行业视点 | 小身材，大作用——小直径隧道掘进技术的发展与挑战

小编语

From the editor

自TBM技术问世以来，便逐渐应用于小直径隧道的建设中；随着施工安全的标准不断提高，采用管片的小直径TBM与采用管节的顶管机可谓各具千秋。本期，来自海瑞克的专家将讨论小直径隧道施工中管片与管节两种衬砌形式的选用，并介绍相关的解决方案。

小直径隧道的应用

APPLICATION OF SMALL DIAMETER TUNNELS

在地下基础设施飞速发展的今日，除了大直径的交运隧道外，小直径给排水、电缆、光纤等市政隧道与管线也已经是城市运行不可或缺的一部分。

在当今的小直径隧道领域，使用管片衬砌的TBM与使用管节衬砌的顶管机可谓平分秋色——

两者的应用直径范围

顶管法与管节的优势：

■ 每线性米的接头数更少；

■ 超挖更少；

■ 所需施工人员更少；

■ 无需人员进入隧道，更安全；

■ 所需竖井更小；

■ 管节成本更低。

TBM法与管片的优势：

■ 可推进距离更长；

■ 所需竖井更少；

■ 隧道最大直径更大；

■ 隧道曲线控制更加灵活；

■ 施工地质风险更低。

确定隧道项目的最合适隧道掘进工法时，需要考虑地质、隧道长度、曲线半径和埋深等因素。

安全标准

SAFETY STANDARDS

如今，隧道掘进安全标准不断提高，隧道施工的国际安全规程DIN EN 16191:2014便规定了有关小直径隧道的设计与机械化施工要求——

进出/逃生路线

规程中涉及隧道掘进机人员出入通道的最小截面：

TBM隧道人员出入的最小截面

逃生舱

规程提出隧道项目需要评估是否需要安装逃生舱，并确定逃生舱的面积和体积，在出现事故时供所有TBM施工人员以及两名外部施工人员避难。

内径3500mm（左）和3000mm（右）的逃生舱

推进长度与通风

隧道内的通风情况会影响最大推进长度，通风设计一般要求隧道内空气速度不低于0.3m/s：

隧道内无增压风机时

直径、风道尺寸和掘进长度的关系

小直径管片衬砌

SEGMENT LINING CONCEPTS IN SMALL DIAMETERS

出于安全考虑，采用管片衬砌的隧道内径应不小于2400mm。双模式掘进机（如可变密度TBM）可以在两种模式下切换，但是对于最小直径的要求更高，一般不小于3350mm。

最佳管片参数

为了保证隧道内的物流运输流程，可以在隧道内设置双轨，便于两组机车相向而行，机车最小宽度1m，此时的隧道最小直径为2850mm；为确保通风与线缆放置，在管片环宽1m的情况下，较为理想的内径尺寸为3000mm。

特殊案例

然而并非所有采用管片衬砌的TBM隧道直径都在3000mm以上：德国Emscher隧道全长10km，内径却仅有2600mm，环宽1.2m，最小曲线半径为200m。为了安全完成施工，隧道沿线建设了3个竖井，采用单轨机车进行物流运输。隧道采用了两台土压平衡TBM掘进，以月掘进距离582m的纪录在2017年贯通。这也是全球范围内采用TBM与管片衬砌的最小直径隧道。

小直径顶管管节

PIPE JACKING AS ALTERNATIVE METHOD

顶管技术出现后，在更小半径隧道的掘进上体现出了优势，泥水顶管可以掘进直径小于2500mm，工人难以进入的隧道，最小直径可达到1000-1200mm。然而，长距离的顶管施工也存在一定挑战：

润滑系统

长距离顶管需要面对不断增加的摩擦力，合适的润滑技术是长距离顶进的关键。现今的润滑技术可以结合顶管每一米顶推时的地质特性，按体积控制润滑剂的分配，并记录压力和摩擦力等相关数据，由计算机自主调整润滑程度，保证顺畅顶进。

顶进中继间

在复杂地层或长距离顶进时也可以选择中继间，可以按照固定距离设置中继间，也可以通过实际的地质情况酌情设置，以避免后方的管节顶力过大。

应急模块

为了应对意料之外的地层情况，可以考虑加入应急模块，在遭遇困难地层难以继续顶进时，通过该模块临时改用管片衬砌，通过困难地层后重新使用管节，消除顶进过程中的地质风险。

综合方案

COMBINED PROCEDURE

相比管片衬砌，顶管所需的始发井更小：当始发空间受限，可以考虑采用顶管+TBM的组合方案——

始发井内率先安装顶管机与主顶进站，顶进过程中，在后方安装TBM的组件，顶管顶出足够安装TBM全套台车的距离后，改为TBM模式——从管节切换至管片时，TBM油缸先顶出外径与最终管片的外径相同的一个钢制连接环，与最后顶出的一段管节项链，油缸回缩后开始拼装第一环管片。