钢管片支护技术在敞开式TBM施工中的应用

尹建超

（中国铁建重工集团股份有限公司，长沙 410100）

长期以来，敞开式TBM施工具有掘进速度快、施工工期短、作业环境好、对生态环境友好和综合效益高等优点，成为国内外隧道施工方法的重要选择[1]。2014年12月27日，拥有自主知识产权的国产首台大直径全断面硬岩隧道掘进机（敞开式TBM），在湖南长沙中国铁建重工集团总装车间顺利下线。开启了敞开式TBM国产化的新纪元。

1 项目情况

新疆EH引水工程总长540 km，隧洞占总长度的95.6%，均为深埋超特长隧洞，其中KS隧洞是目前世界上已建和在建的最长输水隧洞[2]。该隧洞工程采用18台敞开式TBM进行施工，自2017年首台设备始发以来，已完成260 km以上里程掘进。总体发挥稳定。

TBM3-1标段在掘进过程中揭露Ⅳ、Ⅴ类围岩占比高，完整性差、裂隙密集发育、片理化强烈，撑靴部位围岩软弱破碎，无法提供反支撑力。

TBM采用HW150钢拱架+拱顶120°钢筋排的支护形式，拱架排距最小仅500 mm，撑靴位置支模浇筑早强混凝土，等强后再掘进。支护工作量大，人员劳动强度高，作业安全无法保障，月平均进尺不足50 m。

由于不能连续掘、支作业，刀盘、护盾卡机风险进一步加大，遇到严重卡机时，护盾后方需扩挖管棚作业间，向塌方区施作超前管棚，并进行顶部240°范围高强注浆加固，单次支护范围约20 m，工期1个月。

第二标段地质情况更加复杂多变，初始1.5 km即为Ⅳ、Ⅴ炭质页岩、碳质粉砂岩地层，完整程度极差，遇水软化严重，成为整个工程的卡脖子标段。

敞开式TBM采用传统的支护方式继续施工已不能满足该项目施工进度要求，支护方式亟待改进。

2 钢管片支护可行性探索

2.1 钢管片支护应用情况

钢管片支护，具有结构强度高、拆装便捷和结构设计灵活等特点，相比于混凝土管片优势明显，在盾构机施工过站通道、联络通道和转弯段支护等应用较为广泛，中国台湾地铁隧道（中国台北）使用土压平衡盾构机施工，其中小转弯段使用了钢管片支护。

作为局部承压隧道使用较少，典型应用案例为深圳轨道交通L9大鹿区间切桩下穿建筑物群桩工程。该工程按照“在考虑作用于隧道上的房屋荷载作用时，当上部建筑的桩基础进入承载拱内时，扣除该部分桩长后，未能满足桩基承载力要求，余下载荷应考虑由隧道管片结构承担”这一原则计算桩端荷载，普通混凝土管片无法满足受力要求。因此，采用钢管片支护并取得了成功。

2.2 敞开式TBM钢管片应用情况

在国内，敞开式TBM尚未有钢管片支护形式的施工案例，部分研究机构提出过相关概念，但受限于研发技术水平，迟迟无法实现技术突破。

在国外，此技术有过初期探索，日本东海北陆汽车道的飞弹隧道项目合河—白川区间，采用1台12.84 m敞开式TBM施工，曾进行过相关技术的研究。2004年3月，该设备最大月掘进尺达到249.6 m，2004年6月，月进尺114 m，掘进效率低下，未达到预期预期效果。

因此，综合国内外钢管片应用情况，采用钢管片支护可满足KSTBM3项目施工实际要求，敞开式TBM钢管片支护技术虽有过前期探索，但技术并不成熟，需进行创新改进。

3 钢管片设计研究

由于KSTBM3项目为已有设备的基础上完成钢管片支护功能的改造，难度较大，钢管片需在刀盘最大开挖直径范围内设计，还需考虑旧设备整机的通过性，钢管片分块运输、承载能力、壁后回填等相关因素。

3.1 钢管片直径

TBM通过刀盘垫块的形式，最大扩挖100 mm，开挖直径最大可达7.13 m，考虑到刀具磨损、护盾厚度、盾尾间隙相关因素，钢管片外径不能大于6 940 mm。

为避免TBM主机、后配套大范围的改造，对主机最宽的撑靴位置与后配套2#台车进行通过最小断面模拟，由于钢管片拼装基本上无围岩收敛情况，因此，安全间隙按150 mm考虑，主机通过需要的最小直径为6 536 mm，后配套通过的最小直径为6 500 mm，因此，选择钢管片内径按6 540 mm，如图1和图2所示。

图1 TBM主机撑靴位置通过模拟（单位：mm）

图2 TBM后配套台车通过模拟（单位：mm）

由以上钢管片内、外径尺寸确认，钢管片厚度200 mm，参考中国台湾地铁隧道钢管片设计，厚度也为200 mm，管片直径接近，强度校核通过后可以使用。

3.2 钢管片分块与连接

敞开式TBM护盾为6分块结构，每块护盾均增加导向座以承载辅助推进油缸的顶推力，并传递至刀盘，油缸顶推位置非均匀布置。

如图3所示，根据油缸布置特点设计钢管片分块，采用6块设计，分A、B、C、K 4种分块，4种钢管片分块角度分别为72°、54°、54°和36°，连接螺栓孔按18°均布，钢管片左、右旋转18°倍数连接螺栓均能正常安装。

图3 钢管片分块与连接螺栓布置

根据分块特点，对钢管片进行18°倍数旋转模拟，确认钢管片左、右旋转36°时，辅推油缸均可全部顶推至钢管片端面，避开拼接缝位置。

3.3 钢管片环宽

原敞开式TBM锚杆钻机、钢拱架拼装机前后移动行程1.8 m，若拼装钢管片，则需加长护盾，钢管片在护盾内部拼装，且预留K块安装空间，因此，TBM钢管片环宽不得大于1 m，本工程钢管片环宽设计0.9 m。

3.4 钢管片注浆孔预留

钢管片结构与混凝土管片不同，单一地使用吊装孔作为注浆口，无法满足豆粒石、单液浆、双液浆和细石混凝土等多种回填材料的注入需求，因此，每块钢管片均预留不少于3个注浆孔，可匹配多种复杂的施工工艺。

3.5 钢管片结构强度校核

综合对现场钢管片拼装各工况分析，模拟开挖后管片壁后注浆前及注浆后围岩松散体直接作用在钢管片，根据TBM一标段反馈数据，现场拱顶发生塌腔为7～7.5 m。现计算采用拱顶塌方高度为15 m，松散体直接作用于钢管片。

经计算，钢管片钢材采用Q235B，总厚度200 mm，钢板及肋板厚30 mm，详见表1，在支护初期可以满足结构稳定要求。

表1 钢管片结构受力结果汇总

同时，钢管片内径满足TBM主机及后配套系统顺利通过要求。即实现快速支护掘进，又能尽量减少开挖量，降低施工造价。

4 敞开式TBM对应改进

针对该工程特殊需求，创新性地研发出了一款敞开式/单护盾双模式多功能TBM，该设备由中国铁建重工集团股份有限公司研发，在保留传统敞开式TBM锚网喷支护方式所有功能的前提下，创新地融入了单护盾TBM管片支护施工工艺，真正实现了喷锚支护与管片支护模式的在线快速切换。

4.1 护盾及辅助推进系统

除导向座与辅助推进系统外，TBM护盾扔保留6分块伸缩功能，在敞开式模式掘进过程中贴紧洞壁，保持稳定。单护盾模式下，通过机械限位固定直径，保证钢管片拼装空间。底护盾设置顶升油缸，刀盘扩挖时可调整主驱动圆心，避免底部超挖，如图4所示。

图4 护盾结构图

4.2 支撑推进系统

TBM护盾通过推进油缸分组可实现小范围调向，但由于主机为主梁式结构，前部调向范围有限，且无法纠滚，因此，解决调向、纠滚问题是本项目改用钢管片支护的技术关键。

对此铁建重工对TBM支撑推进系统进行了创新性改进，如图5所示，首先，增加鞍架支腿与底部弧板，TBM掘进时，支腿伸出，TBM主撑靴不撑紧隧洞壁，主梁与鞍架之间仍能相对滑动，实现正常掘进。

图5 鞍架支腿

TBM掘进过程中2根鞍架支腿同时伸缩可实现TBM抬头、低头动作，左右鞍架支腿反向动作可实现纠滚动作。弧板与支腿之间通过油缸横向滑移，可实现TBM大范围左右调向。

底部弧板采用高强度橡胶接触钢管片，避免压坏钢管片的同时，可通过鞍架位置的主机重力产生较大的摩擦力，起到防扭转作用。设计辅助撑靴，用于恶劣工况下需提供更大的推力及反扭矩使用。

4.3 钢管片拼装机构

升级原钢拱架拼装机，拼装环与撑紧环合而为一，满足钢拱架、钢瓦片、格栅拱架等多种轻型支护材料的拼装需求。另外，在回转环上安装成熟的管片抓举、拼装机构，可实现重载管片安装。

4.4 壁后回填系统

本项目TBM钢管片与隧洞壁间隙仅80～95 mm，狭小空间注浆难度进一步增大，在TBM范围内不增加台车的前提下，设置双液浆、单液浆、细石混凝土和豆粒石等多种注浆回填方式，以应对串浆、隔水、提高回填率和塌腔回填等各类问题，保障设备连续掘进。

5 结束语

依托新疆某引水程施工线路长、地质复杂多变的特点，对TBM3标段进行针对性地设备升级改进，研制出的敞开式/单护盾双模式多功能TBM，充分发挥了2种TBM各自的施工特点，自2021年7月开始以单护盾模式掘进，首个完整月进尺即达到280 m，至2021年12月中旬已完成标段1.5 km破碎带施工，平均月进尺超过300 m，最高月进尺达到350 m以上，获得成功。成为国产首台敞开式TBM钢管片支护的典型应用案例，在行业内遥遥领先。

该项目的成功应用，进一步发挥了TBM安全、高效特点，使敞开式TBM的应用范围更广，也标志着敞开式TBM在长距离连续破碎地层稳步掘进成为可能。随着国内外众多复杂地层的重大工程的开启，多模式TBM必将成为施工首选，该领域的突破，也必然将引领TBM施工的新方向。