陈 勇， 王 生

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

厄瓜多尔CCS项目为引水式电站，装机容量为1 500 MW，输水隧洞总长约24 km，开挖洞径为9.11 m，在其进口、中间和出口分别设置有4个转弯半径为500 m的弯道。根据项目前期地质勘查得知，输水隧洞围岩主要由安山岩和凝灰岩组成，大部分为Ⅱ类和Ⅲ类岩石；输水隧洞出口段有大约2.2 km处于浩林(Hollín)地层，主要由砂岩和页岩组成，大部分为Ⅲ类和IV类岩石。同时，通过地质勘察得知，隧洞沿线可确定的断层有30个，最大和最小埋深分别为700 m和40 m，平均埋深462 m。最终决定选用地质适应性最高、适用于中厚埋深、中高强度的双护盾TBM进行掘进。

2 管片选型

管片选型的原则有两个，第一：适合隧洞设计轴线；第二：适应TBM的姿态。

2.1 隧洞设计轴线

管片的主要类型有：

(1)单一型管片，适合于无弯道隧洞衬砌；

(2)曲、直组合型管片，该组合采用直线环、左转弯环和右转弯环3种管片形式，在直线段均采用直线环拼装，曲线段按需要安装左转弯环或右转弯环。此种管片组合模式可用于有弯隧洞，但需3套模具才能完成管片的预制生产；

(3)分为左环和右环楔形管片，每环各片管片纵轴线长度不一致，但左环和右环相互组合即为直线。施工时通过左、右环管片之间的交替安装衬砌直线段隧洞，通过连续安装左环或连续安装右环实现衬砌转弯，此类管片需要两套模具进行管片的预制生产(图1)；

图1 左、右环楔形管片拼装图

(4)通用型管片。该型管片采用一种类型的楔形衬砌环，在施工过程中根据需要对管片进行适当旋转，以实现直线段和曲线段的衬砌。此类管片只需要一套模具进行管片的预制生产，但实际施工过程中需事先计算和模拟转弯段管片组合模式、转换角度，同样，其对管片安装手的操作水平要求较高，管片安装速度较慢。

CCS项目输水隧洞设有4个转弯半径为500 m的弯道且其对掘进速度要求较高，考虑到管片预制的投入和施工效率，最终决定采用上述(3)型——设有左、右环的楔形管片进行衬砌。

2.2 盾尾间隙

双护盾TBM施工时，最后一环衬砌的管片处于TBM盾尾之内(通常将盾尾与管片之间的间隙叫盾尾间隙)，这是管片选型非常重要的依据。

当管片安装轴线与TBM掘进轴线不一致时，盾尾间隙将出现一侧增大，而另一侧对应减小的现象。如果盾尾间隙过小，盾壳上的力可直接作用在管片上，则TBM在掘进过程中盾尾将会与管片发生摩擦、碰撞；轻则增加盾构机向前掘进的阻力，降低掘进速度，重则造成管片错台、破损。同时，盾尾间隙增大的一侧则会造成盾尾刷密封不严，致使后部灌浆易渗漏。

CCS项目输水隧洞TBM掘进洞径为9.11 m，衬砌后管片外径为8.8 m，开挖掘进轴线和管片安装轴线平行时四周均有15.5 cm的间隙，可以有效地避免盾尾间隙过小的问题。

2.3 油缸行程

当双护盾TBM伸缩护盾收死、采用辅助油缸反推已安装的管片进行掘进时，就必须要考虑管片楔形量与辅助油缸行程之间的关系。由于管片楔形量的存在，辅助油缸在推进时将产生行程差，当该差值过大时，推进油缸的推力就会在管片环的径向产生较大的分力，从而影响已拼装好的隧道管片以及掘进姿态，严重时将造成TBM掘进歪斜和已安装管片错台。同时，也可以看出，该差值过大时将影响下部的盾尾间隙。

3 管片构造设计

3.1 每环管片的片数

管片分块要考虑管片生产、储运、安装、纠偏以及对渗漏水和结构刚度的影响等。管片分割数目愈少愈好，但应考虑到搬运与组装的施工方便，一般情况下，小断面隧道 (如市政管道等 )分 4～5块，中至大断面隧道 (如地铁、公路隧道等 )分 6～10块，而且从有利于管片运输、拼装和减小TBM千斤顶的行程考虑，一般采用小封顶块，其他块则体积、重量均较为类似。CCS项目输水隧洞洞径较大，采用7块分块模式。

3.2 封顶块位置

理论上封顶块在任何位置都是可行的，但当封顶块位于拱腰以下部位时，两侧管片拼装后，由于自重原因会挤向最后拼装的封顶块预留空间，如此拼装封顶块时需增大千斤顶的推力，容易对管片造成挤压损坏，因而封顶块一般位于拱腰以上部位。

封顶块的拼装形式主要有径向楔入、纵向插入两种：

(1)径向楔入其半径方向的两边线必须呈内八字形或至少是平行，受荷后有向下滑动的趋势，受力不利；

(2)纵向插入形式的封顶块受力情况较好。受荷后，封顶块不易向内滑移；其缺点是在封顶块管片拼装时，需要加长盾构千斤顶行程。

CCS项目采用的封顶块位于正顶拱两侧，封顶块安装时先径向搭接约三分之二管片长度，然后纵向插入剩余的三分之一长度成环。

3.3 管片分片

采用带有楔形量的左右环管片，环与环之间一般采用螺栓连接，螺栓孔的个数及位置是确定每环分片的重要依据。

CCS项目管片输水隧洞洞径较大，采用7分块的管片模式。考虑到管片安装的稳定牢固、避免发生错台，除在封顶块设置一个连接螺栓孔外，其他6块均设置了3个连接螺栓孔，则整环共有19个螺栓孔。按照已建和在建项目经验，为实现连接螺栓受力均匀，左右环管片交替安装过程中螺栓孔的连接及螺栓孔的位置均按圆周均匀分布，则螺栓孔分布角度φ为：

φ=360°/19=18.948°

按照各片所占螺栓孔的个数和螺栓孔在管片内均匀分布的原则，将图2中所有管片螺栓孔径向分布线按照φ/2的角度旋转后根据封顶块的位置和各片管片所占螺栓孔的数量得到图3所示的管片分片图。

以上方法是以右环为例进行说明。按照同样的方法，将封顶块位置置于顶拱右侧，即可得到左环分块图。

3.4 环宽设计

管片环宽主要取决于隧洞洞径的大小和管片的厚度，同时，管片宽度同样决定了TBM油缸行程、管片安装器千斤顶顶推重量和行程等制作参数。从另一方面考虑，由于TBM管片安装器顶推重量是有限度的，因此，管片的环宽和厚度由于重量因素是相互制约的。

图3 管片分片图

从结构防水、提高施工进度、节省防水材料和管片连接件看，管片加宽是明显有利的；从结构受力方面考虑，管片加宽后区间隧洞接缝减少，有利于提高结构的整体性；从施工速度方面考虑，管片加宽可以减小同等掘进长度下管片的安装数量，提高施工效率和施工速度。但管片加宽将造成TBM长度增加、油缸行程增大，同样，在管片厚度不变的情况下管片安装器顶推重量增加。同时，由于管片宽度增大，致使TBM掘进每个循环行程增大，出渣量增多，导致所配备的出渣皮带或其他出渣设备增大或增多。因而管片环宽需综合考虑洞径大小、隧洞转弯半径大小、TBM及其出渣配套设备选型、月掘进强度等相关参数。目前，国内外隧洞所采用的管片环宽主要介于1.2～1.8 m之间。CCS项目输水隧洞开挖洞径达9.11 m，转弯半径为500 m且月掘进强度需达到600 m，因而选择1.8 m环宽的管片进行隧洞衬砌。

4 管片楔形量的设计与拼装方式

4.1 管片楔形量的计算

楔形量是左右环楔形管片的主要参数之一，主要取决于隧洞转弯处的最小转弯半径，并采用盾尾间隙等参数进行复核。根据对已建施工项目进行的统计得知，当管片外径为5～7 m之间时，楔形量为30～50 mm；当管片外径为8～10 m之间时，楔形量为40～80 mm。

隧洞转弯时由管片衬砌而成的柱体平面方向在洞轴线两侧形成两个转弯半径的弧线，管片采用这两个同心不同径的转弯半径进行计算，按照“弯曲隧道梯形环管片楔形块位置选择, RETC 2005,Samuel Swartz”,计算附图及公式见图4。

CCS项 目 输 水 隧 洞L0=1 800 mm，Dext=

8 800 mm，r=500 m，计算时考虑掘进误差，按r=400 m进行计算，则：

Lleft=1 820 mm

Lright=1 780 mm

式中Lleft为左边长度；Lright为右边长度；L0为管片标准长度；Dext为管片外径；r为转变半径。

按照计算，CCS项目管片楔形量为40 mm，即每一环0～(+/-)20 mm的长度变化,管片展开情况见图5。

4.2 管片拼装方式

从结构角度看，错缝拼装能使衬砌圆环接缝刚度的分布趋于均匀，减少结构变形，可取得较好的空间刚度，增强结构的整体稳定性，使管片抗变形能力得到了增强，提高了防水效果。

CCS项目所采用的楔形左右环管片分别在每环管片腰线位置设置楔形量，通过环宽渐变实现顶端和底端均为标准环宽。其中：

(1)左环为左侧腰线环宽最小、右侧腰线环宽最大，则连续安装左环时隧洞可实现左转弯；

(2)右环左侧腰线环宽最大、右侧腰线环宽最小，则连续安装右环时隧洞可实现右转弯；

(3)两种管片交替安装时实现互补，即为直线。

图4 管片楔形量计算图及计算公式

图5 左右环管片展开图

图6 管片螺栓连接展开图

由于左右环管片楔形块分别位于顶拱左右两侧，且两种管片分片位置不一样，在直线段交替安装时完美地实现了管片错缝拼装，隧洞转弯段由于连续安装同一类型管片故为通缝连接，但因转弯段长度仅为CCS项目输水隧洞长度的5%，故可认为隧洞整体均为错缝拼装，有利于结构稳定。

4.3 管片的连接方式

目前常用的螺栓连接形式有直螺栓连接、弯螺栓连接、斜螺栓连接、无螺栓连接 (砌块 )以及销钉连接等。

无螺栓连接 (砌块 )和销钉连接的接头间没有连接螺栓，也不能施加预紧力，衬砌的整体刚度小，隧洞的抗震和防水性能较差，不适应CCS项目多变的隧洞地质情况。在各类螺栓连接方式中，直螺栓构造较简单，施工方便，只需在管片设计和预制时对应埋设和设置螺栓孔位即可，因此而适合CCS项目高强度掘进的需要(图6)。

5 结 语

CCS项目输水隧洞管片设计结合国内外设计与施工经验，先期经过大量的考察论证，所设计选用的管片模式较好地解决了后期施工难度，从而提高了管片预制生产和管片拼装的效率，为大洞径下TBM高进尺掘进和管片安装提供了有利保证。同样，在管片选型确定后，跟进的各类结构计算有效地解决了隧洞转弯、适应不同地质情况地层等问题。目前，CCS项目TBM平均月进尺达650 m，最高月进尺为1 000.41 m，创造了同洞径掘进速度世界第三的好成绩。