護(hù)盾式TBM施工隧洞的襯砌管片選型綜述

張嘉琦

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 護(hù)盾式TBM

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（Full Face Hard Rock Tunnel Boring Machine，簡(jiǎn)稱TBM），是集機(jī)械、電氣、液壓、激光、信息技術(shù)于一體的大型隧洞施工專用設(shè)備。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，TBM 具有掘進(jìn)速度快、成形質(zhì)量好、安全和環(huán)保等多種優(yōu)點(diǎn)。TBM一般可分為敞開式TBM 和護(hù)盾式TBM。敞開式TBM 通過支撐在洞壁上的撐靴提供前進(jìn)的推力，一般適用于完整或較完整圍巖占比較高的隧洞。敞開式TBM 通過護(hù)盾后部配置的鋼拱架安裝器和噴錨設(shè)備，對(duì)圍巖較差洞段進(jìn)行支護(hù)。護(hù)盾式TBM 一般又有單護(hù)盾TBM 和雙護(hù)盾TBM 之分，兩者均采用預(yù)制管片作為隧洞的支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)。在掘進(jìn)施工中，管片亦作為TBM 設(shè)備推進(jìn)體系的一部分。單護(hù)盾TBM 通過頂在管片上的推進(jìn)油缸提供推力，包括鏟斗、刀盤、護(hù)盾、出渣環(huán)、主機(jī)膠帶輸送機(jī)、推進(jìn)油缸、管片安裝機(jī)、豆礫石及回填灌漿。雙護(hù)盾TBM 可實(shí)現(xiàn)雙護(hù)盾模式和單護(hù)盾模式兩種掘進(jìn)模式，包括刀盤、前盾、出渣環(huán)、穩(wěn)定器、主推進(jìn)油缸、伸縮護(hù)盾、扭矩油缸、主機(jī)膠帶輸送機(jī)、支撐護(hù)盾、撐靴、輔助推進(jìn)油缸、管片安裝機(jī)。在圍巖條件較好時(shí)，采用雙護(hù)盾模式掘進(jìn)，通過支撐在洞壁上的撐靴提供前進(jìn)推力；在圍巖條件較差時(shí)，采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)，將前后護(hù)盾收縮成一體，由輔助推進(jìn)油缸頂在管片上提供推力。

2 管片襯砌

目前，管片型式主要有六邊形、矩形、平行四邊、梯形管片。六邊形管片襯砌環(huán)向縫和縱向縫均為錯(cuò)縫，具備一定的自鎖能力，可以無螺栓連接實(shí)現(xiàn)快速拼裝；矩形管片環(huán)向縫為通縫，相鄰兩環(huán)相對(duì)旋轉(zhuǎn)一定角度形成錯(cuò)縫拼裝，管片分為矩形塊、鄰接塊、K 塊3 種；平行四邊形管片環(huán)向縫為通縫，可以相對(duì)無轉(zhuǎn)角拼裝，也可以相鄰兩環(huán)相對(duì)旋轉(zhuǎn)一定角度拼裝，管片分為平行四邊形塊、梯形底塊、K 塊；梯形管片較為少見，管片均為梯形。矩形管片、平行四邊形管片、梯形管片均采用螺栓連接。

3 分析內(nèi)容

本文分析了國(guó)內(nèi)外具有代表性且采用管片襯砌結(jié)構(gòu)形式的隧洞，見表1。

4 管片選型分析

4.1 洞徑

管片襯砌作為一種裝配式襯砌結(jié)構(gòu)，分塊數(shù)量越少，襯砌結(jié)構(gòu)整體性越好，安裝速度快。隨著隧洞洞徑增大，受管片運(yùn)輸和安裝能力限制，管片分塊數(shù)量隨之增多，管片安裝速度下降，且襯砌結(jié)構(gòu)剛度降低。六邊形管片每環(huán)一般分為4 塊，此類型管片應(yīng)用于內(nèi)徑小于5.00 m 的隧洞，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中最大不超過6.00 m。內(nèi)徑大于8.00 m 的隧洞，國(guó)內(nèi)的西藏某公路隧道采用了矩形管片，厄瓜多爾CCS 水電站輸水隧洞采用了矩形管片。平行四邊形管片的工程實(shí)例較少，目前，主要有國(guó)內(nèi)的蘭州市水源地工程（管片內(nèi)徑4.60 m）、國(guó)外的老撾Theun Hinboun Expansion 水電站項(xiàng)目（管片內(nèi)徑6.90 m）、挪威FOLLO鐵路隧道（管片內(nèi)徑8.75 m），但FOLLO 鐵路隧道管片采用了錯(cuò)縫拼裝方式。梯形管片的應(yīng)用實(shí)例極為稀少，未做統(tǒng)計(jì)。文中依據(jù)隧洞內(nèi)徑大小因素整理統(tǒng)計(jì)了表1中20 余條隧洞管片形式，見表2。

表1 國(guó)內(nèi)外護(hù)盾式TBM 施工的部分隧洞工程實(shí)例

表2 不同洞徑隧洞管片型式統(tǒng)計(jì)

4.2 不利地質(zhì)條件

長(zhǎng)隧洞地質(zhì)條件往往復(fù)雜多變，經(jīng)常會(huì)遇到軟巖、圍巖大變形、高地應(yīng)力、膨脹巖、斷層、溶洞、涌水等不利地質(zhì)條件。管片對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件的適用性，對(duì)隧洞的施工安全和運(yùn)行安全十分重要。

在萬家寨引黃工程8 條隧洞中先后采用6 臺(tái)不同直徑的雙護(hù)盾TBM 進(jìn)行施工，完成隧洞長(zhǎng)度122.31 km。采用了無螺栓連接的六邊形管片，隧洞穿過了煤層、膨脹巖、溶洞、大斷層等不利地質(zhì)洞段。工程分為3個(gè)階段，針對(duì)不同地層的特點(diǎn)，分別嘗試了底管片有無凸塊、管片間柱窩式接觸和平面接觸、止水位置、導(dǎo)向棒、連接銷、襯砌與開挖斷面同心圓及非同心圓等多種結(jié)構(gòu)形式。從工程實(shí)際施工情況看，前期使用的管片為柱窩式接觸，未設(shè)置導(dǎo)向棒和定位銷，管片接縫質(zhì)量較差，這固然與管片制造精度、接縫形式、安裝工藝、地質(zhì)條件等因素關(guān)系密切，但管片設(shè)置導(dǎo)向棒和定位銷后，安裝質(zhì)量已經(jīng)有較大提高，可以滿足要求。在工程第2階段，TBM1 創(chuàng)造了最高月進(jìn)尺1 821.51 m 的記錄。萬家寨引黃工程作為國(guó)內(nèi)較早采用雙護(hù)盾TBM+六邊形管片襯砌的工程，其地質(zhì)條件復(fù)雜，所遇到的問題及缺陷處理均具有很強(qiáng)的代表性。

引大濟(jì)湟工程隧洞位于青海省內(nèi)，穿越大坂山。隧洞地層包含軟巖段、膨脹巖、突涌水、高地應(yīng)力等不利地質(zhì)條件，在高地應(yīng)力洞段，垂直地應(yīng)力在20.00 MPa以上[1]。該工程先采用雙護(hù)盾TBM 從隧洞出口掘進(jìn)，采用螺栓連接的矩形管片。TBM掘進(jìn)至大坂山南緣斷裂帶后，經(jīng)歷多次圍巖大變形、塌方及卡機(jī)，隧洞掘進(jìn)曾一度停滯近兩年，TBM 設(shè)備和管片襯砌在破碎圍巖的擠壓及地下水的作用下受損嚴(yán)重。之后該工程從隧洞進(jìn)口采用另一臺(tái)設(shè)備掘進(jìn)，采用無螺栓連接的六邊形管片，隧洞成功貫通。

西藏某公路隧道位于喜馬拉雅山脈南迦巴瓦構(gòu)造西側(cè)，洞線海拔高程約3 600.00 m，隧洞埋深600.00～800.00 m，最大主應(yīng)力超過30.00 MPa。該隧洞具有高海拔、高埋深、高地應(yīng)力特點(diǎn)，存在偏壓、斷層、塌方、圍巖大變形、卡機(jī)等情況，經(jīng)觀測(cè)，該隧洞圍巖4 h 收斂變形達(dá)到6 cm，最快變形速率達(dá)到2～3 cm/h[2]。隧洞開挖直徑9.13 m，管片內(nèi)徑8.10 m，采用螺栓連接的矩形管片。據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，該工程管片破損主要發(fā)生在管片推出護(hù)盾后，圍巖作用階段[3]，管片破壞主要與地質(zhì)條件、管片制作和拼裝質(zhì)量相關(guān)。

尼泊爾BBDMP 隧洞位于喜馬拉雅山脈以南的西瓦利克山脈，地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞穿過自由膨脹率達(dá)41%～101%的強(qiáng)膨脹巖地層，穿過巴貝和巴瑞兩條大斷裂帶[4]。隧洞采用內(nèi)徑4.20 m 的六邊形管片，局部洞段管片采用螺栓連接。隧洞先后穿越了高埋深、高地應(yīng)力、突涌水、膨脹巖、大斷裂帶等不利地層，平均月進(jìn)尺達(dá)到716.00 m。

六邊形管片和矩形管片在不利地質(zhì)條件下，均有較為成功的運(yùn)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在TBM 隧道工程施工出現(xiàn)的重大事故中，有37%是由圍巖大變形造成的[5]。從引大濟(jì)湟工程看，六邊形管片分塊少，無螺栓連接，安裝速度快，可實(shí)現(xiàn)快速成洞，從而避免或減少卡機(jī)情況的發(fā)生，對(duì)不利地質(zhì)條件的適用性相對(duì)較高。尼泊爾BBDMP 隧洞和西藏某公路隧道表明，六邊形管片和矩形管片在喜馬拉雅山脈地區(qū)十分復(fù)雜的地質(zhì)條件下均可成功運(yùn)用。不同類型的管片在不利地質(zhì)條件下，仍不可避免地會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和裂縫，因此，管片型式對(duì)不利地質(zhì)條件的適用性，還應(yīng)充分結(jié)合隧洞地質(zhì)條件、TBM 設(shè)備特點(diǎn)、隧洞洞徑、現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制等因素綜合考慮，對(duì)于圍巖大變形洞段尤其應(yīng)預(yù)留足夠的收斂變形量。

4.3 內(nèi)水壓力

管片襯砌是由若干塊管片拼裝而成，管片之間連接抗壓能力強(qiáng)，接頭處抗彎和抗拉能力有限，因此限制了管片襯砌結(jié)構(gòu)承受內(nèi)水壓力的能力，采用管片襯砌的壓力隧洞工程實(shí)例較少，表3列舉了一些中外具體工程實(shí)例。

表3 管片襯砌有壓隧洞代表性工程

管片襯砌的壓力隧洞，往往在圍巖條件比較好的工程中得以實(shí)現(xiàn)。綜合隧洞內(nèi)徑和管片型式分析，對(duì)于4.20 m 內(nèi)徑以下的隧洞，內(nèi)水壓力不大于0.70 MPa，可采用六邊形管片。采用螺栓連接的四邊形管片襯砌隧洞，可承受更高的內(nèi)水壓力，但對(duì)管片與圍巖間回填要求較高，目前對(duì)于襯砌管片與圍巖間回填豆礫石和砂漿結(jié)石，一般以28 d 芯樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到10.00 MPa 控制，對(duì)于內(nèi)水較高的隧洞需要進(jìn)行固結(jié)灌漿，局部洞段需要二次襯砌或鋼襯。

5 結(jié)語

管片襯砌在國(guó)內(nèi)外護(hù)盾式TBM 施工的隧洞中有較好的應(yīng)用成果，建議在襯砌管片的選型時(shí)，根據(jù)具體工程的洞徑、地質(zhì)條件、內(nèi)水壓力等方面綜合分析比選。對(duì)于管片內(nèi)徑8.00 m 以上的隧洞，主要考慮管片的生產(chǎn)運(yùn)輸及安裝因素，管片分塊數(shù)量較多，不宜采用六邊形管片；對(duì)于管片內(nèi)徑在6.00 m 以下的隧洞，主要考慮不利地質(zhì)條件的影響；對(duì)于有壓隧洞，宜把設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在改善圍巖條件方面。襯砌管片的合理選型有助于提高襯砌質(zhì)量，避免或減少卡機(jī)情況的發(fā)生，更好發(fā)揮護(hù)盾式TBM 施工的優(yōu)勢(shì)。