如何进行盾构法施工隧道管片选型排版

在国内城市地铁隧道工程中，目前已越来越多地开始使用盾构机来掘进区间隧道，用预制混凝土管片作为永久衬砌。管片通常由专业的厂家提前制作，按其功能又通常分为两种，即标准环和转弯环。顾名思义，标准环是用于直线段，转弯环是用于曲线段。标准环与转弯环配合使用就可以拼装各种线性的隧道。管片选型直接关系到隧道线路、隧道质量等一系列隧道的关键指标，所以管片选型是否正确，将决定盾构工程的成败。 

管片选型的原则

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姿态。这两者相辅相成。

管片选型要适合隧道设计线路

当一个盾构工程开工之前，就要根据设计线路对管片作一个统筹安排，通常把这一步骤叫管片排版。通过管片排版，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，曲线段上标准环与转弯环的布置方式。现根据某城市地铁区间区间的情况简要介绍一下管片排版。

管片技术参数表

此区间，分布三组圆曲线，半径分别为450米、800米、竖曲线3000米。依照曲线的圆心角与转弯环产生的偏转角的关系，可以计算出区间线路曲线段的转弯环与标准环的布置方式。

转弯环偏转角的计算公式：

θ=2γ=2arctgδ/D

式中：

θ―――转弯环的偏转角

δ―――转弯环的最大楔形量的一半

D―――管片直径

将数据代入得出θ＝0.3629

根据圆心角的计算公式：

α＝180L/πR 

式中： L―――一段线路中心线的长度

            R―――曲线半径，取800m

            而θ＝α，将之代入，得出L＝5.067m

上式表明，在800m的圆曲线上，每隔5.067m要用一环转弯环，广州地铁的管片长度为1.5m，就是说，在800m的圆曲线上，标准环与转弯环的拼装关系为2环标准环+1环转弯环。以此类推，可以算出R为450m、1500m的拼装关系，结合线路就可以将管片大致排列出来。

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推在管片上，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。

管片选型

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。某城市地铁区间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36o。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）。下面是该区间的管片左转弯环不同点位的楔形量计算表：

左转弯环楔形量计算表 

右转弯环的情况与左转弯相反，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。

根据盾尾间隙进行管片选型

通常将盾尾与管片之间的间隙叫盾尾间隙。如果盾尾间隙过小，盾壳上的力直接作用在管片上，则盾构机在掘进过程中盾尾将会与管片发生摩擦、碰撞。轻则增加盾构机向前掘进的阻力，降低掘进速度，重则造成管片错台（在越三盾构工程中，就是通过调整盾构间隙，大大减少管片错台量），盾构一边间隙过小，另一边相应变大，这时盾尾尾刷密封效果降低，在注浆压力作用下，水泥浆很容易渗漏出来，破环盾尾的密封效果。

盾尾间隙是管片选型的一个重要依据。如: 南京盾构三标盾尾间隙为45mm，每次安装管片之前，对管片的上、下、左、右四个位置进行测量。如发现有一方向上的盾尾间隙接近25mm时，就要用转弯环对盾尾间隙进行调节（在盾构掘进过程中，应及时跟踪盾尾间隙，发现盾尾间隙有变小趋势，最好能通过千斤顶推力来调整间隙）。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。下面是在不同点位拼装一环左转弯环的盾尾间隙调整表：

左转弯环盾尾间隙调整量表   

右转弯环盾尾间隙的调整量与上表相反，由上表可以看出，拼装一环左转弯环之后，左边盾尾间隙将减小，右边盾尾间隙将增大，同时通过拼装不同的点位，还可以调节上、下方向的盾尾间隙。如此时盾构机在进行直线段的掘进，则必须注意在拼装完一环左转弯环后，选择适当的时机，再拼装一环右转弯环将之调整回来，否则左边盾尾间隙将越来越小，直至盾尾于管片发生碰撞。如盾构机处于曲线段，则应根据线路的特点进行综合考虑。

根据油缸行程差进行管片选型

盾构机是依靠推进油缸顶推在管片上所产生的反力向前掘进的，我们把推进油缸按上、下、左、右四个方向分成四组。而每一个掘进循环这四组油缸的行程的差值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。

由图2可以看出，当管片平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。同时也可以看出如果继续拼装标准环的话，下部的盾尾间隙将会进一步减小。通常我们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超过40mm时，就应该拼装转弯环进行纠偏，拼装一环转弯环对油缸行程的调整量见表1，也就是拼装1环10点左转弯环，可以使左、右两组的油缸行程差缩小38mm。

盾构间隙与油缸行程之间的关系

在进行管片选型的时候，既要考虑盾尾间隙，又要考虑油缸行程的差值。而油缸行程的差值更能反映盾构机与管片平面的空间关系，通常情况下应把油缸行程的差值作为管片选型的主要依据，只有在盾尾间隙接近于警戒值（25mm）时，才根据盾尾间隙进行管片选型。

影响管片选型的其他因素

铰接油缸行程的差值

目前地铁盾构工程中大多采用的是铰接式盾构机，即盾构机不是一个整体，而是在盾构机中体与盾尾之间采用铰接油缸进行连接，铰接油缸可以收放，这样就更加有利于盾构机在曲线段的掘进及盾构机的纠偏。铰接油缸利用位移传感器将上、下、左、右四个方向的行程显示在显示屏上，当铰接油缸的上下或左右的行程差值较大时，盾构机中体与盾尾之间产生一个角度，这将影响到油缸行程差的准确性。这时应当将上下或左右的行程差值减去上下或左右的铰接油缸行程的差值，最后的结果作为管片选型的依据。（海瑞克盾构铰接油缸有三种模式，锁、收和自由放开，当盾构在直线上，盾构姿态很好，可以使用锁定模式，当在曲线上，应把铰接油缸自由放开，当显示铰接油缸行程差较大或使用大于2/3行程后，应通过针对性收模式来调整行程差）

盾构机掘进

盾构机应尽量根据设计线路进行掘进，避免产生不必要的偏差，这样基本可以根据管片排版进行管片拼装，也有利于管片按计划进行生产。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：蛇行修正应以长距离慢慢修正，修正过急，盾构蛇行将更加明显，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（如：目前盾构垂直方向处于-40，计划控制在-20内，每环纠偏宜控制在5mm变化内，不宜超过10mm，那么应至少4环才能把盾构姿态调整到预设范围内）。

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知识点：盾构法施工隧道管片选型排版