楊軍義　陳丹　劉新云　董甲甲

摘要：對厄瓜多爾CCS水電站輸水隧洞工程TBM管片的設計和生產過程進行總結，首先根據工程地質情況，綜合考慮洞徑、受力特征和施工難易程度對管片進行了選型;然后參照美國規(guī)范推薦的修正慣用法，采用有限元分析軟件ANSYS對管片進行了結構受力分析和配筋計算;最后根據管片混凝土澆筑和養(yǎng)護過程的各種工藝，制定了管片生產全過程的技術要求及出廠驗收技術標準。通過分析明確了管片選型的方法和結構的受力特征，總結了管片混凝土原材料檢驗、混凝土配制、混凝土振搗、混凝土養(yǎng)護和管片出廠檢驗等技術標準。

關鍵詞：TBM;管片;選型;設計;生產;CCS水電站

中圖分類號：TV672

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.022

隨著中國水電行業(yè)技術的進步，中國水電設計和施工企業(yè)承接的國外項目越來越多。這些國外水電工程主要分布在亞、非、拉和南美洲，所在國家科學技術水平相對較低，往往沒有自己國家的技術標準，一般采用歐美標準。全斷面隧道掘進（TBM）技術在1956年由美國工程師研制成功，此后在隧洞工程中得到了大量使用，國外許多著名的大工程都采用了該技術[1]，例如英吉利海峽隧道工程、瑞士費爾艾那鐵路隧道、日本的東京灣高速公路工程、南非的萊索托水工隧洞工程等。中國在20世紀90年代初從國外引進該技術及裝備，先后應用于甘肅省引大人秦工程、山西省引黃人晉工程、西康鐵路秦嶺隧道、遼寧省大伙房輸水隧洞、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、陜西省引漢濟渭工程輸水隧洞等。近30 a的使用過程中，我國設計和施工企業(yè)逐步掌握并豐富和完善了TBM技術中設備制造、線路選擇、管片設計等關鍵技術。本文以厄瓜多爾COCACODO SINCLAIR（簡稱CCS）水利樞紐工程為例，詳細介紹TBM管片設計和生產過程中一些關鍵問題。

CCS水電站工程主要任務為發(fā)電，電站總裝機容量1500 MW，安裝8臺沖擊式水輪機組，年發(fā)電量88億kW.h。CCS水電站主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道和地下廠房等。輸水隧洞全長24.8 kM.隧洞內徑8.2 m，除部分洞段采用鉆爆掘進施工外，其余洞段由兩臺TBM設備同時從兩側向中間掘進。TBM施工段采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌厚度0.3 m。

1 工程地質條件

工程處于地震和火山活動多發(fā)地區(qū)，地質條件比較復雜，輸水隧洞沿程斷層多達25條，TBM段隧洞圍巖以Ⅲ類和Ⅳ類為主，并且存在以下工程地質問題[2]。

（1）高地應力。隧洞沿線處于地震多發(fā)區(qū)，構造運動相對頻繁，地震在一定層面上對地應力的釋放有利，但是區(qū)域內的構造運動導致斷層相對發(fā)育，巖石以堅硬較脆的侵入巖和火山巖為主，容易產生地應力聚集。

（2）高地溫。工程處于火山活動多發(fā)區(qū)，地下巖漿活動比較劇烈。

（3）高地下水位。隧洞埋深較大，最大埋深大于700 m，一般埋深為300 - 600 m，地下水主要以雨水沿山體裂隙下滲為主，因此地下水位隨時間和空間變化較大。

（4）圍巖穩(wěn)定性差。隧洞沿程斷層發(fā)育，巖石較為破碎，加之高地應力和高地下水位的作用，圍巖穩(wěn)定性相對較差。

2 TBM管片結構設計

2.1 管片的選型

輸水隧洞管片的形狀主要有平行四邊形、左右通用矩形、六邊形三種（管片襯砌環(huán)分別見圖1-圖3），采用平行四邊形管片的工程有老撾Theun HinbounExpansion項目等，采用左右通用矩形管片的工程有掌鳩河供水工程等，采用六邊形管片的工程有引大人秦調水工程、伊犁河81大坂隧洞、萬家寨引黃工程、引大濟湟工程等。不同形狀的管片在結構、受力形式和施工難易程度等方面存在以下不同[3-4]：①平行四邊形、左右通用矩形管片外形簡單，環(huán)間縫面垂直軸線，縱向縫面為直線，相比于六邊形管片，便于縫面之間止水安裝。②與左右通用矩形管片和平行四邊形管片相比，六邊形管片各類螺栓孔布置較少，這有利于管片混凝土立模和澆筑，簡化了管片的拼裝。③矩形管片間縱向接縫平行于隧洞軸線，使得管片之間傳力方式明確且受力均勻，而六邊形管片相互交錯咬合，管片間環(huán)向傳力需要一個管片向與其相接的兩個管片分配，并且存在尖角，容易產生應力集中。④相較于六邊形管片，楔形塊的存在使得左右通用矩形管片可以通過環(huán)寬方向調整相應的楔形塊形狀，輕松地實現轉彎和糾偏。⑤相較于左右通用矩形管片，六邊形管片和平行四邊形管片每環(huán)的位置確定不用通過調整管片位置避免通縫，有利于布置軌道平臺、施工期排水溝和墊座。

鑒于左右通用矩形管片應用較成熟，且可在環(huán)寬方向設計一定的楔形量，通過調整各管片的相對位置，方便地在隧洞掘進過程中轉彎和糾偏。該工程管片形狀采用左右通用矩形管片，每環(huán)有A、B、C、D、E、F、G（楔形塊）共7塊管片組成，管片厚度為30 cm，管片沿隧洞方向寬度為180 cm。管片型式采用B、D兩種，兩種型式采用統(tǒng)一的外觀尺寸，只在配筋量上加以區(qū)分，根據隧洞斷面位置揭露的圍巖類型確定管片，當圍巖為I、Ⅱ、Ⅲ類時采用B型管片襯砌，當圍巖為Ⅳ、V類時采用D型管片襯砌。

2.2 管片的結構計算

根據美國規(guī)范.TBM管片計算采用修正慣用法[5-6]。根據輸水隧洞的施工過程及運行條件，分別考慮施工期軌道運輸、完建期、無壓運行期、有壓運行期、地震5種工況，各工況荷載組合見表1。其中根據《Tunnels and Shafts in Rock》（ EMII10-2-2901）中9-1節(jié)h條規(guī)定[7]，在有效排水情況下，外水壓力水頭取0.25倍總水頭與3倍洞徑的小者，即在完建期、無壓運行期按27.3 m外水壓力水頭考慮，有壓運行期按沒有外水壓力考慮。

采用大型通用有限元計算程序ANSYS進行管片內力計算，該軟件可用于平面、三維、桿系等的內力計算分析。按隧洞受力特點，襯砌采用二維梁單元模擬;為充分反映地層與結構之間的相互作用，地層約束以彈性鏈桿模擬（只能傳遞法向壓力，不能傳遞法向拉力和切向剪力），其剛度根據地基彈性抗力系數及襯砌單元包含的地基面積確定。計算模型節(jié)點總數為292個，襯砌單元146個，地基抗力單元153個，模型見圖4。

以Ⅲ類圍巖典型斷面為例，其最大內力計算結果見表2，有壓運行工況內力云圖見圖5-圖7。

3 混凝土管片生產過程控制

在管片生產過程中，需要根據設計圖紙、規(guī)范及現場設備對各工序進行合理管控，以確保生產成型后的管片質量滿足工程要求，生產進度滿足合同要求。TBM管片的生產過程如圖8所示。

3.1 拌制和澆筑質量控制

為了保證管片混凝土的澆筑質量，必須根據ASTM規(guī)范和ACI318規(guī)范控制管片澆筑過程中的各工序。管片混凝土拌制過程中，根據ACI318規(guī)范和合同中的技術要求，必須將水、水泥和外加劑的稱重誤差控制在1%以下，骨料的稱重誤差控制在2%以下。制備好的混凝土人模前需要對其溫度、含氣量和塌落度進行檢驗，脫模后需要檢查混凝土的脫模強度及7d、14 d、28 d、90 d強度。為了取得良好的澆筑質量，通過大量前期試驗，拌和好的混凝土塌落度控制在70-90 mm?；炷翝仓r，采用氣動振搗器進行振搗，為了取得較好的澆筑質量，并且控制管片表面的氣泡，需安裝壓力表.實時監(jiān)控振搗過程中的風壓力，形成標準的混凝土振搗過程。管片的標準塊和楔形塊的振搗標準見表3。

3.2 混凝土養(yǎng)護質量控制

管片的脫模強度為生產過程中重要的質量指標，根據ACI318標準規(guī)定，與管片相同的養(yǎng)護條件下混凝土試塊的抗壓強度不得小于12 MPa。而管片的脫模強度主要由蒸汽養(yǎng)護的方法保證，管片進行蒸汽養(yǎng)護時，必須嚴格控制好蒸汽養(yǎng)護的時間、最高溫度、溫升速度、溫降速度及蒸養(yǎng)間的濕度。為了保證管片的蒸養(yǎng)質量和效率，蒸養(yǎng)間用門簾隔成3個獨立的蒸養(yǎng)區(qū)，即升溫區(qū)、恒溫區(qū)和降溫區(qū)。

管片混凝土澆筑人模后，首先靜置1-4 h，然后待混凝土初凝后，依次將其放置于升溫區(qū)、恒溫區(qū)和降溫區(qū)。為防止溫度上升過快導致混凝土出現質量缺陷，溫升區(qū)的溫度上升速度應控制在15 ℃/h以內，溫升區(qū)的養(yǎng)護時間為3-4 h：混凝土在恒溫區(qū)的養(yǎng)護時間不得少于2h.恒溫區(qū)的溫度應控制在60 - 70℃，相對濕度大于等于90%：進入溫降區(qū)后混凝土的彈性模量已經較大，此時劇烈的溫降會產生較大的溫度拉應力，導致混凝土開裂[8]，因此溫降區(qū)的溫降速度應小于20℃/h。模板拆除后，管片的溫度與環(huán)境溫度盡量接近。各溫度區(qū)域均布設有溫度和濕度監(jiān)測裝置，每0.5h監(jiān)測一次。模板拆除后，將管片按照編號和型號進行分堆堆放，每環(huán)管片分兩堆，一堆4塊、另一堆3塊。同時為保證管片的強度達到設計要求，脫模后還要灑水養(yǎng)護4d，其間每小時灑水一次。管片在室內養(yǎng)護結束后，堆放到管片堆放區(qū)，自然養(yǎng)護7-14 d。

3.3 管片出廠驗收

按照合同要求和美國ASTM規(guī)范，管片在投入使用前需要首先進行混凝土強度檢查，只有滿足強度的混凝土管片才能由后方工廠運送到現場使用。

其次，進行管片外觀質量檢查，管片的外表面必須平整光滑，各預留孔洞、預留槽及預埋件都不能有損壞，表面的蜂窩、麻面、孔洞、掉塊、裂縫等質量缺陷均處理完畢檢查合格后才能使用。

再次，進行管片尺寸檢查，每100環(huán)（700塊管片，600個標準塊，100個楔形塊）抽出一組進行尺寸檢查。成型后實際的管片尺寸與圖紙尺寸的偏差應該小于3 mm，管片內表面的不規(guī)則程度為1.5 m內不超過1 mm，如檢查發(fā)現管片存在較大的尺寸偏差，需要根據要求處理合格后方可投入使用。

最后，進行拼裝檢查，一般情況下生產出的管片每200環(huán)作一組拼裝檢查，每組三環(huán)。拼裝檢查的主要項目允許誤差如下：縱向縫間隙小于2 mm，每條縫面布置3個測點：環(huán)向縫間隙小于2 mm，每環(huán)布置3個測點：管片成環(huán)后內徑和管片成環(huán)后外徑的誤差小于10 mm，每組測4次。

4 結語

管片的設計與生產是TBM設計與施工過程中的重要工作，通過對CCS水利樞紐中TBM管片設計和生產過程的總結，有以下幾點認識：

（1）采用ANSYS軟件按照美國規(guī)范推薦使用的修正慣用法進行管片受力分析，能夠很好地計算出管片的受力情況。參照美國規(guī)范進行配筋計算，為其他TBM工程結構設計提供參考。

（2）科學合理的管片生產過程是決定工程成敗的關鍵之一，為了保證管片的質量，必須建立從原材料到混凝土制備，再到混凝土養(yǎng)護各個環(huán)節(jié)的質量管控體系。

（3）管片的出廠檢驗是控制管片質量的“最后一道防線”，嚴格執(zhí)行出廠檢驗的各項技術標準，才能保證設計和生產出合格的管片。

參考文獻：

[1] 楊繼華，景來紅，李清波，等.TBM施工隧洞工程地質研究與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2018：9-15.

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[7] US Army Corps of Engineers. Tunnels and Shafts in Rock：EMIIIO -2 - 2901[S].Washington： Department of theArmy，1997：1-9.

[8] 蘇華友，汪家林。TBM施工中的質量控制與管理[J].巖石力學與工程學報，2004（11）：1930-1934.

【責任編輯張華巖】