地铁盾构隧道管片选型概要

北京地铁四号线二十标段盾构隧道工程的管片选型目前在国内城市地铁隧道中，越来越多地开始使用预制混凝土管片作为永久衬砌。管片通常由专业的厂家提前制作，按其功能通常分为两种：a标准环：用于直线段b转弯环：用于曲线段C通用环：用于直线、曲线段标准环与转弯环配合使用就可以拼装各种线性的隧道。管片选型直接关系到隧道线路、隧道质量等一系列隧道的关键指标。因此管片选型是否正确，将决定盾构工程的成败。1、管片的分块及组合衬砌环由1个封顶块（C型），2个邻接块（B型），3个标准块（A型）组成。衬砌环向分6块，即3块标准块（中心角67.5°），2块邻接块（中心角67.5°），一块封顶块（中心角22.5°）。为满足曲线模拟和施工纠偏的需要，设计了左、右转弯楔形环，通过其与标准环的各种组合来拟合不同的曲线。一、概况管片分块图2、衬砌环连接衬砌环纵、环缝采用弯螺栓连接（螺栓直径24mm），其中每环纵缝采用12根螺栓，每个环缝采用16根螺栓。管片环与环之间采用错缝拼装方式。管片端面采用平面式，环、纵缝接触面皆不设榫槽，仅在密封垫处留有沟槽。管片选型的原则有两个：1、管片选型要适合隧道设计线路；2、管片选型要适合盾构机的姿态。这两者相辅相成。二.管片选型的原则1、管片选型要适合隧道设计线路当一个盾构工程开工之前,就要根据设计线路对管片作一个统筹安排,通常把这一步骤叫管片排版。通过管片排版，就基本了解了这个线路需要多少转弯环（包括左转弯、右转弯），多少标准环，曲线段上标准环与转弯环的布置方式。现根据北京地铁四号线二十标段工程颐和园---北宫门区间的管片排版,其简要技术参数如表1所示。表1管片长度1200mm管片内径5400mm管片厚度300mm盾尾内径6150mm管片外径6000mm盾尾间隙75mm转弯环楔形量48mm转弯环截面梯形转弯环偏转角的计算公式：θ=2r=2arctgδ/D式中：θ－转弯环的偏角；δ－转弯环的最大楔形量的一半；D－管片直径。将数据代入得θ=0.458根据圆心角的计算公式：a＝180L/∏R式中：L－一段线路中心线的长度；R－曲线半径，取1000m而θ=a将之代入，得出L＝7.994m上式表明，在800m的圆曲线上，每隔7.994m要用一环转弯环，管片长度为1.2m，就是说，在800m的圆曲线上，标准环与转弯环的拼装关系为6环标准环＋1环转弯环。2、管片选型要适合盾构机姿态管片是在盾尾内拼装，所以不可避免地受到盾构机姿态的约制。管片平面应尽量垂直于盾构机轴线，也就是盾构机的推进油缸能垂直地推在管片上，这样可以使管片受力均匀,掘进时不会产生管片破损。同时也兼顾管片与盾尾之间地间隙，避免盾构机与管片发生碰撞而损坏管片。在实际掘进过程中，盾构机因为地质不均，推力不均等原因，经常要偏离隧道设计线路。所以当盾构机偏离设计线路或进行纠偏时，都要十分注意管片选型，避免发生重大事故。要使管片与推进千斤顶接触平面尽量重合，可以通过选择管片的拼装位置来实现。在选择管片位置时，有两个参数要考虑：（1）盾尾间隙的保证（2）管片平面走向趋势。管片趋势相关的参数有：推进油缸行程，铰接油缸行程，管片平面位置。三．管片选型1、管片的拼装点位拼装点位:是管片拼装时c块所在的位置。在盾构机前进时，管片的拼装位置极其重要，对盾构机前进时的姿态控制很有效。转弯环在实际拼装过程中，可以根据不同的拼装点位来控制不同方向上的偏移量。本标段盾构区间（颐–北）、（北–龙)地段的管片拼装点位为在圆周上均匀分成12个点，即管片拼装的12个点位，由于是错缝拼装，所以相邻两块管片的点位不能相差3的整数倍。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（如左上、右上等）。2、根据盾尾间隙进行管片选型盾尾间隙：即盾尾内径与管片之间的间隙如果盾尾间隙过小，则盾构机在掘进过程中盾尾将会与管片发生摩擦、碰撞。轻则增加盾构机向前掘进的阻力，降低掘进速度，重则盾尾将管片压坏，造成隧道渗漏水。管片选型的重要依据：盾尾间隙北京地铁四号线二十标盾尾间隙为75mm，每次安装管片之前，对管片的上、下、左、右四个位置进行测量。如发现有一方向上的盾尾间隙接近45mm时，就要用转弯环对盾尾间隙进行调节。不同点位的选择，可以控制盾尾间隙，由于在盾尾后部设有一圈加强环，可以保持盾尾保圆度另外还可以作为一道止水环，防止泥水进入盾尾密封刷内。加强环高度为45mm，而且盾构机在不同的线路上总是有一定的偏移量，因此盾尾间隙要保持在45mm以上，否则会使加强环挤压管片造成碎裂，并妨碍了掘进时方向的控制。调整的基本原则哪边的盾尾间隙过小，就选择拼装反方向的转弯环。在不同点位拼装一环左转弯环的盾尾间隙调整。如此时盾构机在进行直线段的掘进，则必须注意在拼装完一环左转弯环后，选择适当的时机，再拼装一环右转弯环将之调整回来，否则左边盾尾间隙将越来越小，直至盾尾与管片发生碰撞。如盾构机处于曲线段，则应根据线路的特点进行综合考虑。3、据油缸行程差进行管片选型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,我们把推进油缸按上、下、左、右四个方向分成四组。而每一个掘进循环这四组油缸的行程的差值反应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。4、盾构间隙与油缸行程之间的关系在进行管片选型的时候，既要考虑盾尾间隙，又要考虑油缸形成的差值。而油缸行程的差值更能反映盾构机与管片平面的空间关系，通常情况下应把油缸行程的差值作为管片选型的主要依据，只有在盾尾间隙接近于警戒值（45mm）时，才根据盾尾间隙进行管片选型。四.影响管片选型的其它因素1)铰接油缸行程的差值目前地铁盾构工程中大多采用的是铰接式盾构机，即盾构机不是一个整体，而是在盾构机中体与盾尾之间采用铰接油缸进行连接，铰接油缸可以收放，这样就更加有利于盾构机在曲线段的掘进及盾构机的纠偏。铰接油缸利用移位传感器将上、下、左、右四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，盾构中体与盾构之间产生一个角度，这将影响到油缸行程差的准确性。这时应当将上下或左右的行程差值减去上下或左右的铰接油缸行程的差值，最后的结果作为管片选型的依据。2)盾构机掘进盾构机应尽量根据设计线路进行掘进，避免产生不必要的偏差，这样基本可以根据管片排版进行管片拼装，也有利于管片按计划进行生产。如果盾构机偏离设计线路，在纠偏过程中也不要过急，否则转弯环管片的偏移量跟不上盾构机的纠偏幅度，盾尾仍然会挤时间坏管片。目前，有些较为先进的盾构机上配备的自动测量系统已经有了自动进行管片选型的功能。但该系统还不是很完善，所以在实际的管片选型的过程中，还需要人工进行复核和修正。在盾构工程中管片选型是一项较为复杂且极为重要的工作，对此应该认真对待，一旦选型失误，将会对隧道质量产生重大影响。