小编语
数十年来，行业内一直在探索持续掘进的高效TBM工法。本期，来自McNally建设公司的工程部经理Behazd Khorshidi为大家介绍了一种名为“螺旋式”管片衬砌系统的全新概念，或将在TBM推进的同时实现管片的连续不间断拼装，提高TBM施工效率。
工法背景
传统的软土TBM掘进中，管片拼装需要TBM在掘进一段距离并停机后进行；而在硬岩TBM掘进中则需使用双护盾TBM，在管片拼装时通过夹具撑靴支护，但左右撑靴上岩体刚性的差异都将导致TBM施工的风险，在软土中更是难以实现。
为此，McNally提出了一种名为“螺旋式”管片衬砌系统的全新概念，可在TBM持续推进的同时，实现不停机拼装。在此概念中，除了正在拼装的管片之外，其余管片都由顶进油缸持续支护，可实现“一边推进，一边拼装”，提高隧道施工效率。
螺旋式管片概念图
工法简介
该系统下，隧道内使用统一规格的通用管片，其中两个相交的管片后沿（圆周向与径向）设较短凸起，相对的另外两侧则设对应凹陷，在管片环的圆周与径向同时形成榫卯结构式锁扣作用。
通用管片模拟图
同时，衬砌中应用了后张预应力钢绞线，连续嵌于管片前沿（圆周长边）凹陷处预留的沟槽内，作为管片之间的连接与支护。
管片连接截面，橙色为钢绞线，蓝色为止水带
拼装时，专用TBM的顶进油缸临时支护每一块管片，直到后张预应力钢绞线镶嵌完毕，并开始下一环拼装。由于管片呈螺旋状排列，油缸的伸展长度将不尽相同，才能统一地顶住螺旋管片的边缘，因此需要减少或者消去正在拼装的管片相对侧的管片上的油缸推力，以此平衡。
使用单根后张预应力钢绞线一次性可拼装的管片数量有限，因此还存在用于续接钢绞线的特殊“插座式”续接管片：管片上存在两个额外的沟槽，沟槽两头与前后管片的钢绞线预留沟槽相连，可在一根钢绞线用尽时接上另一根钢绞线，继续拼装螺旋管片。
续接管片模拟图
“插座式”续接管片也存在替代方案，可使用临时钢支架锚定并张拉钢绞线末端，随后对钢绞线进行注浆加固，注浆后拆除钢支架。
隧道曲线
该衬砌系统通过在管片的圆周向长边之间加入楔形件，解决隧道曲线问题。楔形件可由金属、硫化橡胶、玻璃钢等多种材料制成，视管片连接处的沟槽尺寸，厚度在4mm至24mm之间。
通过加入楔形件解决隧道曲线问题
楔形件可安装在隧道某侧，在嵌入钢绞线后安装在管片长边的凹槽内，以控制隧道曲线。
直线段与曲线段管片拼装对比
通过安装不同厚度的楔形件自由控制隧道的水平或垂直曲线，均匀或复合曲线；
不同厚度楔形件控制隧道曲线变化
（水平曲线与垂直曲线）
也可以通过同样厚度楔形件的不同间隔而控制曲率（例如只在油缸顶进处放置），减少楔形件用量。
间隔安装楔形件控制隧道曲线变化
（水平曲线与垂直曲线）
管片间的防水通过管片连接凸起处的两根止水带完成,其功能与套筒接头类似；也可以直接选用带有止水功能的楔形件。
通用管片截面，蓝色为止水带
主要优点
高速度：
■ 由于管片拼装不再需要TBM停机等待，因此盾构机可以持续掘进，而不再频繁启停，极大提高施工效率。
低成本：
■ 隧道使用统一规格的通用管片，管片间无螺栓连接，也无需填充螺栓移除后的孔洞；
■ 通过钢绞线的应用与其强度的改进，减少管片厚度、隧道直径与开挖量；
■ 由于衬砌结构荷载表现良好，管片支护与二次衬砌可相应减少或省略；
■ 使用钢纤维补强混凝土便可满足螺旋式管片的材料设计要求，仅需在连接结构处进行适当加固。
高性能：
■ 由于无螺栓，管片内部拱面更加光滑平整；
■ 钢绞线连接管片可有效减少管片碎裂现象，增强密封性能，提高隧道衬砌整体性能；
■ 螺旋形结构优化了隧道衬砌圆周向与径向的荷载作用，使隧道衬砌的强度与耐受性更高。
FEA模型也证明了该衬砌结构良好的荷载性能
应用前景
目前的常规TBM只需稍加改造便可应用螺旋式管片衬砌：顶进油缸的夹具撑靴需改为斜向，和螺旋管片的圆周侧边缘保持平行。
目前这种螺旋式管片衬砌的概念仅申请了专利，尚无实际工程应用案例，相信该工法在完善后，将在TBM施工中大放异彩。
同时，展望未来，为螺旋式管片系统研发的专用TBM或可实现钢绞线的自动镶嵌与楔形件的自动设置，甚至实现一段长度隧道掘进完成之后对于钢绞线的自动注浆加固，形成全自动TBM掘进将整个TBM施工中的人力因素降至最低。
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