杜冠群

（上海城建市政工程集團(tuán)有限公司，上海市200065）

盾構(gòu)通用管片排版優(yōu)化與糾偏控制研究

杜冠群

（上海城建市政工程集團(tuán)有限公司，上海市200065）

為了保證盾構(gòu)法隧道的施工質(zhì)量，推導(dǎo)了盾構(gòu)隧道施工中隧道設(shè)計(jì)軸線、管片成型軸線和盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線三者之間的關(guān)系，建立了通用管片排版優(yōu)化與糾偏控制計(jì)算方法，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件，并將其應(yīng)用于寧波市軌道交通1號(hào)、2號(hào)線盾構(gòu)施工中。結(jié)果表明該計(jì)算方法和軟件符合工程要求，為高效安全施工提供了保障。

盾構(gòu)隧道；通用管片；排版優(yōu)化；糾偏控制

0　引言

通用管片在盾構(gòu)法施工中能夠較好地控制隧道掘進(jìn)軸線和管片成環(huán)質(zhì)量，因而近年來(lái)對(duì)其使用越來(lái)越受到重視［1-2］。為了保證盾構(gòu)法隧道的施工質(zhì)量，必須對(duì)隧道的軸線進(jìn)行嚴(yán)格的控制，而通用管片的排版設(shè)計(jì)和糾偏是盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中軸線控制的關(guān)鍵，因此有必要開(kāi)展通用管片環(huán)的實(shí)時(shí)排版設(shè)計(jì)，以及盾構(gòu)動(dòng)態(tài)糾偏過(guò)程的控制研究。在傳統(tǒng)施工中，通常采用手工計(jì)算初步實(shí)現(xiàn)管片的排版和糾偏，顯然工程施工精度與效率難以得到保證。針對(duì)傳統(tǒng)手工計(jì)算的不足，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展一些相關(guān)的嘗試工作，其主要研究思路是針對(duì)輸入的設(shè)計(jì)線型，結(jié)合管片的基本參數(shù)，進(jìn)行管片對(duì)線路的擬合。主要?jiǎng)?chuàng)新在于考慮包括管片的楔形量、環(huán)寬、最小旋轉(zhuǎn)角、分塊等基本參數(shù)和包含千斤頂行程、盾尾間隙、盾構(gòu)首尾差等盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的因素，推導(dǎo)了管片排版與盾構(gòu)糾偏的計(jì)算方法［1-4］，同時(shí)一些學(xué)者開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件［5-6］。本文基于管片排版與糾偏理論試圖建立通用管片排版優(yōu)化與糾偏控制計(jì)算方法，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件，并將其應(yīng)用于實(shí)際盾構(gòu)隧道施工中。

1　盾構(gòu)隧道施工中三軸線的關(guān)系

通用管片的排版設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)糾偏主要依據(jù)隧道設(shè)計(jì)軸線、盾構(gòu)軸線、成型管片軸線三者之間的發(fā)展關(guān)系，以確保施工質(zhì)量和安全，隧道三軸線的相互關(guān)系見(jiàn)圖1所示。盾構(gòu)機(jī)中心線，a為成型管片中心線與盾構(gòu)機(jī)夾角，β為設(shè)計(jì)中心線與盾構(gòu)機(jī)夾角，γ為設(shè)計(jì)中心線與成型隧道中心線的夾角。由圖2可見(jiàn)：

圖1 隧道三軸線相互關(guān)系示意圖

圖2 隧道三軸線之間的幾何關(guān)系圖示

式中：A1為切口與設(shè)計(jì)軸線的平面偏差；A2為盾尾與設(shè)計(jì)軸線的平面偏差；LZ為盾構(gòu)的首尾長(zhǎng)度（不考慮鉸接）。

式中：B2-B1為平面內(nèi)左右油缸的行程差；h為左右千斤頂之間的距離。

2　通用管片排版優(yōu)化

2.1通用管片排版原則

盾構(gòu)隧道施工前期，需要按照隧道軸線設(shè)計(jì)進(jìn)行管片的預(yù)排版，以指導(dǎo)盾構(gòu)施工及其管片的拼裝。對(duì)于通用管片，管片的設(shè)計(jì)排版主要是確定封頂塊的位置，以確定管片環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度，即確定其上下左右的超前量，以擬合設(shè)計(jì)的軸線。由于封頂塊需最后安裝，管環(huán)底部位置受力較大且不易安裝，故避免將其安裝在底部。錯(cuò)縫拼裝具有管片縱縫的抗張開(kāi)力較大，自動(dòng)消除環(huán)面累計(jì)誤差，止水、整體受力性能好和圓環(huán)的整體剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在受力允許的狀態(tài)下，可采用小通縫進(jìn)行拼裝（兩管片環(huán)之間允許有1～2條通縫），但不允許大通縫（3條及以上的通縫）拼裝。因此管片排版設(shè)計(jì)需遵循以下原則：

（1）不能出現(xiàn)大通縫（3條及3條以上縱縫重合）情況。

（2）封頂塊不能拼裝在底部的范圍（157.5°～202.5°，即底部45°以下范圍內(nèi)）。

2.2超前量的計(jì)算

圖3為管片超前量的計(jì)算模型。假設(shè)管片的楔形量為S（雙面楔形量），當(dāng)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)θ角時(shí)，取相應(yīng)的超前量為Sθ（單面楔形量），由幾何關(guān)系，則有：

由式（4）得：

則管片上下側(cè)的超前量滿足式（6）：

同理得管片左右的超前量滿足式（7）：

圖3　管片超前量的計(jì)算模型

2.3次環(huán)管片的選型

結(jié)合其前環(huán)及下一點(diǎn)位的管環(huán)的信息，可判斷是否為大通縫。當(dāng)符合要求時(shí)，可計(jì)算累積總偏差，通過(guò)累積總偏差以選擇可拼的管環(huán)。若兩環(huán)管片之間的超前量變化過(guò)大，進(jìn)行下一環(huán)管片拼裝時(shí)會(huì)造成千斤頂行程差相差較大，推力不均勻，進(jìn)而增加施工難度。因此，可限定兩管環(huán)之間的累積超前量值［7］。

3　通用管片糾偏控制

3.1偏差成因分析

盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，管片成型的軸線往往會(huì)出現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)軸線的情況，應(yīng)根據(jù)不同的偏差原因，采取相應(yīng)糾偏措施進(jìn)行軸線的修正。軸線偏差的可能成因：（1）盾構(gòu)機(jī)操作有誤；（2）管片超前量控制不當(dāng)；（3）人工測(cè)量偏差或測(cè)量系統(tǒng)故障；（4）成型管片移位；（5）設(shè)計(jì)軸線的需求。

3.2糾偏優(yōu)化

為了選取最優(yōu)的糾偏曲線，采用窮舉法和最小二乘法相結(jié)合的方法，即在后續(xù)糾偏曲線的設(shè)計(jì)時(shí)，將可能出現(xiàn)的擬合姿態(tài)的管環(huán)一一列出，再采用最小二乘法進(jìn)行選優(yōu)，得到最佳姿態(tài)的擬合管環(huán)。

以盾尾間隙、盾構(gòu)首尾差、油缸行程差等因素為目標(biāo)函數(shù)，選取最優(yōu)的糾偏曲線。最優(yōu)的糾偏曲線的目標(biāo)函數(shù)為：

第n+1環(huán)拼裝完成后的左邊與右邊的盾尾間隙差為：

第n+1環(huán)拼裝完成后的上部和下部的盾尾間隙差為：

3.3糾偏控制及實(shí)現(xiàn)

按照偏差量的大小可分為小糾偏（＜5cm）、大糾偏（5cm～10cm）和糾偏線（＞10cm）。

對(duì)于小糾偏，可將盾構(gòu)推進(jìn)管片拼裝及管片成型軸線的偏差視為正常狀態(tài)。通過(guò)控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)（由出土量、注漿量、注漿壓力、推進(jìn)速度和土壓力等因素確定）、盾尾間隙（由管片寬度、隧道設(shè)計(jì)軸線、注漿工藝等因素確定），千斤頂行程（由盾構(gòu)機(jī)首尾間距離、變化趨勢(shì)量，千斤頂之間的中心距離，盾尾間隙改變量和管片的環(huán)寬等因素確定）和管片超前量實(shí)現(xiàn)糾偏。

對(duì)于大糾偏，可將盾構(gòu)推進(jìn)管片拼裝及管片成型軸線的偏差視為為注意狀態(tài)。可采取小糾偏控制措施，亦可重新設(shè)計(jì)糾偏曲線進(jìn)行管片軸線的糾正。若采用后者，按照糾偏曲線類型的不同，可分為外側(cè)曲線糾偏、內(nèi)側(cè)曲線糾偏、直線段糾偏，見(jiàn)圖4所示。

（1）當(dāng)管片成型曲線與設(shè)計(jì)軸線的夾角較大且有遠(yuǎn)離趨勢(shì)時(shí)，不應(yīng)將盾構(gòu)姿態(tài)立即向設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)逐漸減少管片成型軸線與設(shè)計(jì)軸線之間的夾角，待夾角平穩(wěn)后再進(jìn)行反向調(diào)整，此方法為外側(cè)曲線糾偏，始終遵循糾偏緩和平穩(wěn)的原則。

（2）當(dāng)管片成型曲線以較大的夾角趨向設(shè)計(jì)軸線時(shí)，此時(shí)應(yīng)采用內(nèi)側(cè)曲線的方法進(jìn)行糾偏，盾構(gòu)機(jī)以遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)軸線的趨勢(shì)掘進(jìn)，以緩和管片軸線與設(shè)計(jì)軸線之間的夾角。

（3）當(dāng)管片成型曲線與設(shè)計(jì)軸線的夾角在適宜的范圍，保證在規(guī)定的糾偏距離內(nèi)完成調(diào)整，可考慮采用直線段的糾偏方案。

以內(nèi)側(cè)曲線為例，如圖4所示，假設(shè)δ為設(shè)計(jì)軸線與成型管片軸線的偏差（5cm＜δ＜10cm），為糾偏的范圍，δ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于L′2，可近似L2為L(zhǎng)′2，由幾何關(guān)系則糾偏曲線的半徑為［1］：

圖4　設(shè)計(jì)軸線與糾偏曲線之間的關(guān)系示意圖

根據(jù)糾偏緩和平穩(wěn)的原則，每環(huán)的糾偏量控制在2～5mm，則對(duì)于5～10cm的偏差，其所需的糾偏環(huán)數(shù)最少為10～20環(huán)。每環(huán)管片所需的超前量可按照下式計(jì)算：

式中：W為管片的環(huán)寬；r為隧道半徑。

對(duì)于糾偏線，屬于大偏差，在調(diào)整優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)因素的基礎(chǔ)上，需重新設(shè)計(jì)擬合設(shè)計(jì)軸線的糾偏曲線，可參考大糾偏后者糾偏控制措施。糾偏曲線所需的糾偏環(huán)數(shù)可為：（1）外側(cè)曲線段：25環(huán)以上；（2）直線段：20環(huán)以上；（3）內(nèi)側(cè)曲線段：15環(huán)以上。

在進(jìn)行糾偏曲線施工時(shí)，可開(kāi)啟鉸接裝置，主動(dòng)改變盾體的掘進(jìn)方向，使盾構(gòu)機(jī)更容易沿設(shè)計(jì)中心線掘進(jìn)。不同曲率半徑的曲線段對(duì)應(yīng)不同的鉸接角度，可由式（13）計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。

式中：RD為的曲線段半徑；LD為盾構(gòu)機(jī)前體（含刀盤(pán)）的距離。

當(dāng)L固定及θD確定后，可求出盾構(gòu)左右鉸接油缸的行程差：

式中：a、b分別為左右鉸接油缸的伸長(zhǎng)量；h為左右鉸接油缸的距離。

圖5　鉸接角度計(jì)算簡(jiǎn)圖

4　工程應(yīng)用

4.1工程概況

寧波市軌道交通1號(hào)、2號(hào)線全長(zhǎng)72.1 km，盾構(gòu)施工穿越的地層主要有①3層、②2-1層、②2-2層、③1層、③2層、④1-2層和④2層。施工場(chǎng)地地下水由淺部土層中的潛水、砂性土中的微承壓水及深部粉（砂）性土層中的承壓水組成。潛水和承壓水水位分別在0.5～1.0m和5.0～7.0m之間。通用管片內(nèi)徑為5 500mm，外徑為6 200mm，厚度為350mm，環(huán)寬為1 200mm，最小設(shè)計(jì)可擬合的曲線半徑為200m。管片結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖6所示。

圖6　通用管片結(jié)構(gòu)示意圖

4.2應(yīng)用結(jié)果分析

根據(jù)上述所建立的通用管片排版優(yōu)化與糾偏控制方法理論，表1列出了寧波軌道交通盾構(gòu)隧道管片排版的參考表。為了便于施工管理，根據(jù)表1制定了如表2所列的管片排版單。表中“√”為優(yōu)先考慮拼裝的點(diǎn)位，空白的部分為次選方案，劃“—”的部分為嚴(yán)禁拼裝的管環(huán)點(diǎn)位。

在該工程中，確定采用16個(gè)點(diǎn)位的通用管片，并采用通用雙面楔型環(huán)錯(cuò)縫拼裝。每環(huán)楔形角20′37.59"，每次旋轉(zhuǎn)的角度為22.5°，θi=22.5i，i=1、2、3……，最大環(huán)寬和最小環(huán)寬分別為1 218.6mm和1 181.4mm，K1管片環(huán)的上下楔形量為37.2mm，可計(jì)算出其他點(diǎn)位的環(huán)寬及上下、左右的超前量，詳細(xì)見(jiàn)表3所列。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了適合寧波市軌道交通盾構(gòu)隧道施工的軟件，圖7為管片設(shè)計(jì)排版誤差分析圖，由圖7可見(jiàn)，該預(yù)排版方案的最大偏差為7mm，滿足設(shè)定的允許偏差距離。因此，運(yùn)用該軟件設(shè)定的管片預(yù)排版方法符合工程要求。

5　結(jié)論

（1）本文推導(dǎo)了盾構(gòu)隧道施工中隧道設(shè)計(jì)軸線、盾構(gòu)軸線、成型管片軸線三者的關(guān)系，建立了通用管片排版優(yōu)化與糾偏控制計(jì)算方法并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件。

表1　管片排版表（一）

表2　管片排版表（二）

表3　通用管片超前量計(jì)算結(jié)果一覽表

圖7　管片設(shè)計(jì)排版誤差分析圖示

表4　大糾偏的糾偏概況一覽表

表5　不同曲線半徑的鉸接角度要求一覽表

圖8　垂直方向上三軸線對(duì)比圖

（2）將通用管片排版優(yōu)化與糾偏控制計(jì)算方法和軟件應(yīng)用于寧波市軌道交通1號(hào)、2號(hào)線盾構(gòu)施工段，結(jié)果表明所建立計(jì)算方法和開(kāi)發(fā)的軟件能夠很好地符合工程要求，為高效安全施工提供了保障。

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U455.43

A

1009-7716（2015）01-0151-05

2014-08-11

杜冠群（1977-），男，上海人，工程師，分公司副經(jīng)理，從事施工技術(shù)管理與研究工作。