西安地铁盾构隧道管片选型、拼装浅析
摘 要 盾构隧道管片拼装质量问题直接关系工程质量及后续运营，以西安一号线后围寨—三桥区间的管片拼装质量为研究对象，介绍了管片型号的选型原则，从管片的拼装点位等方面阐述了盾构隧道施工中的管片拼装技术。通过现场试验段的实践，认真分析了管片错台、破裂等拼装质量问题，总结了管片选型拼装过程中需要综合考虑的一些参数，使成型隧道满足设计施工要求。
关键词 盾构 管片选型 管片拼装 盾尾间隙 盾构机姿态 油缸行程差
1 工程概况
西安地铁一号线一期工程( 后卫寨—纺织城) 后卫寨至三桥区间右线全长1 798．624 m，隧道采用C50预制钢筋混凝土管片，管片内径为 5 400 mm，外径为6 000 mm，厚度为 3 00 mm，宽度为 1 500 mm。管片采用 3B +2L + 1F 的分块方式，即每环管片分 6个单元，3 个标准块，2 个邻接块和 1 个封顶块组成，管片间设橡胶止水带，衬砌环间采用错缝拼装。为满足曲线施工和隧道纠偏的需要，专门设计了左、右转弯环。管片的型号分为标准环( B) 、左弯环( Z) 和右弯环( Y) ，转弯环为双面对称楔形环，楔形量为 38 mm。
2 管片型号的选择原则
盾构隧道衬砌管片是是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。
盾构隧道衬砌管片主要采用 2 种形式，即普通环形式和通用环形式。普通环形式包括标准环和左右转弯环，目前国内城市地铁隧道大多采用普通环拼装方式。
标准环和转弯环按照不同的组合方式可以拟合出不同曲率半径的隧道，在选取管片的过程中，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) 盾构机趋势。
通过正确的管片选型和选择正确的拼装点位，将隧道的实际线路调整在设计线路的允许公差 ±50mm 内。
2． 1 管片选型要优先考虑盾尾间隙
盾尾与管片之间的间隙叫盾尾间隙。该盾构机的盾尾内径为6 150 mm，管片外径为6 000 mm，因此，在直线段施工时，标准盾尾间隙为 75 mm。盾尾间隙是管片选择的依据之一，如果间隙过小，则盾构机在推进过程中盾尾会与管片发生干扰，轻则增加盾构机向前掘进的阻力，降低掘进速度，重则盾尾将管片损坏，造成隧道渗漏水或地表沉降。
管片与盾尾通过钢丝刷密封，当盾尾间隙小于50 mm 时，盾尾拖动时管片与钢丝刷密封会发生干扰。因此，在拼装管片之前，必须在上一环的盾尾间隙接近 50 mm 时，就用转弯环对盾尾间隙进行调整。调整的基本原则是，哪边的盾尾间隙过大，就选择拼装同方向的转弯环。
拼装 1 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，通过不同的拼装点位，还可以调节上、下方向的盾尾间隙。如果此时盾构机在进行直线段的掘进，则必须注意在拼装完1 环右转弯环后，选择适当的时机，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，直至盾尾与管片发生干扰。当盾构机处于曲线段，则应根据线路的特点进行综合考虑。
2． 2 根据推进油缸行程差选用管片
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，推进油缸按上、下、左、右 4 个方向分成 4 组，而每一个掘进循环，这 4 组油缸行程的差值反映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。当管片端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。如果继续拼装标准环的话，盾尾间隙将会进一步减小。通常以各组油缸行程的差值大小来判断是否应该拼装转弯环，在两个相反方向上的行程差值不小于 50 mm时，就应该拼装转弯环进行纠偏，拼装 1 环 l1 点位的转弯环时，可以使左、右两组的油缸行程差缩小36． 1 mm。
西安地铁一号线一期工程( 后卫寨 － 纺织城)后卫寨至三桥区间用的盾构机，中体与盾尾之间采用被动铰接油缸进行连接，铰接油缸可以收放，这样有利于盾构机在曲线段的掘进及盾构机推进时的纠偏。铰接油缸通过位移传感器将上、下、左、右4 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，这时应当将上下或左右的推进油缸行程差值减去上下或左右的铰接油缸行程的差值，最后的结果作为选择管片的依据。
2． 3 管片型号的选择应适合隧道设计线路
根据线路转弯半径确定直线环、转弯环大致比例原则: 对于线路存在水平、竖直曲线的路段，管片选型前首先要根据线路情况通过 CAD 软件拟合线路，确定直线环、转弯环大致比例，以及曲线段上标准环与转弯环的布置方式，曲线段施工时，采用标准环与转弯环配合。在施工过程中选择管片时应尽量维持此比例。盾构机区间管片技术参数见表1。
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( 见图 1) 。
转弯环偏转角的计算公式:
θ = 2γ = 2arctan δ / 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—管片外径。
将数据代入得: θ =0． 362 9。
圆心角的计算公式如下:
α = 180L / πR
式中: L—段线路中心线的长度;
R—曲线半径 取 650 m。
而 θ = α，将之代入，得 L =4． 117 m。
由此式表明，在650 m 的圆曲线上，每隔4．117 m要用一环转弯环，由于管片长度为 1． 5 m，因此，在650 m 的圆曲线上，标准与转弯环的拼装关系为 3 环标准环 +1 环转弯环。
3 管片拼装技术
3． 1 管片的拼装点位
为了满足管片错缝的需要及转弯环不同的楔形量，管片封顶块的位置一般根据螺栓的个数，除去特殊要求( 如一般去掉 0°和 180°的点位，有些城市一般下半圆的点位不用) 剩余可以安装封顶块的位置，分为若干个拼装点位。对于转弯环，由于封顶块的拼装点位不同，其转弯方向和转弯量是不同同的。
西安地铁一号线一期工程( 后卫寨—纺织城)后卫寨至三桥区间隧道的管片拼装点位除去 6 点和12 点不能进行拼装，管片在圆周上均匀分成 10 个点位。一般情况下，本着有利于隧道防水的要求，都只使用上部 6 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。
3． 2 管片拼装施工技术
一环管片由管片拼装机拼装而成，管片块之间由人工插入的螺栓连接在一起。成环管片通过纵向连接螺栓与相邻环连接，最小且最后安装的管片块为封顶块。
根据管片安装顺序，一般先安装最底下的管片，然后依次安装上边管片，最后安装封顶块。安装每一块管片，需将安装管片位置的千斤顶缩回到位，空出管片拼装位置。
用管片安装遥控器操作，管片安装头须与管片调整好相对位置，然后缓慢吊起管片。将管片旋转至最终的正确位置，相邻管片错缝不大于 5 mm，穿上螺栓并紧固。将该管片位置的千斤顶伸长，顶住管片。在上述工作的同时，管片输送器继续按拼装顺序输送管片至安装位置。余下管片重复上述操作步骤。
3． 3 盾构机的趋势对管片拼装的影响
管片选型时还应注意考虑盾构机的趋势，管片选型应与盾构机趋势一致，才能减少推进时引起管片错台。在实际掘进过程中，盾构机因为地质不均、推力不均等原因，盾构机的姿态经常会偏离隧道设计线路，当盾构机偏离设计线路进行纠偏时，要特别注意管片型号的选择，避免因盾尾间隙过小而造成管片破损等事故。如果盾构机偏离设计线路，在纠偏过程中不要过急，为了保证盾构机的铰接密封、盾尾钢丝刷密封工作良好，同时也为了保证管片不受损坏，盾构机纠偏过程中不能有太大的调整量，一个掘进循环内盾尾间隙的纠偏值宜控制在 ±5 mm 内，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。
4 结束语
管片选型不是只考虑单一因素就能达到理想效果的，也正因为管片选型的多因素影响，也使得管片选型相对灵活化，对于同一段隧道不同的盾构机司机可能会给出不同的管片拟合方案，在每环掘进结束时量取各个方向的盾尾间隙，综合盾构机趋势、油缸行程差等因素，通过选择标准环和转弯环的不同组合形式，以及选择转弯环的不同拼装点位，来实现盾构机隧道的调向和纠偏，使隧道实际线路满足平曲线及竖曲线的要求。通过选用正确型号的管片和选择正确的拼装点位，将隧道实际施工线路控制在设计线路的允许公差内。
参考文献
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