论地铁盾构管片选型

论地铁盾构管片选型

杨孝嵩

广东水电二局股份有限公司511340

世界经济的迅猛发展加速了城市化建设，城市人口和建筑密度的不断增加，加快了城市水电管网及轨道交通的建设。在城市隧道施工中，由于地面及周边环境复杂，基本上都采用现在已经比较成熟的盾构法施工。由于城市（重要）建构筑物、桥梁等较多，为节省投资资金，避免风险，保护建构筑物等，盾构隧道的曲线越来越多，半径越来越小，多管片的拼装质量要求越来越高，对管片选型技术要求也越高。本文结合几个案例分析探讨盾构管片选型技术。

一、管片的结构与拼装形式

过去，广州市盾构每环管片由六块管片组成（L1、L2、L3、B、C、K），分为标准环、左转弯、右转弯环，拼装时主要靠调节K块的位置来确定管片的转向，重而与设定的轴线进行耦合。

首先，介绍管片的点位的由来。考虑管片的受力情况，一般采用错缝拼装的形式进行，由于管片的横向螺栓有十套，因此，管片通常的点位就按10个点位来区分。如下图所示：

图一图二

管片的具体形式决定每块管片的角度，任意相邻两点所对应的夹角为36°（图一所示）。但是，1点和11点中间夹着12点，那么，1点和12点的夹角就是18°，11点和12点的夹角也是18°，同理可证5点和7点的角度是18°。

其次，偏移量的计算公式。从图二中可得转弯环的管片最大楔形量为38（mm），管片的外径是6000（mm）。

根据Tanа=38/6000=0°21′46.33″∵а=в可得到：

∴偏移量=Tanв×1500=9.5（mm）

通过计算结果得出转弯环的最大偏移量是9.5（mm）。再次回到正面点位图，可以看出只有12点、3点、6点、9点的时候是最大偏移量的位置，而管片的点位中没有12点和6点，即得3点和9点位置是管片偏移量最大的位置（9.5mm）。

举个例子，左转弯环的管片拼在1点位时，管片的偏移量是如何计算的。其实1点位的时候，正好是偏离12点位18°，假如左转弯是拼装在12点，根据左手定则（食指和拇指撑开呈90°）可知，食指做指向的方向是代表点位，拇指的方向是最大楔形量的位置（右转弯则用右手定则）。因此，12点的时候最大楔形量位置就在3点位，命名正朝左。拼装在1点位置的时候，根据左手定则得出，楔形量最大就在4点位置。这里就存在楔形量偏移了18°那么管片的朝向就是即往左偏移又往上偏移。

根据偏移的角度通过正余玄公式计算得出：

左偏（Z）=COS18°×9.5=9.035（mm）

上偏（S）=Sin18°×9.5=2.935（mm）

同理可以求的其他点位的管片偏移量，如下表：

二、管片选型的方式

1、曲线掘进管片选型的指导

管片选型主要是根据管片的点位和设计轴线来确定管片如何选型。一般设计图纸会给定平面曲线和竖直曲线，由于竖直曲线的半径都较大，因此主要还是以平面曲线来考虑。通常一个曲线的转换须由三部分组成——缓和曲线、圆曲线、缓和曲线，下面举个例子来说明其计算方法：

例如：R=300M

a=54°22′55″

Ls=60T=184.366L=344.743

首先，根据曲线要素可计算得转弯段的管片总数，缓和曲线管片总数，圆曲线管片总数，计算分别如下：

总环数（S）=总长L&pide;每环管片长度（1.5）=230环。

缓和段管片总数（N）=Ls（60）×2&pide;1.5=80环。

圆曲线段管片总数（M）=S-N=230-80=150环或

通过计算：M=（L-2Ls）&pide;1.5=150环

其次，根据转弯环拼装1点或11点最大转弯角度公式计算得到：

Tanв=9.035&pide;1500=0.345即в=0°20′42.39″

通过曲线要素得知，本次300米半径转弯转过的角度a，每环转弯环的最大偏移角度是B。那么，转弯环的总数就可以根据公式计算：

转弯总环数=а&pide;в=54°22′55″&pide;0°20′42.39″=158环。

另外，通过圆弧公式可得圆曲线的角度：

е=360°（L-Ls×2）&pide;（2×3.14×300）=42.9445°

那么，圆曲线上需要的转弯环是：

圆曲线转弯环总数（Q）=е&pide;в≈124环。

圆曲线上的标准环总数（X）=150-124=26环。

缓和曲线段转弯环总数（Z）=158-124=34环。

因此，在圆曲线上转弯环和标准环的比列是：

Q：（M-124）=124：262≈5：1

（剩下的缓和曲线段就按照得出的比例依次递增标准环、递减转弯环）

所以得到转弯环和标准环在本次300米半径内的拼装比列是：

1：5→2：4→3：3→4：2→5：1→4：2→3：3→2：4→1：5

2、盾尾间隙选型

盾构机调整方向主要依靠盾尾与管片之间存在一定的间隙，从而使盾构机能够在不干涉的情况下进行一定的角度调节来耦合设定的隧道轴线，因此我们在管片选型时还要以盾尾间隙的大小来选定所需的管片如下图3所示管片的展开图：

图3：管片俯视展开图

通过计算管片的偏移量，得出管片在拼装L1点的时候，管片是往左又往上偏移。那么，通过图4，可以清晰看出，当我们把左手自然伸出食指和拇指，其他手指合拢。食指就是管片K块的位置，拇指就是楔形量最大的位置，楔形量最大的在哪，管片的偏移就往楔形量最大位置的反方向偏移。食指指向K块1点的位置，那么拇指正好和食指成90°指向4点位置。那么，拼1点位置的时候，管片是往左偏9.035mm，往上2.935mm.为什么往左多而往上少，其实可以从图四中看到，拇指在4点位接近3点位置，如果在3点位置，那么管片就正朝左边。大家可以想想，假如拼2点位置。那么就是食指指向2点。而拇指就是在5点位置，5点位置接近6点位置，如果楔形量是在6点，那么管片就正朝上，所以此时，管片偏移朝上多于朝左。以此类推，拼3点，那么楔形量正好在6点，那么管片就是正朝上了。同理，右转弯管片就用右手定则判断管片的偏移量。因此我们根据盾尾间隙可以形成“左右手定律”来进行管片的选型。

图4：代表左转弯拼装1点位置正面图

3、管片的纠偏

盾构施工存在三条轴线，第一是设计轴线，第二是盾构机轴线，第三是管片轴线。施工过程中，盾构机轴线必须跟随设计轴线走，而管片轴线则必须跟随盾构机轴线走，这样才能保证隧道轴线和管片走向符合设计要求，最理想的状态就是“三轴合一”。但是，由于盾构管片的宽度、盾构机的长度以及地质条件、操作主观因素等决定盾构掘进的轴线沿着设计的轴线上下波动，蛇形前进；，盾构机的姿态难以“三轴合一”，同时盾构在掘进过程中发生位置偏移、角度偏移以及角度位置一起偏移等现象，为此要及时对盾构掘进进行纠偏。确保管片轴线与设计轴线无限耦合。如下例子所示：

例1：如图5（a）所示，管片轴线偏离隧道轴线左侧1个单位，方向与隧道轴线平行，假设拼装一环管片轴线最大偏移量为1个单位，若要让管片轴线与隧道轴线重新吻合，最快的纠偏方法是拼装一环右转往右偏移一个单位，轴线回到隧道轴线，再拼装一环左转，管片轴线与隧道轴线吻合。如图5（b）所示。

例2：如图6（a）所示，管片轴线方向偏离隧道轴线左侧方向1个单位，假设拼一环管片轴线偏移角度为1个单位，若要管片轴线重新回到隧道轴线，最快的纠偏方法为拼装一环右转管片角度偏移一个单位，轴线变为与隧道轴线平行，再拼装一环右转管片，管片轴线回到隧道轴线，最后拼装一环左转管片，管片轴线与隧道轴线吻合。如图6（b）所示。

例3：如图7（a）所示，管片轴线偏离隧道轴线左侧1个单位，并且方向也偏离轴线左侧方向1个单位，若要让管片轴线与隧道轴线重新吻合，最快的纠偏方法是拼装一环右转，管片轴线变为与隧道轴线平行，再拼装一环右转加一环标准，管片轴线回到隧道轴线，最后拼装一环左转，管片轴线与隧道轴线重新吻合。如图7（b）所示。

盾构机姿态纠偏有两种方式，第一种是利用主推千斤顶分区压力的不同，形成行程差，使盾构机朝着预定目标前进。第二种是利用主推千斤顶，把盾构机形成一个角度，朝着预定目标前进。

三、管片选型注意事项

1、管片的滞后性

盾构机刀盘和管片之间存在一定的距离，这样导致刀盘的姿态和盾尾的姿态之间存在一定的滞后性，如图9：

图9

由图8可知盾构管片和盾构机刀盘的姿态存在一定的滞后性即管片的允许姿态是前四环时刀盘通过时的姿态，因此在进行管片选型时一定要考虑前四环的状态，如果前四环时刚好是管片纠偏时向左纠与想在的状态相悖，那么我们纠应该考虑前四环的转向，从而正确的选取管片。管片的滞后性在盾构机转小半径、在小半径上始发、小半径上纠偏以及急纠等状态下要充分考虑，否则造成管片错台、漏水，甚至管片爆裂等质量安全事故。

2、盾构机、围岩体、管片的服从性

盾构机掘进的洞径主要取决于刀盘的掘进的开挖洞径，即盾构机的最大通过洞径，因此盾构机的洞径时服从刀盘开挖出来围岩体的洞径的；同理管片的盾构机尾部内，因此管片的洞径必须服从盾构机的通过“内径”。如图10，可以看出其各自的服从性。

图10围岩体、盾构机、管片的服从关系图

由图10可知盾构掘进时不是依靠管片的行程差和管片的角度来调节盾构机的姿态，而是靠盾构机掘进时掘出何种洞径，从而盾构机与管片服从掘进出来的洞径。是先出现行程差和盾尾间隙的允许值然后来进行选取管片，消除形成差和保留四周的允许盾尾间隙。在实际应用中特别容易出现的问题主要是选取管片时不考虑盾构机的状态，一味强调盾尾间隙的调整，从而造成管片拼装时时完好的，到管片脱出盾尾时就发生管片与盾构机干涉、盾构机与围岩体干涉等现象，从而引发较大的质量安全事故，甚至可能造成整条隧道报废的可能。

3、盾构机调整姿态对管片的影响

由于盾构机的盾体长度较长，在盾构机改变姿态是灵敏度就大大降低，为了控制好急曲线隧道的施工轴线，需要提高盾构机的纠偏灵敏度。而要提高盾构机的灵敏度，最有效的措施是缩短盾构机头的长度。在盾构机的中部使用铰接装置，一是可减少盾构固定段长度；二是可以根据设计轴线预先形成铰接角度，保证盾构机轴线与设计轴线的趋向吻合。如图11

根据设计轴线的要求，控制铰接千斤顶形成行程差达到形成角度的要求，同时控制主推千斤顶的行程差，从而保证盾构机的掘进轴线，因

四、案例分析

案例1：以某工地右线第13环为例。当时隧道轴线为300m转弯半径，盾构机在右转，第12环推进一半时量取盾尾间隙发现左边盾尾间隙98mm，右边几乎为零（测量环），此时计算左右油缸行程差为左边比右边大15mm，为了单纯调整盾尾间隙，拼装一环L11。在第14环又拼了一环P1，拼完后左右行程差达100多毫米。此时发现左右行程差太大，如果继续按照这个模式推进的话，盾构机右转的速度将会非常快（约27mm每环），这就出现了管片跟不上盾构机的情况，将会有很多环管片被盾尾挤压错台或破裂。为了避免这种情况的发生，只有调整模式，改变区压，使盾构机的走向偏离轴线，以保全管片。如图12所示：

示意图12

注：蓝色为隧道设计线路，红色为管片实际线路

分析：此案明显是第13环管片选择失误，单纯的考虑了盾尾间隙来选择管片，而没有考虑行程差以及盾构机的走势。

管片选型总的原则是两个服从：盾构机服从隧道轴线，管片服从盾构机。要正确进行管片选型，就是在这两个服从的基础上，综合考虑各种因素，比如说：隧道的轴线、盾构机的姿态以及走势、油缸的行程差以及盾尾间隙等。但在实际的操作中最常参考的因素是油缸的行程差和盾尾间隙。

盾尾间隙顾名思义就是管片外侧与盾尾内侧之间的间隙，它表示盾尾与管片之间是否产生干涉。若盾尾间隙过小或是为零，说明盾尾与管片产生接触、挤压，这会造成管片的错台或破裂。这种破坏只会产生在错选管片的那一环或是几环。

油缸的行程差简单说就是左与右、上与下两组油缸行程之间的差距。行程差越大，盾构机往行程小的那一侧偏移的就越快。由于每环管片最大的偏移量只有9mm，所以，当行程差大到一定程度以后，每推进一环，盾构机的偏移量就会大于9mm，就会造成管片转弯的速度跟不上盾构机转弯的速度，这样就会造成管片的错台或是破裂，而且，这种错台或是破裂往往会延续几环或是十几、二十几环。这在转弯段表现的尤其明显。可见，行程差在管片选型的过程当中要作为重中之重优先考虑。

此例中，当时隧道轴线为300m转弯半径，盾构机在右转。300m转弯半径上，由于左右分区压力设定不同，每推进一环左右油缸大约产生30mm的行程差，轴线大约偏7.5mm。第12环推进一半时量取盾尾间隙为15mm，推完本环将达到30mm，而且，拼装一环L11，本身就会产生36mm行程差，这样二者相加，拼完第13环L11，左右行程差达到约76mm。此时，行程差已明显偏大，第14环应尽量拼装L7来消除一定行程差。然而，第14环又拼了一环P1，拼完后左右行程差达100多毫米。推进完成第15环左右行程差将达130mm之多，即使拼装右转管片，最多也只能消除约36mm的行程差，那么，到第16环仍旧有约100mm的行程差，如此循环，盾构机的行程差将很难被消除掉。这样，盾构机右转的速度将会非常快（约27mm每环），这就出现了管片跟不上盾构机的情况，将会有很多环管片被盾尾挤压错台或破裂。为了避免这种情况的发生，只有调整模式，改变区压，使盾构机的走向偏离轴线，以保全管片。

此例中，隧道轴线为300m转弯半径，通过计算可知管片组合大致为5R1P，即5环右转加一环标准，具体计算如上。

选管片时大致可参考此规律，可根据实际情况稍微变动，切记不可装反向转弯管片。从另外一个角度讲，如果在300m半径错装反向转弯管片，那么纠偏将是一个漫长的过程。依然以此案为例，前两环为L11和P1，纠偏方案如图13所示：

如图13（a）所示，此例错选管片若发生在直线段，通过四环（R11，R1，P11，L1）就可以重新回到隧道轴线。而发生在300m转弯半径，那么，想要把管片轴线纠偏回到隧道轴线就需要很多R环管片，如图13（b）所示。

最后，在选管片时，根据盾构机的姿态、走势，在合适的机会，有预见性的选择管片，即可提前调整盾尾间隙，又可避免拼装点位不好的麻烦。比如说，盾构机的姿态与走势表明盾构机将要右转，要在下一环拼装往右转的管片，但是拼装点位不好，要拼L7，拼装麻烦，这就可以在行程差及盾尾间隙允许的情况下，提前一环选择R1（L7=R1），效果一样，点位好拼。另外，此案中，右侧盾尾间隙过小，通过盾构机走势可以看出，盾构机正在右转，右侧间隙将会慢慢变大，完全可以拼装标准环，而不必急于一时拼装左转管片。

案例2

某盾构区间，在300M半径的左转弯圆曲线上，某机手在选择管片时选择了一环右转弯，原计划拼装在5点位，由于根据60环掘进完的盾尾间隙和行程差的关系（盾尾间隙左边间隙58mm，右边间隙91mm，上面65mm，下面85mm，左右行程差为0。）某机手就直接拼装了一环右转2点的管片。推进61环后观察盾尾间隙和行程差，该名机手又拼装了一环标准环。继续推进完62环才发现盾构机姿态已经跑遍很大，直至停机商讨纠偏方案。

首先，对上面陈述的问题，我们先做分析，在左转弯300M半径内拼装右转弯管片就不符合管片选型的第一因素，在第一因素里提到，管片的姿态要跟随盾构机姿态走，那么盾构机在左转那么管片是不是也该左转，答案很明确是。那么为什么呢？请看下图14分析：

图14

根据图形可以看出，60环时拼装管片L1是刚好满足300M转弯曲线，当61环拼装右转R2时，虽然当时满足盾尾间隙和行程差的需要，可是管片的曲线却发生了很大的改变了，62环继续拼装了P1后，管片正好抵消了盾尾间隙也产生了行程差。但是，管片的轴线与设计的轴线已经偏离好远。这时开始纠偏就发现管片的姿态已经跟不上盾构机的姿态，盾构机只能等待管片的跟进，那么盾构机水平姿态一直往右偏。这种情况下就可能导致盾构机超限。另外，管片这时要急纠，因为跟不上盾构机的姿态，盾尾就会和管片发生干涉，一旦干涉就导致管片错台。

结束语

综上可见，管片选型就是参考隧道轴线，根据盾构机姿态、走势，在行程差允许的情况下，调整盾尾间隙，使管片顺利脱出盾尾，没有错台，没有破裂。