通用管片选型的影响因素分析

1　前言

　　国内外对管片的研究很多，最早可追溯到1922年Hewett和Johnson提出考虑弹性抗力来研究圆形衬砌。但已有的一些研究工作主要在理论分析上，应用在实际的管片施工中还需进一步的探索。
　　通用管片具有模具单一、可拟合不同半径曲线、施工调整方便、止水效果显著等特点，已逐渐应用在国内外的工程中。相关学者对通用管片的选型技术进行了相关的研究。上海隧道工程股份有限公司的戴仕敏、李章林、何国军(2006)根据通用管片的楔形量计算得到管片对应不同旋转角度的楔形量表，然后根据此表在施工设计轴线进行拟合，确定出所需管片的数量。杨群、谢立广（2010）从理论分析和工程实践的角度探讨了盾构隧道楔形管片环的特点，包括线路拟合、楔形方式和楔形量等。上海市城市建设设计研究院沈碧辉(2010)以上海市仙霞西路下穿机场隧道大型通用管片的应用为例，介绍了通用管片的特点，以及其管片排版的三大参数，即管片姿态、管片环的起始端面中心和末端面中心和管片环法向量。
　　综上所述，现阶段对通用管片已进行了大量的研究，在管片选型分析、拼装技术方面取得了一定的成果，但目前的研究主要针对理论分析，对现场应用的指导作用甚微。鉴于此，本文对宁波轨道交通工程通用管片选型进行了现场调研，总结了影响通用管片选型的因素，并给出了指导现场管片选型的参考准则。
2　隧道设计轴线、管片成型轴线与盾构施工轴线之间的空间关系解算

　　管片选型的主要内容围绕着三根轴线，即隧道设计轴线DTA（DesignedTunnelAxis）、管片成型轴线（或成型施工轴线）、盾构施工轴线。隧道设计轴线指导着盾构隧道的施工，盾构推进必须按照设计轴线的施工方案进行；盾构在推进过程中，管片的拼装路线须拟合设计轴线，以满足施工的要求，此时，盾构的姿态决定着管片拼装的轴线；但考虑到盾构的推进是基于成型的管片，即成型管片的轴线确定了盾构的推进趋势。当且仅当管片轴线在允许偏差范围内，按照设计轴线进行拟合，才能保证隧道施工的质量与安全。
　　因此，要做到管片选型符合掘进要求，首先要清楚盾构机、设计中心线、管片中心线之间的关系，利用它们之间的关系做到提前预知下环管片。在管片选型前，主要关注盾尾间隙、已施工隧道中心线与盾构机、设计中心线等几个参数。如下图所示，图中ZX1为设计中心线，ZX2为管片中心线，ZX3为盾构机中心线，α为成型管片中心线与盾构机夹角，β为设计中心线与盾构机夹角，θ为设计中心线与成型隧道中心线的夹角。


　　2.1　盾构施工轴线与设计轴线
　　在盾构机的推进过程中，通过盾构机配套的测量系统，并结合相应的几何关系，可以较易得到盾构机与设计中心线之间的夹角β。以平面方向为例，如图2所示。


　　由于盾构机切口与盾尾之间的距离相对于设计轴线的长度而言，非常小，所以在盾构机首尾之间的范围，可以将设计轴线近似看作是直线。
　　2.2　管片成型轴线与盾构轴线
　　管片成型轴线的姿态可以通过盾构千斤顶的行程差来判断。同样以平面的左右油缸行程差为例，如图3所示。

　　2.3　管片成型轴线与设计轴线

　　通过以上的解算，由图可知，管片成型轴线与设计轴线的夹角为。同时，通过管片姿态的测量，即管片的平面偏差和高程偏差，即可得到成型管片对设计轴线的拟合程度，进而对偏差情况进行相应的纠正。
3　管片基本参数对管片选型的既定影响
　　上文讨论了三轴线之间的关系，通过分析讨论可知，管片自身的参数以及盾构参数对与管片拟合设计轴线有着密切的关系，下面将分为此两方面内容，具体介绍通用管片选型的影响因素。
　　管片成型轴线是最终的隧道轴线，而在隧道区间作业前，通用管片的参数已设计完毕。因此，施工人员应该在既定的管片基本参数基础上，选取适当管片的管片基本状态，以实现对隧道轴线的拟合。
　　（1）管片环宽
　　传统的管片环宽为1.0m或1.2m，但随着设计、施工经验的成熟，管片宽度有逐渐增大的趋势，可采用1.5m~2m宽度的管片。但管片宽度越大，要求盾构机千斤顶的行程也越大；在小半径曲线上，2m宽的管片比1.2m、1.5m宽管片的轴线拟合误差大，施工难度亦有一定的提高。因此，在宁波轨道交通项目中，根据线路的最小曲率半径要求以及盾尾间隙的要求，确定采用1.2m宽的通用管片。
　　（2）楔形量
　　通用管片在平面上的投影为对称的梯形，依靠这个楔形量来实现隧道的转向及盾构机的辅助控制。楔形量的大小最起码要能够适应隧道最小转弯半径的要求，隧道最小转弯半径越小，环宽就必须越小，楔形量就必须越大。本工程所选用的通用管片楔形量为37.2mm。
　　（3）拼装点位
　　通用管片的旋转，可以控制盾构隧道的轴线走向，从而实现隧道的转弯。由于有纵向连接件的限制，所以管片不能任意旋转。本工程所采用的通用环在纵向连接上有16个螺栓孔，因此，规定了16个拼装点位，每个点位之间的夹角为22.5°。在实际拼装过程中，可以规定不同的管片拼装位置，根据不同的拼装位置控制不同方向上的超前量。
4　盾构参数对管片选型的敏感性
　　根据宁波轨道交通工程各标段通用管片软件的调研分析，管片选型除了基于自身管片参数的基础上进行选择，盾构机参数也会对管片选型造成重要的影响，主要包括盾尾间隙、千斤顶行程、盾构机首尾差等。
　　4.1　盾尾间隙
　　管片在盾尾中先拼装成环然后被推出盾尾，加上盾构机在掘进过程中总是有一定的偏移量，这就要求盾壳和管片外表面之间要保持一定的空隙，这个空隙称为“盾尾间隙”。如图4所示，盾尾间隙是指成型管片前端面的外环到盾壳内环的最短距离。


　　在管片选型时，要兼顾盾尾间隙的变化，如果盾尾间隙过小，盾构机在推进过程中，盾尾会与管片发生干扰，轻则加大盾构机向前推进的阻力，重则将使管片错台甚至损坏，造成隧道渗漏或地表沉降。

　　在管片拼装的正常状态中，应该保证足够的盾尾间隙以避免管片的破损，并保持管片轴线在允许的偏差范围内。因此，工程中须设定最小的盾尾间隙限值，该限值的确定一般是由管片宽度、隧道设计轴线、注浆工艺等因素确定。例如，对于标准盾尾间隙（一侧）为25mm的盾构机，设定其最小的盾尾间隙限值为10mm，即在盾构推进管片拼装过程中，要求盾尾间隙大于或等于10mm。其他规格的盾构机可根据施工经验进行设定。
　　盾尾间隙的控制是盾构掘进过程中控制的重中之重，应实时监控盾尾间隙的变化。而在盾构掘进过程中，各控制因素的变化也会导致盾尾间隙的变化。
　　4.2　千斤顶行程
　　推进千斤顶是连接管片与盾构机之间的纽带，盾构机通过推进千斤顶不同的伸缩量向前掘进，确定了盾构机掘进的姿态，且顶推管片以完成管片的拼装作业。同时，千斤顶行程差较大时，其对盾尾间隙的影响会产生明显的变化。
　　表1中给出了左右千斤顶的行程差对盾构机左右盾尾间隙的影响，上下千斤顶的行程差对盾尾间隙的影响同理。其中，所采用的盾构机参数来源于奥村6340土压平衡盾构机。


　　4.3　盾构首尾差
盾构机的首尾差是指切口与设计轴线偏差和盾尾与设计轴线的偏差之间的差值，在测量系统中则体现为切口平偏与盾尾平偏的差值、切口高偏与盾尾高偏的差值。可见，盾构首尾差是反映盾构机掘进姿态的重要参数。当盾构机的首尾差较大时，说明盾构机轴线与设计轴线存在较大的夹角，不利于盾构机沿着设计轴线进行掘进，同时，盾构首尾差的状态也会造成盾尾间隙的改变。
同样取盾构机的水平面为研究对象，如图6所示。




　　表1反映了千斤顶行程、盾构姿态（盾构首尾差）对盾尾间隙改变量的影响，而盾构姿态的改变是通过推进千斤顶不同的行程差获得的，所以现场施工中可控制的参数也是只有千斤顶行程。因此，千斤顶行程对盾尾间隙的优化起着重要作用。

当进行管片选型时，可通过千斤顶行程改变盾构机的趋势，以为管片选型创造有利条件。
　　4.4　管片超前量
上文已经提及在管片选型时要兼顾盾尾间隙的变化，这是因为在选择不同点位的管片时，管片与盾构机的相对位置发生了改变，进而影响盾构机掘进的状态，其示意图如图6所示。
　　根据公式（5）可计算出不同点位的盾尾间隙改变量，如表2所示。


5　结语
　　设计合适的通用管片排版以拟合隧道设计轴线，而盾构机推进轴线与管片成型轴线息息相关，因此，管片选型的实质是控制三根轴线之间的相关关系，控制三根轴线之间的偏差在允许范围内。本文从管片基本参数以及盾构参数两方面出发，分析了管片超前量、盾尾间隙、千斤顶行程等对管片选型的影响，并以奥村6340盾构机为例，给出了相应的参数控制办法。类似工程可根据自身管片参数、盾构机参数进行调整。本文设定的盾构参数控制准则表格对于现场的管片选型具有一定的参考价值，保证了管片选型的可操作性和合理性