黃土隧道馬蹄形敞開式盾構的設計研究

董艷萍，毛晴松，呂 旦

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 045416）

國內、外山嶺鐵路隧道大多為馬蹄形斷面，且多采用礦山法施工，但此工法施工速度慢、安全度較低。為了使城市地鐵盾構技術在山嶺鐵路隧領域得到拓展，浩吉鐵路白城隧道在國內首次使用了馬蹄形土壓平衡盾構施工，隧道順利貫通的同時，其月平均施工進度達203m；然而，該隧道采用預制鋼筋混凝土管片為襯砌手段，相對于統礦山法（噴錨初支+二襯）修建成本顯然偏高，造成市場推廣難度大。國內有許多基于配式襯砌的鐵路隧道研究[1-3]。以現有鐵路隧道施工預算定額為基準，探索出同礦山法隧道綜合造價接近或高出比例≤15%的盾構法施作設備及工法，更加符合我國國情需要。本文將以國內中西部黃土隧道為對象，從襯砌設計和施工機械相結合的角度，研究低成本的敞開式馬蹄形隧道施工設備及工藝，同時提隧道施工機械化、智能化水平及施工效率。

敞開式盾構施工技術國外已發展多年，國外知名盾構廠商主要有德國海瑞克公司、日本小松、川崎、三菱公司、加拿大洛瓦特公司等，根據掌子面尺寸設定臺階施作，襯砌為可裝配預制混凝土管片，且有許多成功施工案例[4]，如日本東京相模縱貫川尻隧道（2011 年）、德國都柏林港口隧道（2003 年）、澳大利亞墨爾本市西部干道-矩形聯絡通道項目（2023 年），國內莆田火車站南北廣場東西兩側地下通道項目（2022 年）等。

1 黃土隧道的工程概況

銀西鐵路甘寧段上閣村隧道為馬蹄形雙線高鐵隧道，位于黃土梁塬溝壑區，隧址洞外無水的陡坡能長期穩定，洞身地層為黏質黃土Q3eol3，局部有姜石，最大埋深102m，地下水位埋深約50～70m；隧道采用三臺階法施工，開挖斷面最大164m2；襯砌類型為Ve 型和Vd 型，初支厚度27～30cm，拱架榀間距為0.8，采用C35 砼，二襯厚度50～60cm，環向設置中埋式橡膠止水帶+背貼式橡膠止水帶。施工現場水氣較大，當開挖掌子面1～2h 后地下水即從臺階面滲出，臺階開始出現層狀剝離現象，隧道臺階面泥濘不堪，人工立拱勞動強度大；該隧道平均施工進度僅為每月30～60m，機械化程度低。類似地質情況有西延高鐵洛川隧道、焦洛平高鐵邙山隧道等，它們掌子面均有一定的穩定性，且開挖斷面較大，并按照礦山法的造價給出的預算。

2 盾構設計難點

1）掌子面的穩定性問題 盡管黃土有自穩定的特性，為預防掌子面有突泥突水的情況發生，盾構仍借鑒三臺階七步開挖法的思想，將掌子面分割成兩臺階，并配置插刀、可折疊擋土板及相應輔助修邊功能。

2）初支施工組織的有效性問題 與單工序的礦山法施作不同，盾體為整體推進，待支護區從尾盾露出，安裝每一榀拱架時，待支護區會因裸露局部坍塌或掉落進而影響立拱作業。依據新奧法的襯砌理念-少擾動、早噴錨、快封閉、勤測量的原則，盾構需配置立拱、掛網、錨固、噴漿等作業的機械設備，空間布局精簡、工序合理，且充分考慮人員操作的便捷性和安全。

3）盾構可靠推力的來源問題 上閣村隧道埋深以60m 計，重度19kN／m3，內摩擦角24°，靜止側壓力系數0.5；經分析盾體結構承受載荷分別為：計算塌落拱頂高度為24.6m，垂直壓力洞頂P1=467kPa，洞底P2=695kPa，水平壓力洞頂P3=234kPa，洞底P4=348kPa（圖1)。盾體長度以12m計，摩擦系數取μ=0.3，綜合盾體摩擦阻力、迎面阻力、調向能力和安全系數等因素，盾構推力需求>6 500t。若不采用全載荷預制混凝土管片，盾構獲得可靠的推力來源十分困難，這也是最棘手的矛盾。

圖1 盾體周圍載荷分布

4）原礦山法襯砌斷面的多樣性問題 現有敞開式TBM 變徑技術十分成熟但變徑尺寸范圍有限，難以適應黃土隧道斷面大變徑的范圍，那么只能以黃土隧道最大斷面為設計基準。

5）盾構法工程造價大于原礦山法造價的問題 應對策略就是降低設備成本、減少人員數量、提高施工效率進而減少工期等。

3 推力來源的研究

筆者多次咨詢黃土隧道施工方面的專家，為獲取可靠且充足的反推力，從以下幾個技術路徑來論證研究。

3.1 利用類撐靴結構與土體產生摩擦力

盾體可分為前盾、中盾、尾盾，利用可伸縮盾殼板與隧道開挖內環面緊貼產生的摩擦力為盾構提供推力（圖2)。中盾和尾盾均設有6 個大面積環形撐靴，以周圍土體承載力150kPa 計，撐靴系統長度>37m，鋼結構過于龐大，從結構設計、成本、圍巖載荷變形及摩擦力穩定性等方面考慮，該方案不可取。

圖2 類撐靴結構

3.2 利用噴錨初期支護來提供推力

噴錨初期支護施作要求通常是24h 內強度不小于10MPa，過長的等強時間影響推進系統的效率，且其強度不穩定，為盾構提供的推進力較少；若使用型鋼管片+模筑的方法，每環型鋼管片確實能為盾構提供足夠的推進力，但其用鋼量較大會造成隧道修建費用較高，在軟巖大變形隧道中有應用，但在黃土隧道的應用是罕見的。

3.3 利用類擠壓混凝土結構（ECL工法）

在盾構尾部設計有可拆卸內模板，將可移動封堵板、內模板、尾盾殼、上一環凝固砼之間形成密閉空間，然后植入鋼筋和注入混凝土，進而成為初支；并利用混凝土與內模板之間的黏結力／摩擦力來為盾構提供前進動力（圖3）。其優勢在于初支質量好、無回彈、減少混凝土用量，不振搗、密實度應高于濕噴工藝，可為盾構提供足夠推力；其缺點為結構較復雜、質量控制不穩定，該工法至今已有30 年，但國內的推廣應用仍不理想，故避開此技術路線。

圖3 擠壓混凝土工藝

3.4 利用仰拱來提供推力

在隧道經過立拱噴錨工藝完成初支后，在仰拱回填施作中，利用齒狀模板與仰拱回填區域間的黏著力為盾構帶來反推力[5]（圖4）。其優勢在于推力來源充足且穩定，混凝土用量穩定，齒狀模板可以循環使用；缺點為結構較復雜，脫模不易，推進力到主機上傳導有點偏差。

圖4 齒狀模板

3.5 利用全載荷預制管片來提供推力

全載荷預制管片襯砌技術十分成熟，對圍巖載荷受力良好且機械化拼裝效率高，提供推力充足，但缺點為隧道建造成本大幅上升。

通過5 種技術路徑的分析，推力來源排除利用類撐靴結構、噴錨初支、型鋼管片、ECL 工法之后，利用仰拱或預制管片來提供推力為研究方向。

4 盾構主機和推進系統的設計研究

4.1 方案一

馬蹄形敞開式盾構主機由前盾、中盾、大梁組成，經分析將掌子面分割成兩部分，上臺階高度可以設定為0.54 倍的總高度[6]，上下掌子面均為敞開模式配置有2 臺挖掘臂，利于減少推力需求，前盾上部配置有拱頂插刀和可折疊擋板，前盾中部配置有中層插刀，可強制分割兩個面（圖5）。

圖5 機械化初支系統

初支、仰拱二襯、后配套和推進等系統均依附在大梁上，中盾和大梁固接，大梁長度約為40m，按照功能劃分有初支區、仰拱現澆區、等強保養區、推進作用區、補充作業區等5 個區域，在初支區配置馬蹄形拱架安裝機、錨桿鉆機、噴漿機械手、綜合護欄等設備，仰拱現澆區配置移動模板、振搗、混凝土噴頭、鋼筋籠吊機等設施作仰拱的二襯和回填，等強保養區設有3套齒狀模板和仰拱回填區域相接觸，補充作業區配置有脫模設備、填平、其他配套設備等。推進作用區的推進油缸一端鉸接在大梁上，另一端鉸接在混凝土齒狀模板上，齒狀模板隨仰拱回填施作時一同澆筑（兩者之間預先涂抹有脫模劑）。為使齒狀模板傳遞給混凝土的壓力均勻，增大仰拱作用區域的面積，橫向和縱向設置有多個插入齒；當混凝土受到的壓力平均為4.5MPa 時，總計可產生支反力約7 200t。

由仰拱回填區為盾構推進系統提供反力的施工方法，步驟如下（圖6）：①將多組齒狀模板底部與回填仰拱區共同澆筑在一起（第4 天）；②將銷軸安裝在齒狀模板上的卡槽中，連接推進油缸，將其他部件調試至工作狀態；③盾構掘進時，推進油缸伸出，在銷軸和齒狀模板的配合作用下（第7 天），實現盾體的向前移動；④隨著盾構的前行，當最后排的齒狀模板脫離主梁時，用吊機進行脫模和轉運；⑤重復步驟①～④，直至完成整個隧道的開挖。在步驟③中，推進油缸收縮，銷軸可變化不同的卡槽中，然后再伸出，實現推進系統的換步。

圖6 步進施工工序

4.2 方案二

盾構主機由前盾、中盾、移動臺架組成，跟方案一有所不同，開挖系統上部掌子面敞開并配置2臺挖掘臂，且設有拱頂插刀和可折疊擋板，而下部采用相互嚙合的多刀盤開挖（圖7），以適應黃土地質不穩定的突發情況。施工時，先開挖上部掌子面土體，然后主機帶動刀盤向前推進一環距離，插刀順勢回縮，被切削掉的土隨輸送機連續排出。

圖7 整機概念圖二

隧道襯砌方面：上部拱頂為噴錨初支并采用機械化施工，下斷面采用可裝配預制仰拱（圖8），并配置專用管片拼裝機，以保證施工效率。初支外輪廓與原礦山法復合式襯砌方案完全一致；預制仰管片拱厚度和Ve 型襯砌保持一致，仰拱處二襯厚度不變；預制仰拱管片分為4 塊，錯縫拼接，接縫位置避開受力較大處，并預留吊裝孔、錨桿孔、注漿孔；上下兩種襯砌交界處預埋15mm 厚通長鋼板，在上部型鋼鋼架端頭與通長鋼板現場焊接。相應的，推進系統內嵌在中盾內，其下部環向布置數根推進油缸，其上部環向布置數根輔助推進油缸，以滿足盾構推進和調向需求。

圖8 隧道襯砌結構設計對比圖

4.3 方案三

通過查詢國外相關文獻，發現鐵路隧道采用TBM 施工時，有用預制裝配式初期支護+二襯的施工案例，如瑞士New Bozberg Tunnel 項目，采用?12.36m 的單護盾TBM 掘進2 503m；奧地利Perschling Tunnel 項目，采用?12.98m 的單護盾TBM 掘進6 353m 等。考慮到預制初期支護較全載荷管片結構有成本優勢，故新方案由此誕生。

預制初期支護為國內新型預制裝配式支護方案[7]，其結構采用C30 噴射混凝土，壁厚0.3m（全載荷預制管片壁厚估計為0.7m），環寬為1.5m，分塊方案為7+1 快模式（圖9）。管片分塊盡量避開彎矩較大處，設預制初期支護采用錯縫拼裝方式，采用奇偶環實現錯縫拼裝；管片間采用彎螺栓形式連接，為使管節接頭位置有一定有變形空間，減小剪切破壞的情況，暫不設置凹凸榫。

圖9 預制初期支護奇數環分塊方案

為了驗證可行性，CREG 于2020 年12 月在北京開展了預制初期支護力學性能試驗，這次試驗包括預制裝配式和噴射混凝土初期支護結構兩組試驗。試驗結論如下：①兩種結構形式均能完成規范計算荷載下的安全功能；②前者承載能力約是后者的2.1 倍；③在同等荷載下，兩者的變形能力基本相當，且均允許一定變形，能夠較好地釋放圍巖應力，發揮圍巖自承作用；④對比試驗結果，前者的綜合優勢更為明顯[8]。

基于以上試驗成果，盾構主機的設計就水到渠成了。開挖系統和出渣方式同前述方案二一致，新主機配置管片拼裝機，該技術已經在白城隧道中得到成功的應用，它擁有鎖緊、升降、平移、回轉、仰俯、橫搖和偏轉等7 種動作，并采用電液柔性補償控制技術[9]，施工人員操作簡單，設備反應靈敏，圖10 為預制初期支護的拼裝流程。該盾構的其他系統配置與方案二相似。

圖10 拼裝流程

4.4 綜合比較

為衡量上述3 種盾構主機方案優缺點，單條隧道長度以3km 計，進行施工效率、人員需求、綜合造價（含設備費用、管片場費用、模具、其他臨建費用等）的比較，詳見表1[10]。

表1 三種方案的綜合比較

5 結論及建議

1）馬蹄形敞開式盾構方案一、二、三設備造價比同級別土壓平衡盾構要低，且前者對應的隧道綜合造價比后者低25%或更多，具有良好的研究價值。

2）方案一中盾體獲取推力充足，步履式前進，施工效率受到施工組織的影響較大，后期可開發智能化更高的仰拱澆筑系統，施工效率上相對于礦山法優勢不明顯。方案二是綜合產物，盾構以下斷面預制仰拱為推力來源，應對掌子面迎面阻力上小下大的分布規律，但推力不均勻；而上斷面噴錨結構有利于初期支護同圍巖輪廓緊貼，進而減少圍巖收斂，發揮新奧法襯砌的優勢，和方案一類似，噴錨初支對洞內機械、人員環境的影響不可忽視。方案三獲取推力充足且均勻，接近土壓盾構，施工上也更可靠，且施工環境更為友好，故可行性更強，但需注意預制初期支護局部有被壓裂的風險。

3）新工法新設備應用的關鍵因素之一就是經濟效益，若隧道修建長度>5km，方案三對應的隧道每延米綜合造價與礦山法更為貼近。因此從設備成本、隧道修建成本、施工效率、環保、安全等多個角度綜合考慮，以預制初期支護為推力來源的馬蹄形敞開式盾構具備較好的推廣價值，建議后期尋求工程項目展開工業，應用以提高山嶺鐵路或公路黃土隧道修建機械化水平。