大直径双护盾TBM公路隧道管片分块设计探讨

陈炜韬，姜志毅，董宇苍，方霖



大直径双护盾TBM公路隧道管片分块设计探讨

陈炜韬1，姜志毅2，董宇苍2，方霖2

(1. 中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

双护盾TBM预制管片分块方案设计是管片设计中的重要环节，直接关系到隧道结构的安全性和施工速度。采用数值模拟的研究手段，以青藏高原地区某条大直径公路隧道为背景，对管片分块设计方案进行研究。研究结果表明：在分块总数相同情况下，采用“+1”分块模式的管片结构受力性能优于“等分”分块模式的管片结构；不同管片分块模式所引起的管片结构变形位移量值差异为2.724 mm。管片总数目的改变对管片结构的受力和变形特性影响很小，差值占总量的6%。本工程最终采用分块总数为7块，分块模式为“6+1”的分块形式，单环拼装时间为40 min，工程单月最大进尺为500 m。

双护盾TBM；管片结构；分块设计；数值模拟

近年来，随着我国隧道建设水平的逐步提高，机械化、自动化程度较高的双护盾TBM施工技术得到了推广和运用[1−2]。管片结构作为隧道衬砌的永久支护，其设计的合理性直接关系到结构的安全性和耐久性[3−4]。管片结构分块方案是管片结构设计中极为重要的一个环节。管片分块总数过多，使管片结构接缝增多，造成管片结构防水耐久性降低、施工拼装工序繁杂，影响施工进度；管片分块总数较少，造成单块管片重量大，对管片拼装机和运输能力的要求较高。目前，对于管片分块方案的研究，赵国旭等[5]提出通过减小拱底块及改变接头位置、采用错缝拼装等手段优化管片结构整体受力性能。黄钟晖等[6]的研究表明管片厚度和结构抗弯刚度正相关，管片厚度增加会使接头间相对刚度增大。李围等[7]通过对我国地铁区间盾构隧洞管片结构研究发现针对城市双车道盾构隧道，采用9块等分模式的管片结构可以满足结构安全要求，但对拼装水平要求较高。以上研究成果主要集中在城市地铁采用盾构法开挖的隧道工程。对于深埋山岭隧道采用双护盾TBM开挖的隧道管片分块方案，通常参照《铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南》中给出的建议分块数目范围，如表1所示。根据工程经验进行确定。针对深埋情况下不同管片分块数目、分块形式对于结构受力、变形特征影响的研究还不充分。

表1 管片外径及分块数

因此，本文依托高海拔大直径某公路隧道，对管片分块方案进行研究。采用数值模拟的研究手段，对不同分块总数、分块模式对管片结构受力、变形的影响规律进行分析，确定了本工程的管片分块方案。研究结论以期对以后的管片分块方案设计提供经验参考。

1 工程概况

某公路隧道全长约4 km，隧道断面内径为8.11 m，开挖半径为9.13 m，采用一台双护盾TBM掘进机单向施工，工程位于青藏高原地区，地形起伏大，河谷深切，属典型的高山峡谷地貌。隧道全长范围内最大埋深达800 m以上，具有埋深大和地应力高的工程难点。

隧道区地层以混合片麻岩为主，岩石总体属中硬岩~坚硬岩为主，极坚硬岩较少，受片麻理影响岩石强度各项异性较明显。经现场试验得出：垂直片麻理方向湿抗压强度为71.6~140 MPa，平均值112.2 MPa；平行片麻理方向湿抗压强度为55.5~90 MPa，平均值74.2 MPa；两方向的抗压强度相差近1倍。现场地质勘探结果显示：隧道洞身围岩级别主要以Ш级围岩为主，洞口段及小型破碎带段围岩级别为IV级围岩，主构造应力与隧道夹角呈68°，量值约为18 MPa。

由于该工程属于青藏高原地区少有的大直径双护盾TBM公路隧道，国内鲜有相关研究成果，类似的设计经验匮乏。

2 管片分块方案

针对本工程的大直径和埋深大的工程重难点，对国内外管片分块设计工程实例进行调研[8−11]，如表2所示。根据工程调研，本文对6种管片分块方式进行研究，管片分块模拟方式示意图，如图1所示，详细工况如表3所示。

表2 管片选型工程实例调研

图1 模拟分块模式

表3 管片分块方式模拟工况

3 管片分块方式数值模拟

3.1 管片分块计算模型

本文运用ANSYS有限元计算软件，建立荷载−结构模型，对6种分块方式进行研究。以“6+1”分块方式为例，对管片结构计算模型进行阐述。管片断面形式为圆形，直径为9.13 m，管片结构采用梁单元模拟。弹簧单元参数选取，根据郭瑞等[12]对管片结构抗弯刚度取值的研究成果，进行经验取值。围岩抗力作用以弹簧单元模拟，围岩竖直、水平荷载通过施加在相应节点的集中力形式实现。并对相应的分块位置进行约束来模拟管片不同的分块形式。荷载−结构计算模型图，如图2所示。

3.2 计算参数选取

根据地质资料，洞身段围岩主要以III级围岩为主，根据现场单轴、直剪实验数据，并结合《铁路隧道设计规范》[13]，进行围岩参数的取值，如表4所示。管片厚度为35 cm，采用C50和C55等级混凝土，计算时按C50等级混凝土材料取值，依据《混凝土结构设计规范》[14]，进行混凝土材料的取值，如表4所示。

图2 荷载−结果计算模型

3.3 数值模拟计算结果

本文对模拟工况分别进行计算，提取拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱脚、右拱脚和仰拱等6个监测点处的内力、变形值进行分析。各工况计算结果中弯矩云图、轴力云图分布情况基本一致，这里以“6+1”分块模式计算结果为例，进行详细分析，其余工况不再赘述。采用“6+1”分块模式的管片结构内力云图，如图3所示。不同分块模式、管片数目下结构各关键点计算结果汇总，如表5所示。不同分块模式、管片数目下结构最大内力、变形值，如表6所示。

图3 “6+1”模式下管片结构内力云图

由图3可知：“6+1”分块模式下，管片结构所受弯矩、轴力呈左右对称形式，弯矩全环分布形式如“猫耳状”，其中管片结构在左拱肩位置产生最大负弯矩；拱顶位置的正弯矩值最大；结构拱肩位置以下的弯矩值较小。管片结构各处所受轴力均为压应力，受力分布形式较为均匀，其中边墙部位的轴力值最大，拱顶位置次之，仰拱位置较小。

由表5~6可知：“6+1”分块模式下，管片结构在左拱肩位置产生最大负弯矩，为−76 792 N·m；拱顶位置正弯矩值达到最大，为84 358 N·m；管片所受最大轴力为816 890 N，位于左边墙位置。管片所受最大剪力为68 779 N，管片结构产生的最大变形量为9.96 mm，位于拱顶处。

表4 数值模拟材料参数取值表

表5 不同分块模式各关键点弯矩、轴力汇总表

表6 不同分块模式下管片结构内力、位移最大值汇总表

4 不同分块模式下管片结构受力、变性特征

4.1 管片结构受力特征

由图4分析可知：在分块总数相同条件下，采用2种分块形式的管片结构受力都较为均匀，没有出现应力集中的现象。

采用“+1”分块模式的管片结构最大弯矩值相比等分模式的管片结构最大弯矩值要小20%~40%；“+1”分块模式下管片结构的最大剪力值要比等分模式下管片结构的最大剪力值小10%；而“+1”分块模式和“等分”模式下的管片结构的最大轴力量值相差不大，差异值仅占总量的2%。

图4 不同分块模式的管片结构内力图

因此，可以认为：在管片总数相同的条件下，“+1”分块模式比“等分”分块模式的管片结构受力性能更好。

图5 不同分块模式的管片结构变形图

5 不同分块数目结构受力、变性特征

5.1 管片结构受力特征

由图6可以看出：在管片分块模式相同的情况下，3种管片总数的管片结构受力都较为均匀，没有出现应力集中的现象。

当管片分块总数为7块时，结构所受的正负弯矩值最大，最大正弯矩值为84 358 N∙m；最大负弯矩值为76 792 N∙m；当管片分块总数为8块时，结构所受的正负弯矩值最小，最大正弯矩值为82 221 N∙m；最大负弯矩值为71 543 N∙m。最大正弯矩的差值占总量的2.5%，最大负弯矩的差值占总量的6.8%。管片总数为8块的结构所受轴力值最大，为825.9 kN；管片总数为7块的结构所受轴力值最小，为816.89 kN，差值仅占总量的1.1%。因此，分块总数的改变不会对管片结构受力产生明显影响。

5.2 管片结构变形特征

由图7可以看出：管片结构变形量与管片分块总数呈负相关。管片总数为7块时，结构的变形位移量最大，为9.96 mm；管片总数为9块时，结构变形位移量值最小，为9.36 mm。但两者差异量很小，仅占总量的6%。

因此，分块总数的改变不会对管片结构变形产生明显影响。

图6 不同分块总数的管片结构内力

图7 不同分块总数的管片结构变形图

6 工程应用

根据前文的研究成果，考虑本工程埋深大、高地应力的工程重难点，工程最终选定的管片分块方案为“+1”分块模式。并针对本工程位于青藏高原地区，含氧量低，施工机械、人员效率低等特点，确定管片总数为7块。管片分块模式，如图8所示。

管片分块形式的不同，影响着施工拼装进度及拼装质量，本文通过调研类似工程管片拼装时间及工程进度，如表7所示。

图8 管片分块图

表7 不同隧道管片单环拼装时间及进度表

由表7可知：对于大直径管片来说，单环拼装时间一般均大于60 min，而本工程选择管片总数为7块，减少了拼装工序，缩短了拼装时间，使单环拼装时间仅为40 min左右，极大地提高了施工进度，工程单月最大进尺为500 m；确定了“6+1”的分块模式，管片结构受力更小，管片结构能够正常工作，保证隧道安全。

7 结论

1) 单环结构的内力、变形特征为：“6+1”分块模式的管片结构所受弯矩、轴力呈左右对称形式，弯矩全环分布形式如“猫耳状”，其中管片结构在左拱肩位置产生最大负弯矩为，−76 792 N·m；拱顶位置的正弯矩值最大，为84 358 N·m；结构拱肩位置以下的弯矩值较小。管片结构各处所受轴力均为压应力，受力分布形式较为均匀，其中边墙部位的轴力值最大，为816 890 N，拱顶位置次之，仰拱位置较小；管片结构产生的最大变形量为9.96 mm，位于拱顶处。

2) 对于不同分块模式，采用“+1”分块模式所计算得到的弯矩值相比“等分”模式得到的弯矩值要小20%~40%。“+1”分块模式的管片结构受力性能优于“等分”分块模式的管片结构。

3) 采用“+1”分块模式的管片结构，由于分块形式的不均匀，造成管片结构所产生的变形较大，最大变形量为9.96 mm，相比于等分模式的管片结构的7.236 mm，两者变形量差异为2.724 mm。但由于变形量的总体量值很小，差异的量值也小于一个数量级。因此，在分块总数相同的情况下，不同的分块模式对于管片结构变形的影响较小。

4) 对于不同分块总数，管片分块总数为7块时，结构所受的正负弯矩值最大；管片总数为8块的结构所受轴力值最大，但差异量值很小，仅占总量的6.8%。管片结构变形量与管片分块总数呈负相关。管片总数为7块时，结构的变形位移量最大，为9.96 mm；管片总数为9块时，结构变形位移量值最小，为9.36 mm。但两者差异量很小，仅占总量的6%。因此，分块总数改变不会对管片结构受力、变形产生明显影响。

5) 本工程最终确定管片分块总数为7块，分块模式为：“6+1”分块模式，使管片结构受力更小，保证隧道安全，同时缩短了拼装时间，使单环拼装时间仅为40 min左右，极大地提高了施工进度，工程单月最大进尺为500 m。

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Discussion on the partition design of large diameter double-shield tbm tunnel segments

CHEN Weitao1, JIANG Zhiyi2, DONG Yucang2, FANG Lin2

(1. Power China Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The design of precast segment is an important part of the tunnel design, which is directly related to the safety of tunnel structure. Based on the transportation tunnel in the rural area of high altitude plateau, numerical simulation method is used to study the design of precast segments. The research implied that In the condition that the same total number of segments, the mechanical properties of the segment structure in the “+1” mode are better than the one in the “equal parts” mode. The deformation displacement value of segment structure caused by block model of different segments is 2.724 mm. The change of the total number of segments has little influence on the stress and deformation characteristics of the segment structure, and the difference is 6% of the total. This project adopts the block for a total of 7 blocks, block mode to “block 6+1”, single ring assembly time is 40 minutes, the largest single month footage is 500 m per month.

double shield TBM; segment structure; partition design; numerical simulation

U451+.4

A

1672 − 7029(2018)01 − 0170 − 08

2016−12−25

国家自然科学基金面上资助项目(51578458)；中国电建成都院科研基金资助项目(P315)

董宇苍(1990−)，男，河北石家庄人，博士研究生，从事隧道及地下工程研究；E−mail：727076802@qq.com