黃土隧道馬蹄形敞開式盾構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

董艷萍，毛晴松，呂 旦

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 045416）

國內(nèi)、外山嶺鐵路隧道大多為馬蹄形斷面，且多采用礦山法施工，但此工法施工速度慢、安全度較低。為了使城市地鐵盾構(gòu)技術(shù)在山嶺鐵路隧領(lǐng)域得到拓展，浩吉鐵路白城隧道在國內(nèi)首次使用了馬蹄形土壓平衡盾構(gòu)施工，隧道順利貫通的同時，其月平均施工進(jìn)度達(dá)203m；然而，該隧道采用預(yù)制鋼筋混凝土管片為襯砌手段，相對于統(tǒng)礦山法（噴錨初支+二襯）修建成本顯然偏高，造成市場推廣難度大。國內(nèi)有許多基于配式襯砌的鐵路隧道研究[1-3]。以現(xiàn)有鐵路隧道施工預(yù)算定額為基準(zhǔn)，探索出同礦山法隧道綜合造價接近或高出比例≤15%的盾構(gòu)法施作設(shè)備及工法，更加符合我國國情需要。本文將以國內(nèi)中西部黃土隧道為對象，從襯砌設(shè)計(jì)和施工機(jī)械相結(jié)合的角度，研究低成本的敞開式馬蹄形隧道施工設(shè)備及工藝，同時提隧道施工機(jī)械化、智能化水平及施工效率。

敞開式盾構(gòu)施工技術(shù)國外已發(fā)展多年，國外知名盾構(gòu)廠商主要有德國海瑞克公司、日本小松、川崎、三菱公司、加拿大洛瓦特公司等，根據(jù)掌子面尺寸設(shè)定臺階施作，襯砌為可裝配預(yù)制混凝土管片，且有許多成功施工案例[4]，如日本東京相模縱貫川尻隧道（2011 年）、德國都柏林港口隧道（2003 年）、澳大利亞墨爾本市西部干道-矩形聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目（2023 年），國內(nèi)莆田火車站南北廣場東西兩側(cè)地下通道項(xiàng)目（2022 年）等。

1 黃土隧道的工程概況

銀西鐵路甘寧段上閣村隧道為馬蹄形雙線高鐵隧道，位于黃土梁塬溝壑區(qū)，隧址洞外無水的陡坡能長期穩(wěn)定，洞身地層為黏質(zhì)黃土Q3eol3，局部有姜石，最大埋深102m，地下水位埋深約50～70m；隧道采用三臺階法施工，開挖斷面最大164m2；襯砌類型為Ve 型和Vd 型，初支厚度27～30cm，拱架榀間距為0.8，采用C35 砼，二襯厚度50～60cm，環(huán)向設(shè)置中埋式橡膠止水帶+背貼式橡膠止水帶。施工現(xiàn)場水氣較大，當(dāng)開挖掌子面1～2h 后地下水即從臺階面滲出，臺階開始出現(xiàn)層狀剝離現(xiàn)象，隧道臺階面泥濘不堪，人工立拱勞動強(qiáng)度大；該隧道平均施工進(jìn)度僅為每月30～60m，機(jī)械化程度低。類似地質(zhì)情況有西延高鐵洛川隧道、焦洛平高鐵邙山隧道等，它們掌子面均有一定的穩(wěn)定性，且開挖斷面較大，并按照礦山法的造價給出的預(yù)算。

2 盾構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1）掌子面的穩(wěn)定性問題 盡管黃土有自穩(wěn)定的特性，為預(yù)防掌子面有突泥突水的情況發(fā)生，盾構(gòu)仍借鑒三臺階七步開挖法的思想，將掌子面分割成兩臺階，并配置插刀、可折疊擋土板及相應(yīng)輔助修邊功能。

2）初支施工組織的有效性問題 與單工序的礦山法施作不同，盾體為整體推進(jìn)，待支護(hù)區(qū)從尾盾露出，安裝每一榀拱架時，待支護(hù)區(qū)會因裸露局部坍塌或掉落進(jìn)而影響立拱作業(yè)。依據(jù)新奧法的襯砌理念-少擾動、早噴錨、快封閉、勤測量的原則，盾構(gòu)需配置立拱、掛網(wǎng)、錨固、噴漿等作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，空間布局精簡、工序合理，且充分考慮人員操作的便捷性和安全。

3）盾構(gòu)可靠推力的來源問題 上閣村隧道埋深以60m 計(jì)，重度19kN／m3，內(nèi)摩擦角24°，靜止側(cè)壓力系數(shù)0.5；經(jīng)分析盾體結(jié)構(gòu)承受載荷分別為：計(jì)算塌落拱頂高度為24.6m，垂直壓力洞頂P1=467kPa，洞底P2=695kPa，水平壓力洞頂P3=234kPa，洞底P4=348kPa（圖1)。盾體長度以12m計(jì)，摩擦系數(shù)取μ=0.3，綜合盾體摩擦阻力、迎面阻力、調(diào)向能力和安全系數(shù)等因素，盾構(gòu)推力需求>6 500t。若不采用全載荷預(yù)制混凝土管片，盾構(gòu)獲得可靠的推力來源十分困難，這也是最棘手的矛盾。

圖1 盾體周圍載荷分布

4）原礦山法襯砌斷面的多樣性問題 現(xiàn)有敞開式TBM 變徑技術(shù)十分成熟但變徑尺寸范圍有限，難以適應(yīng)黃土隧道斷面大變徑的范圍，那么只能以黃土隧道最大斷面為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

5）盾構(gòu)法工程造價大于原礦山法造價的問題 應(yīng)對策略就是降低設(shè)備成本、減少人員數(shù)量、提高施工效率進(jìn)而減少工期等。

3 推力來源的研究

筆者多次咨詢黃土隧道施工方面的專家，為獲取可靠且充足的反推力，從以下幾個技術(shù)路徑來論證研究。

3.1 利用類撐靴結(jié)構(gòu)與土體產(chǎn)生摩擦力

盾體可分為前盾、中盾、尾盾，利用可伸縮盾殼板與隧道開挖內(nèi)環(huán)面緊貼產(chǎn)生的摩擦力為盾構(gòu)提供推力（圖2)。中盾和尾盾均設(shè)有6 個大面積環(huán)形撐靴，以周圍土體承載力150kPa 計(jì)，撐靴系統(tǒng)長度>37m，鋼結(jié)構(gòu)過于龐大，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成本、圍巖載荷變形及摩擦力穩(wěn)定性等方面考慮，該方案不可取。

圖2 類撐靴結(jié)構(gòu)

3.2 利用噴錨初期支護(hù)來提供推力

噴錨初期支護(hù)施作要求通常是24h 內(nèi)強(qiáng)度不小于10MPa，過長的等強(qiáng)時間影響推進(jìn)系統(tǒng)的效率，且其強(qiáng)度不穩(wěn)定，為盾構(gòu)提供的推進(jìn)力較少；若使用型鋼管片+模筑的方法，每環(huán)型鋼管片確實(shí)能為盾構(gòu)提供足夠的推進(jìn)力，但其用鋼量較大會造成隧道修建費(fèi)用較高，在軟巖大變形隧道中有應(yīng)用，但在黃土隧道的應(yīng)用是罕見的。

3.3 利用類擠壓混凝土結(jié)構(gòu)（ECL工法）

在盾構(gòu)尾部設(shè)計(jì)有可拆卸內(nèi)模板，將可移動封堵板、內(nèi)模板、尾盾殼、上一環(huán)凝固砼之間形成密閉空間，然后植入鋼筋和注入混凝土，進(jìn)而成為初支；并利用混凝土與內(nèi)模板之間的黏結(jié)力／摩擦力來為盾構(gòu)提供前進(jìn)動力（圖3）。其優(yōu)勢在于初支質(zhì)量好、無回彈、減少混凝土用量，不振搗、密實(shí)度應(yīng)高于濕噴工藝，可為盾構(gòu)提供足夠推力；其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、質(zhì)量控制不穩(wěn)定，該工法至今已有30 年，但國內(nèi)的推廣應(yīng)用仍不理想，故避開此技術(shù)路線。

圖3 擠壓混凝土工藝

3.4 利用仰拱來提供推力

在隧道經(jīng)過立拱噴錨工藝完成初支后，在仰拱回填施作中，利用齒狀模板與仰拱回填區(qū)域間的黏著力為盾構(gòu)帶來反推力[5]（圖4）。其優(yōu)勢在于推力來源充足且穩(wěn)定，混凝土用量穩(wěn)定，齒狀模板可以循環(huán)使用；缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，脫模不易，推進(jìn)力到主機(jī)上傳導(dǎo)有點(diǎn)偏差。

圖4 齒狀模板

3.5 利用全載荷預(yù)制管片來提供推力

全載荷預(yù)制管片襯砌技術(shù)十分成熟，對圍巖載荷受力良好且機(jī)械化拼裝效率高，提供推力充足，但缺點(diǎn)為隧道建造成本大幅上升。

通過5 種技術(shù)路徑的分析，推力來源排除利用類撐靴結(jié)構(gòu)、噴錨初支、型鋼管片、ECL 工法之后，利用仰拱或預(yù)制管片來提供推力為研究方向。

4 盾構(gòu)主機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

4.1 方案一

馬蹄形敞開式盾構(gòu)主機(jī)由前盾、中盾、大梁組成，經(jīng)分析將掌子面分割成兩部分，上臺階高度可以設(shè)定為0.54 倍的總高度[6]，上下掌子面均為敞開模式配置有2 臺挖掘臂，利于減少推力需求，前盾上部配置有拱頂插刀和可折疊擋板，前盾中部配置有中層插刀，可強(qiáng)制分割兩個面（圖5）。

圖5 機(jī)械化初支系統(tǒng)

初支、仰拱二襯、后配套和推進(jìn)等系統(tǒng)均依附在大梁上，中盾和大梁固接，大梁長度約為40m，按照功能劃分有初支區(qū)、仰拱現(xiàn)澆區(qū)、等強(qiáng)保養(yǎng)區(qū)、推進(jìn)作用區(qū)、補(bǔ)充作業(yè)區(qū)等5 個區(qū)域，在初支區(qū)配置馬蹄形拱架安裝機(jī)、錨桿鉆機(jī)、噴漿機(jī)械手、綜合護(hù)欄等設(shè)備，仰拱現(xiàn)澆區(qū)配置移動模板、振搗、混凝土噴頭、鋼筋籠吊機(jī)等設(shè)施作仰拱的二襯和回填，等強(qiáng)保養(yǎng)區(qū)設(shè)有3套齒狀模板和仰拱回填區(qū)域相接觸，補(bǔ)充作業(yè)區(qū)配置有脫模設(shè)備、填平、其他配套設(shè)備等。推進(jìn)作用區(qū)的推進(jìn)油缸一端鉸接在大梁上，另一端鉸接在混凝土齒狀模板上，齒狀模板隨仰拱回填施作時一同澆筑（兩者之間預(yù)先涂抹有脫模劑）。為使齒狀模板傳遞給混凝土的壓力均勻，增大仰拱作用區(qū)域的面積，橫向和縱向設(shè)置有多個插入齒；當(dāng)混凝土受到的壓力平均為4.5MPa 時，總計(jì)可產(chǎn)生支反力約7 200t。

由仰拱回填區(qū)為盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)提供反力的施工方法，步驟如下（圖6）：①將多組齒狀模板底部與回填仰拱區(qū)共同澆筑在一起（第4 天）；②將銷軸安裝在齒狀模板上的卡槽中，連接推進(jìn)油缸，將其他部件調(diào)試至工作狀態(tài)；③盾構(gòu)掘進(jìn)時，推進(jìn)油缸伸出，在銷軸和齒狀模板的配合作用下（第7 天），實(shí)現(xiàn)盾體的向前移動；④隨著盾構(gòu)的前行，當(dāng)最后排的齒狀模板脫離主梁時，用吊機(jī)進(jìn)行脫模和轉(zhuǎn)運(yùn)；⑤重復(fù)步驟①～④，直至完成整個隧道的開挖。在步驟③中，推進(jìn)油缸收縮，銷軸可變化不同的卡槽中，然后再伸出，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的換步。

圖6 步進(jìn)施工工序

4.2 方案二

盾構(gòu)主機(jī)由前盾、中盾、移動臺架組成，跟方案一有所不同，開挖系統(tǒng)上部掌子面敞開并配置2臺挖掘臂，且設(shè)有拱頂插刀和可折疊擋板，而下部采用相互嚙合的多刀盤開挖（圖7），以適應(yīng)黃土地質(zhì)不穩(wěn)定的突發(fā)情況。施工時，先開挖上部掌子面土體，然后主機(jī)帶動刀盤向前推進(jìn)一環(huán)距離，插刀順勢回縮，被切削掉的土隨輸送機(jī)連續(xù)排出。

圖7 整機(jī)概念圖二

隧道襯砌方面：上部拱頂為噴錨初支并采用機(jī)械化施工，下斷面采用可裝配預(yù)制仰拱（圖8），并配置專用管片拼裝機(jī)，以保證施工效率。初支外輪廓與原礦山法復(fù)合式襯砌方案完全一致；預(yù)制仰管片拱厚度和Ve 型襯砌保持一致，仰拱處二襯厚度不變；預(yù)制仰拱管片分為4 塊，錯縫拼接，接縫位置避開受力較大處，并預(yù)留吊裝孔、錨桿孔、注漿孔；上下兩種襯砌交界處預(yù)埋15mm 厚通長鋼板，在上部型鋼鋼架端頭與通長鋼板現(xiàn)場焊接。相應(yīng)的，推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)嵌在中盾內(nèi)，其下部環(huán)向布置數(shù)根推進(jìn)油缸，其上部環(huán)向布置數(shù)根輔助推進(jìn)油缸，以滿足盾構(gòu)推進(jìn)和調(diào)向需求。

圖8 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對比圖

4.3 方案三

通過查詢國外相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)鐵路隧道采用TBM 施工時，有用預(yù)制裝配式初期支護(hù)+二襯的施工案例，如瑞士New Bozberg Tunnel 項(xiàng)目，采用?12.36m 的單護(hù)盾TBM 掘進(jìn)2 503m；奧地利Perschling Tunnel 項(xiàng)目，采用?12.98m 的單護(hù)盾TBM 掘進(jìn)6 353m 等。考慮到預(yù)制初期支護(hù)較全載荷管片結(jié)構(gòu)有成本優(yōu)勢，故新方案由此誕生。

預(yù)制初期支護(hù)為國內(nèi)新型預(yù)制裝配式支護(hù)方案[7]，其結(jié)構(gòu)采用C30 噴射混凝土，壁厚0.3m（全載荷預(yù)制管片壁厚估計(jì)為0.7m），環(huán)寬為1.5m，分塊方案為7+1 快模式（圖9）。管片分塊盡量避開彎矩較大處，設(shè)預(yù)制初期支護(hù)采用錯縫拼裝方式，采用奇偶環(huán)實(shí)現(xiàn)錯縫拼裝；管片間采用彎螺栓形式連接，為使管節(jié)接頭位置有一定有變形空間，減小剪切破壞的情況，暫不設(shè)置凹凸榫。

圖9 預(yù)制初期支護(hù)奇數(shù)環(huán)分塊方案

為了驗(yàn)證可行性，CREG 于2020 年12 月在北京開展了預(yù)制初期支護(hù)力學(xué)性能試驗(yàn)，這次試驗(yàn)包括預(yù)制裝配式和噴射混凝土初期支護(hù)結(jié)構(gòu)兩組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)論如下：①兩種結(jié)構(gòu)形式均能完成規(guī)范計(jì)算荷載下的安全功能；②前者承載能力約是后者的2.1 倍；③在同等荷載下，兩者的變形能力基本相當(dāng)，且均允許一定變形，能夠較好地釋放圍巖應(yīng)力，發(fā)揮圍巖自承作用；④對比試驗(yàn)結(jié)果，前者的綜合優(yōu)勢更為明顯[8]。

基于以上試驗(yàn)成果，盾構(gòu)主機(jī)的設(shè)計(jì)就水到渠成了。開挖系統(tǒng)和出渣方式同前述方案二一致，新主機(jī)配置管片拼裝機(jī)，該技術(shù)已經(jīng)在白城隧道中得到成功的應(yīng)用，它擁有鎖緊、升降、平移、回轉(zhuǎn)、仰俯、橫搖和偏轉(zhuǎn)等7 種動作，并采用電液柔性補(bǔ)償控制技術(shù)[9]，施工人員操作簡單，設(shè)備反應(yīng)靈敏，圖10 為預(yù)制初期支護(hù)的拼裝流程。該盾構(gòu)的其他系統(tǒng)配置與方案二相似。

圖10 拼裝流程

4.4 綜合比較

為衡量上述3 種盾構(gòu)主機(jī)方案優(yōu)缺點(diǎn)，單條隧道長度以3km 計(jì)，進(jìn)行施工效率、人員需求、綜合造價（含設(shè)備費(fèi)用、管片場費(fèi)用、模具、其他臨建費(fèi)用等）的比較，詳見表1[10]。

表1 三種方案的綜合比較

5 結(jié)論及建議

1）馬蹄形敞開式盾構(gòu)方案一、二、三設(shè)備造價比同級別土壓平衡盾構(gòu)要低，且前者對應(yīng)的隧道綜合造價比后者低25%或更多，具有良好的研究價值。

2）方案一中盾體獲取推力充足，步履式前進(jìn)，施工效率受到施工組織的影響較大，后期可開發(fā)智能化更高的仰拱澆筑系統(tǒng)，施工效率上相對于礦山法優(yōu)勢不明顯。方案二是綜合產(chǎn)物，盾構(gòu)以下斷面預(yù)制仰拱為推力來源，應(yīng)對掌子面迎面阻力上小下大的分布規(guī)律，但推力不均勻；而上斷面噴錨結(jié)構(gòu)有利于初期支護(hù)同圍巖輪廓緊貼，進(jìn)而減少圍巖收斂，發(fā)揮新奧法襯砌的優(yōu)勢，和方案一類似，噴錨初支對洞內(nèi)機(jī)械、人員環(huán)境的影響不可忽視。方案三獲取推力充足且均勻，接近土壓盾構(gòu)，施工上也更可靠，且施工環(huán)境更為友好，故可行性更強(qiáng)，但需注意預(yù)制初期支護(hù)局部有被壓裂的風(fēng)險。

3）新工法新設(shè)備應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一就是經(jīng)濟(jì)效益，若隧道修建長度>5km，方案三對應(yīng)的隧道每延米綜合造價與礦山法更為貼近。因此從設(shè)備成本、隧道修建成本、施工效率、環(huán)保、安全等多個角度綜合考慮，以預(yù)制初期支護(hù)為推力來源的馬蹄形敞開式盾構(gòu)具備較好的推廣價值，建議后期尋求工程項(xiàng)目展開工業(yè)，應(yīng)用以提高山嶺鐵路或公路黃土隧道修建機(jī)械化水平。