,可辅助主洞进行通风,并可作为独立的防灾救援服务洞、检修养护及临时行车通道,实现快速施工、快速救援、快速疏散、快速排烟和快速日常巡查等功能。

该项目TBM施工方案的实施,标志着西南地区最长高速公路隧道施工已正式拉开帷幕,这将彻底改变国内公路隧道界几十年来“以人力为主”、“小米+步枪”的传统钻爆法施工传统,开启隧道机械化施工的新篇章,在我国公路隧道建设领域具有里程碑的意义。

目前,乐西高速公路建设正全线推进,计划于2025年建成通车,作为四川凉山地区落实精准扶贫政策的高速公路,届时将连接乌蒙山集中连片特困区和大、小凉山腹地彝族主要聚居地,结束昭觉、美姑、雷波三县不通高速的历史。项目建成必将助力彝区巩固脱贫攻坚成果,极大方便沿线群众出行,对促进当地旅游产业发展和农副产品流通,推动经济发展具有重要意义。

注——

TBM(Tunnel Boring Machine)全称为:全断面(硬岩)隧道掘进机,是实现破岩掘进、初期支护、出渣等施工工序一体化、流水线连续并行作业的,将机械、电子、液压、激光、控制等技术集成一体的,高度机械化、自动化的大型隧道开挖衬砌成套设备。其具有掘进速度快、安全环保、施工质量好、综合效益高等特点,可实现传统钻爆法隧道开挖难以实施的复杂地质条件下隧洞施工,被誉为工程机械中的“掘进机之王”。乐西高速TBM设备(DG785)主要由主机、桥架、后配套等三大部件组成,研发团队结合项目特点,着重对刀盘、主驱动、护盾、初支系统等部件进行了针对性的改进,完成了国产首台大直径敞开式TBM的再制造。 

(转自:http://sc.people.com.cn/n2/2020/1020/c345167-34361497.html)

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