孫強(qiáng)，楊海，于茂

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.中衛(wèi)市水務(wù)局，寧夏 中衛(wèi) 755000）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)城市的快速發(fā)展，各地引調(diào)水工程也越來(lái)越多，在長(zhǎng)距離引調(diào)水工程中，水工輸水隧洞扮演著重要角色。我國(guó)是多山國(guó)家，在西部地區(qū)的調(diào)水工程中，隧洞呈現(xiàn)出地質(zhì)條件多樣化、地質(zhì)條件差、埋深大、單洞距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。

目前，傳統(tǒng)鋼管片多用在地鐵、公路、鐵路等項(xiàng)目的盾構(gòu)隧道，水工隧洞采用護(hù)盾式TBM 襯砌時(shí)，均采用混凝土管片，但未在敞開(kāi)式TBM 開(kāi)挖水工隧洞中采用。因此，在充分研究鋼管片優(yōu)缺點(diǎn)的前提下，發(fā)揮鋼管片靈活支護(hù)、襯砌的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)鋼管片的作用，研究其在敞開(kāi)式TBM 開(kāi)挖水工隧洞中的應(yīng)用，意義很大[1，2]。

本文依托天山輸水隧洞，針對(duì)隧洞通過(guò)斷層破碎帶、大變形等不良地質(zhì)洞段，開(kāi)展一種強(qiáng)度高、重量輕、整體裝備速度快、便于加工和修正、施工更靈活的鋼管片支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)研究，可為工程后續(xù)順利施工提供技術(shù)支撐，還可為類似不良地質(zhì)隧洞提供借鑒。

1 工程背景

天山輸水隧洞全長(zhǎng)約41.8 km，最大埋深約2 268 m，隧洞為無(wú)壓洞，縱坡0.177%，采用“TBM+鉆爆法”結(jié)合施工，開(kāi)挖段由2 臺(tái)敞開(kāi)式TBM 相向開(kāi)挖，隧洞開(kāi)挖完成后采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。

TBM 掘進(jìn)機(jī)在開(kāi)挖過(guò)程中，遭遇了大斷層、突泥、大變形等不良地質(zhì)條件，其中TBM 掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾承受的壓力較大，且護(hù)盾后巖體易發(fā)生大范圍塌方。該洞段主要地層為志留系上統(tǒng)博羅霍洛山組（S3b），屬濱海相-淺海相沉積。受構(gòu)造及熱接觸變質(zhì)作用影響，地層巖性為變質(zhì)粉砂巖或變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，灰黑色、粉砂結(jié)構(gòu)，局部發(fā)育方解石脈，整體圍巖較差，已連續(xù)1 600 m 采用“鋼筋排+鋼拱架”支護(hù)，效果不理想。因此，針對(duì)以上特殊地質(zhì)條件，本文提出采用敞開(kāi)式TBM 開(kāi)挖鋼管片支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2 鋼管片設(shè)計(jì)

管片設(shè)計(jì)是從隧洞橫斷方向和縱斷方向開(kāi)始。通常，管片的斷面取決于橫斷方向的設(shè)計(jì)，而縱向連接、地基沉降帶來(lái)的影響等，一般根據(jù)需要在縱斷方向的設(shè)計(jì)中研究[3-6]。

從降低制作費(fèi)用、加快拼裝速度、提高防水性能角度看，管環(huán)的分塊數(shù)是越少越好，但如果分塊過(guò)少，單塊管環(huán)的重量增加，從而導(dǎo)致管片在制作、搬運(yùn)、洞內(nèi)操作及拼裝過(guò)程中出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題。一般情況下，軟土地層中小直徑隧洞管環(huán)以4～6 塊為宜，初選5+1 形式[7]。

管片設(shè)計(jì)流程：確定設(shè)計(jì)條件（隧洞軸線、斷面尺寸、地質(zhì)條件、TBM 開(kāi)挖型式等）→根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定管片尺寸（工程類比法、經(jīng)驗(yàn)法確定初步管片尺寸）→分析荷載（選擇土壓力理論，確定水土壓力、側(cè)向垂直壓力、地基反力系數(shù)等）→選定計(jì)算模型（修正慣用計(jì)算法、梁-彈簧模型計(jì)算法、多鉸環(huán)模型等）→計(jì)算管片結(jié)構(gòu)受力（應(yīng)力、彎矩、軸力、剪力等，包括管片主體、環(huán)向及縱向接頭）→優(yōu)化初始結(jié)構(gòu)（根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整初始尺寸，反復(fù)計(jì)算，確定最終尺寸）→定型制作→隧洞應(yīng)用。

3 支護(hù)方案

針對(duì)以上隧洞不良地質(zhì)洞段，敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞開(kāi)挖后需進(jìn)行支護(hù)。敞開(kāi)式TBM的裝配式支護(hù)鋼管片與噴錨聯(lián)合支護(hù)方法包括以下內(nèi)容。

1）根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，選取裝配式支護(hù)鋼管片，使支護(hù)鋼管片環(huán)形鋼殼的外側(cè)緊貼巖壁布置，環(huán)向、縱向肋板靠近洞內(nèi)一側(cè)，環(huán)形鋼殼與環(huán)向、縱向肋板間焊接牢固，形成整體受力結(jié)構(gòu)。

2）在敞開(kāi)式TBM 盾尾，通過(guò)安裝器封閉360°范圍內(nèi)出露巖面，實(shí)現(xiàn)環(huán)形鋼殼與巖面緊貼，支護(hù)鋼管片間采用螺栓連接。

3）在支護(hù)鋼管片內(nèi)側(cè)采用噴射混凝土填充環(huán)向、縱向肋板之間的預(yù)留空間，使支護(hù)鋼管片與噴射混凝土形成整體受力結(jié)構(gòu)。

4）通過(guò)環(huán)形鋼殼上的預(yù)留孔，沿半徑方向鉆設(shè)中空注漿錨桿，通過(guò)錨桿注漿加固周邊圍巖。

5）通過(guò)預(yù)留孔沿洞軸線方向向前打設(shè)超前鋼花管，同時(shí)復(fù)噴混凝土，超前鋼花管與洞軸線方向夾角范圍在5°～15°，保障超前加固范圍。

管片間采用螺栓連接，可實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)快速拼裝及固定，避免不穩(wěn)定巖體暴露，從而減少溜渣、掉塊及坍塌，并減弱地下水的沖刷裹挾作用，減少因不良地質(zhì)洞段塌方掉塊而造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化敞開(kāi)式TBM 內(nèi)L1 區(qū)的作業(yè)工序，減少TBM換步時(shí)間，增加TBM 掘進(jìn)效率。

裝配式支護(hù)鋼管片可洞外定型成批預(yù)制，裝配式工藝封閉巖面速度快，機(jī)械化程度高，從而提高圍巖的整體承載能力及撐靴部位支撐強(qiáng)度，保障斷層破碎帶、突涌水、巖爆等不良地質(zhì)洞段的圍巖穩(wěn)定性及TBM 的連續(xù)掘進(jìn)。當(dāng)預(yù)判出現(xiàn)擠壓大變形、中等以上等級(jí)巖爆或洞周出現(xiàn)滲低水時(shí)，可采用納米纖維噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨桿、重型鋼管片等加強(qiáng)措施，從而提高支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形能力及沖擊韌性。鋼管片結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 管片環(huán)結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

4 結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 計(jì)算模型

本文采用有限元分析軟件MIDAS GTS 計(jì)算，鋼管片結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圍巖支撐條件下的帶肋鋼-梁結(jié)構(gòu)。在有限元分析中，鋼管片鋼梁及縱橫鋼肋均采用梁?jiǎn)卧M。鋼管片與地基之間的作用關(guān)系采用僅受壓的地基彈簧單元進(jìn)行模擬，并在鋼管片上施加相應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載（如管片自重、隧洞周圍圍巖壓力，并考慮部分圍巖變形釋放等），進(jìn)行有限元分析后可進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力及內(nèi)力分析。

4.2 計(jì)算荷載

鋼管片結(jié)構(gòu)承受的荷載體系見(jiàn)圖2。垂直方向的地層抗力為等分布荷載，水平方向的地層抗力假定為管片環(huán)頂部開(kāi)始，左右兩邊45°～135°內(nèi)線性分布荷載（三角形分布）[8]。

圖2 荷載體系圖

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，計(jì)算所采用圍巖物理力學(xué)參數(shù)：巖石密度為2.2～2.4 g/cm3，彈性模量為0.5～2.0 GPa，泊松比為0.36～0.40，內(nèi)摩擦角φ為24°～29°，粘聚力C為0.05～0.12，單位彈性抗力系數(shù)為100～300 MN/m3，堅(jiān)固系數(shù)為0.8～1.0。

4.3 計(jì)算結(jié)果

鋼管片的承載力分析采用梁-彈簧計(jì)算方法，鋼管片中鋼梁及鋼肋均采用板單元進(jìn)行模擬，管片周邊圍巖的支撐條件簡(jiǎn)化為僅受壓的地基彈簧支撐，并對(duì)地基彈抗（50～100 MPa/m，100～200 MPa/m等范圍）進(jìn)行反復(fù)試算。

鋼管片總變形：最大變形在底部，為7.4 mm，鋼梁跨中區(qū)域變形明顯大于鋼肋變形（大約1.7 mm），表明鋼肋對(duì)鋼梁的支撐作用較弱，建議減小鋼肋之間間距或增大鋼梁厚度，使鋼梁與鋼肋之間能夠保持變形協(xié)調(diào)。

鋼管片豎向變形：豎向變形為鋼管片總變形中的主要部分，最大變形在底部，為豎直向上的變形，最大變形為7.4 mm，鋼梁跨中區(qū)域變形明顯大于鋼肋變形。

鋼管片水平變形：最大變形在側(cè)壁，為1.4 mm。側(cè)壁水平變形為指向洞外的變形，由于鋼梁處徑向剛度小于鋼肋的剛度，在外荷載作用下，鋼梁有向內(nèi)變形特征，與側(cè)壁向洞外的水平變形相抵消，因而鋼肋的水平變形大于附近鋼梁的水平變形。

鋼管片最大壓應(yīng)力：最大壓應(yīng)力在底部，為156.8 MPa，位于鋼梁跨中區(qū)域。在外荷載作用下，鋼肋對(duì)鋼梁有支撐作用，跨中區(qū)域彎曲變形較大，導(dǎo)致鋼管片的鋼梁跨中區(qū)域壓應(yīng)力較大。

綜上所述，鋼梁、鋼肋厚度等基本尺寸對(duì)鋼管片受力影響很大，通過(guò)反復(fù)計(jì)算、調(diào)整參數(shù)，最終選擇合理的鋼管片尺寸，對(duì)隧洞的支護(hù)效果、投資影響較大。

5 結(jié)語(yǔ)

敞開(kāi)式TBM 穿越不良地質(zhì)洞段的工效提升方案成為制約隧洞工程安全、進(jìn)度、投資的重要因素，本文提出了敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)鋼管片支護(hù)系統(tǒng)方案，采用鋼管片快速封閉支護(hù)方案是有效解決這一問(wèn)題的重要途徑，在天山輸水隧洞的應(yīng)用中起到了預(yù)期效果，解決了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，為其他類似工程提供了思路，提升效率。