敞开式TBM通过不良地质洞段钢管片支护系统研究

孙强，杨海，于茂

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.中卫市水务局，宁夏 中卫 755000）

0 引言

随着国内城市的快速发展，各地引调水工程也越来越多，在长距离引调水工程中，水工输水隧洞扮演着重要角色。我国是多山国家，在西部地区的调水工程中，隧洞呈现出地质条件多样化、地质条件差、埋深大、单洞距离长等特点。

目前，传统钢管片多用在地铁、公路、铁路等项目的盾构隧道，水工隧洞采用护盾式TBM 衬砌时，均采用混凝土管片，但未在敞开式TBM 开挖水工隧洞中采用。因此，在充分研究钢管片优缺点的前提下，发挥钢管片灵活支护、衬砌的优势，开发钢管片的作用，研究其在敞开式TBM 开挖水工隧洞中的应用，意义很大[1，2]。

本文依托天山输水隧洞，针对隧洞通过断层破碎带、大变形等不良地质洞段，开展一种强度高、重量轻、整体装备速度快、便于加工和修正、施工更灵活的钢管片支护系统的设计和应用技术研究，可为工程后续顺利施工提供技术支撑，还可为类似不良地质隧洞提供借鉴。

1 工程背景

天山输水隧洞全长约41.8 km，最大埋深约2 268 m，隧洞为无压洞，纵坡0.177%，采用“TBM+钻爆法”结合施工，开挖段由2 台敞开式TBM 相向开挖，隧洞开挖完成后采用现浇钢筋混凝土衬砌。

TBM 掘进机在开挖过程中，遭遇了大断层、突泥、大变形等不良地质条件，其中TBM 掘进机护盾承受的压力较大，且护盾后岩体易发生大范围塌方。该洞段主要地层为志留系上统博罗霍洛山组（S3b），属滨海相-浅海相沉积。受构造及热接触变质作用影响，地层岩性为变质粉砂岩或变质泥质粉砂岩，灰黑色、粉砂结构，局部发育方解石脉，整体围岩较差，已连续1 600 m 采用“钢筋排+钢拱架”支护，效果不理想。因此，针对以上特殊地质条件，本文提出采用敞开式TBM 开挖钢管片支护系统进行处理。

2 钢管片设计

管片设计是从隧洞横断方向和纵断方向开始。通常，管片的断面取决于横断方向的设计，而纵向连接、地基沉降带来的影响等，一般根据需要在纵断方向的设计中研究[3-6]。

从降低制作费用、加快拼装速度、提高防水性能角度看，管环的分块数是越少越好，但如果分块过少，单块管环的重量增加，从而导致管片在制作、搬运、洞内操作及拼装过程中出现各种各样的问题。一般情况下，软土地层中小直径隧洞管环以4～6 块为宜，初选5+1 形式[7]。

管片设计流程：确定设计条件（隧洞轴线、断面尺寸、地质条件、TBM 开挖型式等）→根据经验确定管片尺寸（工程类比法、经验法确定初步管片尺寸）→分析荷载（选择土压力理论，确定水土压力、侧向垂直压力、地基反力系数等）→选定计算模型（修正惯用计算法、梁-弹簧模型计算法、多铰环模型等）→计算管片结构受力（应力、弯矩、轴力、剪力等，包括管片主体、环向及纵向接头）→优化初始结构（根据计算结果调整初始尺寸，反复计算，确定最终尺寸）→定型制作→隧洞应用。

3 支护方案

针对以上隧洞不良地质洞段，敞开式掘进机进行隧洞开挖后需进行支护。敞开式TBM的装配式支护钢管片与喷锚联合支护方法包括以下内容。

1）根据设计参数，选取装配式支护钢管片，使支护钢管片环形钢壳的外侧紧贴岩壁布置，环向、纵向肋板靠近洞内一侧，环形钢壳与环向、纵向肋板间焊接牢固，形成整体受力结构。

2）在敞开式TBM 盾尾，通过安装器封闭360°范围内出露岩面，实现环形钢壳与岩面紧贴，支护钢管片间采用螺栓连接。

3）在支护钢管片内侧采用喷射混凝土填充环向、纵向肋板之间的预留空间，使支护钢管片与喷射混凝土形成整体受力结构。

4）通过环形钢壳上的预留孔，沿半径方向钻设中空注浆锚杆，通过锚杆注浆加固周边围岩。

5）通过预留孔沿洞轴线方向向前打设超前钢花管，同时复喷混凝土，超前钢花管与洞轴线方向夹角范围在5°～15°，保障超前加固范围。

管片间采用螺栓连接，可实现洞内快速拼装及固定，避免不稳定岩体暴露，从而减少溜渣、掉块及坍塌，并减弱地下水的冲刷裹挟作用，减少因不良地质洞段塌方掉块而造成的安全风险，同时简化敞开式TBM 内L1 区的作业工序，减少TBM换步时间，增加TBM 掘进效率。

装配式支护钢管片可洞外定型成批预制，装配式工艺封闭岩面速度快，机械化程度高，从而提高围岩的整体承载能力及撑靴部位支撑强度，保障断层破碎带、突涌水、岩爆等不良地质洞段的围岩稳定性及TBM 的连续掘进。当预判出现挤压大变形、中等以上等级岩爆或洞周出现渗低水时，可采用纳米纤维喷射混凝土、预应力锚杆、重型钢管片等加强措施，从而提高支护结构适应变形能力及冲击韧性。钢管片结构见图1。

图1 管片环结构图(单位：mm)

4 结构受力分析

4.1 计算模型

本文采用有限元分析软件MIDAS GTS 计算，钢管片结构可以简化为围岩支撑条件下的带肋钢-梁结构。在有限元分析中，钢管片钢梁及纵横钢肋均采用梁单元模拟。钢管片与地基之间的作用关系采用仅受压的地基弹簧单元进行模拟，并在钢管片上施加相应的结构荷载（如管片自重、隧洞周围围岩压力，并考虑部分围岩变形释放等），进行有限元分析后可进行结构的变形、应力及内力分析。

4.2 计算荷载

钢管片结构承受的荷载体系见图2。垂直方向的地层抗力为等分布荷载，水平方向的地层抗力假定为管片环顶部开始，左右两边45°～135°内线性分布荷载（三角形分布）[8]。

图2 荷载体系图

根据地质勘察资料，计算所采用围岩物理力学参数：岩石密度为2.2～2.4 g/cm3，弹性模量为0.5～2.0 GPa，泊松比为0.36～0.40，内摩擦角φ为24°～29°，粘聚力C为0.05～0.12，单位弹性抗力系数为100～300 MN/m3，坚固系数为0.8～1.0。

4.3 计算结果

钢管片的承载力分析采用梁-弹簧计算方法，钢管片中钢梁及钢肋均采用板单元进行模拟，管片周边围岩的支撑条件简化为仅受压的地基弹簧支撑，并对地基弹抗（50～100 MPa/m，100～200 MPa/m等范围）进行反复试算。

钢管片总变形：最大变形在底部，为7.4 mm，钢梁跨中区域变形明显大于钢肋变形（大约1.7 mm），表明钢肋对钢梁的支撑作用较弱，建议减小钢肋之间间距或增大钢梁厚度，使钢梁与钢肋之间能够保持变形协调。

钢管片竖向变形：竖向变形为钢管片总变形中的主要部分，最大变形在底部，为竖直向上的变形，最大变形为7.4 mm，钢梁跨中区域变形明显大于钢肋变形。

钢管片水平变形：最大变形在侧壁，为1.4 mm。侧壁水平变形为指向洞外的变形，由于钢梁处径向刚度小于钢肋的刚度，在外荷载作用下，钢梁有向内变形特征，与侧壁向洞外的水平变形相抵消，因而钢肋的水平变形大于附近钢梁的水平变形。

钢管片最大压应力：最大压应力在底部，为156.8 MPa，位于钢梁跨中区域。在外荷载作用下，钢肋对钢梁有支撑作用，跨中区域弯曲变形较大，导致钢管片的钢梁跨中区域压应力较大。

综上所述，钢梁、钢肋厚度等基本尺寸对钢管片受力影响很大，通过反复计算、调整参数，最终选择合理的钢管片尺寸，对隧洞的支护效果、投资影响较大。

5 结语

敞开式TBM 穿越不良地质洞段的工效提升方案成为制约隧洞工程安全、进度、投资的重要因素，本文提出了敞开式掘进机钢管片支护系统方案，采用钢管片快速封闭支护方案是有效解决这一问题的重要途径，在天山输水隧洞的应用中起到了预期效果，解决了现场问题，为其他类似工程提供了思路，提升效率。