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TBM輸水隧洞管片襯砌型式的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

文檔作者：王美齋，董甲甲文檔來(lái)源：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年12月29日
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２０１７ 年第７ 期
２０１７ Ｎｕｍｂｅｒ ７
水電與新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
總第１５７ 期
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１５７
ＤＯＩ： １０．１３６２２ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１７．０７．００５
收稿日期：２０１７ －０４ －２５ 作者簡(jiǎn)介：王美齋，男，高級(jí)工程師，主要從事ＴＢＭ 輸水隧洞、混凝土壩等水工建筑物的設(shè)計(jì)與研究工作。
ＴＢＭ 輸水隧洞管片襯砌型式的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用
王美齋，董甲甲
（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州　４５０００３）
摘要：我國(guó)ＴＢＭ 輸水隧洞管片襯砌型式大多采用六邊形管片，型式較為單一，很少對(duì)管片型式進(jìn)行深入比選及研究。
基于ＴＢＭ 輸水隧洞管片襯砌型式工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)與設(shè)計(jì)實(shí)踐，對(duì)六邊形管片、左右通用型管片和平行四邊形管片進(jìn)行了
三維建模與對(duì)比分析表明：平行四邊形管片具有體形簡(jiǎn)單、止水安裝易滿足密封要求、管片受力均勻、方便施工等優(yōu)點(diǎn)，
被越來(lái)越多的工程所青睞。
關(guān)鍵詞：ＴＢＭ 輸水隧洞；六邊形；左右通用；平行四邊形
中圖分類號(hào)：ＴＶ５５４　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ　　　文章編號(hào)：１６７１ －３３５４（２０１７）０７ －００２０ －０３
Comparison of Segmental Linings for TBM Water Diversion Tunnel
ＷＡＮＧ Ｍｅｉｚｈａｉ１ ， ＤＯＮＧ Ｊｉａｊｉａ１
（Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００３， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ＴＢＭ ｗａｔｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ｔｕｎｎｅｌｓ ， ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｇｍｅｎｔａｌ ｌｉｎｉｎｇ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ -ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｔｙｐｅ， ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｔｙｐｅ
ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌｏｇｒａｍ ｔｙｐｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌｏｇｒａｍ ｔｙｐｅ ｌｉｎｉｎｇ ｓｅｇｍｅｎｔ ｉｓ ｇｒｏｗｉｎｇｌｙ ｐｏｐｕｌａｒ ｄｕｅ ｔｏ ｃｅｒ -
ｔａｉｎ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｓｈａｐｅ， ｅａｓｙ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒｓｔｏｐ ｓｅａｌｉｎｇ ， ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｕｎｉｆｏｒｍ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，
ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Key words： ＴＢＭ ｗａｔｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ｔｕｎｎｅｌ； ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｔｙｐｅ； ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｔｙｐｅ； ｐａｒａｌｌｅｌｏｇｒａｍ ｔｙｐｅ
１　輸水隧洞管片襯砌工程概況
人多水少、水資源時(shí)空分布不均、水供求矛盾突出
是我國(guó)的基本國(guó)情水情。興建必要的引調(diào)水工程，是
優(yōu)化水資源配置戰(zhàn)略格局、實(shí)現(xiàn)江河湖庫(kù)水系連通、緩
解資源性缺水問(wèn)題、提高水安全保障能力的重要舉措。
隨著近些年引調(diào)水工程建設(shè)不斷增加，長(zhǎng)距離輸水隧
洞作為引調(diào)水工程的一種重要輸水型式，存在在施工
場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜、施工量大、施工效率低、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)
較高等施工難點(diǎn)。采用ＴＢＭ 隧洞掘進(jìn)管片襯砌技術(shù)，
可大大提升輸水隧洞工程的施工效率和質(zhì)量。
通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，截至目前，國(guó)內(nèi)ＴＢＭ 輸水
隧洞管片襯砌主要應(yīng)用于無(wú)壓輸水隧洞，已建掌鳩河
供水工程采用有壓輸水隧洞，承受的內(nèi)水壓力只有
１４ ｍ；國(guó)內(nèi)在建的蘭州水源地工程有壓輸水隧洞ＴＢＭ
段采用單層管片襯砌，最小埋深約１４０ ｍ，最大埋深約
９２０ ｍ，巖體最小覆蓋厚度１１０ ｍ，洞線巖性主要為石
英片巖、花崗巖、安山巖及砂巖，設(shè)計(jì)靜內(nèi)水壓力
７５ ｍ，水擊壓力約２５ ｍ。國(guó)外有３ 個(gè)有壓輸水隧洞項(xiàng)
目采用ＴＢＭ 施工混凝土管片襯砌，其中老撾Ｔｈｅｕｎ
Ｈｉｎｂｏｕｎ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ 項(xiàng)目輸水隧洞采用六塊平行四邊形
混凝土管片襯砌，設(shè)計(jì)靜內(nèi)水壓力９０ ｍ，水擊壓力為
２５ ｍ， 在水擊壓力作用下， 管片接縫張開(kāi)度為
０．９６ ｍｍ。
國(guó)內(nèi)外已建輸水隧洞管片襯砌的工程實(shí)例詳見(jiàn)
表１。
２　管片型式及比較
ＴＢＭ 輸水隧洞管片（見(jiàn)圖１）型式主要有六邊形
管片（又稱蜂窩型管片）、左右通用型管片、平行四邊
形管片等三種型式。
２０ 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
王美齋，等：ＴＢＭ 輸水隧洞管片襯砌型式的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用２０１７ 年７ 月
表1　國(guó)內(nèi)外已建輸水隧洞管片襯砌主要指標(biāo)表ｍ　
名稱
輸水方式
／水頭
內(nèi)徑管片襯砌型式
混凝土
等級(jí)
厚度寬度開(kāi)挖洞徑備注
引大入秦調(diào)水工程
３０Ａ 隧洞
無(wú)壓 ４．８ 六邊形管片
每環(huán)４ 塊Ｃ２５ ０．３０ １．６ ５．５３ １９９５ 年建成 萬(wàn)家寨引黃工程
總干線６ ～８ 號(hào)隧洞
無(wú)壓 ５．４６ 六邊形管片
每環(huán)４ 塊Ｃ３０ ０．２５ １．６ ４．２９ ２００３ 年１０ 月建成 萬(wàn)家寨引黃工程
南干線４ ～６ 號(hào)隧洞
無(wú)壓４．２ ４．３
六邊形管片
每環(huán)４ 塊Ｃ５５ ０．２２ １．４ ４．７４ ４．６４ ２００３ 年１０ 月建成
萬(wàn)家寨引黃工程
南干線７ 號(hào)隧洞
無(wú)壓 ４．２ 六邊形管片
每環(huán)４ 塊Ｃ５５ ０．２５ １．４ ５．３２ ２００３ 年１０ 月建成 萬(wàn)家寨引黃工程
連接段７ 號(hào)隧洞
無(wú)壓 ４．１４ 六邊形管片
每環(huán)４ 塊Ｃ４５ ０．２５ １．２ ５．３９ ２００３ 年１０ 月建成 引洮供水一期工程 無(wú)壓 ４．９６ 六邊形管片
每環(huán)４ 塊Ｃ４５ ０．２８ １．６ ５．７５ ２０１４ 年１２ 月建成 引大濟(jì)湟工程 無(wú)壓 ４．９６ 六邊形管片
每環(huán)４ 塊Ｃ４５ ０．２８ １．６ ５．７５ 正在建設(shè) 掌鳩河供水工程 有壓／２５ｍ ３．０ 左右通用型管片
每環(huán)５ 塊Ｃ４５ ０．２５ １．０ ３．６６５ ２００７ 年３ 月建成 老撾Ｔｈｅｕｎ Ｈｉｎｂｏｕｎ
Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ 項(xiàng)目
有壓／１１５ｍ ６．９ 平行四邊形管片
每環(huán)６ 塊Ｃ５０ ０．２８ １．６ ７．４６ 截至２０１４ 年１２ 月３０，
已安全運(yùn)行２ 年
希臘調(diào)水二期工程 有壓／７０ｍ ３．５ 六邊形管片
每環(huán)４ 塊Ｃ５０ ０．２ １．５ ４．０４ １９９５ 年建成 萊索托高原調(diào)水工程
（Ｍｏｈａｌｅ 連通洞） 有壓／７０ｍ ４．２ 無(wú)螺栓無(wú)止水的六邊形管片
每環(huán)４ 塊Ｃ４０ ０．２５ １．４ ４．８８ ２００４ 年３ 月建成 厄瓜多爾ＣＣＳ 水電站
輸水隧洞
無(wú)壓 ８．２ 左右通用型管片
每環(huán)７ 塊
Ｃ４０
Ｃ５０
Ｃ６０ ０．３ １．８ ９．１１ ２０１６ 年３ 月建成 蘭州水源地建設(shè)工程 有壓／７５ｍ ４．６ 平行四邊形管片
每環(huán)６ 塊
Ｃ５０
Ｃ６０ ０．３ １．５ ５．４６ 正在建設(shè) 2．1　六邊形管片
六邊形管片（見(jiàn)圖１）又稱蜂窩型管片，管片的形
狀為菱形六邊形，每環(huán)通常由４ 片管片，管片縱向接觸
面為半球形，整環(huán)相互咬合拼裝而成，每個(gè)管片在整個(gè)
襯砌環(huán)中的位置相對(duì)固定；管片環(huán)與環(huán)之間通過(guò)縱向
連接銷連接，前后管片各嵌入１／２，在拼裝過(guò)程中兼有
導(dǎo)向作用。這種。我國(guó)引大入秦工程、萬(wàn)家寨引黃工
程、引洮供水一期工程、引大濟(jì)湟工程、新疆八十一大
坂引水隧洞等工程均采用了這種管片襯砌型式。
圖1　六邊形管片及襯砌環(huán)
2．2　左右通用型管片
左右通用型管片（見(jiàn)圖２）為通用型管片的一種，
通用型管片就是所有的管片環(huán)形式只有一種，形狀一
般為矩形四邊形，每環(huán)各片管片縱軸線長(zhǎng)度不一致，在
１ ２ 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
水電與新能源２０１７ 年第７ 期
安裝過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整每環(huán)中各管片的相對(duì)位置，從而
實(shí)現(xiàn)直線段、曲線段襯砌。為保證封頂塊位于整環(huán)的
上半部，方便施工安裝，管片襯砌受力有利，將管片分
為左環(huán)和右環(huán)楔形管片，施工時(shí)通過(guò)左、右環(huán)管片之間
的交替安裝襯砌直線段隧洞，通過(guò)連續(xù)安裝左環(huán)或連
續(xù)安裝右環(huán)實(shí)現(xiàn)襯砌轉(zhuǎn)彎，此類管片需要兩套模具進(jìn)
行管片的預(yù)制生產(chǎn)。管片環(huán)通常由５ ＋１ 或者６ ＋１ 塊
組成，１ 塊封頂塊，２ 塊相鄰塊，其余為標(biāo)準(zhǔn)塊，塊與塊
之間采用螺栓連接，環(huán)與環(huán)之間采用縱向連接銷或螺
栓連接。采用左右通用型管片襯砌的工程有掌鳩河供
水工程、厄瓜多爾ＣＣＳ 水電站輸水隧洞。
圖2　左右通用型管片及襯砌環(huán)
每環(huán)管片的楔形量（見(jiàn)圖３）由輸水隧洞的最小轉(zhuǎn)
彎半徑確定，可根據(jù)以下公式計(jì)算。
θ ＝２γ＝２ａｒｃｔｇδ／D ＝L ／R
式中：θ 為轉(zhuǎn)彎環(huán)的偏轉(zhuǎn)角，弧度；δ為轉(zhuǎn)彎環(huán)的最大楔
形量的一半，ｍ；D 為管片直徑，ｍ；R 為曲線半徑，ｍ；L
為１ 環(huán)管片的平均寬度，ｍ。
圖3　每環(huán)管片楔形量計(jì)算示意圖
2．3　平行四邊形管片
顧名思義，平行四邊形管片（見(jiàn)圖４）形狀為平行
四邊形，每環(huán)通常由４ 片或６ 片管片，每個(gè)管片所包含
的角度基本相同，在整個(gè)襯砌環(huán)中的位置相對(duì)固定，體
型相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝完成后的縱縫相互錯(cuò)開(kāi)，有利于襯砌
受力。塊與塊之間采用螺栓連接，環(huán)與環(huán)之間采用縱
向連接銷或螺栓連接。最近老撾已建Ｔｈｅｕｎ Ｈｉｎｂｏｕｎ
Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ 水電站輸水隧洞和在建的蘭州水源地建設(shè)
工程輸水隧洞均采用了平行四邊形管片襯砌。
2．4　管片型式比較
自我國(guó)引大入秦工程首次采用六邊形管片襯砌以
來(lái)，盡管六邊形管片的細(xì)部后續(xù)已建的眾多ＴＢＭ 輸水
圖4　平行四邊形管片及襯砌環(huán)
隧洞都基本上沿用了引大入秦的管片型式，只是在一
些細(xì)部進(jìn)行了改善，比如縱向?qū)虬魞?yōu)化為球形接觸
面、取消環(huán)形螺栓等。隨著平行四邊形管片襯砌在老
撾已建Theun Hinboun Expansion 水電站輸水隧洞和在
建的蘭州水源地建設(shè)工程輸水隧洞工程中的采用，以
及左右通用型管片襯砌在掌鳩河供水工程、厄瓜多爾
ＣＣＳ 水電站輸水隧洞中的成功實(shí)踐，ＴＢＭ 輸水隧洞管
片襯砌型式得以豐富和發(fā)展。由于管片的形狀不同，
使得管片在細(xì)部構(gòu)造、襯砌環(huán)受力、施工安裝方便性等
方面存在一定的差異，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。
１）平行四邊形、左右通用型管片外形相對(duì)簡(jiǎn)單，
止水安裝較易滿足密封要求。四邊形管片間縱向接縫
是一個(gè)管片與一個(gè)管片相接，采取適當(dāng)措施即可保證
其相對(duì)均勻受力。而六邊形管片相互交錯(cuò)咬合，環(huán)向
傳力方式是一個(gè)管片向相接的兩個(gè)管片傳力，由于制
造及安裝上存在一定誤差，即使采取措施也難以保證
相鄰兩管片同時(shí)均勻受力，管片上易產(chǎn)生較大的集中
應(yīng)力。
２）左右環(huán)通用型管片可在環(huán)寬方向設(shè)計(jì)一定的
楔形量，通過(guò)調(diào)整各管片的相對(duì)位置，方便地在隧洞掘
進(jìn)過(guò)程中轉(zhuǎn)彎和糾偏。
３）平行四邊形管片與六邊形管片的位置相對(duì)固
定，避免縱向通縫發(fā)生，可在底管片布置施工軌道平
臺(tái)、墊座，方便施工期運(yùn)輸軌道布置、施工期排水、底部
水泥砂漿回填等；盡管位置固定，但沒(méi)有產(chǎn)生通縫，至
于轉(zhuǎn)彎或糾偏可通過(guò)異型管片、環(huán)縫布置墊片、或在環(huán)
縫布置不同厚度的止水實(shí)現(xiàn)。
３　結(jié)　語(yǔ)
六邊形管片、左右通用型管片和平行四邊形三種
管片型式，主要的區(qū)別在于管片的形狀不同，從而使得
管片在細(xì)部構(gòu)造、襯砌環(huán)受力、施工安裝方便性等方面
存在一定的差異。平行四邊形管片一方面具有矩形四
邊形管片體形簡(jiǎn)單、止水安裝較易滿足密封要求、管片
受力均勻的優(yōu)點(diǎn)；另一方面，具有六邊形管片位置相對(duì)
固定，避免通縫發(fā)生，方便施工期運(yùn)輸軌道布置、施工
期排水、底部水泥砂漿回填、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，近些
年來(lái)平行四邊形管片襯砌已成為國(guó)內(nèi)外ＴＢＭ 輸水隧
洞的首選潮流。

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