達坂隧洞輕、重管片優化組合的研究與實踐

馬 騁

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆達坂隧洞為無壓引水隧洞，主洞全長約31km，洞線近東西向布置，主洞埋深10～150m，圍巖巖性以含土砂礫石、膨脹性泥巖、凝灰巖、砂巖為主，地質條件復雜多變。隧洞開挖采用TBM法施工，預制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌總長為23724m，管片總量為59145塊，襯砌后直徑6m，預制鋼筋混凝土管片為六邊形，寬160cm，厚28cm，對角線弧長500cm。新疆達坂隧洞于2009年底全線貫通，施工質量達到國內類似工程領先水平。

2 地質條件

特長隧洞在前期地質勘測中不可能提供十分詳細準確的工程地質與水文地質資料，這種地下工程地質的不可預見性使得施工過程中會出現多種問題。在新疆達坂隧洞TBM施工過程中，實際揭露地質圍巖類別雖然沒有超出初設前期地質勘察整體框架范圍，但圍巖類別復雜多變，幾乎不可預料。TBM施工主洞段實際揭露各類圍巖比例為:Ⅱ類圍巖為0.99%，Ⅲ類圍巖為3.78%，Ⅳ類圍巖為 64.71%，Ⅴ類圍巖為21.82%，Ⅵ(土洞及巖土過渡段)圍巖為8.70%;開挖揭露的主洞段以J2X4、J2X3、J2X2碳質泥巖、泥巖、泥質粉砂巖、中粗細砂巖(含土砂礫石)Q2ws為主，部分洞段為P1Ws(凝灰質安山巖、凝灰巖)地層。大部分洞段位于地下水位以下，適合雙護盾掘進機施工。

3 管片類型

為適應不同的地質條件，盡量減少混凝土預制管片的成本，根據不同圍巖類別和外水情況，設計了A-1、A、B、C、C-1、C-2、D、E 型等 8 種規格預制鋼筋混凝土管片，并按照每種管片不同的使用條件配置不同的鋼筋用量。每種混凝土管片中同類型的鋼筋形式和根數是一致的，環向主筋均為Ⅱ級鋼筋，縱向分布筋和構造筋均為Ⅰ級鋼筋。詳見圖1、圖2。

圖1 預制混凝土管片配筋

圖2 預制混凝土管片拼裝

3.1 不同混凝土管片類型的使用條件和含筋率

A-1型混凝土管片——用于鉆爆法開挖土洞達坂TBM滑行的洞段及Ⅱ類無外水圍巖洞段混凝土管片襯砌，含筋率86.50kg/m3。

A型混凝土管片——用于堅硬巖石的Ⅱ類有外水和Ⅲ類無外水圍巖洞段，含筋率89.93kg/m3。

B型混凝土管片——用于中軟巖石或破碎巖石的Ⅲ類有外水和Ⅳ類無外水圍巖洞段，含筋率104.00kg/m3。

C型混凝土管片——用于V及V1類無外水土洞段和Ⅳ類有外水的圍巖等洞段，含筋率124.57kg/m3。

C-1型混凝土管片——適用于無外水非常不穩定的斷層帶和V2類無外水巖土洞段，含筋率139.22kg/m3。

C-2型混凝土管片——用于 V、V1、V2類有外水巖土洞段，含筋率147.96kg/m3。

D型混凝土管片——用于有外水的煤層、有外水非常不穩定斷層帶、有外水非常不穩定破碎圍巖洞段和微膨脹巖、有害氣體、有害地下水及土洞有外水水頭小于20m洞段的V、V1類圍巖等軟巖大變形洞段，含筋率193.11kg/m3。

E型混凝土管片——用于有外水斷層帶松散堆積物、泥石流、中強膨脹巖、有外水煤層、放射性及有害氣體超標洞段、有害地下水及外水頭大于20m的土洞段等軟巖大變形洞段，含筋率244.01kg/m3;同時E型也是搶險混凝土管片。

3.2 混凝土管片結構計算結果

達坂隧洞最不利情況下，各類圍巖襯砌混凝土管片的內力計算結果見下頁圖3，彎距(左半邊圖形)以內側受拉為正，反之為負，單位kN·m;軸力(右半邊圖形)以拉為正，反之為負，單位kN。

3.3 荷載組合

達坂隧洞荷載由基本荷載和特殊荷載組成。基本荷載包括圍巖壓力、襯砌自重、內水壓力、外水壓力、穩定滲流場靜水壓力;特殊荷載包括校核水位時的內水壓力、施工荷載、灌漿壓力、溫度應力、地震應力等。荷載組合見下頁表。

圖3 各類圍巖襯砌混凝土管片內力計算結果

達坂隧洞荷載組合表

4 管片優化組合

在新疆達坂隧洞TBM施工過程中，由于實際揭露地質與前期勘測地質不同，管片實際生產類型數量與設計前期要求類型數量存在較大差異。根據提出的思路構想和設計單位的復核演算，提出了以下組合方案。

4.1 地應力下B、D交錯拼接組合方案

B、D交錯拼接組合方案，即第一環頂底管片用B型、側管片用D型，第二環頂底管片用D型、側管片用B型，以此類推;在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應力σsl外其他參數已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應力σsl。通過計算可知:此種工況下，對于B型管片，其可承擔40%的由地應力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應力σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.185mm＜0.2mm。經過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.2 地應力下B、D非交錯拼接組合方案

B、D非交錯拼接組合方案，即頂底管片全部用B型，側管片全部用D型;在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應力σsl外其他參數已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應力σsl。通過計算可知:在此種工況下，對于B型管片，其可承擔56%的由地應力等因素引起的管片壓力，按承擔50%壓力計算，鋼筋的最大拉應力 σsl=180.23MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.172mm＜0.2mm。經過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.3 地應力下A、D交錯拼接組合方案計算成果

A、D交錯拼接組合方案，即第一環頂底管片用A型、側管片用D型，第二環頂底管片用D型、側管片用A型，以此類推;在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應力σsl外其他參數已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應力σsl。通過計算可知:在此工況下，對于A型管片，其可承擔33%的由地應力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應力σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.178mm＜0.2mm。經過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.4 地應力下A、D非交錯拼接組合方案

A、D非交錯拼接組合方案，即頂底管片全部用A型，側管片全部用D型。在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應力σsl外其他參數已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應力σsl。通過計算可知:此種工況下，對于A型管片，其可承擔45%的由地應力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應力σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.178mm＜0.2mm。經過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.5 Ⅳ類圍巖，100m埋深自重下A、D交錯拼接組合方案

在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應力σsl外，其他參數已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應力σsl。通過計算可知:此種工況下，A型管片可承擔50%的由地應力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應力σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.178mm＜0.2mm。經過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.6 Ⅳ類圍巖，150m埋深自重下A、D交錯拼接組合方案

在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應力σsl外，其他參數已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應力σsl。通過計算可知:此種工況下，A型管片可承擔30%的由地應力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應力 σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.178mm ＜0.2mm。經過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

5 結語

通過組合方案合理性的計算論證，達坂隧洞輕、重管片優化組合設計滿足設計要求。根據建立的管片力學模型，通過三維數值仿真和反饋分析，提出雙護盾TBM采用輕、重管片相結合的研究方法，并對管片安裝過程中存在的問題進行了詳細的分析，提出了有針對性的管片安裝設計與施工優化組合的措施，成功解決了管片在達板隧洞不同圍巖情況下的施工難題，為管片應用于復雜地質條件積累了一定經驗，取得了較大的經濟和社會效益。■

［1］ 文镕，李世新，范以田，馬騁，等．達坂巖石隧洞全斷面掘進機(TBM)施工技術［M］．北京:水利水電出版社，2013．

［2］ 馬騁．TBM施工中管片接縫與錯臺控制措施初探［J］．地下空間與工程學報，2009.5．

［3］ 新疆達坂隧洞方案比選工程地質勘察報告［R］．