南水北調中線盾構管片拼裝技術

馬鳳偉

中鐵十六局集團有限公司（450000）

0 概述

隧洞全長4250m，其中過河隧洞3450m,隧洞采用泥水平衡式盾構機推進，盾構機埋深33m。隧洞采用鋼筋混凝土管片襯砌，每環有7塊管片組成，管片寬度為1.6m，厚度為40cm、內徑 7.9m、外徑 8.7m。

如何沿隧道的設計軸線駕駛盾構機是任何隧道項目施工中的主要目標。然而當需要在隧道中安裝預制管片襯砌時，則如何決定TBM的走向,TBM盾尾中管片在安裝時的最佳有效間隙，及最適宜管環的趨向是至關重要的。楔形管片最適合在地質條件差的情況下進行曲線掘進或直線掘進，因為在地質條件差的情況下,利用墊片來糾正錯位拼裝的管片是不可取的。如何最佳拼裝管環是在隧道施工中至關重要的一部分。在施工的過程中避免管片受損，避免機器不能轉彎及保證盾尾密封的完整性總是處于重要的地位。

1 管片拼裝方式

南水北調穿黃工程隧洞使用的是直螺栓緊固管片。管片的形式分為：K、B1、B2、A1、A2、A3、A4 七種，A4 與 B2 連接處楔形量最大，A1與B1連接處楔形量最小，依靠管片楔形量來實現隧道的轉向、管片的平整度和盾尾間隙的調整等。拼裝的順序如圖1所示。

圖1 管片拼裝順序選擇

管環順序計算要考慮以下幾點因素:

1）盾構機當前位置，水平和垂直的位置，當前掘進的趨勢，偏差及方位角。

2）盾尾幾何尺寸。

3）盾尾間隙，測盾尾間隙至少為4個點，比如上下左右。

4）防止通縫的出現。

5）根據實際的方位角、姿態、管片的平整度、盾尾間隙等設計一條合理的糾偏曲線來調整到設計軸線上。

2 拼裝點位的確定

在盾構機掘進的過程中,管片拼裝點位的位置極其重要，對拼裝后的管片質量有很大的影響,對盾構機掘進過程中姿態控制很有效。當管片與千斤頂接觸面不平行時，在盾構機開始掘進千斤頂產生力時,管片很容易碎裂產生裂縫從而導致漏水,并且根據中砂層掘進800m的經驗得知此時的姿態不好控制，難以遵循設計軸線前進。施工時盾構機總推力約為28352kN（中砂層800m掘進過程中），即2835.2T。穿黃盾構機有14組千斤頂，每組千斤頂的推力為202.5T，由于管片與千斤頂接觸面有夾角，產生分力，管片混凝土標號為C50，抗壓強度大約為50kg/mm2，而千斤頂產生壓力遠遠超過了該值,因此判定千斤頂與管片接觸面不重合是導致管片碎裂的一個因素。同時由于管片與千斤頂接觸面有夾角，使得盾構機各組千斤頂不同步，導致方向不好控制。

所以應使管片與千斤頂接觸面盡量重合，可以利用管片楔形量選擇點位來實現。大的來講管片拼裝點位確定主要的兩大因素是管片平整度（管片走向趨勢）和盾尾間隙。管片平整度主要是與油缸伸長度有關。現簡單做一下管片位置，如圖2所示。

圖2 推進油缸與管片平面位置關系

由圖2可知管片走向趨勢，水平走向趨勢=pz-py,垂直走向趨勢=ps-px,ps=ys、px=yx、pz=yz、py=yy(本泥水盾構機沒有鉸接油缸)。利用管片的楔形量使水平趨勢和垂直趨勢為零，這樣管片與千斤頂接觸面吻合，此時受力最好，對管片的拼裝以及盾構機姿態控制都好。但是我們實際掘進過程中很難實現水平和垂直趨勢為零，根據工程地質、盾構機性能等實際情況盡量往理想方向去做，使管片平整度更好，便于施工，減少不必要的管片碎裂。

3 盾尾間隙對管片位置選擇影響

不同點位的選擇可以控制盾尾間隙。盾尾間隙大致指盾殼內側到管片外弧面的建筑空隙,但是我們都知道盾殼加了一圈加強環，可以保證盾殼的圓度，另外還可以作為一道止水環。加強環的高度為40mm，實際掘進線路也不可能與設計軸線一樣,也就是說在掘進過程中盾尾間隙必須大于40mm，否則盾尾刷與管片外弧面嚴重擠壓，加強環與管片外弧面擠壓，由于擠壓必然導致管片的碎裂，盾構機的方向不好控制，給施工帶來不利，更嚴重的是管片掉下來，整個工程停止。由于管片類型的不同，對盾尾間隙有一定的調解作用，現將盾構機分14個點位，如圖3所示。

圖3 管片拼裝點位

將A4塊拼在14點位置時，管環的趨勢向下走，即隧道的走向往下，此時14點位置的盾尾間隙增大，而8點的位置盾尾間隙變小。盾尾間隙好有利于保護盾尾刷，盾尾刷是管片與盾尾密封防水裝置，根據設計管片與盾尾刷關系，如圖4所示。

圖4 管片與盾尾刷位置關系

當盾尾間隙小于25mm時，盾尾拖動，管片與盾尾刷相互干擾，因此在拼下一環時注意盾尾間隙，發現小于25mm時，要利用管片楔形量及時調整，保護好盾尾刷及管片的完好。如果盾尾間隙處理不好的情況下，根據穿黃工程的經驗會出現管片的碎裂，鋼環與管片外弧面擠壓，如圖5所示。因此要處理好盾尾間隙與管片選擇的關系。

圖5 管片外弧面碎裂

4 盾尾間隙與油缸行程的關系

在管片選型時,既要考慮油缸的行程也要考慮盾尾間隙。而推進油缸行程差值更能反映管片與盾構機的關系，一般情況下在點位的選擇主要考慮油缸的行程,但是如果盾尾間隙小于25mm時，這時要考慮盾尾間隙，保護好盾尾刷和管片的完好。

5 管片拼裝施工技術和質量控制

管片拼裝的好與壞直接影響成型隧道的質量。為有效控制管片踏步大小、碎裂、盾構姿態的控制，按以下幾點施工經驗進行控制。

1）在拼裝過程中要清除盾尾處拼裝部位的垃圾和雜物,同時必須注意管片定位的正確,尤其是第一塊管片的定位會影響整環管片成環后的質量及與盾構的相對位置良好度。

2）每環管片拼裝要精心，盡量做到管片接縫密貼，環面平整。

3）拼裝時，要確保“T”字接頭平整。

4）環面超前量控制:施工中經常測量管片圓環環面與隧道設計軸線的垂直度，當管片超前量超過控制量時，及時調整管片旋轉角度,從而保證管片環面與隧道設計軸線的垂直度。

5）每一塊管片拼裝結束后，伸出千斤頂并控制到所需的頂力，再進行下一塊管片的拼裝，這樣逐塊進行完成一環的拼裝。對于不平整環面的管片，在拼裝下一環管片用千斤頂壓實時，應先頂“凸”位置的千斤頂。

6）在拼裝時應注意調整管片的橢圓度，盡量使管片呈豎橢圓狀態。

7）拼裝后及時調整千斤頂的頂力防止盾構姿態發生突變。

8）在隧道施工的過程中，工人們需要事先知道管片拼裝的點位來確定管片下放的順序,提高作業的績效。由于楔形量的存在,按照所選定旋轉位置的不同,管環就產生不同程度地向盾尾軸線或盾尾本身的趨向。管環的拼裝必須盡可能地好，以避免對隧道管片外弧面造成破壞，從而造成盾尾密封的危險。因此必須特別注意選擇要拼裝的每一環封頂塊的最佳位置。圖6是嚴格控制管片拼裝質量所成型的隧道。

圖6 南水北調穿黃隧道

6 總結

點位選擇好壞將直接影響已經拼裝好的管環質量,點位選擇好不但姿態好控制而且管環不易碎裂，保證盾尾間隙、管片平面的平整度、糾偏曲線設計等都是通過管片楔形量選擇合理的點位來實現的，所以要合理的選擇管片拼裝的點位，使隧道與盾構機同步進行,實現沿隧道的設計軸線駕駛盾構機完成隧道貫通目標。

[1]張鳳祥,等.盾構隧道施工手冊[M].人民交通出版社,2005，6:178-247.

[2]GB50299-1999,盾構掘進隧道工程施工及驗收規范[S].