鋼管片支護技術在敞開式TBM施工中的應用

尹建超

（中國鐵建重工集團股份有限公司，長沙 410100）

長期以來，敞開式TBM施工具有掘進速度快、施工工期短、作業環境好、對生態環境友好和綜合效益高等優點，成為國內外隧道施工方法的重要選擇[1]。2014年12月27日，擁有自主知識產權的國產首臺大直徑全斷面硬巖隧道掘進機（敞開式TBM），在湖南長沙中國鐵建重工集團總裝車間順利下線。開啟了敞開式TBM國產化的新紀元。

1 項目情況

新疆EH引水工程總長540 km，隧洞占總長度的95.6%，均為深埋超特長隧洞，其中KS隧洞是目前世界上已建和在建的最長輸水隧洞[2]。該隧洞工程采用18臺敞開式TBM進行施工，自2017年首臺設備始發以來，已完成260 km以上里程掘進。總體發揮穩定。

TBM3-1標段在掘進過程中揭露Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比高，完整性差、裂隙密集發育、片理化強烈，撐靴部位圍巖軟弱破碎，無法提供反支撐力。

TBM采用HW150鋼拱架+拱頂120°鋼筋排的支護形式，拱架排距最小僅500 mm，撐靴位置支模澆筑早強混凝土，等強后再掘進。支護工作量大，人員勞動強度高，作業安全無法保障，月平均進尺不足50 m。

由于不能連續掘、支作業，刀盤、護盾卡機風險進一步加大，遇到嚴重卡機時，護盾后方需擴挖管棚作業間，向塌方區施作超前管棚，并進行頂部240°范圍高強注漿加固，單次支護范圍約20 m，工期1個月。

第二標段地質情況更加復雜多變，初始1.5 km即為Ⅳ、Ⅴ炭質頁巖、碳質粉砂巖地層，完整程度極差，遇水軟化嚴重，成為整個工程的卡脖子標段。

敞開式TBM采用傳統的支護方式繼續施工已不能滿足該項目施工進度要求，支護方式亟待改進。

2 鋼管片支護可行性探索

2.1 鋼管片支護應用情況

鋼管片支護，具有結構強度高、拆裝便捷和結構設計靈活等特點，相比于混凝土管片優勢明顯，在盾構機施工過站通道、聯絡通道和轉彎段支護等應用較為廣泛，中國臺灣地鐵隧道（中國臺北）使用土壓平衡盾構機施工，其中小轉彎段使用了鋼管片支護。

作為局部承壓隧道使用較少，典型應用案例為深圳軌道交通L9大鹿區間切樁下穿建筑物群樁工程。該工程按照“在考慮作用于隧道上的房屋荷載作用時，當上部建筑的樁基礎進入承載拱內時，扣除該部分樁長后，未能滿足樁基承載力要求，余下載荷應考慮由隧道管片結構承擔”這一原則計算樁端荷載，普通混凝土管片無法滿足受力要求。因此，采用鋼管片支護并取得了成功。

2.2 敞開式TBM鋼管片應用情況

在國內，敞開式TBM尚未有鋼管片支護形式的施工案例，部分研究機構提出過相關概念，但受限于研發技術水平，遲遲無法實現技術突破。

在國外，此技術有過初期探索，日本東海北陸汽車道的飛彈隧道項目合河—白川區間，采用1臺12.84 m敞開式TBM施工，曾進行過相關技術的研究。2004年3月，該設備最大月掘進尺達到249.6 m，2004年6月，月進尺114 m，掘進效率低下，未達到預期預期效果。

因此，綜合國內外鋼管片應用情況，采用鋼管片支護可滿足KSTBM3項目施工實際要求，敞開式TBM鋼管片支護技術雖有過前期探索，但技術并不成熟，需進行創新改進。

3 鋼管片設計研究

由于KSTBM3項目為已有設備的基礎上完成鋼管片支護功能的改造，難度較大，鋼管片需在刀盤最大開挖直徑范圍內設計，還需考慮舊設備整機的通過性，鋼管片分塊運輸、承載能力、壁后回填等相關因素。

3.1 鋼管片直徑

TBM通過刀盤墊塊的形式，最大擴挖100 mm，開挖直徑最大可達7.13 m，考慮到刀具磨損、護盾厚度、盾尾間隙相關因素，鋼管片外徑不能大于6 940 mm。

為避免TBM主機、后配套大范圍的改造，對主機最寬的撐靴位置與后配套2#臺車進行通過最小斷面模擬，由于鋼管片拼裝基本上無圍巖收斂情況，因此，安全間隙按150 mm考慮，主機通過需要的最小直徑為6 536 mm，后配套通過的最小直徑為6 500 mm，因此，選擇鋼管片內徑按6 540 mm，如圖1和圖2所示。

圖1 TBM主機撐靴位置通過模擬（單位：mm）

圖2 TBM后配套臺車通過模擬（單位：mm）

由以上鋼管片內、外徑尺寸確認，鋼管片厚度200 mm，參考中國臺灣地鐵隧道鋼管片設計，厚度也為200 mm，管片直徑接近，強度校核通過后可以使用。

3.2 鋼管片分塊與連接

敞開式TBM護盾為6分塊結構，每塊護盾均增加導向座以承載輔助推進油缸的頂推力，并傳遞至刀盤，油缸頂推位置非均勻布置。

如圖3所示，根據油缸布置特點設計鋼管片分塊，采用6塊設計，分A、B、C、K 4種分塊，4種鋼管片分塊角度分別為72°、54°、54°和36°，連接螺栓孔按18°均布，鋼管片左、右旋轉18°倍數連接螺栓均能正常安裝。

圖3 鋼管片分塊與連接螺栓布置

根據分塊特點，對鋼管片進行18°倍數旋轉模擬，確認鋼管片左、右旋轉36°時，輔推油缸均可全部頂推至鋼管片端面，避開拼接縫位置。

3.3 鋼管片環寬

原敞開式TBM錨桿鉆機、鋼拱架拼裝機前后移動行程1.8 m，若拼裝鋼管片，則需加長護盾，鋼管片在護盾內部拼裝，且預留K塊安裝空間，因此，TBM鋼管片環寬不得大于1 m，本工程鋼管片環寬設計0.9 m。

3.4 鋼管片注漿孔預留

鋼管片結構與混凝土管片不同，單一地使用吊裝孔作為注漿口，無法滿足豆粒石、單液漿、雙液漿和細石混凝土等多種回填材料的注入需求，因此，每塊鋼管片均預留不少于3個注漿孔，可匹配多種復雜的施工工藝。

3.5 鋼管片結構強度校核

綜合對現場鋼管片拼裝各工況分析，模擬開挖后管片壁后注漿前及注漿后圍巖松散體直接作用在鋼管片，根據TBM一標段反饋數據，現場拱頂發生塌腔為7～7.5 m。現計算采用拱頂塌方高度為15 m，松散體直接作用于鋼管片。

經計算，鋼管片鋼材采用Q235B，總厚度200 mm，鋼板及肋板厚30 mm，詳見表1，在支護初期可以滿足結構穩定要求。

表1 鋼管片結構受力結果匯總

同時，鋼管片內徑滿足TBM主機及后配套系統順利通過要求。即實現快速支護掘進，又能盡量減少開挖量，降低施工造價。

4 敞開式TBM對應改進

針對該工程特殊需求，創新性地研發出了一款敞開式/單護盾雙模式多功能TBM，該設備由中國鐵建重工集團股份有限公司研發，在保留傳統敞開式TBM錨網噴支護方式所有功能的前提下，創新地融入了單護盾TBM管片支護施工工藝，真正實現了噴錨支護與管片支護模式的在線快速切換。

4.1 護盾及輔助推進系統

除導向座與輔助推進系統外，TBM護盾扔保留6分塊伸縮功能，在敞開式模式掘進過程中貼緊洞壁，保持穩定。單護盾模式下，通過機械限位固定直徑，保證鋼管片拼裝空間。底護盾設置頂升油缸，刀盤擴挖時可調整主驅動圓心，避免底部超挖，如圖4所示。

圖4 護盾結構圖

4.2 支撐推進系統

TBM護盾通過推進油缸分組可實現小范圍調向，但由于主機為主梁式結構，前部調向范圍有限，且無法糾滾，因此，解決調向、糾滾問題是本項目改用鋼管片支護的技術關鍵。

對此鐵建重工對TBM支撐推進系統進行了創新性改進，如圖5所示，首先，增加鞍架支腿與底部弧板，TBM掘進時，支腿伸出，TBM主撐靴不撐緊隧洞壁，主梁與鞍架之間仍能相對滑動，實現正常掘進。

圖5 鞍架支腿

TBM掘進過程中2根鞍架支腿同時伸縮可實現TBM抬頭、低頭動作，左右鞍架支腿反向動作可實現糾滾動作。弧板與支腿之間通過油缸橫向滑移，可實現TBM大范圍左右調向。

底部弧板采用高強度橡膠接觸鋼管片，避免壓壞鋼管片的同時，可通過鞍架位置的主機重力產生較大的摩擦力，起到防扭轉作用。設計輔助撐靴，用于惡劣工況下需提供更大的推力及反扭矩使用。

4.3 鋼管片拼裝機構

升級原鋼拱架拼裝機，拼裝環與撐緊環合而為一，滿足鋼拱架、鋼瓦片、格柵拱架等多種輕型支護材料的拼裝需求。另外，在回轉環上安裝成熟的管片抓舉、拼裝機構，可實現重載管片安裝。

4.4 壁后回填系統

本項目TBM鋼管片與隧洞壁間隙僅80～95 mm，狹小空間注漿難度進一步增大，在TBM范圍內不增加臺車的前提下，設置雙液漿、單液漿、細石混凝土和豆粒石等多種注漿回填方式，以應對串漿、隔水、提高回填率和塌腔回填等各類問題，保障設備連續掘進。

5 結束語

依托新疆某引水程施工線路長、地質復雜多變的特點，對TBM3標段進行針對性地設備升級改進，研制出的敞開式/單護盾雙模式多功能TBM，充分發揮了2種TBM各自的施工特點，自2021年7月開始以單護盾模式掘進，首個完整月進尺即達到280 m，至2021年12月中旬已完成標段1.5 km破碎帶施工，平均月進尺超過300 m，最高月進尺達到350 m以上，獲得成功。成為國產首臺敞開式TBM鋼管片支護的典型應用案例，在行業內遙遙領先。

該項目的成功應用，進一步發揮了TBM安全、高效特點，使敞開式TBM的應用范圍更廣，也標志著敞開式TBM在長距離連續破碎地層穩步掘進成為可能。隨著國內外眾多復雜地層的重大工程的開啟，多模式TBM必將成為施工首選，該領域的突破，也必然將引領TBM施工的新方向。