护盾式TBM施工隧洞的衬砌管片选型综述

张嘉琦

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 护盾式TBM

全断面岩石掘进机（Full Face Hard Rock Tunnel Boring Machine，简称TBM），是集机械、电气、液压、激光、信息技术于一体的大型隧洞施工专用设备。与传统的钻爆法相比，TBM 具有掘进速度快、成形质量好、安全和环保等多种优点。TBM一般可分为敞开式TBM 和护盾式TBM。敞开式TBM 通过支撑在洞壁上的撑靴提供前进的推力，一般适用于完整或较完整围岩占比较高的隧洞。敞开式TBM 通过护盾后部配置的钢拱架安装器和喷锚设备，对围岩较差洞段进行支护。护盾式TBM 一般又有单护盾TBM 和双护盾TBM 之分，两者均采用预制管片作为隧洞的支护和衬砌结构。在掘进施工中，管片亦作为TBM 设备推进体系的一部分。单护盾TBM 通过顶在管片上的推进油缸提供推力，包括铲斗、刀盘、护盾、出渣环、主机胶带输送机、推进油缸、管片安装机、豆砾石及回填灌浆。双护盾TBM 可实现双护盾模式和单护盾模式两种掘进模式，包括刀盘、前盾、出渣环、稳定器、主推进油缸、伸缩护盾、扭矩油缸、主机胶带输送机、支撑护盾、撑靴、辅助推进油缸、管片安装机。在围岩条件较好时，采用双护盾模式掘进，通过支撑在洞壁上的撑靴提供前进推力；在围岩条件较差时，采用单护盾模式掘进，将前后护盾收缩成一体，由辅助推进油缸顶在管片上提供推力。

2 管片衬砌

目前，管片型式主要有六边形、矩形、平行四边、梯形管片。六边形管片衬砌环向缝和纵向缝均为错缝，具备一定的自锁能力，可以无螺栓连接实现快速拼装；矩形管片环向缝为通缝，相邻两环相对旋转一定角度形成错缝拼装，管片分为矩形块、邻接块、K 块3 种；平行四边形管片环向缝为通缝，可以相对无转角拼装，也可以相邻两环相对旋转一定角度拼装，管片分为平行四边形块、梯形底块、K 块；梯形管片较为少见，管片均为梯形。矩形管片、平行四边形管片、梯形管片均采用螺栓连接。

3 分析内容

本文分析了国内外具有代表性且采用管片衬砌结构形式的隧洞，见表1。

4 管片选型分析

4.1 洞径

管片衬砌作为一种装配式衬砌结构，分块数量越少，衬砌结构整体性越好，安装速度快。随着隧洞洞径增大，受管片运输和安装能力限制，管片分块数量随之增多，管片安装速度下降，且衬砌结构刚度降低。六边形管片每环一般分为4 块，此类型管片应用于内径小于5.00 m 的隧洞，国内项目中最大不超过6.00 m。内径大于8.00 m 的隧洞，国内的西藏某公路隧道采用了矩形管片，厄瓜多尔CCS 水电站输水隧洞采用了矩形管片。平行四边形管片的工程实例较少，目前，主要有国内的兰州市水源地工程（管片内径4.60 m）、国外的老挝Theun Hinboun Expansion 水电站项目（管片内径6.90 m）、挪威FOLLO铁路隧道（管片内径8.75 m），但FOLLO 铁路隧道管片采用了错缝拼装方式。梯形管片的应用实例极为稀少，未做统计。文中依据隧洞内径大小因素整理统计了表1中20 余条隧洞管片形式，见表2。

表1 国内外护盾式TBM 施工的部分隧洞工程实例

表2 不同洞径隧洞管片型式统计

4.2 不利地质条件

长隧洞地质条件往往复杂多变，经常会遇到软岩、围岩大变形、高地应力、膨胀岩、断层、溶洞、涌水等不利地质条件。管片对于复杂地质条件的适用性，对隧洞的施工安全和运行安全十分重要。

在万家寨引黄工程8 条隧洞中先后采用6 台不同直径的双护盾TBM 进行施工，完成隧洞长度122.31 km。采用了无螺栓连接的六边形管片，隧洞穿过了煤层、膨胀岩、溶洞、大断层等不利地质洞段。工程分为3个阶段，针对不同地层的特点，分别尝试了底管片有无凸块、管片间柱窝式接触和平面接触、止水位置、导向棒、连接销、衬砌与开挖断面同心圆及非同心圆等多种结构形式。从工程实际施工情况看，前期使用的管片为柱窝式接触，未设置导向棒和定位销，管片接缝质量较差，这固然与管片制造精度、接缝形式、安装工艺、地质条件等因素关系密切，但管片设置导向棒和定位销后，安装质量已经有较大提高，可以满足要求。在工程第2阶段，TBM1 创造了最高月进尺1 821.51 m 的记录。万家寨引黄工程作为国内较早采用双护盾TBM+六边形管片衬砌的工程，其地质条件复杂，所遇到的问题及缺陷处理均具有很强的代表性。

引大济湟工程隧洞位于青海省内，穿越大坂山。隧洞地层包含软岩段、膨胀岩、突涌水、高地应力等不利地质条件，在高地应力洞段，垂直地应力在20.00 MPa以上[1]。该工程先采用双护盾TBM 从隧洞出口掘进，采用螺栓连接的矩形管片。TBM掘进至大坂山南缘断裂带后，经历多次围岩大变形、塌方及卡机，隧洞掘进曾一度停滞近两年，TBM 设备和管片衬砌在破碎围岩的挤压及地下水的作用下受损严重。之后该工程从隧洞进口采用另一台设备掘进，采用无螺栓连接的六边形管片，隧洞成功贯通。

西藏某公路隧道位于喜马拉雅山脉南迦巴瓦构造西侧，洞线海拔高程约3 600.00 m，隧洞埋深600.00～800.00 m，最大主应力超过30.00 MPa。该隧洞具有高海拔、高埋深、高地应力特点，存在偏压、断层、塌方、围岩大变形、卡机等情况，经观测，该隧洞围岩4 h 收敛变形达到6 cm，最快变形速率达到2～3 cm/h[2]。隧洞开挖直径9.13 m，管片内径8.10 m，采用螺栓连接的矩形管片。据统计和分析，该工程管片破损主要发生在管片推出护盾后，围岩作用阶段[3]，管片破坏主要与地质条件、管片制作和拼装质量相关。

尼泊尔BBDMP 隧洞位于喜马拉雅山脉以南的西瓦利克山脉，地质条件复杂，隧洞穿过自由膨胀率达41%～101%的强膨胀岩地层，穿过巴贝和巴瑞两条大断裂带[4]。隧洞采用内径4.20 m 的六边形管片，局部洞段管片采用螺栓连接。隧洞先后穿越了高埋深、高地应力、突涌水、膨胀岩、大断裂带等不利地层，平均月进尺达到716.00 m。

六边形管片和矩形管片在不利地质条件下，均有较为成功的运用。据统计，在TBM 隧道工程施工出现的重大事故中，有37%是由围岩大变形造成的[5]。从引大济湟工程看，六边形管片分块少，无螺栓连接，安装速度快，可实现快速成洞，从而避免或减少卡机情况的发生，对不利地质条件的适用性相对较高。尼泊尔BBDMP 隧洞和西藏某公路隧道表明，六边形管片和矩形管片在喜马拉雅山脉地区十分复杂的地质条件下均可成功运用。不同类型的管片在不利地质条件下，仍不可避免地会出现错台和裂缝，因此，管片型式对不利地质条件的适用性，还应充分结合隧洞地质条件、TBM 设备特点、隧洞洞径、现场质量控制等因素综合考虑，对于围岩大变形洞段尤其应预留足够的收敛变形量。

4.3 内水压力

管片衬砌是由若干块管片拼装而成，管片之间连接抗压能力强，接头处抗弯和抗拉能力有限，因此限制了管片衬砌结构承受内水压力的能力，采用管片衬砌的压力隧洞工程实例较少，表3列举了一些中外具体工程实例。

表3 管片衬砌有压隧洞代表性工程

管片衬砌的压力隧洞，往往在围岩条件比较好的工程中得以实现。综合隧洞内径和管片型式分析，对于4.20 m 内径以下的隧洞，内水压力不大于0.70 MPa，可采用六边形管片。采用螺栓连接的四边形管片衬砌隧洞，可承受更高的内水压力，但对管片与围岩间回填要求较高，目前对于衬砌管片与围岩间回填豆砾石和砂浆结石，一般以28 d 芯样抗压强度达到10.00 MPa 控制，对于内水较高的隧洞需要进行固结灌浆，局部洞段需要二次衬砌或钢衬。

5 结语

管片衬砌在国内外护盾式TBM 施工的隧洞中有较好的应用成果，建议在衬砌管片的选型时，根据具体工程的洞径、地质条件、内水压力等方面综合分析比选。对于管片内径8.00 m 以上的隧洞，主要考虑管片的生产运输及安装因素，管片分块数量较多，不宜采用六边形管片；对于管片内径在6.00 m 以下的隧洞，主要考虑不利地质条件的影响；对于有压隧洞，宜把设计重点放在改善围岩条件方面。衬砌管片的合理选型有助于提高衬砌质量，避免或减少卡机情况的发生，更好发挥护盾式TBM 施工的优势。