TBM管片選型對(duì)比分析

趙夢(mèng)巖，許 艇

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

TBM全稱為Full Face Rock Tunneling Boring Machine，國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)稱掘進(jìn)機(jī)或TBM，是一種利用旋轉(zhuǎn)刀盤破碎前方的巖石，隧洞開挖時(shí)管片的安裝作業(yè)也同步進(jìn)行，從而使隧洞全斷面一次成型的大型施工器械。TBM隧洞管片襯砌型式可以分為六邊形管片和四邊形管片兩種形式。本文將著重介紹TBM六邊形管片的基本結(jié)構(gòu)，并與四邊形管片結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析。

1 六邊形管片結(jié)構(gòu)

六邊形管片每環(huán)通常由4片菱形六邊形管片組成，一般為預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，管片通過鏈接件連接在一起，整環(huán)相互咬合拼裝而成，每個(gè)管片的位置相對(duì)固定，寬度一般為TBM的兩個(gè)沖程，管片間的環(huán)向傳力需要一個(gè)管片向與其相連接的兩個(gè)管片傳遞，在管片和隧洞圍巖之間一般還有填充豆礫石作為回填層。其基本結(jié)構(gòu)形式如圖1。

圖1 六邊形管片示意圖

四邊形管片通常由矩形管片組成，外形簡(jiǎn)單，一般為預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，矩形管片的環(huán)間縫面垂直于隧洞軸線，縱向接縫平行于隧洞軸線，這樣的設(shè)計(jì)使管片之間受力均勻，在拼裝時(shí)需要錯(cuò)開兩相鄰環(huán)的環(huán)向接頭，保證相鄰環(huán)縱縫不在同一直線上，其基本結(jié)構(gòu)形式如圖2。

圖2 四邊形管片示意圖

六邊形管片與四邊形管片基本結(jié)構(gòu)對(duì)比如表1。

表1 六邊形管片與四邊形管片基本結(jié)構(gòu)對(duì)比

2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

六邊形管片與四邊形管片優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：

（1）六邊形管片多用于無壓輸水隧洞，四邊形多用于無水隧洞。

（2）六邊形管片自身相互咬合，四邊形管片采用螺栓連接，在有水隧洞中螺栓容易發(fā)生腐蝕導(dǎo)致破壞。

（3）四邊形管片有螺栓存在，螺栓孔處容易應(yīng)力集中，同時(shí)在施工過程中拼擰緊螺栓時(shí)往往使管片局部產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力，導(dǎo)致管片開裂。四邊形管片的厚度一般較大，因此比較笨重。

（4）六邊形管片工藝簡(jiǎn)單，四邊形管片制造和安裝工藝復(fù)雜。

（5）六邊形管片在拼裝時(shí)，環(huán)縫在主受力方向是錯(cuò)縫布置，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好。

（6）六邊形管片在整體施工過程，頂管片完整的承擔(dān)外部荷載，四邊形管片只是小管片承受外部荷載，隧洞受力狀況差。

（7）四邊形管片要擰螺栓，管片安裝干擾大。

（8）四邊形管片施工進(jìn)度慢，六邊形管片施工進(jìn)度快。

3 管片應(yīng)用實(shí)例

我國(guó)在引大入秦工程、萬家寨引黃工程、新疆X4引水隧洞等工程均采用了六邊形管片襯砌型式。青藏高原多雄拉隧道工程則采用了四邊形管片襯砌型式。

引大入秦隧洞工程是我國(guó)首次使用TBM設(shè)備進(jìn)行施工的工程，隧洞直徑4.8m。隧洞管片襯砌型式為六邊形管片，管片厚度為25cm。隧洞總長(zhǎng)16.822 km。項(xiàng)目施工時(shí)6個(gè)月成洞進(jìn)尺突破1.0km，其首次創(chuàng)新使用了預(yù)制鋼筋混凝土管片式襯砌結(jié)構(gòu)，引大入秦隧洞工程已建成并運(yùn)行了近30年，是我國(guó)在TBM設(shè)備施工技術(shù)領(lǐng)域上的成功應(yīng)用典范，具有很好的示范效應(yīng)。

萬家寨引黃入晉工程，隧洞管片襯砌型式為六邊形管片，隧洞開挖直徑為6.125m，每環(huán)4片，管片厚度為25cm，寬度為1.6m。管片和圍巖間有填充豆礫石作為回填層，管片接縫無止水條，用微膨脹水泥砂漿密封。

新疆X4隧洞工程，隧洞管片襯砌型式為六邊形管片，隧洞開挖直徑6.74m，管片厚度為28cm，管片和圍巖間有填充豆礫石作為回填層，豆礫石灌漿層平均厚9cm，以達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲止水效果。

青藏高原多雄拉隧道工程，隧洞開挖直徑9.13m，管片形式為四邊形管片，管片厚度35cm，6+1管片為一環(huán)，管片環(huán)、塊間采用斜螺栓鏈接。在施工時(shí)，洞身段管片從720～785環(huán)出現(xiàn)了開裂、局部掉塊等問題，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，管片開裂部位拱部占46%，邊墻占32%，仰拱占22%，裂縫主要為受拉裂縫，初步判斷均是由于管片拼裝問題引起的管片錯(cuò)臺(tái)，繼而影響了管片結(jié)構(gòu)受力情況，使管片局部拉應(yīng)力急劇增加，最終導(dǎo)致管片開裂，若采用六邊形管片，即可避免發(fā)生此類問題。

4 結(jié)語

綜上所述，六邊形管片與四邊形管片相比，具有自身咬合性能好、工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，并且國(guó)內(nèi)多個(gè)大中型工程均采用了六邊型管片襯砌型式，經(jīng)過多年的時(shí)間考驗(yàn)，隧洞結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，足以驗(yàn)證六邊形管片式襯砌結(jié)構(gòu)的可靠性，建議工程師在設(shè)計(jì)管片結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)合工程特點(diǎn)，對(duì)六邊形管片與四邊形管片兩者進(jìn)行充分比選后再做選型。