TBM管片选型对比分析

赵梦岩，许 艇

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

TBM全称为Full Face Rock Tunneling Boring Machine，国内简称掘进机或TBM，是一种利用旋转刀盘破碎前方的岩石，隧洞开挖时管片的安装作业也同步进行，从而使隧洞全断面一次成型的大型施工器械。TBM隧洞管片衬砌型式可以分为六边形管片和四边形管片两种形式。本文将着重介绍TBM六边形管片的基本结构，并与四边形管片结构的优缺点进行比较分析。

1 六边形管片结构

六边形管片每环通常由4片菱形六边形管片组成，一般为预制钢筋混凝土构件，管片通过链接件连接在一起，整环相互咬合拼装而成，每个管片的位置相对固定，宽度一般为TBM的两个冲程，管片间的环向传力需要一个管片向与其相连接的两个管片传递，在管片和隧洞围岩之间一般还有填充豆砾石作为回填层。其基本结构形式如图1。

图1 六边形管片示意图

四边形管片通常由矩形管片组成，外形简单，一般为预制钢筋混凝土构件，矩形管片的环间缝面垂直于隧洞轴线，纵向接缝平行于隧洞轴线，这样的设计使管片之间受力均匀，在拼装时需要错开两相邻环的环向接头，保证相邻环纵缝不在同一直线上，其基本结构形式如图2。

图2 四边形管片示意图

六边形管片与四边形管片基本结构对比如表1。

表1 六边形管片与四边形管片基本结构对比

2 优缺点分析

六边形管片与四边形管片优缺点比较如下：

（1）六边形管片多用于无压输水隧洞，四边形多用于无水隧洞。

（2）六边形管片自身相互咬合，四边形管片采用螺栓连接，在有水隧洞中螺栓容易发生腐蚀导致破坏。

（3）四边形管片有螺栓存在，螺栓孔处容易应力集中，同时在施工过程中拼拧紧螺栓时往往使管片局部产生较大的集中应力，导致管片开裂。四边形管片的厚度一般较大，因此比较笨重。

（4）六边形管片工艺简单，四边形管片制造和安装工艺复杂。

（5）六边形管片在拼装时，环缝在主受力方向是错缝布置，结构整体稳定性好。

（6）六边形管片在整体施工过程，顶管片完整的承担外部荷载，四边形管片只是小管片承受外部荷载，隧洞受力状况差。

（7）四边形管片要拧螺栓，管片安装干扰大。

（8）四边形管片施工进度慢，六边形管片施工进度快。

3 管片应用实例

我国在引大入秦工程、万家寨引黄工程、新疆X4引水隧洞等工程均采用了六边形管片衬砌型式。青藏高原多雄拉隧道工程则采用了四边形管片衬砌型式。

引大入秦隧洞工程是我国首次使用TBM设备进行施工的工程，隧洞直径4.8m。隧洞管片衬砌型式为六边形管片，管片厚度为25cm。隧洞总长16.822 km。项目施工时6个月成洞进尺突破1.0km，其首次创新使用了预制钢筋混凝土管片式衬砌结构，引大入秦隧洞工程已建成并运行了近30年，是我国在TBM设备施工技术领域上的成功应用典范，具有很好的示范效应。

万家寨引黄入晋工程，隧洞管片衬砌型式为六边形管片，隧洞开挖直径为6.125m，每环4片，管片厚度为25cm，宽度为1.6m。管片和围岩间有填充豆砾石作为回填层，管片接缝无止水条，用微膨胀水泥砂浆密封。

新疆X4隧洞工程，隧洞管片衬砌型式为六边形管片，隧洞开挖直径6.74m，管片厚度为28cm，管片和围岩间有填充豆砾石作为回填层，豆砾石灌浆层平均厚9cm，以达到结构稳定和防渗止水效果。

青藏高原多雄拉隧道工程，隧洞开挖直径9.13m，管片形式为四边形管片，管片厚度35cm，6+1管片为一环，管片环、块间采用斜螺栓链接。在施工时，洞身段管片从720～785环出现了开裂、局部掉块等问题，经过统计，管片开裂部位拱部占46%，边墙占32%，仰拱占22%，裂缝主要为受拉裂缝，初步判断均是由于管片拼装问题引起的管片错台，继而影响了管片结构受力情况，使管片局部拉应力急剧增加，最终导致管片开裂，若采用六边形管片，即可避免发生此类问题。

4 结语

综上所述，六边形管片与四边形管片相比，具有自身咬合性能好、工艺简单、结构整体稳定性好等优点，并且国内多个大中型工程均采用了六边型管片衬砌型式，经过多年的时间考验，隧洞结构整体稳定，足以验证六边形管片式衬砌结构的可靠性，建议工程师在设计管片结构时，结合工程特点，对六边形管片与四边形管片两者进行充分比选后再做选型。