TBM输水隧洞管片衬砌型式的设计研究与应用

王美斋;董甲甲

【摘 要】我国TBM输水隧洞管片衬砌型式大多采用六边形管片,型式较为单一,很少对管片型式进行深入比选及研究.基于TBM输水隧洞管片衬砌型式工程实例统计与设计实践,对六边形管片、左右通用型管片和平行四边形管片进行了三维建模与对比分析表明:平行四边形管片具有体形简单、止水安装易满足密封要求、管片受力均匀、方便施工等优点,被越来越多的工程所青睐. 【期刊名称】《水电与新能源》 【年(卷),期】2017(000)007 【总页数】3页(P20-22)

【关键词】TBM输水隧洞;六边形;左右通用;平行四边形 【作 者】王美斋;董甲甲

【作者单位】黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003;黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003 【正文语种】中 文 【中图分类】TV5

人多水少、水资源时空分布不均、水供求矛盾突出是我国的基本国情水情。兴建必要的引调水工程，是优化水资源配置战略格局、实现江河湖库水系连通、缓解资源性缺水问题、提高水安全保障能力的重要举措。随着近些年引调水工程建设不断增加，长距离输水隧洞作为引调水工程的一种重要输水型式，存在在施工场地地质条

件复杂、施工量大、施工效率低、风险系数较高等施工难点。采用TBM隧洞掘进管片衬砌技术，可大大提升输水隧洞工程的施工效率和质量。

通过查阅国内外文献，截至目前，国内TBM输水隧洞管片衬砌主要应用于无压输水隧洞，已建掌鸠河供水工程采用有压输水隧洞，承受的内水压力只有14 m；国内在建的兰州水源地工程有压输水隧洞TBM段采用单层管片衬砌，最小埋深约140 m，最大埋深约920 m，岩体最小覆盖厚度110 m，洞线岩性主要为石英片岩、花岗岩、安山岩及砂岩，设计静内水压力75 m，水击压力约25 m。国外有3个有压输水隧洞项目采用TBM施工混凝土管片衬砌，其中老挝Theun Hinboun Expansion 项目输水隧洞采用六块平行四边形混凝土管片衬砌，设计静内水压力90 m，水击压力为25 m，在水击压力作用下，管片接缝张开度为0.96 mm。

国内外已建输水隧洞管片衬砌的工程实例详见表1。

TBM输水隧洞管片(见图1)型式主要有六边形管片(又称蜂窝型管片)、左右通用型管片、平行四边形管片等三种型式。 2.1 六边形管片

六边形管片(见图1)又称蜂窝型管片，管片的形状为菱形六边形，每环通常由4片管片，管片纵向接触面为半球形，整环相互咬合拼装而成，每个管片在整个衬砌环中的位置相对固定；管片环与环之间通过纵向连接销连接，前后管片各嵌入1/2，在拼装过程中兼有导向作用。这种。我国引大入秦工程、万家寨引黄工程、引洮供水一期工程、引大济湟工程、八十一大坂引水隧洞等工程均采用了这种管片衬砌型式。

2.2 左右通用型管片

左右通用型管片(见图2)为通用型管片的一种，通用型管片就是所有的管片环形式只有一种，形状一般为矩形四边形，每环各片管片纵轴线长度不一致，在安装过程

中，通过调整每环中各管片的相对位置，从而实现直线段、曲线段衬砌。为保证封顶块位于整环的上半部，方便施工安装，管片衬砌受力有利，将管片分为左环和右环楔形管片，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。管片环通常由5+1或者6+1块组成，1块封顶块，2块相邻块，其余为标准块，块与块之间采用螺栓连接，环与环之间采用纵向连接销或螺栓连接。采用左右通用型管片衬砌的工程有掌鸠河供水工程、厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞。 每环管片的楔形量(见图3)由输水隧洞的最小转弯半径确定，可根据以下公式计算。 式中：θ为转弯环的偏转角，弧度；δ为转弯环的最大楔形量的一半，m；D为管片直径，m；R为曲线半径，m；L为1环管片的平均宽度，m。 2.3 平行四边形管片

顾名思义，平行四边形管片(见图4)形状为平行四边形，每环通常由4片或6片管片，每个管片所包含的角度基本相同，在整个衬砌环中的位置相对固定，体型相对简单，安装完成后的纵缝相互错开，有利于衬砌受力。块与块之间采用螺栓连接，环与环之间采用纵向连接销或螺栓连接。最近老挝已建Theun Hinboun Expansion 水电站输水隧洞和在建的兰州水源地建设工程输水隧洞均采用了平行四边形管片衬砌。 2.4 管片型式比较

自我国引大入秦工程首次采用六边形管片衬砌以来，尽管六边形管片的细部后续已建的众多TBM输水隧洞都基本上沿用了引大入秦的管片型式，只是在一些细部进行了改善，比如纵向导向棒优化为球形接触面、取消环形螺栓等。随着平行四边形管片衬砌在老挝已建Theun Hinboun Expansion 水电站输水隧洞和在建的兰州水源地建设工程输水隧洞工程中的采用，以及左右通用型管片衬砌在掌鸠河供水工程、厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞中的成功实践，TBM输水隧洞管片衬砌型式得

以丰富和发展。由于管片的形状不同，使得管片在细部构造、衬砌环受力、施工安装方便性等方面存在一定的差异，主要表现为以下几个方面。

1)平行四边形、左右通用型管片外形相对简单，止水安装较易满足密封要求。四边形管片间纵向接缝是一个管片与一个管片相接，采取适当措施即可保证其相对均匀受力。而六边形管片相互交错咬合，环向传力方式是一个管片向相接的两个管片传力，由于制造及安装上存在一定误差，即使采取措施也难以保证相邻两管片同时均匀受力，管片上易产生较大的集中应力。

2)左右环通用型管片可在环宽方向设计一定的楔形量，通过调整各管片的相对位置，方便地在隧洞掘进过程中转弯和纠偏。

3)平行四边形管片与六边形管片的位置相对固定，避免纵向通缝发生，可在底管片布置施工轨道平台、垫座，方便施工期运输轨道布置、施工期排水、底部水泥砂浆回填等；尽管位置固定，但没有产生通缝，至于转弯或纠偏可通过异型管片、环缝布置垫片、或在环缝布置不同厚度的止水实现。

六边形管片、左右通用型管片和平行四边形三种管片型式，主要的区别在于管片的形状不同，从而使得管片在细部构造、衬砌环受力、施工安装方便性等方面存在一定的差异。平行四边形管片一方面具有矩形四边形管片体形简单、止水安装较易满足密封要求、管片受力均匀的优点；另一方面，具有六边形管片位置相对固定，避免通缝发生，方便施工期运输轨道布置、施工期排水、底部水泥砂浆回填、施工效率高等优点，近些年来平行四边形管片衬砌已成为国内外TBM输水隧洞的首选潮流。