马 骋

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

新疆达坂隧洞为无压引水隧洞，主洞全长约31km，洞线近东西向布置，主洞埋深10～150m，围岩岩性以含土砂砾石、膨胀性泥岩、凝灰岩、砂岩为主，地质条件复杂多变。隧洞开挖采用TBM法施工，预制钢筋混凝土管片衬砌，衬砌总长为23724m，管片总量为59145块，衬砌后直径6m，预制钢筋混凝土管片为六边形，宽160cm，厚28cm，对角线弧长500cm。新疆达坂隧洞于2009年底全线贯通，施工质量达到国内类似工程领先水平。

2 地质条件

特长隧洞在前期地质勘测中不可能提供十分详细准确的工程地质与水文地质资料，这种地下工程地质的不可预见性使得施工过程中会出现多种问题。在新疆达坂隧洞TBM施工过程中，实际揭露地质围岩类别虽然没有超出初设前期地质勘察整体框架范围，但围岩类别复杂多变，几乎不可预料。TBM施工主洞段实际揭露各类围岩比例为:Ⅱ类围岩为0.99%，Ⅲ类围岩为3.78%，Ⅳ类围岩为 64.71%，Ⅴ类围岩为21.82%，Ⅵ(土洞及岩土过渡段)围岩为8.70%;开挖揭露的主洞段以J2X4、J2X3、J2X2碳质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩、中粗细砂岩(含土砂砾石)Q2ws为主，部分洞段为P1Ws(凝灰质安山岩、凝灰岩)地层。大部分洞段位于地下水位以下，适合双护盾掘进机施工。

3 管片类型

为适应不同的地质条件，尽量减少混凝土预制管片的成本，根据不同围岩类别和外水情况，设计了A-1、A、B、C、C-1、C-2、D、E 型等 8 种规格预制钢筋混凝土管片，并按照每种管片不同的使用条件配置不同的钢筋用量。每种混凝土管片中同类型的钢筋形式和根数是一致的，环向主筋均为Ⅱ级钢筋，纵向分布筋和构造筋均为Ⅰ级钢筋。详见图1、图2。

图1 预制混凝土管片配筋

图2 预制混凝土管片拼装

3.1 不同混凝土管片类型的使用条件和含筋率

A-1型混凝土管片——用于钻爆法开挖土洞达坂TBM滑行的洞段及Ⅱ类无外水围岩洞段混凝土管片衬砌，含筋率86.50kg/m3。

A型混凝土管片——用于坚硬岩石的Ⅱ类有外水和Ⅲ类无外水围岩洞段，含筋率89.93kg/m3。

B型混凝土管片——用于中软岩石或破碎岩石的Ⅲ类有外水和Ⅳ类无外水围岩洞段，含筋率104.00kg/m3。

C型混凝土管片——用于V及V1类无外水土洞段和Ⅳ类有外水的围岩等洞段，含筋率124.57kg/m3。

C-1型混凝土管片——适用于无外水非常不稳定的断层带和V2类无外水岩土洞段，含筋率139.22kg/m3。

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

D型混凝土管片——用于有外水的煤层、有外水非常不稳定断层带、有外水非常不稳定破碎围岩洞段和微膨胀岩、有害气体、有害地下水及土洞有外水水头小于20m洞段的V、V1类围岩等软岩大变形洞段，含筋率193.11kg/m3。

E型混凝土管片——用于有外水断层带松散堆积物、泥石流、中强膨胀岩、有外水煤层、放射性及有害气体超标洞段、有害地下水及外水头大于20m的土洞段等软岩大变形洞段，含筋率244.01kg/m3;同时E型也是抢险混凝土管片。

3.2 混凝土管片结构计算结果

达坂隧洞最不利情况下，各类围岩衬砌混凝土管片的内力计算结果见下页图3，弯距(左半边图形)以内侧受拉为正，反之为负，单位kN·m;轴力(右半边图形)以拉为正，反之为负，单位kN。

3.3 荷载组合

达坂隧洞荷载由基本荷载和特殊荷载组成。基本荷载包括围岩压力、衬砌自重、内水压力、外水压力、稳定渗流场静水压力;特殊荷载包括校核水位时的内水压力、施工荷载、灌浆压力、温度应力、地震应力等。荷载组合见下页表。

图3 各类围岩衬砌混凝土管片内力计算结果

达坂隧洞荷载组合表

4 管片优化组合

在新疆达坂隧洞TBM施工过程中，由于实际揭露地质与前期勘测地质不同，管片实际生产类型数量与设计前期要求类型数量存在较大差异。根据提出的思路构想和设计单位的复核演算，提出了以下组合方案。

4.1 地应力下B、D交错拼接组合方案

B、D交错拼接组合方案，即第一环顶底管片用B型、侧管片用D型，第二环顶底管片用D型、侧管片用B型，以此类推;在进行裂缝宽度验算时，对于已确定了配筋的管片来说，除纵向受拉钢筋应力σsl外其他参数已确定，故首先要求出管片钢筋可能受到的最大拉应力σsl。通过计算可知:此种工况下，对于B型管片，其可承担40%的由地应力等因素引起的管片压力，此时求得钢筋的最大拉应力σsl=193.75MPa，进而求得最大裂缝宽度ωmax=0.185mm＜0.2mm。经过验算，此种工况下，管片虽然可能会开裂，但裂缝宽度能满足该工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.2 地应力下B、D非交错拼接组合方案

B、D非交错拼接组合方案，即顶底管片全部用B型，侧管片全部用D型;在进行裂缝宽度验算时，对于已确定了配筋的管片来说，除纵向受拉钢筋应力σsl外其他参数已确定，故首先要求出管片钢筋可能受到的最大拉应力σsl。通过计算可知:在此种工况下，对于B型管片，其可承担56%的由地应力等因素引起的管片压力，按承担50%压力计算，钢筋的最大拉应力 σsl=180.23MPa，进而求得最大裂缝宽度ωmax=0.172mm＜0.2mm。经过验算，此种工况下，管片虽然可能会开裂，但裂缝宽度能满足该工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.3 地应力下A、D交错拼接组合方案计算成果

A、D交错拼接组合方案，即第一环顶底管片用A型、侧管片用D型，第二环顶底管片用D型、侧管片用A型，以此类推;在进行裂缝宽度验算时，对于已确定了配筋的管片来说，除纵向受拉钢筋应力σsl外其他参数已确定，故首先要求出管片钢筋可能受到的最大拉应力σsl。通过计算可知:在此工况下，对于A型管片，其可承担33%的由地应力等因素引起的管片压力，此时求得钢筋的最大拉应力σsl=193.75MPa，进而求得最大裂缝宽度ωmax=0.178mm＜0.2mm。经过验算，此种工况下，管片虽然可能会开裂，但裂缝宽度能满足该工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.4 地应力下A、D非交错拼接组合方案

A、D非交错拼接组合方案，即顶底管片全部用A型，侧管片全部用D型。在进行裂缝宽度验算时，对于已确定了配筋的管片来说，除纵向受拉钢筋应力σsl外其他参数已确定，故首先要求出管片钢筋可能受到的最大拉应力σsl。通过计算可知:此种工况下，对于A型管片，其可承担45%的由地应力等因素引起的管片压力，此时求得钢筋的最大拉应力σsl=193.75MPa，进而求得最大裂缝宽度ωmax=0.178mm＜0.2mm。经过验算，此种工况下，管片虽然可能会开裂，但裂缝宽度能满足该工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.5 Ⅳ类围岩，100m埋深自重下A、D交错拼接组合方案

在进行裂缝宽度验算时，对于已确定了配筋的管片来说，除纵向受拉钢筋应力σsl外，其他参数已确定，故首先要求出管片钢筋可能受到的最大拉应力σsl。通过计算可知:此种工况下，A型管片可承担50%的由地应力等因素引起的管片压力，此时求得钢筋的最大拉应力σsl=193.75MPa，进而求得最大裂缝宽度ωmax=0.178mm＜0.2mm。经过验算，此种工况下，管片虽然可能会开裂，但裂缝宽度能满足该工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.6 Ⅳ类围岩，150m埋深自重下A、D交错拼接组合方案

在进行裂缝宽度验算时，对于已确定了配筋的管片来说，除纵向受拉钢筋应力σsl外，其他参数已确定，故首先要求出管片钢筋可能受到的最大拉应力σsl。通过计算可知:此种工况下，A型管片可承担30%的由地应力等因素引起的管片压力，此时求得钢筋的最大拉应力 σsl=193.75MPa，进而求得最大裂缝宽度ωmax=0.178mm ＜0.2mm。经过验算，此种工况下，管片虽然可能会开裂，但裂缝宽度能满足该工程的限裂要求，管片可以正常工作。

5 结语

通过组合方案合理性的计算论证，达坂隧洞轻、重管片优化组合设计满足设计要求。根据建立的管片力学模型，通过三维数值仿真和反馈分析，提出双护盾TBM采用轻、重管片相结合的研究方法，并对管片安装过程中存在的问题进行了详细的分析，提出了有针对性的管片安装设计与施工优化组合的措施，成功解决了管片在达板隧洞不同围岩情况下的施工难题，为管片应用于复杂地质条件积累了一定经验，取得了较大的经济和社会效益。■

［1］ 文镕，李世新，范以田，马骋，等．达坂岩石隧洞全断面掘进机(TBM)施工技术［M］．北京:水利水电出版社，2013．

［2］ 马骋．TBM施工中管片接缝与错台控制措施初探［J］．地下空间与工程学报，2009.5．

［3］ 新疆达坂隧洞方案比选工程地质勘察报告［R］．