CCS電站輸水隧洞TBM管片結構設計與生產

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

隨著中國水電行業技術的進步，中國水電設計和施工企業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電，電站總裝機容量1500 MW，安裝8臺沖擊式水輪機組，年發電量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地區，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區，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，但是區域內的構造運動導致斷層相對發育，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區，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）圍巖穩定性差。隧洞沿程斷層發育，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，兩種型式采用統一的外觀尺寸，只在配筋量上加以區分，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h條規定[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規范和ACI318規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標準規定，與管片相同的養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護的方法保證，管片進行蒸汽養護時，必須嚴格控制好蒸汽養護的時間、最高溫度、溫升速度、溫降速度及蒸養間的濕度。為了保證管片的蒸養質量和效率，蒸養間用門簾隔成3個獨立的蒸養區，即升溫區、恒溫區和降溫區。

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、恒溫區和降溫區。為防止溫度上升過快導致混凝土出現質量缺陷，溫升區的溫度上升速度應控制在15 ℃/h以內，溫升區的養護時間為3-4 h：混凝土在恒溫區的養護時間不得少于2h.恒溫區的溫度應控制在60 - 70℃，相對濕度大于等于90%：進入溫降區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]，因此溫降區的溫降速度應小于20℃/h。模板拆除后，管片的溫度與環境溫度盡量接近。各溫度區域均布設有溫度和濕度監測裝置，每0.5h監測一次。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，脫模后還要灑水養護4d，其間每小時灑水一次。管片在室內養護結束后，堆放到管片堆放區，自然養護7-14 d。

3.3 管片出廠驗收

按照合同要求和美國ASTM規范，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（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，管片內表面的不規則程度為1.5 m內不超過1 mm，如檢查發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環作一組拼裝檢查，每組三環。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：環向縫間隙小于2 mm，每環布置3個測點：管片成環后內徑和管片成環后外徑的誤差小于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，再到混凝土養護各個環節的質量管控體系。

（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.

[2] 惠世前，金長文.CCS水電站大斷面長隧洞雙護盾TBM掘進技術[J].云南水力發電，2014，30（5）：78-81.

[3]王美齋，肖豫，陳曉年，等，厄瓜多爾CCS水電站TBM引水隧洞左右通用型管片的設計與實踐[J].資源環境與工程，2017，31（5）：606-609.

[4] 王美齋，董甲甲.TBM輸水隧洞管片襯砌型式的設計研究與應用[J].水電與新能源，2017（7）：20-22.

[5]

ACI Committee 318. Building Code Requirements for Struc-tural Concrete and Commentary： ACI 318-08[S].Michigan：American Concrete Institute， 2008：66-71.

[6] 孫波，傅鶴林，張加兵.基于修正慣用法的水下盾構管片的內力分析[J].鐵道科學與工程學報，2016，13（5）：929-937.

[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】