淺談無鉸接盾構(gòu)通用管片的排版與糾偏

摘要：分析了寧波軌道交通項目通用楔形環(huán)管片的設(shè)計特點，根據(jù)DTA（隧道設(shè)計軸線）和相關(guān)的管片參數(shù)來擬合不同類型的隧道軸線，以及在盾構(gòu)推進過程中，針對管片軸線的偏離大小進行糾偏。

關(guān)鍵詞：通用環(huán)管片;管片排版;糾偏分級

所謂通用管片，就是所有的管片環(huán)形式只有一種，它既可用在直線段，也可用在曲線段，而不像普通的管片形式將這兩者加以區(qū)分，是一種較為先進的襯砌方式，代表著國內(nèi)盾構(gòu)形式發(fā)展的主流方向，在寧波軌道交通1號線一期工程施工過程中推廣應(yīng)用。本文從理論分析和工程實踐的角度探討了楔形管片環(huán)的技術(shù)特點并總結(jié)了相關(guān)規(guī)律，包括線路擬合、楔形量、糾偏等級等。

1通用楔形管片

寧波市軌道交通隧道襯砌采用統(tǒng)一的通用楔形環(huán)錯縫拼裝，其基本參數(shù)如下：通用管片內(nèi)徑為5500mm，外徑為6200mm，厚度為350mm，環(huán)寬為1200mm。楔形襯砌環(huán)設(shè)計為雙面楔形環(huán)，最大楔形量為37.2mm，每環(huán)楔形角為27°37′59″。

每環(huán)管片縱向共16只M30螺栓，環(huán)向共12只M30螺栓，具體構(gòu)造如下圖1所示，管片環(huán)縫采用凹凸榫槽結(jié)構(gòu)。

圖1" 管片構(gòu)造示意圖

注：F塊為封頂塊，L（L1、L2）為鄰接塊，B塊為標準塊

2設(shè)計排版原則

考慮管片錯縫拼裝的優(yōu)點，如止水性能好、整體受力性能好、圓環(huán)整體剛度大等，本標段工程采用通用管片錯縫拼裝的方式。但考慮到錯縫拼裝的內(nèi)力大，而通縫拼裝的內(nèi)力較小，可拼裝自由度相對較多，有利于管片的安裝。因此，在受力允許的狀態(tài)下，可采用小通縫進行拼裝。所謂“小通縫”，是指兩管片環(huán)之間允許1～2條通縫，相應(yīng)地，3條及3條以上的通縫定義為“大通縫”，大通縫的情況是絕對不允許的。

同時，通過管片的封頂塊一般是最后安裝的，考慮到管環(huán)底部范圍受力較大，且不易安裝，如果封頂塊安裝在底部位置，將加大拼裝的難度，且對于施工安全有一定的隱患，故避免將封頂塊安裝在管片環(huán)底部的范圍。

總結(jié)以上的要求，可得到管片設(shè)計排版的兩大原則：

（1）不能出現(xiàn)大通縫（三條及三條以上縱縫重合）情況;

（2）封頂塊F塊不能拼裝在157.5°～202.5°這個范圍內(nèi)（底部45°以下范圍內(nèi)），即K8、K9、K10。

3 糾偏分級

造成隧道軸線偏差的原因往往是綜合的，但可以根據(jù)不同的偏差情況，重點采取相應(yīng)的糾偏措施，以進行軸線的修正。《盾構(gòu)隧道施工與驗收規(guī)范》對管片軸線的允許偏差做了相關(guān)的規(guī)定：管片姿態(tài)的平面位置和高程在管片拼裝完成后的允許偏差為50mm。據(jù)此，將管片拼裝的狀態(tài)份為正常狀態(tài)（）、注意狀態(tài)（）和糾偏狀態(tài)），針對不同的管片狀態(tài)采取相應(yīng)的監(jiān)控措施。

3.1正常狀態(tài)（）

盾構(gòu)推進管片拼裝中，發(fā)生一定的偏差是正常的，但應(yīng)該控制在允許的范圍內(nèi)。當管片成型軸線的偏差時，可定義為允許偏差，即管片處于正常狀態(tài)。在此狀態(tài)時，應(yīng)加強對管片拼裝趨勢的監(jiān)控，以避免偏差進一步的增大。

3.1.1 16點位管片糾偏量

本工程使用16個拼裝點位的管片，不同點位的管片具有不同的楔形量，其對管片與設(shè)計軸線的偏差糾正程度也是不一樣。下面將分情況進行討論，其中，在水平方向上，本標段工程的最小半徑為300m，對應(yīng)于1.2m的管片，其圓心角為0.23°，其圓弧長度為1.204m，相差甚小，故可假設(shè)一環(huán)管片的曲線段為直線段，進行簡化處理。

3.1.2成型管片軸線設(shè)計軸線無偏差、無夾角

如圖2所示，以垂直方向為例，成型管片的當前管片與設(shè)計軸線吻合，且管片環(huán)前端面與設(shè)計軸線垂直，即前端面法線與設(shè)計軸線平行，無夾角。此種狀態(tài)是最理想的情況，當拼裝下一環(huán)管片時，通過管片的楔形角可求得待拼裝管片與設(shè)計軸線的偏差。

當成型管片與設(shè)計軸線無偏差、無夾角時，拼裝下一環(huán)管片時，待拼裝管片引起的中心坐標與設(shè)計軸線的偏差為

（2）

式中，"為管片環(huán)寬，取1.2m;通過幾何驗證，得，"為待拼裝管片的楔形角，當""時，待拼裝管片的上部環(huán)寬下部環(huán)寬;當"時，待拼裝管片的上部環(huán)寬下部環(huán)寬。相應(yīng)的，當時，表示管片前端面中心在設(shè)計軸線之上，偏差為“+”;當時，表示管片前端面中心在設(shè)計軸線之下，偏差為“-”。

圖2" 拼裝管片對偏差影響的示意圖

下面以K7的計算為例。K7在垂直方向上的楔形角為-14.58′（上部環(huán)寬<下部環(huán)寬），在水平方向上的楔形角為14.48′（左側(cè)環(huán)寬>右側(cè)環(huán)寬），則

在垂直方向：

在水平方向：

3.1.3成型管片軸線與設(shè)計軸線存在偏差、夾角

成型管片與設(shè)計軸線無偏差、無夾角的情況是理想狀態(tài)，在盾構(gòu)施工過程中，成型管片與設(shè)計軸線往往存在一定的偏差與夾角，如圖3所示。同樣以垂直方向為例，由幾何關(guān)系可得，待拼裝管片引起的偏差為

（3）

式中，"為上一環(huán)管片的偏差;為待拼裝管片與設(shè)計軸線的夾角，有，為上一環(huán)管片與設(shè)計軸線的夾角，為當前管片的楔形角。

圖3" 拼裝管片對偏差影響的示意圖

下面舉例說明在成型管片軸線與設(shè)計軸線存在偏差、夾角時，拼裝管片所引起的偏差。仍以K7為例，假設(shè)上一環(huán)管片的高偏、平偏分別為+5.2mm、-1.3 mm，上一環(huán)管片與設(shè)計軸線在垂直方向、水平方向上的夾角分別為+4.7′、-16.4′。則當拼裝K7管片時，其偏差分別為：

在垂直方向：

在水平方向：

3.2注意狀態(tài)（偏差為

當管片軸線偏差超過且在之內(nèi)時，盾構(gòu)施工班組應(yīng)予以重視，考慮重新設(shè)計糾偏曲線進行管片軸線的糾正，因此，此狀態(tài)可定義為“注意狀態(tài)”。具體糾偏措施如下：

3.2.1相關(guān)控制因素

在注意狀態(tài)下的糾偏過程中，應(yīng)同步控制影響管片擬合的重要因素：

①充分利用富余的盾尾間隙。在保證最小盾尾間隙的前提下，可利用盾尾間隙的允許改變量控制盾構(gòu)機掘進的狀態(tài)。

②控制千斤頂行程差。千斤頂行程與盾尾間隙、盾構(gòu)推進姿態(tài)緊密聯(lián)系，在糾偏過程中，應(yīng)保證盾尾間隙的最小值，且控制好盾構(gòu)機的推進姿態(tài)，因此必須實時監(jiān)控千斤頂行程差的發(fā)展趨勢，以保證盾構(gòu)機軸線、管片軸線與設(shè)計軸線之間的空間關(guān)系。

③合理調(diào)整盾構(gòu)機推進姿態(tài)。盾構(gòu)機的姿態(tài)影響著管片成型的姿態(tài)，加大盾構(gòu)機的首尾差，調(diào)整盾構(gòu)機盾首的方位，可改善盾構(gòu)機的掘進狀態(tài)，進而保證管片拼裝對設(shè)計軸線的擬合。

④增加管片超前量的使用。通用楔形管片不同點位的楔形量有所不同，當偏差較大時，可利用較大超前量的管片點位，改變管片的成型姿態(tài)，逐步擬合設(shè)計軸線。

3.2.2糾偏曲線

軸線偏差在的范圍內(nèi)，屬于盾構(gòu)施工的關(guān)鍵階段，在及時調(diào)整相關(guān)的控制參數(shù)外，還可以考慮設(shè)計糾偏曲線進行調(diào)整。綜合施工過程中各種軸線的擬合情況，為簡化模型，可將設(shè)計軸線簡化為一直線。根據(jù)成型管片的趨勢，可以分為以下三種情況進行討論，如圖4所示：

（a）成型軸線與DTA成小夾角（）

（b）成型軸線與DTA成大夾角（）

（c）成型軸線平行于DTA

圖4" 糾偏軸線示意圖

①成型軸線與DTA成小夾角（）

可設(shè)計一圓曲線的糾偏曲線對軸線進行糾正，如圖9（a）糾偏曲線的終點即為圓曲線與設(shè)計軸線的切點。取為設(shè)計軸線與成型管片軸線的偏差，即，為糾偏的范圍，由于"偏差較小，相對小得多，近似有。通過幾何關(guān)系可推導糾偏曲線的半徑：

（4）

以糾偏差為50mm為例，假定每環(huán)糾偏量控制在5mm/環(huán)，則最少需要的糾偏環(huán)數(shù)為10環(huán)（50/5），此時的糾偏范圍為12m（1.210），糾偏曲線半徑由公式（4）得

則平均每環(huán)糾偏量為 管片環(huán)半徑，為管片環(huán)寬，"為糾偏曲線半徑。其中，根據(jù)糾偏緩和平穩(wěn)的原則，每環(huán)管片的糾偏量控制2～5mm，則對于5～10cm的偏差，其所需的糾偏環(huán)數(shù)最少為10～20環(huán)。

②成型軸線與DTA成大夾角（）

當成型軸線與DTA成大夾角時，首先應(yīng)減少夾角，緩和盾構(gòu)機與DTA的夾角。此時，糾偏曲線需要設(shè)計兩端圓弧，如圖9（b）。第一段圓弧是緩和管片成型曲線與設(shè)計軸線之間的夾角，使管片成型軸線趨向設(shè)計軸線，第二段圓弧類似于①，使偏向設(shè)計軸線的管片成型曲線逐漸緩和過渡，相切與設(shè)計軸線。第一段的圓曲線半徑可自行設(shè)定，但應(yīng)該大于管片能夠擬合的最小半徑，途中管片成型曲線與設(shè)計軸線的夾角可通過測量系統(tǒng)得到。第二段圓曲線的糾偏曲線設(shè)計類似于①，可計算得到圓曲線的半徑。下面以具體算例為例子介紹其計算方法。

一般而言，管片成型曲線與DTA的夾角較小，故取管片成型軸線與DTA的夾角"為179°，偏差為50mm，取第一段糾偏曲線"的半徑為300m，在第一段糾偏曲線點處的偏差同取為50mm，此時管片成型軸線與DTA的夾角為1°，如圖5所示。由幾何關(guān)系可得第一段糾偏曲線的弧長為：

圖5" 兩端糾偏曲線（成型軸線與DTA成大夾角）

對于環(huán)寬為1.2m的管片環(huán)，則需要的管片環(huán)數(shù)為9環(huán)，即10.47/1.2=8.73取整。第二段糾偏曲線b可以參考①成型軸線與DTA成小夾角的糾偏情況。

3.3糾偏狀態(tài)（偏差10cm ）

軸線偏差10cm的情況屬于大偏差，造成其后果的因素較多，因此，在調(diào)整優(yōu)化盾構(gòu)掘進因素的基礎(chǔ)上，重點是設(shè)計擬合隧道軸線的糾偏曲線。

3.3.1糾偏曲線

糾偏量 0cm的糾偏曲線設(shè)計可參考5～10mm的糾偏曲線設(shè)計方法。按照糾偏曲線的分類，各糾偏曲線所需的糾偏環(huán)數(shù)可為：

①管片軸線與DTA成大夾角：30環(huán)以上;

②管片軸線與DTA成小夾角：20環(huán)以上;

③管片軸線平行于DTA：20環(huán)以上