厄瓜多爾CCS項(xiàng)目TBM管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陳 勇， 王 生

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

厄瓜多爾CCS項(xiàng)目為引水式電站，裝機(jī)容量為1 500 MW，輸水隧洞總長(zhǎng)約24 km，開(kāi)挖洞徑為9.11 m，在其進(jìn)口、中間和出口分別設(shè)置有4個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑為500 m的彎道。根據(jù)項(xiàng)目前期地質(zhì)勘查得知，輸水隧洞圍巖主要由安山巖和凝灰?guī)r組成，大部分為Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)巖石；輸水隧洞出口段有大約2.2 km處于浩林(Hollín)地層，主要由砂巖和頁(yè)巖組成，大部分為Ⅲ類(lèi)和IV類(lèi)巖石。同時(shí)，通過(guò)地質(zhì)勘察得知，隧洞沿線(xiàn)可確定的斷層有30個(gè)，最大和最小埋深分別為700 m和40 m，平均埋深462 m。最終決定選用地質(zhì)適應(yīng)性最高、適用于中厚埋深、中高強(qiáng)度的雙護(hù)盾TBM進(jìn)行掘進(jìn)。

2 管片選型

管片選型的原則有兩個(gè)，第一：適合隧洞設(shè)計(jì)軸線(xiàn)；第二：適應(yīng)TBM的姿態(tài)。

2.1 隧洞設(shè)計(jì)軸線(xiàn)

管片的主要類(lèi)型有：

(1)單一型管片，適合于無(wú)彎道隧洞襯砌；

(2)曲、直組合型管片，該組合采用直線(xiàn)環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)和右轉(zhuǎn)彎環(huán)3種管片形式，在直線(xiàn)段均采用直線(xiàn)環(huán)拼裝，曲線(xiàn)段按需要安裝左轉(zhuǎn)彎環(huán)或右轉(zhuǎn)彎環(huán)。此種管片組合模式可用于有彎隧洞，但需3套模具才能完成管片的預(yù)制生產(chǎn)；

(3)分為左環(huán)和右環(huán)楔形管片，每環(huán)各片管片縱軸線(xiàn)長(zhǎng)度不一致，但左環(huán)和右環(huán)相互組合即為直線(xiàn)。施工時(shí)通過(guò)左、右環(huán)管片之間的交替安裝襯砌直線(xiàn)段隧洞，通過(guò)連續(xù)安裝左環(huán)或連續(xù)安裝右環(huán)實(shí)現(xiàn)襯砌轉(zhuǎn)彎，此類(lèi)管片需要兩套模具進(jìn)行管片的預(yù)制生產(chǎn)(圖1)；

圖1 左、右環(huán)楔形管片拼裝圖

(4)通用型管片。該型管片采用一種類(lèi)型的楔形襯砌環(huán)，在施工過(guò)程中根據(jù)需要對(duì)管片進(jìn)行適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)段和曲線(xiàn)段的襯砌。此類(lèi)管片只需要一套模具進(jìn)行管片的預(yù)制生產(chǎn)，但實(shí)際施工過(guò)程中需事先計(jì)算和模擬轉(zhuǎn)彎段管片組合模式、轉(zhuǎn)換角度，同樣，其對(duì)管片安裝手的操作水平要求較高，管片安裝速度較慢。

CCS項(xiàng)目輸水隧洞設(shè)有4個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑為500 m的彎道且其對(duì)掘進(jìn)速度要求較高，考慮到管片預(yù)制的投入和施工效率，最終決定采用上述(3)型——設(shè)有左、右環(huán)的楔形管片進(jìn)行襯砌。

2.2 盾尾間隙

雙護(hù)盾TBM施工時(shí)，最后一環(huán)襯砌的管片處于TBM盾尾之內(nèi)(通常將盾尾與管片之間的間隙叫盾尾間隙)，這是管片選型非常重要的依據(jù)。

當(dāng)管片安裝軸線(xiàn)與TBM掘進(jìn)軸線(xiàn)不一致時(shí)，盾尾間隙將出現(xiàn)一側(cè)增大，而另一側(cè)對(duì)應(yīng)減小的現(xiàn)象。如果盾尾間隙過(guò)小，盾殼上的力可直接作用在管片上，則TBM在掘進(jìn)過(guò)程中盾尾將會(huì)與管片發(fā)生摩擦、碰撞；輕則增加盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)的阻力，降低掘進(jìn)速度，重則造成管片錯(cuò)臺(tái)、破損。同時(shí)，盾尾間隙增大的一側(cè)則會(huì)造成盾尾刷密封不嚴(yán)，致使后部灌漿易滲漏。

CCS項(xiàng)目輸水隧洞TBM掘進(jìn)洞徑為9.11 m，襯砌后管片外徑為8.8 m，開(kāi)挖掘進(jìn)軸線(xiàn)和管片安裝軸線(xiàn)平行時(shí)四周均有15.5 cm的間隙，可以有效地避免盾尾間隙過(guò)小的問(wèn)題。

2.3 油缸行程

當(dāng)雙護(hù)盾TBM伸縮護(hù)盾收死、采用輔助油缸反推已安裝的管片進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，就必須要考慮管片楔形量與輔助油缸行程之間的關(guān)系。由于管片楔形量的存在，輔助油缸在推進(jìn)時(shí)將產(chǎn)生行程差，當(dāng)該差值過(guò)大時(shí)，推進(jìn)油缸的推力就會(huì)在管片環(huán)的徑向產(chǎn)生較大的分力，從而影響已拼裝好的隧道管片以及掘進(jìn)姿態(tài)，嚴(yán)重時(shí)將造成TBM掘進(jìn)歪斜和已安裝管片錯(cuò)臺(tái)。同時(shí)，也可以看出，該差值過(guò)大時(shí)將影響下部的盾尾間隙。

3 管片構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1 每環(huán)管片的片數(shù)

管片分塊要考慮管片生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、安裝、糾偏以及對(duì)滲漏水和結(jié)構(gòu)剛度的影響等。管片分割數(shù)目愈少愈好，但應(yīng)考慮到搬運(yùn)與組裝的施工方便，一般情況下，小斷面隧道 (如市政管道等 )分 4～5塊，中至大斷面隧道 (如地鐵、公路隧道等 )分 6～10塊，而且從有利于管片運(yùn)輸、拼裝和減小TBM千斤頂?shù)男谐炭紤]，一般采用小封頂塊，其他塊則體積、重量均較為類(lèi)似。CCS項(xiàng)目輸水隧洞洞徑較大，采用7塊分塊模式。

3.2 封頂塊位置

理論上封頂塊在任何位置都是可行的，但當(dāng)封頂塊位于拱腰以下部位時(shí)，兩側(cè)管片拼裝后，由于自重原因會(huì)擠向最后拼裝的封頂塊預(yù)留空間，如此拼裝封頂塊時(shí)需增大千斤頂?shù)耐屏?，容易?duì)管片造成擠壓損壞，因而封頂塊一般位于拱腰以上部位。

封頂塊的拼裝形式主要有徑向楔入、縱向插入兩種：

(1)徑向楔入其半徑方向的兩邊線(xiàn)必須呈內(nèi)八字形或至少是平行，受荷后有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，受力不利；

(2)縱向插入形式的封頂塊受力情況較好。受荷后，封頂塊不易向內(nèi)滑移；其缺點(diǎn)是在封頂塊管片拼裝時(shí)，需要加長(zhǎng)盾構(gòu)千斤頂行程。

CCS項(xiàng)目采用的封頂塊位于正頂拱兩側(cè)，封頂塊安裝時(shí)先徑向搭接約三分之二管片長(zhǎng)度，然后縱向插入剩余的三分之一長(zhǎng)度成環(huán)。

3.3 管片分片

采用帶有楔形量的左右環(huán)管片，環(huán)與環(huán)之間一般采用螺栓連接，螺栓孔的個(gè)數(shù)及位置是確定每環(huán)分片的重要依據(jù)。

CCS項(xiàng)目管片輸水隧洞洞徑較大，采用7分塊的管片模式?？紤]到管片安裝的穩(wěn)定牢固、避免發(fā)生錯(cuò)臺(tái)，除在封頂塊設(shè)置一個(gè)連接螺栓孔外，其他6塊均設(shè)置了3個(gè)連接螺栓孔，則整環(huán)共有19個(gè)螺栓孔。按照已建和在建項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)連接螺栓受力均勻，左右環(huán)管片交替安裝過(guò)程中螺栓孔的連接及螺栓孔的位置均按圓周均勻分布，則螺栓孔分布角度φ為：

φ=360°/19=18.948°

按照各片所占螺栓孔的個(gè)數(shù)和螺栓孔在管片內(nèi)均勻分布的原則，將圖2中所有管片螺栓孔徑向分布線(xiàn)按照φ/2的角度旋轉(zhuǎn)后根據(jù)封頂塊的位置和各片管片所占螺栓孔的數(shù)量得到圖3所示的管片分片圖。

以上方法是以右環(huán)為例進(jìn)行說(shuō)明。按照同樣的方法，將封頂塊位置置于頂拱右側(cè)，即可得到左環(huán)分塊圖。

3.4 環(huán)寬設(shè)計(jì)

管片環(huán)寬主要取決于隧洞洞徑的大小和管片的厚度，同時(shí)，管片寬度同樣決定了TBM油缸行程、管片安裝器千斤頂頂推重量和行程等制作參數(shù)。從另一方面考慮，由于TBM管片安裝器頂推重量是有限度的，因此，管片的環(huán)寬和厚度由于重量因素是相互制約的。

圖3 管片分片圖

從結(jié)構(gòu)防水、提高施工進(jìn)度、節(jié)省防水材料和管片連接件看，管片加寬是明顯有利的；從結(jié)構(gòu)受力方面考慮，管片加寬后區(qū)間隧洞接縫減少，有利于提高結(jié)構(gòu)的整體性；從施工速度方面考慮，管片加寬可以減小同等掘進(jìn)長(zhǎng)度下管片的安裝數(shù)量，提高施工效率和施工速度。但管片加寬將造成TBM長(zhǎng)度增加、油缸行程增大，同樣，在管片厚度不變的情況下管片安裝器頂推重量增加。同時(shí)，由于管片寬度增大，致使TBM掘進(jìn)每個(gè)循環(huán)行程增大，出渣量增多，導(dǎo)致所配備的出渣皮帶或其他出渣設(shè)備增大或增多。因而管片環(huán)寬需綜合考慮洞徑大小、隧洞轉(zhuǎn)彎半徑大小、TBM及其出渣配套設(shè)備選型、月掘進(jìn)強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外隧洞所采用的管片環(huán)寬主要介于1.2～1.8 m之間。CCS項(xiàng)目輸水隧洞開(kāi)挖洞徑達(dá)9.11 m，轉(zhuǎn)彎半徑為500 m且月掘進(jìn)強(qiáng)度需達(dá)到600 m，因而選擇1.8 m環(huán)寬的管片進(jìn)行隧洞襯砌。

4 管片楔形量的設(shè)計(jì)與拼裝方式

4.1 管片楔形量的計(jì)算

楔形量是左右環(huán)楔形管片的主要參數(shù)之一，主要取決于隧洞轉(zhuǎn)彎處的最小轉(zhuǎn)彎半徑，并采用盾尾間隙等參數(shù)進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)對(duì)已建施工項(xiàng)目進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)得知，當(dāng)管片外徑為5～7 m之間時(shí)，楔形量為30～50 mm；當(dāng)管片外徑為8～10 m之間時(shí)，楔形量為40～80 mm。

隧洞轉(zhuǎn)彎時(shí)由管片襯砌而成的柱體平面方向在洞軸線(xiàn)兩側(cè)形成兩個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑的弧線(xiàn)，管片采用這兩個(gè)同心不同徑的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行計(jì)算，按照“彎曲隧道梯形環(huán)管片楔形塊位置選擇, RETC 2005,Samuel Swartz”,計(jì)算附圖及公式見(jiàn)圖4。

CCS項(xiàng) 目 輸 水 隧 洞L0=1 800 mm，Dext=

8 800 mm，r=500 m，計(jì)算時(shí)考慮掘進(jìn)誤差，按r=400 m進(jìn)行計(jì)算，則：

Lleft=1 820 mm

Lright=1 780 mm

式中Lleft為左邊長(zhǎng)度；Lright為右邊長(zhǎng)度；L0為管片標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度；Dext為管片外徑；r為轉(zhuǎn)變半徑。

按照計(jì)算，CCS項(xiàng)目管片楔形量為40 mm，即每一環(huán)0～(+/-)20 mm的長(zhǎng)度變化,管片展開(kāi)情況見(jiàn)圖5。

4.2 管片拼裝方式

從結(jié)構(gòu)角度看，錯(cuò)縫拼裝能使襯砌圓環(huán)接縫剛度的分布趨于均勻，減少結(jié)構(gòu)變形，可取得較好的空間剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，使管片抗變形能力得到了增強(qiáng)，提高了防水效果。

CCS項(xiàng)目所采用的楔形左右環(huán)管片分別在每環(huán)管片腰線(xiàn)位置設(shè)置楔形量，通過(guò)環(huán)寬漸變實(shí)現(xiàn)頂端和底端均為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)寬。其中：

(1)左環(huán)為左側(cè)腰線(xiàn)環(huán)寬最小、右側(cè)腰線(xiàn)環(huán)寬最大，則連續(xù)安裝左環(huán)時(shí)隧洞可實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎；

(2)右環(huán)左側(cè)腰線(xiàn)環(huán)寬最大、右側(cè)腰線(xiàn)環(huán)寬最小，則連續(xù)安裝右環(huán)時(shí)隧洞可實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎；

(3)兩種管片交替安裝時(shí)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，即為直線(xiàn)。

圖4 管片楔形量計(jì)算圖及計(jì)算公式

圖5 左右環(huán)管片展開(kāi)圖

圖6 管片螺栓連接展開(kāi)圖

由于左右環(huán)管片楔形塊分別位于頂拱左右兩側(cè)，且兩種管片分片位置不一樣，在直線(xiàn)段交替安裝時(shí)完美地實(shí)現(xiàn)了管片錯(cuò)縫拼裝，隧洞轉(zhuǎn)彎段由于連續(xù)安裝同一類(lèi)型管片故為通縫連接，但因轉(zhuǎn)彎段長(zhǎng)度僅為CCS項(xiàng)目輸水隧洞長(zhǎng)度的5%，故可認(rèn)為隧洞整體均為錯(cuò)縫拼裝，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4.3 管片的連接方式

目前常用的螺栓連接形式有直螺栓連接、彎螺栓連接、斜螺栓連接、無(wú)螺栓連接 (砌塊 )以及銷(xiāo)釘連接等。

無(wú)螺栓連接 (砌塊 )和銷(xiāo)釘連接的接頭間沒(méi)有連接螺栓，也不能施加預(yù)緊力，襯砌的整體剛度小，隧洞的抗震和防水性能較差，不適應(yīng)CCS項(xiàng)目多變的隧洞地質(zhì)情況。在各類(lèi)螺栓連接方式中，直螺栓構(gòu)造較簡(jiǎn)單，施工方便，只需在管片設(shè)計(jì)和預(yù)制時(shí)對(duì)應(yīng)埋設(shè)和設(shè)置螺栓孔位即可，因此而適合CCS項(xiàng)目高強(qiáng)度掘進(jìn)的需要(圖6)。

5 結(jié) 語(yǔ)

CCS項(xiàng)目輸水隧洞管片設(shè)計(jì)結(jié)合國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，先期經(jīng)過(guò)大量的考察論證，所設(shè)計(jì)選用的管片模式較好地解決了后期施工難度，從而提高了管片預(yù)制生產(chǎn)和管片拼裝的效率，為大洞徑下TBM高進(jìn)尺掘進(jìn)和管片安裝提供了有利保證。同樣，在管片選型確定后，跟進(jìn)的各類(lèi)結(jié)構(gòu)計(jì)算有效地解決了隧洞轉(zhuǎn)彎、適應(yīng)不同地質(zhì)情況地層等問(wèn)題。目前，CCS項(xiàng)目TBM平均月進(jìn)尺達(dá)650 m，最高月進(jìn)尺為1 000.41 m，創(chuàng)造了同洞徑掘進(jìn)速度世界第三的好成績(jī)。