馬 騁

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆達坂隧洞為無壓引水隧洞，主洞全長約31km，洞線近東西向布置，主洞埋深10～150m，圍巖巖性以含土砂礫石、膨脹性泥巖、凝灰?guī)r、砂巖為主，地質(zhì)條件復(fù)雜多變。隧洞開挖采用TBM法施工，預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌總長為23724m，管片總量為59145塊，襯砌后直徑6m，預(yù)制鋼筋混凝土管片為六邊形，寬160cm，厚28cm，對角線弧長500cm。新疆達坂隧洞于2009年底全線貫通，施工質(zhì)量達到國內(nèi)類似工程領(lǐng)先水平。

2 地質(zhì)條件

特長隧洞在前期地質(zhì)勘測中不可能提供十分詳細準確的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)資料，這種地下工程地質(zhì)的不可預(yù)見性使得施工過程中會出現(xiàn)多種問題。在新疆達坂隧洞TBM施工過程中，實際揭露地質(zhì)圍巖類別雖然沒有超出初設(shè)前期地質(zhì)勘察整體框架范圍，但圍巖類別復(fù)雜多變，幾乎不可預(yù)料。TBM施工主洞段實際揭露各類圍巖比例為:Ⅱ類圍巖為0.99%，Ⅲ類圍巖為3.78%，Ⅳ類圍巖為 64.71%，Ⅴ類圍巖為21.82%，Ⅵ(土洞及巖土過渡段)圍巖為8.70%;開挖揭露的主洞段以J2X4、J2X3、J2X2碳質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、中粗細砂巖(含土砂礫石)Q2ws為主，部分洞段為P1Ws(凝灰質(zhì)安山巖、凝灰?guī)r)地層。大部分洞段位于地下水位以下，適合雙護盾掘進機施工。

3 管片類型

為適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，盡量減少混凝土預(yù)制管片的成本，根據(jù)不同圍巖類別和外水情況，設(shè)計了A-1、A、B、C、C-1、C-2、D、E 型等 8 種規(guī)格預(yù)制鋼筋混凝土管片，并按照每種管片不同的使用條件配置不同的鋼筋用量。每種混凝土管片中同類型的鋼筋形式和根數(shù)是一致的，環(huán)向主筋均為Ⅱ級鋼筋，縱向分布筋和構(gòu)造筋均為Ⅰ級鋼筋。詳見圖1、圖2。

圖1 預(yù)制混凝土管片配筋

圖2 預(yù)制混凝土管片拼裝

3.1 不同混凝土管片類型的使用條件和含筋率

A-1型混凝土管片——用于鉆爆法開挖土洞達坂TBM滑行的洞段及Ⅱ類無外水圍巖洞段混凝土管片襯砌，含筋率86.50kg/m3。

A型混凝土管片——用于堅硬巖石的Ⅱ類有外水和Ⅲ類無外水圍巖洞段，含筋率89.93kg/m3。

B型混凝土管片——用于中軟巖石或破碎巖石的Ⅲ類有外水和Ⅳ類無外水圍巖洞段，含筋率104.00kg/m3。

C型混凝土管片——用于V及V1類無外水土洞段和Ⅳ類有外水的圍巖等洞段，含筋率124.57kg/m3。

C-1型混凝土管片——適用于無外水非常不穩(wěn)定的斷層帶和V2類無外水巖土洞段，含筋率139.22kg/m3。

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

D型混凝土管片——用于有外水的煤層、有外水非常不穩(wěn)定斷層帶、有外水非常不穩(wěn)定破碎圍巖洞段和微膨脹巖、有害氣體、有害地下水及土洞有外水水頭小于20m洞段的V、V1類圍巖等軟巖大變形洞段，含筋率193.11kg/m3。

E型混凝土管片——用于有外水斷層帶松散堆積物、泥石流、中強膨脹巖、有外水煤層、放射性及有害氣體超標洞段、有害地下水及外水頭大于20m的土洞段等軟巖大變形洞段，含筋率244.01kg/m3;同時E型也是搶險混凝土管片。

3.2 混凝土管片結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

達坂隧洞最不利情況下，各類圍巖襯砌混凝土管片的內(nèi)力計算結(jié)果見下頁圖3，彎距(左半邊圖形)以內(nèi)側(cè)受拉為正，反之為負，單位kN·m;軸力(右半邊圖形)以拉為正，反之為負，單位kN。

3.3 荷載組合

達坂隧洞荷載由基本荷載和特殊荷載組成?；竞奢d包括圍巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、穩(wěn)定滲流場靜水壓力;特殊荷載包括校核水位時的內(nèi)水壓力、施工荷載、灌漿壓力、溫度應(yīng)力、地震應(yīng)力等。荷載組合見下頁表。

圖3 各類圍巖襯砌混凝土管片內(nèi)力計算結(jié)果

達坂隧洞荷載組合表

4 管片優(yōu)化組合

在新疆達坂隧洞TBM施工過程中，由于實際揭露地質(zhì)與前期勘測地質(zhì)不同，管片實際生產(chǎn)類型數(shù)量與設(shè)計前期要求類型數(shù)量存在較大差異。根據(jù)提出的思路構(gòu)想和設(shè)計單位的復(fù)核演算，提出了以下組合方案。

4.1 地應(yīng)力下B、D交錯拼接組合方案

B、D交錯拼接組合方案，即第一環(huán)頂?shù)坠芷肂型、側(cè)管片用D型，第二環(huán)頂?shù)坠芷肈型、側(cè)管片用B型，以此類推;在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應(yīng)力σsl外其他參數(shù)已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應(yīng)力σsl。通過計算可知:此種工況下，對于B型管片，其可承擔40%的由地應(yīng)力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應(yīng)力σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.185mm＜0.2mm。經(jīng)過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.2 地應(yīng)力下B、D非交錯拼接組合方案

B、D非交錯拼接組合方案，即頂?shù)坠芷坑肂型，側(cè)管片全部用D型;在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應(yīng)力σsl外其他參數(shù)已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應(yīng)力σsl。通過計算可知:在此種工況下，對于B型管片，其可承擔56%的由地應(yīng)力等因素引起的管片壓力，按承擔50%壓力計算，鋼筋的最大拉應(yīng)力 σsl=180.23MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.172mm＜0.2mm。經(jīng)過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.3 地應(yīng)力下A、D交錯拼接組合方案計算成果

A、D交錯拼接組合方案，即第一環(huán)頂?shù)坠芷肁型、側(cè)管片用D型，第二環(huán)頂?shù)坠芷肈型、側(cè)管片用A型，以此類推;在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應(yīng)力σsl外其他參數(shù)已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應(yīng)力σsl。通過計算可知:在此工況下，對于A型管片，其可承擔33%的由地應(yīng)力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應(yīng)力σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.178mm＜0.2mm。經(jīng)過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.4 地應(yīng)力下A、D非交錯拼接組合方案

A、D非交錯拼接組合方案，即頂?shù)坠芷坑肁型，側(cè)管片全部用D型。在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應(yīng)力σsl外其他參數(shù)已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應(yīng)力σsl。通過計算可知:此種工況下，對于A型管片，其可承擔45%的由地應(yīng)力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應(yīng)力σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.178mm＜0.2mm。經(jīng)過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.5 Ⅳ類圍巖，100m埋深自重下A、D交錯拼接組合方案

在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應(yīng)力σsl外，其他參數(shù)已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應(yīng)力σsl。通過計算可知:此種工況下，A型管片可承擔50%的由地應(yīng)力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應(yīng)力σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.178mm＜0.2mm。經(jīng)過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

4.6 Ⅳ類圍巖，150m埋深自重下A、D交錯拼接組合方案

在進行裂縫寬度驗算時，對于已確定了配筋的管片來說，除縱向受拉鋼筋應(yīng)力σsl外，其他參數(shù)已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應(yīng)力σsl。通過計算可知:此種工況下，A型管片可承擔30%的由地應(yīng)力等因素引起的管片壓力，此時求得鋼筋的最大拉應(yīng)力 σsl=193.75MPa，進而求得最大裂縫寬度ωmax=0.178mm ＜0.2mm。經(jīng)過驗算，此種工況下，管片雖然可能會開裂，但裂縫寬度能滿足該工程的限裂要求，管片可以正常工作。

5 結(jié)語

通過組合方案合理性的計算論證，達坂隧洞輕、重管片優(yōu)化組合設(shè)計滿足設(shè)計要求。根據(jù)建立的管片力學模型，通過三維數(shù)值仿真和反饋分析，提出雙護盾TBM采用輕、重管片相結(jié)合的研究方法，并對管片安裝過程中存在的問題進行了詳細的分析，提出了有針對性的管片安裝設(shè)計與施工優(yōu)化組合的措施，成功解決了管片在達板隧洞不同圍巖情況下的施工難題，為管片應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件積累了一定經(jīng)驗，取得了較大的經(jīng)濟和社會效益?！?/p>

［1］ 文镕，李世新，范以田，馬騁，等．達坂巖石隧洞全斷面掘進機(TBM)施工技術(shù)［M］．北京:水利水電出版社，2013．

［2］ 馬騁．TBM施工中管片接縫與錯臺控制措施初探［J］．地下空間與工程學報，2009.5．

［3］ 新疆達坂隧洞方案比選工程地質(zhì)勘察報告［R］．