地铁盾构隧道管片选型与拼装

地铁盾构隧道管片选型与拼装

杨文超

杨文超

中铁六局集团有限公司交通工程分公司北京丰台100070

摘要：在盾构施工中因管片的选型和拼装不当而引起成型隧道管片破损及漏水现象是个普遍现象，结合西安六号线丈八六路站～丈八四路站区间右线的管片选型和拼装质量为研究对象，总结在施工过程中的经验说明了管片选型的原则，从管片不同拼装点位等方面叙述了施工中管片拼装要求。

关键词：盾构机、管片、盾尾间隙、盾构机姿态、油缸行程差

1工程概况

西安地铁六号线一期TJSG-7标丈八六路站～丈八四路站区间采用盾构法施工，右线区间长度1138.4m，最小曲线半径R=2000m。区间隧道底部埋深介于17.14-24.52m之间。隧道从丈八四路站西端以线间距14.0m坡度2‰出站后，以25‰的坡度下行，继续以14‰的坡度下行至区间最低点。然后以20‰的坡度上行，最终以2‰的坡度进入丈八六路站。

2管片设计

2.1本区间隧道管片采用C50P12预制钢筋混凝土管片，管片设计具体参数见下表：

3管片选型的影响因素

管片作为成型隧道衬砌、是隧道永久支护的一部分，会受到来自土层、地下水压力等特殊外力，如管片选型不当，会引起管片错台、开裂、隧道渗水，所以管片的选型至关重要。选取管片主要需要考虑3方面的因素：（1）盾尾间隙；（2）推进油缸行程差；（3）铰接油缸行程差。

3.1管片选型首先要考虑盾尾间隙对管片选型的影响

本工程采用小松TM614PMX-12号盾构机盾尾外径为6140mm、壁厚为40mm的圆柱形钢结构，管片的外径为6000mm。假设拼装完成的管片中心轴线和盾尾的中心轴线重合时，则一周的盾尾间隙值为（6140-40*2-6000）=30mm，若拼装完成的管片中心轴线和盾尾的中心轴线不完全重合时，盾尾间隙就会发生偏差，盾尾间隙是管片选择的主要依据之一，当间隙过小，盾构推进过程中盾尾与管片发生摩擦，增大盾构掘进阻力，降低掘进效率，严重时损坏管片，造成隧道渗漏。管片和盾尾通过盾尾刷密封，当盾尾间隙小于20mm，管片在拖出盾尾时，管片和盾尾刷密封会发生挤压，导致盾尾的密封效果减弱，造成盾尾浆液泄漏。因此，在每环掘进完成时首先要量取盾尾间隙，当某个区域盾尾间隙接近20mm时，就应考虑用转弯环调整盾尾间隙。调整的方法是，选择拼装盾尾间隙过小的反方向的转弯环。拼装完成1环右转弯环的管片后，右边的盾尾间隙就会变小，左边的盾尾间隙就会增大。根据施工实际情况选择不同的拼装点位，可以调节不同区域的盾尾间隙。当盾构机在直线段掘进时，必须在拼装完1环右转弯环后，选择适当的情况，再拼装1环左转弯环进行直线拟合，否则右边盾尾间隙将越来越小，最终导致盾尾与管片发生摩擦压破管片。如果盾构机在曲线段掘进时，应根据线路的实际情况来进行管片选型。

3.2推进油缸行程差及铰接油缸行程差对管片选型的影响

盾构机是通过盾尾内的推进油缸，产生在已拼装好管片上的反力进行掘进施工，小松盾构机盾尾内推进油缸按上、下、左、右4个方向分成4个区域，在推进过程中，通过调整各区域油缸的推力来保证盾构机沿设计线路掘进，以小松TM614PMX-12号盾构机盾为例，盾尾内的推进油缸共有22根平均布置，在上、下、左、右相互垂直的四根油缸上安置传感器，推进过程中就会通过传感器把油缸行程数据传递到操作室显示器上，由于线路曲线的变化和地质条件的变化（土质上下软硬不均、左右软硬不均），通过调整各区域推进油缸的压力大小，来保持盾构机按设计线路推进，从而造成各区域推进油缸的行程就会存在一定的差值。在两个相反方向上的行程差值大于40mm时（小松盾构机推进油缸最大行程为2m，推进施工伸长到1.8m时就可以拼装管片），推进油缸衬靴就会和管片接触面产生一定的夹角，从而产生较大的分力，盾构机的姿态就很难控制，也容易将拼装好的管片推破。如果继续拼装标准环，盾尾间隙将会越来越小，这时应及时拼装转弯环进行纠偏。

在曲线段及大的纠偏掘进过程中通常会打开盾构机铰接。这时铰接油缸也会产生行程差，影响管片的选型。管片选型时应用推进油缸行程差值减去铰接油缸行程差值，来作为管片选型的依据。

4管片选型原则

管片选型的原则有2个：（1）管片的选型要符合隧道线路设计；（2）管片选型要适应盾构机的姿态。

4.1管片的选型要符合隧道线路设计

当线路存在水平、竖直曲线的路段时，管片选型首先要根据线路情况通过计算管片排版进行拟合线路，根据线路曲线半径可以计算出直线环、转弯环的使用比例，以及曲线段上标准环与转弯环的布置方式。在拼装过程中选择管片时应尽量维持此比例。

根据隧道曲线半径及标准环与转弯环的关系：如图一所示，就可以计算出在理想状态下区间曲线段线路的标准环与转弯环的搭配方式。

L／1.5m=8环，即在半径2000米的圆曲线上，理论上标准环与转弯环的拼装关系为7环标准环+1环转弯环。为了保证拼装质量，结合实际经验该区间曲线段管片标准环、左（右）转弯环及右（左）转弯环比例关系为5：2：1。

4.2管片选型要适应盾构机姿态

管片是在盾尾内拼装，当盾构机姿态偏离设计线路时管片拼装就会受到制约。所以选择的管片型号要适应盾构机的趋势，拼装完成的管片平面尽量垂直于盾构机的中轴线，使盾构机在推进过程中推进油缸衬靴能够垂直地推在管片上，这样管片的受力才均匀，就不因推进时产生的分力造成管片错台、破损。同时也考虑到管片与盾尾之间的间隙，避免盾尾刷与管片发生挤压而损坏管片。在实际掘进过程中，由于地质不均匀、推力不均匀，盾构机的姿态往往会偏离隧道设计线路，如果盾构机偏离隧道设计线路时不要急于进行纠偏，为了保证盾构机铰接密封和盾尾刷密封工作正常，同时保证管片不受损坏，每环盾尾间隙的纠偏量不宜超过±5mm，否则转弯环管片的偏移量跟不上盾构机的纠偏幅度，盾尾会挤坏管片。

5管片拼装

5.1管片拼装点位

管片的拼装点位分十个：见管片拼装点位示意图。拼装管片时一般安照A-B-A（1点、11点）点位方式拼装，前后两环管片错缝拼装，错缝拼装相比通缝拼装的内力较大、变形较小，且有利于隧道防水。错缝拼装时管片的点位分为2类，一类为1、3、5、8、10点；另一类为2、4、7经常遇到9、11点。同一类点位不能相邻拼装，例如拼装1环1点位后下一环就不能拼3、5、8、10这四个点位，只能拼2、4、7、9、11，这五个点位。

图二管片拼装点位示意图

5.2管片拼装顺序

管片是由拼装机分块依次拼装而成，管片块与块、环与环之间通过螺栓连接。施工中管片安装顺序，一般先安装最底下的三个标准块，然后依次安装上边两个邻接块，最小的封顶块最后安装。在拼装管片时，不可因为节省时间同时将所有油缸缩回，应每次根据管片拼装位置需要来回缩相应区域的油缸，相邻管片对靠应整体对齐，拼装完成后相邻管片错缝应小于5mm，再将该管片区域的油缸伸出顶住管片，拼装完成后选中所有油缸进行满环复顶。管片螺栓安装时先安装片与片之间的连接螺栓，再安装环与环之间的连接螺栓，在掘进时注意每环管片螺栓要进行三次复紧。

6结束语

管片选型要综合考虑以上各方面因素才能符合施工中的拼装要求，不同的盾构机和不同的地层，在管片的选型和拼装上有不同的考虑因素，使得管片选型更加灵活。施工过程中根据盾尾间隙，再结合推进油缸行程差、盾构机自身掘进趋势等因素，通过选择正确的管片类型和拼装点位，来实现盾构机隧道的调向和纠偏，将实际隧道施工线控制在设计线的允许公差范围内。

参考文献：

[1]秦建设，朱伟，陈建．盾构姿态控制引起的管片错台及开裂问题研究［J］．施工技术，2004

[2]周文波．盾构法隧道施工技术及应用［M］．北京：中国建筑工业出版社，2004

[3]谢小兵．盾构隧道管片扭转原因分析及预防措施［J］．广州土木与建筑，2006（5）