总结，首先根据工程地质情况，综合考虑洞径、受力特征和施工难易程度对管片进行了选型;然后参照美国规范推荐的修正惯用法，采用有限元分析软件ANSYS对管片进行了结构受力分析和配筋计算;最后根据管片混凝土浇筑和养护过程的各种工艺，制定了管片生产全过程的技术要求及出厂验收技术标准。通过分析明确了管片选型的方法和结构的受力特征，总结了管片混凝土原材料检验、混凝土配制、混凝土振捣、混凝土养护和管片出厂检验等技术标准。
关键词：TBM;管片;选型;设计;生产;CCS水电站
中图分类号：TV672
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.022
随着中国水电行业技术的进步，中国水电设计和施工企业承接的国外项目越来越多。这些国外水电工程主要分布在亚、非、拉和南美洲，所在国家科学技术水平相对较低，往往没有自己国家的技术标准，一般采用欧美标准。全断面隧道掘进（TBM）技术在1956年由美国工程师研制成功，此后在隧洞工程中得到了大量使用，国外许多著名的大工程都采用了该技术[1]，例如英吉利海峡隧道工程、瑞士费尔艾那铁路隧道、日本的东京湾高速公路工程、南非的莱索托水工隧洞工程等。中国在20世纪90年代初从国外引进该技术及装备，先后应用于甘肃省引大人秦工程、山西省引黄人晋工程、西康铁路秦岭隧道、辽宁省大伙房输水隧洞、兰渝铁路西秦岭隧道、陕西省引汉济渭工程输水隧洞等。近30 a的使用过程中，我国设计和施工企业逐步掌握并丰富和完善了TBM技术中设备制造、线路选择、管片设计等关键技术。本文以厄瓜多尔COCACODO SINCLAIR（简称CCS）水利枢纽工程为例，详细介绍TBM管片设计和生产过程中一些关键问题。
CCS水电站工程主要任务为发电，电站总装机容量1500 MW，安装8台冲击式水轮机组，年发电量88亿kW.h。CCS水电站主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房等。输水隧洞全长24.8 kM.隧洞内径8.2 m，除部分洞段采用钻爆掘进施工外，其余洞段由两台TBM设备同时从两侧向中间掘进。TBM施工段采用预制钢筋混凝土管片衬砌，衬砌厚度0.3 m。
1 工程地质条件
工程处于地震和火山活动多发地区，地质条件比较复杂，输水隧洞沿程断层多达25条，TBM段隧洞围岩以Ⅲ类和Ⅳ类为主，并且存在以下工程地质问题[2]。
（1）高地应力。隧洞沿线处于地震多发区，构造运动相对频繁，地震在一定层面上对地应力的释放有利，但是区域内的构造运动导致断层相对发育，岩石以坚硬较脆的侵入岩和火山岩为主，容易产生地应力聚集。
（2）高地温。工程处于火山活动多发区，地下岩浆活动比较剧烈。
（3）高地下水位。隧洞埋深较大，最大埋深大于700 m，一般埋深为300 - 600 m，地下水主要以雨水沿山体裂隙下渗为主，因此地下水位随时间和空间变化较大。
（4）围岩稳定性差。隧洞沿程断层发育，岩石较为破碎，加之高地应力和高地下水位的作用，围岩稳定性相对较差。
2 TBM管片结构设计
2.1 管片的选型
输水隧洞管片的形状主要有平行四边形、左右通用矩形、六边形三种（管片衬砌环分别见图1-图3），采用平行四边形管片的工程有老撾Theun HinbounExpansion项目等，采用左右通用矩形管片的工程有掌鸠河供水工程等，采用六边形管片的工程有引大人秦调水工程、伊犁河81大坂隧洞、万家寨引黄工程、引大济湟工程等。不同形状的管片在结构、受力形式和施工难易程度等方面存在以下不同[3-4]：①平行四边形、左右通用矩形管片外形简单，环间缝面垂直轴线，纵向缝面为直线，相比于六边形管片，便于缝面之间止水安装。②与左右通用矩形管片和平行四边形管片相比，六边形管片各类螺栓孔布置较少，这有利于管片混凝土立模和浇筑，简化了管片的拼装。③矩形管片间纵向接缝平行于隧洞轴线，使得管片之间传力方式明确且受力均匀，而六边形管片相互交错咬合，管片间环向传力需要一个管片向与其相接的两个管片分配，并且存在尖角，容易产生应力集中。④相较于六边形管片，楔形块的存在使得左右通用矩形管片可以通过环宽方向调整相应的楔形块形状，轻松地实现转弯和纠偏。⑤相较于左右通用矩形管片，六边形管片和平行四边形管片每环的位置确定不用通过调整管片位置避免通缝，有利于布置轨道平台、施工期排水沟和垫座。
鉴于左右通用矩形管片应用较成熟，且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。该工程管片形状采用左右通用矩形管片，每环有A、B、C、D、E、F、G（楔形块）共7块管片组成，管片厚度为30 cm，管片沿隧洞方向宽度为180 cm。管片型式采用B、D两种，两种型式采用统一的外观尺寸，只在配筋量上加以区分，根据隧洞断面位置揭露的围岩类型确定管片，当围岩为I、Ⅱ、Ⅲ类时采用B型管片衬砌，当围岩为Ⅳ、V类时采用D型管片衬砌。
2.2 管片的结构计算
根据美国规范.TBM管片计算采用修正惯用法[5-6]。根据输水隧洞的施工过程及运行条件，分别考虑施工期轨道运输、完建期、无压运行期、有压运行期、地震5种工况，各工况荷载组合见表1。其中根据《Tunnels and Shafts in Rock》（ EMII10-2-2901）中9-1节h条规定[7]，在有效排水情况下，外水压力水头取0.25倍总水头与3倍洞径的小者，即在完建期、无压运行期按27.3 m外水压力水头考虑，有压运行期按没有外水压力考虑。
采用大型通用有限元计算程序ANSYS进行管片内力计算，该软件可用于平面、三维、杆系等的内力计算分析。按隧洞受力特点，衬砌采用二维梁单元模拟;为充分反映地层与结构之间的相互作用，地层约束以弹性链杆模拟（只能传递法向压力，不能传递法向拉力和切向剪力），其刚度根据地基弹性抗力系数及衬砌单元包含的地基面积确定。计算模型节点总数为292个，衬砌单元146个，地基抗力单元153个，模型见图4。
以Ⅲ类围岩典型断面为例，其最大内力计算结果见表2，有压运行工况内力云图见图5-图7。
3 混凝土管片生产过程控制
在管片生产过程中，需要根据设计图纸、规范及现场设备对各工序进行合理管控，以确保生产成型后的管片质量满足工程要求，生产进度满足合同要求。TBM管片的生产过程如图8所示。
3.1 拌制和浇筑质量控制
为了保证管片混凝土的浇筑质量，必须根据ASTM规范和ACI318规范控制管片浇筑过程中的各工序。管片混凝土拌制过程中，根据ACI318规范和合同中的技术要求，必须将水、水泥和外加剂的称重误差控制在1%以下，骨料的称重误差控制在2%以下。制备好的混凝土人模前需要对其温度、含气量和塌落度进行检验，脱模后需要检查混凝土的脱模强度及7d、14 d、28 d、90 d强度。为了取得良好的浇筑质量，通过大量前期试验，拌和好的混凝土塌落度控制在70-90 mm。混凝土浇筑时，采用气动振捣器进行振捣，为了取得较好的浇筑质量，并且控制管片表面的气泡，需安装压力表.实时监控振捣过程中的风压力，形成标准的混凝土振捣过程。管片的标准块和楔形块的振捣标准见表3。
3.2 混凝土养护质量控制
管片的脱模强度为生产过程中重要的质量指标，根据ACI318标准规定，与管片相同的养护条件下混凝土试块的抗压强度不得小于12 MPa。而管片的脱模强度主要由蒸汽养护的方法保证，管片进行蒸汽养护时，必须严格控制好蒸汽养护的时间、最高温度、温升速度、温降速度及蒸养间的湿度。为了保证管片的蒸养质量和效率，蒸养间用门帘隔成3个独立的蒸养区，即升温区、恒温区和降温区。
管片混凝土浇筑人模后，首先静置1-4 h，然后待混凝土初凝后，依次将其放置于升温区、恒温区和降温区。为防止温度上升过快导致混凝土出现质量缺陷，温升区的温度上升速度应控制在15 ℃/h以内，温升区的养护时间为3-4 h：混凝土在恒温区的养护时间不得少于2h.恒温区的温度应控制在60 - 70℃，相对湿度大于等于90%：进入温降区后混凝土的弹性模量已经较大，此时剧烈的温降会产生较大的温度拉应力，导致混凝土开裂[8]，因此温降区的温降速度应小于20℃/h。模板拆除后，管片的温度与环境温度尽量接近。各温度区域均布设有温度和湿度监测装置，每0.5h监测一次。模板拆除后，将管片按照编号和型号进行分堆堆放，每环管片分两堆，一堆4块、另一堆3块。同时为保证管片的强度达到设计要求，脫模后还要洒水养护4d，其间每小时洒水一次。管片在室内养护结束后，堆放到管片堆放区，自然养护7-14 d。
3.3 管片出厂验收
按照合同要求和美国ASTM规范，管片在投入使用前需要首先进行混凝土强度检查，只有满足强度的混凝土管片才能由后方工厂运送到现场使用。
其次，进行管片外观质量检查，管片的外表面必须平整光滑，各预留孔洞、预留槽及预埋件都不能有损坏，表面的蜂窝、麻面、孔洞、掉块、裂缝等质量缺陷均处理完毕检查合格后才能使用。
再次，进行管片尺寸检查，每100环（700块管片，600个标准块，100个楔形块）抽出一组进行尺寸检查。成型后实际的管片尺寸与图纸尺寸的偏差应该小于3 mm，管片内表面的不规则程度为1.5 m内不超过1 mm，如检查发现管片存在较大的尺寸偏差，需要根据要求处理合格后方可投入使用。
最后，进行拼装检查，一般情况下生产出的管片每200环作一组拼装检查，每组三环。拼装检查的主要项目允许误差如下：纵向缝间隙小于2 mm，每条缝面布置3个测点：环向缝间隙小于2 mm，每环布置3个测点：管片成环后内径和管片成环后外径的误差小于10 mm，每组测4次。
4 结语
管片的设计与生产是TBM设计与施工过程中的重要工作，通过对CCS水利枢纽中TBM管片设计和生产过程的总结，有以下几点认识：
（1）采用ANSYS软件按照美国规范推荐使用的修正惯用法进行管片受力分析，能够很好地计算出管片的受力情况。参照美国规范进行配筋计算，为其他TBM工程结构设计提供参考。
（2）科学合理的管片生产过程是决定工程成败的关键之一，为了保证管片的质量，必须建立从原材料到混凝土制备，再到混凝土养护各个环节的质量管控体系。
（3）管片的出厂检验是控制管片质量的“最后一道防线”，严格执行出厂检验的各项技术标准，才能保证设计和生产出合格的管片。
参考文献：
[1] 杨继华，景来红，李清波，等.TBM施工隧洞工程地质研究与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2018：9-15.
[2] 惠世前，金长文.CCS水电站大断面长隧洞双护盾TBM掘进技术[J].云南水力发电，2014，30（5）：78-81.
[3]王美斋，肖豫，陈晓年，等，厄瓜多尔CCS水电站TBM引水隧洞左右通用型管片的设计与实践[J].资源环境与工程，2017，31（5）：606-609.
[4] 王美斋，董甲甲.TBM输水隧洞管片衬砌型式的设计研究与应用[J].水电与新能源，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] 孙波，傅鹤林，张加兵.基于修正惯用法的水下盾构管片的内力分析[J].铁道科学与工程学报，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] 苏华友，汪家林。TBM施工中的质量控制与管理[J].岩石力学与工程学报，2004（11）：1930-1934.
【责任编辑张华岩】