田春雨 張潔瀾 王國義

(1.中國水利水電第七工程局有限公司軌道交通分公司,四川 成都 610081；2.中電建成都建設(shè)投資有限公司，四川 成都 610212)

0 引言

近年來，盾構(gòu)法憑借其安全、可靠、快速、經(jīng)濟、環(huán)保等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于各大城市地鐵。盾構(gòu)隧道一般采用預(yù)制的鋼筋混凝土管片永久襯砌。管片選型不當直接造成盾構(gòu)掘進過程中盾尾間隙過小，造成管片的錯臺與破損，最終導(dǎo)致隧道管片質(zhì)量差，影響到地鐵的后期運營。作為盾構(gòu)施工常見工程問題，管片選型問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，部分學者對此進行了一些研究。程明等[1]提出了使用推進油缸和鉸接油缸行程差來計算管片的楔形量，從而確定轉(zhuǎn)彎環(huán)管片的拼裝點位；孫錦濤[2]提出了管片適應(yīng)盾尾間隙，結(jié)合盾構(gòu)機姿態(tài)，與盾構(gòu)機操作司機協(xié)調(diào)的管片選型原則和方法；張文萃等[3]提出了在管片排版中應(yīng)重點考慮線路擬合、盾構(gòu)姿態(tài)、油缸行程差、盾尾間隙等因素；王暉等[4]提出最佳的管片選型應(yīng)該是管片軸線與盾尾軸線基本重合；孟憲鳳[5]提出根據(jù)推進油缸差選用管片，在兩個相反方向上的行程差不小于50 mm時就應(yīng)該拼裝轉(zhuǎn)彎環(huán)。已有研究中主要是現(xiàn)場施工專家根據(jù)實際管片選型經(jīng)驗從多因素分析管片選型注意事項，但未提出詳細管片選型原則，研究深度不足，同時提出的管片選型原則有不妥之處。

筆者根據(jù)盾構(gòu)機與管片位置關(guān)系、成都普通環(huán)管片特點，推導(dǎo)出圓曲線管片理論排版的簡化計算公式，并提出了盾構(gòu)掘進管片選型原則。對于現(xiàn)今存在的通過油缸行程差進行管片選型、拼裝轉(zhuǎn)彎環(huán)數(shù)量多于理論排版管片選型問題等幾個管片選型誤區(qū)進行分析，提出正確觀點。

1 盾構(gòu)機與管片位置關(guān)系

在地下施工時盾構(gòu)機、設(shè)計隧道中心線(DTA)、管片的關(guān)系見圖1。以現(xiàn)今常用的被動鉸接系統(tǒng)φ6 250 mm盾構(gòu)機為例，盾構(gòu)機司機通過調(diào)節(jié)四組推進油缸的壓力和平均速度沿著設(shè)計隧道中心線(DTA)走，主要控制盾構(gòu)機前點(一般是切口環(huán))和后點(在被動鉸接附近)中心與相應(yīng)位置的DTA的偏差在水平與垂直方向上都不超過50 mm。盾構(gòu)推進一定距離(管片寬度1 500 mm時，一般掘進1 500 mm)后，在盾尾內(nèi)拼裝一環(huán)管片(管片的外表面與盾尾內(nèi)表面最小直徑“盾尾刷前的凸臺”之間的距離定義為盾尾間隙，海瑞克盾構(gòu)盾尾間隙設(shè)計為30 mm)，然后繼續(xù)推進1 500 mm，再拼裝管片。在推進過程中，管片位置不動，盾構(gòu)前盾、中盾、盾尾前移，剛拼裝完成的管片要與盾尾、盾尾內(nèi)的凸臺和盾尾刷有相對運動。如盾尾間隙不好，在盾構(gòu)推進過程中管片背面將與盾尾、盾尾內(nèi)的凸臺或盾尾刷體相擠壓，造成管片的損壞或盾尾刷的損壞，影響管片質(zhì)量和盾構(gòu)施工的正常進行。因此，在盾構(gòu)推進過程中，最優(yōu)的盾尾間隙控制值是一直控制在設(shè)計值(30 mm)，也就是盾尾的中心線與管片的中心線相重合。管片選型的目的就是要達到最優(yōu)的盾尾間隙，從而確保成型隧道質(zhì)量。

2 成都普通環(huán)管片特點與理論計算

目前在成都地鐵隧道盾構(gòu)施工中，采用普通環(huán)管片對設(shè)計隧道平縱曲線擬合，普通環(huán)管片一般分為直線環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)、右轉(zhuǎn)彎環(huán)三種管片，每環(huán)管片由6塊管片組成，3塊標準塊，2塊鄰接塊，1塊封頂塊，由盾構(gòu)上的拼裝機拼裝成一個整環(huán)(見圖2)。

2.1 成都地鐵管片技術(shù)參數(shù)

成都地鐵管片技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 成都地鐵普通環(huán)管片技術(shù)參數(shù)

2.2 管片拼裝點位的分布

管片拼裝的成型隧道為了能夠達到設(shè)計的線形，需要使用不同的楔形量管片來同時擬合平曲線和縱曲線，這就要求轉(zhuǎn)彎環(huán)管片有不同的位置來達到此目的。

成都地鐵管片采用錯縫拼裝，有10個點位，來達到轉(zhuǎn)彎所需要的不同楔形量。管片拼裝點位是以封頂塊的中線位置來敘述的(管片拼裝點位見圖3)，轉(zhuǎn)彎環(huán)不同的拼裝點位在平曲線和縱曲線中有不同的楔形量，達到不同的平縱曲線轉(zhuǎn)彎半徑。為了能夠順利拼裝管片，封頂塊一般安裝在上半部分，左轉(zhuǎn)彎環(huán)或右轉(zhuǎn)彎環(huán)一般拼裝1，2，3，8，9，10這6個點位。

轉(zhuǎn)彎環(huán)在不同點位條件下水平曲線楔形量的計算這里不再推導(dǎo)、計算，只是將右轉(zhuǎn)彎環(huán)在不同點位條件下的楔形量匯總表進行統(tǒng)計(見表2)。

表2 右轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量計算表 mm

根據(jù)匯總表可知采用錯縫拼裝方式轉(zhuǎn)彎環(huán)水平轉(zhuǎn)彎的楔形量最大是36.14 mm，而不是38 mm。左轉(zhuǎn)彎環(huán)的情況與右轉(zhuǎn)彎相反，這里就不再列舉。通過轉(zhuǎn)彎環(huán)管片不同點位和直線環(huán)的組合拼裝，就可以實現(xiàn)不同曲線半徑隧道的轉(zhuǎn)彎。

2.3 曲線的理論排版簡化計算

轉(zhuǎn)彎環(huán)不同的拼裝點位有不同的楔形量，不同的楔形量轉(zhuǎn)彎環(huán)和直線環(huán)的組合拼裝可以拼裝出不同半徑的曲線。當然在盾構(gòu)管片拼裝中盡量使用最大楔形量的拼裝點位(1點或10點)，不需要轉(zhuǎn)彎環(huán)時使用直線環(huán)拼裝，這樣使用轉(zhuǎn)彎環(huán)數(shù)量最少，同時理論排版和實際排版才更加接近。

設(shè)管片內(nèi)徑為Φ內(nèi)，外徑為Φ外；設(shè)水平轉(zhuǎn)彎半徑為R，管片拼裝最大楔形量為&，管片寬度為L，計算理論排版簡化公式如下：

1)求轉(zhuǎn)彎半徑為R條件下掘進1 m理論所需楔形量&1(見圖4)。

如相似三角形可知:

(R+Φ外/2)/R=L1/1

(R-Φ外/2)/R=L2/1

&1=L1-L2=Φ外/R

(1)

2)設(shè)半徑為R的圓曲線長度為L總，所需轉(zhuǎn)彎環(huán)X環(huán)，所需直線環(huán)Y環(huán)，求理論排版簡化計算：

(LX+LY)&1=X&。

可求出：X=LY&1/(&-L&1)。

X/Y=L&1/(&-L&1)=&1/(&/L-&1)

(2)

3)求管片水平最小轉(zhuǎn)彎半徑R最小。

根據(jù)以上計算可知，管片水平最小轉(zhuǎn)彎半徑是轉(zhuǎn)彎環(huán)一直拼裝1點位和10點位的錯縫拼裝，此時&/L=&1。

&1=Φ外/R最小

&/L=Φ外/R最小

R最小=LΦ外/&

(3)

4)成都普通環(huán)管片理論排版和管片最小轉(zhuǎn)彎環(huán)半徑計算舉例：

設(shè)R=400 m，Φ外=6 m，L=1.2 m，&=36.14 mm。

求得:&1=6 000/400=15 mm。

X/Y=15/(36.14/1.2-15)=1∶1。

R最小=LΦ外/&=1.5×6 000/36.14=249 m。

對于不同轉(zhuǎn)彎半徑下的圓曲線通過式(1)，式(2)計算公式都可以準確計算出理論排版,通過式(3)可以計算管片的最小轉(zhuǎn)彎半徑為249 m。緩和曲線由于從直緩點到緩圓點或從緩圓點到直緩點并不是均勻變化的，需根據(jù)侯剛所寫論文[6]計算公式計算理論排版。當然在實際盾構(gòu)施工過程中，由于盾構(gòu)需要糾偏、管片選型不合理等多種原因，實際需要的轉(zhuǎn)彎環(huán)管片數(shù)量不等于理論排版轉(zhuǎn)彎環(huán)數(shù)量，這需要根據(jù)實際經(jīng)驗最終確定生產(chǎn)的轉(zhuǎn)彎環(huán)數(shù)量(轉(zhuǎn)彎環(huán)數(shù)量寧多勿少)。

3 普通環(huán)管片選型原則與方法

普通環(huán)管片選型實際上只要做到盾尾間隙控制在一定范圍內(nèi)，管片背面不與盾尾、盾尾凸臺和盾尾刷體相干涉，實際只要控制管片背面與盾尾凸臺的間隙就可以了。一般盾尾間隙控制在15 mm～45 mm之間?，F(xiàn)就盾構(gòu)掘進直線段和曲線段分別進行管片選型原則分析。

3.1 直線段管片選型原則

管片與盾尾、盾尾凸臺、盾尾刷存在一定關(guān)系，管片前端面還與推進油缸相接觸，盾構(gòu)依靠推進油缸頂在管片上的推力前進。推進油缸的行程差(上下或左右等相對油缸行程的差值)體現(xiàn)了推進油缸與管片的位置關(guān)系。

對于主動鉸接的盾構(gòu)(如圖5所示)當上下左右相對位置推進油缸行程差值都為0時，說明推進油缸所在的盾體(中盾和尾盾)中心線與管片的中心線相平行，只有盾尾間隙為30 mm時，兩條中心線才會重合。

對于被動鉸接的盾構(gòu)(如圖6所示)當上下左右推進油缸行程減去同角度位置鉸接油缸行程相對位置差值控制差值都為0時，說明盾尾中心線與管片中心線相平行，只有盾尾間隙為30 mm時，兩條中心線才會重合。

因此，用油缸行程差來進行管片選型只能體現(xiàn)盾體與管片中心線的平行關(guān)系，不能體現(xiàn)盾尾間隙的好與壞。對于主動鉸接盾構(gòu)推進油缸上下左右相對位置行程差控制在0附近為宜，對于被動鉸接盾構(gòu)上下左右推進油缸行程減去同角度位置鉸接油缸行程相對位置差值控制在0附近為宜。

綜合以上分析，直線段管片選型應(yīng)以盾尾間隙為主，油缸行程差為輔。

3.2 曲線段管片選型原則

曲線段時由于盾構(gòu)推進油缸推力不同，使盾構(gòu)沿著設(shè)計的曲線掘進，管片要適應(yīng)盾尾，理論上曲線管片選型應(yīng)主要看盾尾間隙，確保盾尾間隙在合理范圍內(nèi)。但管片拼裝完成測量盾尾間隙指導(dǎo)下一環(huán)管片選型時，下一環(huán)的管片已經(jīng)進入盾構(gòu)機內(nèi)，導(dǎo)致測量的盾尾間隙不能及時指導(dǎo)管片選型。同時由于盾尾內(nèi)管片外表面受盾尾刷的擠壓影響，盾尾間隙也無法全部能夠反映管片的真實位置狀態(tài)。但盾構(gòu)機沿著設(shè)計隧道中心線掘進，曲線段管片理論排版能夠完全擬合設(shè)計的線路，盾構(gòu)機盾尾中心線和管片理論排版管片中心線都接近設(shè)計隧道中心線。因此曲線段管片應(yīng)以理論排版為主，盾尾間隙和油缸行程差為輔的原則選型，盾尾間隙能夠控制在合理范圍內(nèi)，尤其在小半徑緩合曲線中此選型原則顯得更加重要。

當然在曲線段盾構(gòu)進行糾偏(盾構(gòu)中心向DTA掘進)時，應(yīng)以實際糾偏情況和盾尾間隙進行管片選型。

4 管片選型的幾個誤區(qū)

依據(jù)以上理論與實踐推導(dǎo)，現(xiàn)對當今存在的管片選型誤區(qū)進行簡要介紹。

4.1 油缸行程差管片選型

根據(jù)主動與被動鉸接不同油缸行程差值計算不同外，相對位置油缸行程差值大于轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量才選擇轉(zhuǎn)彎環(huán)的這種說法不正確。只有油缸行程差值為0時，管片與盾尾中心線相平行。因此，油缸行程差值應(yīng)控制在0附近，對于最大楔形量38 mm的管片，油缸行程差值應(yīng)控制在±19 mm以內(nèi)，同時油缸行程差值不能一直為正，也不能一直為負。理論上正負交錯才是最優(yōu)的油缸行程差。

4.2 實際轉(zhuǎn)彎環(huán)數(shù)量大于理論轉(zhuǎn)彎環(huán)數(shù)量

實際施工過程中，許多人說“我選擇的轉(zhuǎn)彎環(huán)數(shù)量遠大于理論轉(zhuǎn)彎環(huán)排版數(shù)量，我的管片選型沒問題”。這種說法是不妥的。例如在直線段有1環(huán)管片選型有誤，管片前點中心偏離DTA5 mm(見圖7)，管片后點中心未偏離DTA，以后每環(huán)都選擇直線環(huán)，那么管片前點中心會逐漸偏離DTA10 mm，15 mm，20 mm，……。因此管片選型實際上1環(huán)都不能選錯，1環(huán)選錯會造成后續(xù)管片盾尾間隙變化較大。曲線段對于管片選型要求更加嚴格，1環(huán)管片應(yīng)選擇轉(zhuǎn)彎環(huán)實際選擇標準環(huán)，后續(xù)管片選型正確，也會造成管片中心偏離DTA較大。曲線段管片選型以理論排版為主也是這個原因。

5 結(jié)論與建議

1)本文詳細推導(dǎo)出圓曲線的理論排版簡化計算公式，通過此公式可以計算各種不同半徑的圓曲線理論排版。2)普通環(huán)管片選型直線段以盾尾間隙為主，油缸行程差為輔，曲線段以理論排版為主，盾尾間隙和油缸行程差為輔。3)管片選型時油缸行程差值應(yīng)控制在0附近。4)管片選型1環(huán)都不能選錯，選錯1環(huán)需要使用多環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)進行糾偏。