通用楔形管片在施工中的控制

通用楔形管片在施工中的控制

叶欣沂

中铁二局集团有限公司 四川 成都 610031

【摘 要】在盾构施工中，随着通用楔形管片的大量使用，该种管片的封顶块选点、拼装对盾构机的姿态控制、设计线路拟合，同时管片拼装质量直接影响盾构隧道的受力状况，影响隧道工程使用安全。本论文以某软土地层盾构施工为背景分析介绍了通用型管片各点位的超前量计算，拼装时点位选择，对平纵曲线超拟合排版计算，纠偏量计算等，对管片拼装中出现的碎裂，渗漏水等问题做了重点介绍，希望在以后的工程中能起到一定借鉴作用。

【关键词】 通用楔型管片  超前量  排版  纠偏

随着国内盾构技术的发展，盾构隧道施工也由以前单一的地铁施工延伸发展至不同领域，公路隧道、铁路隧道、排水隧道、市政综合管廊等施工。现目前国内使用的管片大致分为三类：标准衬砌环与左右转弯楔形衬砌环组合；楔形衬砌环组合；通用楔型管片。

就传统管片来说，其分为标准环和左右转弯环，在生产和排版上需提前计算，特别是转弯环需求数量，管模制备也需不同规格，不利于生产管控。在施工中，传统管片纠偏需进行贴片处理，对施工技术控制要求高，管片环间缝隙加大，不利于管片后期变形和防水控制。而通用楔形管片的出现，较好的解决了这些问题，管模的制备只需一个规格，管片自带的楔形量，靠管片的旋转能满足平面曲线和竖曲线拟合的要求，在工程施工中，更有利于隧道的纠偏控制。

传统组合管片多采用通缝拼装，通用楔形管片采用错缝拼装。通缝拼装接头处呈十字形集中受力，当管片间螺栓刚度越小，通缝拼装管片所发生的弯矩越小，不利于管片自身刚度的发挥，引起管片的水平位移变量增大，随管片螺栓刚度的减小，最大水平位移差距可达到50%左右。而管片错缝拼装管片环间接头的纵向加强作用，对管片变形有明显的抑制效果。在软土底层中，随着土体贯入度的降低，管片承受的外部荷载相应增加，管片错缝拼装应其刚度增加，内力增大，更好的发挥了管片自身刚度和螺栓连接刚度，抑制了接头位移。

在管片接头螺栓刚度较小且地层软弱时，通缝和错缝的差异较大，错缝拼装较好的发挥了纵向螺栓的加强作用，增加了管片整体刚度，对接头位置位移变形有了较好的控制，对管片变形和防止渗漏水优于通缝拼装。

由于通用楔形管片优异性使其在施工领域逐渐得到了较多的运用，但其施工过程中相对复杂，对管片拼装过程中的选点、管片平整度控制等要求高，本文将以某地软土地铁施工为背景，阐述通用楔形管片在施工中应用控制。

1、工程管片阐述

本工程使用管片为双面楔形通用管片，由六块预制钢筋混凝土管片拼装而成。管片宽1200mm，管片外径6200mm，内径5500mm，每环楔形角为20′37.59″，楔形量37.2mm。管片纵向共设16只螺栓，环向共设12只。

2、管片拼装点位选择

2.1 管片自带超前量计算

通用型管片由于管片自带楔形量，每环拼装可根据当前盾构姿态线形灵活选择封顶块拼装点位，来拟合盾构掘进线形和纠偏的目的。掘进施工前，需根据管片楔形量计算出封顶块处于16个不同点位时管片上下左右的超前量，再根据目前隧道设计轴线做出点位选择。

封顶块每旋转1个螺栓孔，管片旋转了22.5o，管片纵向共16个环向螺栓孔，管片为双面楔形，设封顶块位于12点钟位置，管片断面如下，每个螺栓孔对应相应的管片宽度，示意图如下：

取2、16号螺栓孔位置进行计算：

根据三角函数，X=R-Rcos22.5o

              L1=X*tanθ，θ为管片楔形角的1/2

L1=（3100-3100*cos22.5o）*tan(20'37.59''/2)=0.71

L=2L1+1181.41=1182.82

根据上式可依次算出其他点位管片厚度。

本工程管片拼装超前量示意图如下：

管片拼装超前量示意图

2.2 曲线段管片超前量排版计算

曲线段管片拼装需根据曲线线形进行曲线内外弧长度计算，以推算出曲线段管片总超前量，施工中根据盾构拟合姿态进行管片拼装点位选择。

曲线示意图

L0=(R+D/2) ×Π×（θ/360)  

L1=(R-D/2) ×Π×（θ/360)  

δ=L0-L1                                         

可由上组合公式计算出曲线段总超前量δ，盾构掘进过程中可根据当前管片与盾尾间隙来灵活选择封顶块拼装点位，保证曲线段管片总超前量δ，达到曲线段拼装质量。

2.3 纵向坡度上盾构环的排版计算

在管片拼装过程中，需考虑设计纵坡带来的管片上下超前量影响，因设计坡度变化较多，采用较多石棉橡胶板进行纵坡纠偏将不利于管片拼装质量，引起管片破损及渗漏水。因此，拼装过程中，需将管片自带楔形量考虑入纵坡上下超量计算。

纵坡示意图

X=L×i             

θ=Arctan（X/L）   

    L0=(X+D/2)/sinaθ

    L1=(X-D/2)/sinaθ

δ=D×sina(Arctani)

根据上述组合公式可计算出纵坡段所需管片上下超前量总和δ，由δ来确定拼装管片封顶块点位，拟合纵坡段。

2.4管片纠偏值计算

2.4.1曲线段盾尾间隙影响值

根据本工程设计区间最小半径为400mm，管片拼装时需考虑楔形量对盾尾间隙影响，避免管片拼装后出现盾尾间隙过小情况。曲线开挖时要求的盾尾间隙计算如下：

（1）设计参数

管片外径D＝6200mm  管片宽度W＝1200mm

曲线半径R＝400m    盾尾间隙＝30mm

盾尾覆盖管片的长度L＝2400mm

（2）盾尾间隙

理论值X＝(X1+X2)/2

其中：X1－为拼装管片方便并考虑管片安装误差及偏移所取的间隙裕量。

取X1＝30mm。

X2－曲线施工和修正盾构机蛇行所需的间隙。

按右图所示，可求得：

2X2＝R1-R1×cosθ，R1=R-D/2，sinθ=L/R1

化简成：              

假设最小转弯半径R=400m，可得：

X2=3.6mm

X=( X1+X2)/2=(30+3.6)/2=16.8mm

   （3）管片楔形量对盾尾间隙影响

由于管片自带楔形角，封顶块不同拼装位置导致管片在该部位产生不同的楔形角，楔形角的累加，会对该位置盾尾间隙产生变化。根据前面计算，理想拼装盾尾间隙为不小于16.8mm。

盾构机盾尾间隙为30mm，可调整盾尾间隙30-16.8=13.2mm

δ=L×sinaθ  ①

θ=Φ/2       ②

盾尾覆盖管片长度2400mm，

计算可得

Φ=0.315o

在400m曲线上，当盾尾间隙小于16.8mm时，管片拼装水平方向旋转楔形角控制在0.315o以内，防止管片脱出盾尾时无间隙。

2.4.2盾构掘进盾尾间隙影响值

盾构在掘进中，管片与盾构机位置如下图所示，可测量出上下左右4个点位盾尾间隙，ΔA、ΔB、ΔC、ΔD。

管片中心与盾构机中心中心偏差值计算如下式：

ΔS=（ΔA-ΔB）/2         ΔP=（ΔC-ΔD）/2    

根据上式可计算最小盾尾间隙值

Δmin＞16.8mm，可保有盾尾间隙（16.8mm为计算最小拼装间隙）

即盾尾间隙差值控制在13.2mm内，在盾构姿态不发生变化情况下，可确保管片不与盾尾发生碰撞。在盾尾间隙差值大于13.2时，需将管片封顶块向间隙大值位置进行拼装，减小该位置盾尾间隙，已缩减盾尾间隙差值。

2.5油缸行程纠偏

盾构机推进油缸按上、下、左、右四个方向分成四组。在施工过程中这四组油缸的行程差值反应了盾构机与管片平面之间的空间关系，当油缸行程差值过大时，推进油缸的推力就会在管片环面产生较大的水平分力，从而影响已拼装好的隧道管片以及盾构机掘进姿态。油缸行程差值超过40mm时，就应该选择封顶块位置通过管片超前量进行油缸行程纠偏。

下面举例说明：现有一组油缸行程的数据如下：

B组（右）：1594mm   C组（下）：1564mm

D组（左）：1546mm   A组（上）：1541mm

左右行程差为：D－B=1546－1594=－48mm

上下行程差为：A－C=1541－1564=－23mm

此时需增加管片右侧和下侧超前量，弥补千斤顶行程差，可选择封顶块在14号点位进行拼装。

拼装后数据如下：

B组（右）：376.82mm   C组（下）：356.88mm

D组（左）：363.18mm   A组（上）：348.12mm

这样左右与上下的油缸行程差值基本控制在20mm之内，有利于减小盾构机与管片间夹角和水平向分力，在盾构掘进姿态调整过程中保护管片不受破坏。

3、管片碎裂控制

主要原因：

（1）突然切换刀盘转动方向，导致管片受力状态突变，管片环面不平整，相邻管片迎千斤顶面有交错现象，使后拼的管片受力不均匀，管片的表面会出现裂缝。

解决方法：每环管片拼装时都对环面平整情况进行检查，发现环面不平应及时加贴衬垫予以纠正。在切换刀盘转动方向时，保留适当的时间间隔，切换速度进行控制，使管片达到受力均匀。

（2）拼装时前后两环管片间夹有杂物，导致相邻块管片环面不平整，后拼装的管片在推进的时候就可能局部集中受力被顶断。

解决方法：拼装前清理管片面杂物，特别是盾尾下部，上环管片有较大平面差的位置，加贴垫片，调整管片面平整度，及时调整管片环面与轴线的垂直度，使管片在盾尾内能居中拼装成环。

（3）盾尾间隙过小，导致管片无法选择合理拼装点位，管片间楔形角过大，导致管片局部受力。

推进过程中，分三次进行盾尾间隙测量，及时调整盾构姿态，以确保盾尾间隙的均匀性，拼装管片禁止大幅度纠偏，采用多环小量纠偏。

（4）封顶块管片插入时，由于管片开口不够而使管片受挤压产生碎裂。

解决办法：邻接块螺栓不采用一次复紧，以增大邻接块开口度，在两相邻块的侧面和封顶块的两侧面及止水条均匀涂抹润滑剂，封顶块先径向居中压入安装位置，搭接长度0.4m，调准后再沿纵向缓慢插入。

4、管片渗漏水处理

主要原因：

（1）管片拼装质量不好，接缝中有杂物，管片椭圆度大，造成管片之间的缝隙不均匀，局部缝隙过大，使止水条无法满足密封的要求，周围的地下水就会渗漏进入隧道；

解决方法：管片拼装前对管片换面进行清理，防止管片带杂物进行拼装。拼装结束后，待千斤顶开始顶进时，对管片螺栓再次进行复紧，以使管片达到圆环状态。

（2）管片外弧面挤压碎裂，破损范围达到管片止水槽时，止水条与管片间不能密贴，造成地下水从破损处渗漏进入隧道；

解决方法：控制盾尾间隙，防止管片脱出时受盾壳挤压破损，对破损较大部位进行双液注浆处理，并使用水硬性浆液在渗漏点附近管片进行壁后注浆处理。

（3）止水条粘贴不牢固、管片拼装期间挤压过度，三元乙丙止水带在管片边角部位挤压脱落，止水条拼装前遇水膨胀。

解决方法：拼装前，对管片止水条进行检查，及时更换失效的止水条。对已拼装管片的纵缝和环缝使用遇水膨胀材料进行嵌缝处理。

5、结语

通用楔形管片在盾构施工拟合曲线的便利性，使其能便捷的运用于隧道施工，但其自身楔形对盾构线路拟合、盾构机姿态、掘进油缸行程和盾尾间隙变量等影响较大，合理的封顶块拼装点位选择，决定了成型隧道的质量。采用正确的方法进行封顶块点位选择，不仅能够快速完成盾构掘进施工，还保证了隧道施工质量。本文就通用楔型管片错缝拼装施工中的超前量计算、平断面超前量排版、管片纠偏值计算、管片拼装质量控制等进行了探讨，希望对今后实际工作起到一定借鉴作用

参考文献

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