盾构隧道管片选型及拼装论述陈永志

盾构隧道管片选型及拼装论述陈永志

陈永志

中铁十二局集团第二工程有限公司030032

摘要：目前盾构施工已遍及国内各省，盾构施工已成为一个巨大的市场。盾构施工过程中盾构管片的选型配置及拼装直接影响到成型隧道质量的好坏，在盾构施工过程中需把控好前期管片排版选型、盾构负环拼装基准环的安装精度、推进过程科学理论结合盾构姿态进行盾构管片合理化选型拼装，各因素有机集合施工才能铸造精品工程，以南宁地铁泥水盾构施工为列对管片选型及拼装进行详解。

关键词：楔形量；曲线段转弯环数量；基准环；油缸行程；盾构间隙

1、工程概况

创业路站～安吉客运站区间右线长1323.221m，线间距为14～18.7m，覆土11.4~27.7m。在平面上，区间出创业路站后沿振兴路直线向东,并经R=2000和R=1200的圆曲线后直线进入安吉客运站；在纵断面上，区间右线由南向北分别通过YCK2+310.796～YCK2+360为2‰下坡（49.204m）、YCK2+360～YCK2+850为28‰下坡（490m）、YCK2+850～YCK3+100为13.372‰下坡（250m）、YCK2+100～YCK3+580为26.6‰上坡（480m）、YCK3+580～YCK3+634.017为2‰上坡（54.017m）进入安吉客运站，区间隧道设计为“V”形坡。

管片采用3A＋1B＋1C＋1K的分块方式，即每环管片分6个单元，3个标准块，2个邻接块和1个封顶块组成，管片间设橡胶止水带，衬砌环间采用错缝拼装。管片分为两种，即标准环和转弯环，左、右转弯环为满足区间曲线施工和隧道纠偏时利用，标准环与转弯环配合使用就可以拼装各种线性的隧道。管片的型号分为标准环（P）、左弯环（L）和右弯环（R），转弯环为单面楔形环，楔形量为38mm。

2、盾构管片选型

管片选型的原则有两个，第一：管片选型要适合隧道设计线路；第二：管片选型要适应盾构机的掘进姿态。这两者相辅相成，通过正确的管片选型和选择正确的拼装点位，将隧道的实际线路调整在设计线路的允许公差±50mm内[1]。

2.1管片选型要适合隧道设计线路

盾构施工要根据设计线路对管片作一个统筹安排，通过管片转弯环楔形量进行管片排版，就基本了解了这段线路需要多少转弯环（包括左转弯、右转弯），多少标准环，列出曲线段上标准环与转弯环的布置方式，直线段为满足盾构纠偏可根据施工经验适当进行转弯环调整[2]。

上式表明，在右转R=2000m的圆曲线上，每隔12.661m要用一环转弯环，南宁地铁的管片长度为1.5m，就是说，在2000m的圆曲线上，标准环与转弯环的拼装关系为7环标准环+1环转弯环。

在右转R=1200m的圆曲线上，每隔7.59m要用一环转弯环，南宁地铁的管片长度为1.5m，就是说，在1200m的圆曲线上，标准环与转弯环的拼装关系为4环标准环+1环转弯环。

以此类推，可以算出R为1200m、3000m、5000m的拼装关系，结合线路就可以将管片大致排列出来。

经计算得出区间右线曲线上的直线环与转弯环大概数量如下表，实际施工所用转弯环数与标准环数要结合实际施工情况而定。

2.2管片拼装点位的分布

管片成型的隧道为了能够达到美观顺畅的线形，完成隧道的左转弯、右转弯、上坡、下坡等功能，需要使用不同的楔形量管片，这就要求转弯环管片有不同的位置来达到此目的。

现在常用的地铁管片一般采用错缝拼装，有10个点位，来达到转弯所需要的不同楔形量。管片拼装点位是以封顶块的中线位置来叙述的(管片拼装点位如图3)，转弯环不同的拼装点位在平曲线中有不同的楔形量，满足不同的转弯半径。

为了能够顺利拼装管片，左转弯环或右转弯环一般拼装1、2、3、8、9、10这六个点位。

2.3管片选型要适应盾构机姿态

管片是在盾尾内拼装，所以不可避免地受到盾构机姿态的制约。管片平面应尽量垂直于盾构机轴线，也就是盾构机的推进油缸能垂直地顶在管片上，这样可以使管片受力均匀，掘进时不会产生管片破损。同时也兼顾管片与盾尾之间地间隙，避免盾构机与管片发生碰撞而损坏管片。在实际掘进过程中，盾构机因为地质不均、推力不均等原因，经常要偏离隧道设计线路。所以当盾构机偏离设计线路或进行纠偏时，都要十分注意管片选型，避免发生重大事故。

3、管片拼装点位选择

3.1管片的拼装点位

转弯环在实际拼装过程中，可以根据不同的拼装点位来控制不同方向上的偏移量。这里所说的拼装点位是管片拼装时K块所在的位置。南宁地铁3号线01标土建2工区创～安区间的管片拼装点位为在圆周上均匀分成10个点，即管片拼装的10个点位，相邻点位的旋转角度为36°。由于是错缝拼装，所以相邻两块管片的点位不能相差2的整数倍。一般情况下，本着有利于隧道整体稳固及防水的要求，都只使用上部5个点位。根据工程实际情况，选择拼装不同点位的转弯环，就可以得到不同方向的楔形量（如左、右、上、下等）。下面是南宁地铁3号线01标土建2工区创～安区间的管片右转弯环不同点位的楔形量计算：

管片左右长度或上下长度的差值叫做管片的楔形量。拼装点位不同楔形量不同，以右转弯环为例计算各个点位转弯的楔形量。

转弯环端面是在同一个平面上，只是管片长度是从1481mm至1519mm的一个均匀变化过程。假设右转弯环拼装某一个点位，X为该点位时与横轴夹角，&为右转弯的楔形量，根据转弯环的设计可知此拼装点位时右转弯的楔形量&与AB处的楔形量相等，此时最大的楔形量在C处，值为38mm。

右转弯楔形量&的计算公式为：

lOH=lOA×CosX；

lOH/lOC=lFH/lGC；

lFH=lOH×lGC/lOC=lGC×CosX；

&=2×lFH=38×CosX；

根据此计算公式可以算出不同点位右转弯的楔形量，利用此计算方法也可以推算出上下转弯的楔形量，不同点位右转弯环计算楔形量结果如下表(表3)。

左转弯环的情况与右转弯相反。通过管片不同点位的拼装，就可以实现隧道的调向。

根据计算可知采用错缝拼装方式转弯环转弯的楔形量最大是36.14mm，而不是38mm。左转弯环的情况与右转弯相反，这里就不再列举。通过管片不同点位的拼装，就可以实现隧道的调向。

4、盾构掘进管片拼装

4.1负环管片拼装

第一环负环管片拼装质量好坏直接影响盾构始发姿态的好坏，盾构姿态的好坏从而影响盾构始发段管片的拼装质量，因此为了保证盾构始发段管片拼装质量符合设计及规范要求，设计如下图所示的基准环，利用钢材焊接而成，其内径与隧道管片内径相同，外径稍微大于盾构砼管片，焊接或螺栓连接安装与盾构始发反力架上。其安装位置需测量人员对其进行上下左右精确定位后进行安装，该钢环是盾构管片拼装基准环，严格按照其导向进行拼装才能到达理想效果。

4.2盾构掘进过程中据油缸行程及盾尾间隙管片选型

中铁十二局南宁地铁所用盾构为铁建重工泥水盾构，推进系统包括32根推进油缸，分顶部（A组）、左部（B组）、底部（C组）、右部（D组）四个组。在推进时，推进油缸伸出，撑靴作用到管片上提供盾构机前进的反力。四组油缸的压力可以独立调节，推进速度由一个流量控制阀调节。通过调整每组油缸的推进压力和速度可实现盾构机纠偏和调向。推进系统油缸的分组，其中4个位置的油缸安装有位移传感器。施工人员在控制室内可以实时监控每组油缸的行程和压力。

该盾构为被动铰接式盾体，在中盾与盾尾连接处设置有铰接油缸。盾构机需要转弯时，通过每组推进油缸的行程差来调节中盾与盾尾之间的夹角，此时铰接油缸进出油相互连通，行程可自行调整，从而实现转弯；盾构机直线掘进时，进出油口锁紧。

每一个掘进循环，这四组油缸的行程的差值与铰接油缸对应位置差值大小反应了盾构机与管片平面之间的空间关系，可以看出下一掘进循环盾尾间隙的变化趋势。当管片端面不垂直于盾构机轴线时，各组推进油缸的行程就会有差异，当这个差值过大时，推进油缸的推力就会在管片环的径向产生较大的分力，从而影响已拼装好的隧道管片以及掘进姿态。如果继续拼装标准环的话，盾尾间隙将会进一步减小。通常以各组油缸行程的差值的大小来判断是否应该拼装转弯环，在两个相反的方向上的行程差值≥40mm时，就应该拼装转弯环进行纠偏，拼装1环10点位的转弯环时，可以使左、右两组的油缸行程差缩小36.14mm。

4.3盾尾间隙控制

南宁地铁盾构管片外径与盾尾内径之间间隙为70mm，于尾盾布设4道盾尾刷包裹盾尾内管片，通过线盾尾刷3个腔内注入盾尾油脂密封止水，盾尾刷部位盾尾内径至管片间隙为30mm。

盾构施工过程汇中盾尾间隙是管片选择的重要依据之一。管片与盾尾通过钢丝刷密封，当盾尾间隙小于40mm时，盾尾拖动时管片与钢丝刷密封会发生干扰。轻则增加盾构机向前掘进的阴力，降低掘进速度，重则盾尾将管片挤压损坏，甚至损坏盾尾密封刷，造成隧道渗漏水或泥水仓压力泄漏导致掌子面失稳重而影响地表沉降。

因此，在拼装管片之前，必须对上一环管片的上、下、左、右四个位置盾尾间隙进行测量。如发现有一方向上的盾尾间隙接近40mm时，就用转弯环对盾尾间隙进行调整。调整的基本原则是，哪边的盾尾间隙过小，就选择拼装反方向的转弯环。

通常左右转弯环需配套使用，拼装1环左转弯环之后，左边盾尾间隙将减小，右边盾尾间隙将增大。同时，通过不同的拼装点位，还可以调节上、下方向的盾尾间隙。如果此时盾构机在进行直线段的掘进，则必须注意在拼装完1环左转弯环后，选择适当的时机，再拼装1环右转弯环将之调整回来，否则左边盾尾间隙将越来越小，直至盾尾与管片发生干扰。当盾构机处于曲线段，则应根据线路的特点进行综合考虑。

5、结束语

盾构施工中普遍采用标准环和转弯环进行管片错缝拼装，形成永久的地铁隧道。盾构施工者只有熟练掌握管片技术参数，计算各拼装点位的楔形量，合理进行管片排版与选型，才能保证管片的正常供应与盾构掘进。整个盾构施掘进施工过程中，盾构机应尽量沿设计线路进行掘进，避免产生不必要的偏差，如果盾构机偏离设计线路，在纠偏过程中也不要过急，否则转弯环管片的偏移量跟不上盾构机的纠偏幅度，盾尾仍然会挤坏管片。盾构掘进纠偏原则：“缓纠、勤纠”，每环纠偏宜控制在5mm变化内，不宜超过10mm，在直线推进的情况下，应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的点作为直线，然后以这条线为新的基准进行线形管理，在曲线推进情况下，应使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计的曲线相切。对实际拼装管片与设计隧道中心线偏离值与盾构自动导向系统生成的管片偏差相比较，可以对人工测量和自动导向系统测量进行校核，防止由于测量错误带来的严重后果。

参考文献

[1]北京成勘设计研究院总院.GB50157-2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版.

[2]韩亚丽,陈溃.南京地铁盾构隧道管片拼装技术[J].隧道建设,2003,23(2):15～17,54.