敞開式TBM通過不良地質洞段鋼管片支護系統(tǒng)研究

孫強，楊海，于茂

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.中衛(wèi)市水務局，寧夏 中衛(wèi) 755000）

0 引言

隨著國內城市的快速發(fā)展，各地引調水工程也越來越多，在長距離引調水工程中，水工輸水隧洞扮演著重要角色。我國是多山國家，在西部地區(qū)的調水工程中，隧洞呈現(xiàn)出地質條件多樣化、地質條件差、埋深大、單洞距離長等特點。

目前，傳統(tǒng)鋼管片多用在地鐵、公路、鐵路等項目的盾構隧道，水工隧洞采用護盾式TBM 襯砌時，均采用混凝土管片，但未在敞開式TBM 開挖水工隧洞中采用。因此，在充分研究鋼管片優(yōu)缺點的前提下，發(fā)揮鋼管片靈活支護、襯砌的優(yōu)勢，開發(fā)鋼管片的作用，研究其在敞開式TBM 開挖水工隧洞中的應用，意義很大[1，2]。

本文依托天山輸水隧洞，針對隧洞通過斷層破碎帶、大變形等不良地質洞段，開展一種強度高、重量輕、整體裝備速度快、便于加工和修正、施工更靈活的鋼管片支護系統(tǒng)的設計和應用技術研究，可為工程后續(xù)順利施工提供技術支撐，還可為類似不良地質隧洞提供借鑒。

1 工程背景

天山輸水隧洞全長約41.8 km，最大埋深約2 268 m，隧洞為無壓洞，縱坡0.177%，采用“TBM+鉆爆法”結合施工，開挖段由2 臺敞開式TBM 相向開挖，隧洞開挖完成后采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。

TBM 掘進機在開挖過程中，遭遇了大斷層、突泥、大變形等不良地質條件，其中TBM 掘進機護盾承受的壓力較大，且護盾后巖體易發(fā)生大范圍塌方。該洞段主要地層為志留系上統(tǒng)博羅霍洛山組（S3b），屬濱海相-淺海相沉積。受構造及熱接觸變質作用影響，地層巖性為變質粉砂巖或變質泥質粉砂巖，灰黑色、粉砂結構，局部發(fā)育方解石脈，整體圍巖較差，已連續(xù)1 600 m 采用“鋼筋排+鋼拱架”支護，效果不理想。因此，針對以上特殊地質條件，本文提出采用敞開式TBM 開挖鋼管片支護系統(tǒng)進行處理。

2 鋼管片設計

管片設計是從隧洞橫斷方向和縱斷方向開始。通常，管片的斷面取決于橫斷方向的設計，而縱向連接、地基沉降帶來的影響等，一般根據需要在縱斷方向的設計中研究[3-6]。

從降低制作費用、加快拼裝速度、提高防水性能角度看，管環(huán)的分塊數(shù)是越少越好，但如果分塊過少，單塊管環(huán)的重量增加，從而導致管片在制作、搬運、洞內操作及拼裝過程中出現(xiàn)各種各樣的問題。一般情況下，軟土地層中小直徑隧洞管環(huán)以4～6 塊為宜，初選5+1 形式[7]。

管片設計流程：確定設計條件（隧洞軸線、斷面尺寸、地質條件、TBM 開挖型式等）→根據經驗確定管片尺寸（工程類比法、經驗法確定初步管片尺寸）→分析荷載（選擇土壓力理論，確定水土壓力、側向垂直壓力、地基反力系數(shù)等）→選定計算模型（修正慣用計算法、梁-彈簧模型計算法、多鉸環(huán)模型等）→計算管片結構受力（應力、彎矩、軸力、剪力等，包括管片主體、環(huán)向及縱向接頭）→優(yōu)化初始結構（根據計算結果調整初始尺寸，反復計算，確定最終尺寸）→定型制作→隧洞應用。

3 支護方案

針對以上隧洞不良地質洞段，敞開式掘進機進行隧洞開挖后需進行支護。敞開式TBM的裝配式支護鋼管片與噴錨聯(lián)合支護方法包括以下內容。

1）根據設計參數(shù)，選取裝配式支護鋼管片，使支護鋼管片環(huán)形鋼殼的外側緊貼巖壁布置，環(huán)向、縱向肋板靠近洞內一側，環(huán)形鋼殼與環(huán)向、縱向肋板間焊接牢固，形成整體受力結構。

2）在敞開式TBM 盾尾，通過安裝器封閉360°范圍內出露巖面，實現(xiàn)環(huán)形鋼殼與巖面緊貼，支護鋼管片間采用螺栓連接。

3）在支護鋼管片內側采用噴射混凝土填充環(huán)向、縱向肋板之間的預留空間，使支護鋼管片與噴射混凝土形成整體受力結構。

4）通過環(huán)形鋼殼上的預留孔，沿半徑方向鉆設中空注漿錨桿，通過錨桿注漿加固周邊圍巖。

5）通過預留孔沿洞軸線方向向前打設超前鋼花管，同時復噴混凝土，超前鋼花管與洞軸線方向夾角范圍在5°～15°，保障超前加固范圍。

管片間采用螺栓連接，可實現(xiàn)洞內快速拼裝及固定，避免不穩(wěn)定巖體暴露，從而減少溜渣、掉塊及坍塌，并減弱地下水的沖刷裹挾作用，減少因不良地質洞段塌方掉塊而造成的安全風險，同時簡化敞開式TBM 內L1 區(qū)的作業(yè)工序，減少TBM換步時間，增加TBM 掘進效率。

裝配式支護鋼管片可洞外定型成批預制，裝配式工藝封閉巖面速度快，機械化程度高，從而提高圍巖的整體承載能力及撐靴部位支撐強度，保障斷層破碎帶、突涌水、巖爆等不良地質洞段的圍巖穩(wěn)定性及TBM 的連續(xù)掘進。當預判出現(xiàn)擠壓大變形、中等以上等級巖爆或洞周出現(xiàn)滲低水時，可采用納米纖維噴射混凝土、預應力錨桿、重型鋼管片等加強措施，從而提高支護結構適應變形能力及沖擊韌性。鋼管片結構見圖1。

圖1 管片環(huán)結構圖(單位：mm)

4 結構受力分析

4.1 計算模型

本文采用有限元分析軟件MIDAS GTS 計算，鋼管片結構可以簡化為圍巖支撐條件下的帶肋鋼-梁結構。在有限元分析中，鋼管片鋼梁及縱橫鋼肋均采用梁單元模擬。鋼管片與地基之間的作用關系采用僅受壓的地基彈簧單元進行模擬，并在鋼管片上施加相應的結構荷載（如管片自重、隧洞周圍圍巖壓力，并考慮部分圍巖變形釋放等），進行有限元分析后可進行結構的變形、應力及內力分析。

4.2 計算荷載

鋼管片結構承受的荷載體系見圖2。垂直方向的地層抗力為等分布荷載，水平方向的地層抗力假定為管片環(huán)頂部開始，左右兩邊45°～135°內線性分布荷載（三角形分布）[8]。

圖2 荷載體系圖

根據地質勘察資料，計算所采用圍巖物理力學參數(shù)：巖石密度為2.2～2.4 g/cm3，彈性模量為0.5～2.0 GPa，泊松比為0.36～0.40，內摩擦角φ為24°～29°，粘聚力C為0.05～0.12，單位彈性抗力系數(shù)為100～300 MN/m3，堅固系數(shù)為0.8～1.0。

4.3 計算結果

鋼管片的承載力分析采用梁-彈簧計算方法，鋼管片中鋼梁及鋼肋均采用板單元進行模擬，管片周邊圍巖的支撐條件簡化為僅受壓的地基彈簧支撐，并對地基彈抗（50～100 MPa/m，100～200 MPa/m等范圍）進行反復試算。

鋼管片總變形：最大變形在底部，為7.4 mm，鋼梁跨中區(qū)域變形明顯大于鋼肋變形（大約1.7 mm），表明鋼肋對鋼梁的支撐作用較弱，建議減小鋼肋之間間距或增大鋼梁厚度，使鋼梁與鋼肋之間能夠保持變形協(xié)調。

鋼管片豎向變形：豎向變形為鋼管片總變形中的主要部分，最大變形在底部，為豎直向上的變形，最大變形為7.4 mm，鋼梁跨中區(qū)域變形明顯大于鋼肋變形。

鋼管片水平變形：最大變形在側壁，為1.4 mm。側壁水平變形為指向洞外的變形，由于鋼梁處徑向剛度小于鋼肋的剛度，在外荷載作用下，鋼梁有向內變形特征，與側壁向洞外的水平變形相抵消，因而鋼肋的水平變形大于附近鋼梁的水平變形。

鋼管片最大壓應力：最大壓應力在底部，為156.8 MPa，位于鋼梁跨中區(qū)域。在外荷載作用下，鋼肋對鋼梁有支撐作用，跨中區(qū)域彎曲變形較大，導致鋼管片的鋼梁跨中區(qū)域壓應力較大。

綜上所述，鋼梁、鋼肋厚度等基本尺寸對鋼管片受力影響很大，通過反復計算、調整參數(shù)，最終選擇合理的鋼管片尺寸，對隧洞的支護效果、投資影響較大。

5 結語

敞開式TBM 穿越不良地質洞段的工效提升方案成為制約隧洞工程安全、進度、投資的重要因素，本文提出了敞開式掘進機鋼管片支護系統(tǒng)方案，采用鋼管片快速封閉支護方案是有效解決這一問題的重要途徑，在天山輸水隧洞的應用中起到了預期效果，解決了現(xiàn)場問題，為其他類似工程提供了思路，提升效率。