淺談無鉸接盾構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管片的設計特點，根據DTA（隧道設計軸線）和相關的管片參數來擬合不同類型的隧道軸線，以及在盾構推進過程中，針對管片軸線的偏離大小進行糾偏。

關鍵詞：通用環管片;管片排版;糾偏分級

所謂通用管片，就是所有的管片環形式只有一種，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分，是一種較為先進的襯砌方式，代表著國內盾構形式發展的主流方向，在寧波軌道交通1號線一期工程施工過程中推廣應用。本文從理論分析和工程實踐的角度探討了楔形管片環的技術特點并總結了相關規律，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一的通用楔形環錯縫拼裝，其基本參數如下：通用管片內徑為5500mm，外徑為6200mm，厚度為350mm，環寬為1200mm。楔形襯砌環設計為雙面楔形環，最大楔形量為37.2mm，每環楔形角為27°37′59″。

每環管片縱向共16只M30螺栓，環向共12只M30螺栓，具體構造如下圖1所示，管片環縫采用凹凸榫槽結構。

圖1" 管片構造示意圖

注：F塊為封頂塊，L（L1、L2）為鄰接塊，B塊為標準塊

2設計排版原則

考慮管片錯縫拼裝的優點，如止水性能好、整體受力性能好、圓環整體剛度大等，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力大，而通縫拼裝的內力較小，可拼裝自由度相對較多，有利于管片的安裝。因此，在受力允許的狀態下，可采用小通縫進行拼裝。所謂“小通縫”，是指兩管片環之間允許1～2條通縫，相應地，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底部的范圍。

總結以上的要求，可得到管片設計排版的兩大原則：

（1）不能出現大通縫（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（底部45°以下范圍內），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，但可以根據不同的偏差情況，重點采取相應的糾偏措施，以進行軸線的修正。《盾構隧道施工與驗收規范》對管片軸線的允許偏差做了相關的規定：管片姿態的平面位置和高程在管片拼裝完成后的允許偏差為50mm。據此，將管片拼裝的狀態份為正常狀態（）、注意狀態（）和糾偏狀態），針對不同的管片狀態采取相應的監控措施。

3.1正常狀態（）

盾構推進管片拼裝中，發生一定的偏差是正常的，但應該控制在允許的范圍內。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。在此狀態時，應加強對管片拼裝趨勢的監控，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，故可假設一環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計軸線吻合，且管片環前端面與設計軸線垂直，即前端面法線與設計軸線平行，無夾角。此種狀態是最理想的情況，當拼裝下一環管片時，通過管片的楔形角可求得待拼裝管片與設計軸線的偏差。

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

（2）

式中，"為管片環寬，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寬下部環寬;當"時，待拼裝管片的上部環寬下部環寬。相應的，當時，表示管片前端面中心在設計軸線之上，偏差為“+”;當時，表示管片前端面中心在設計軸線之下，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′（上部環寬<下部環寬），在水平方向上的楔形角為14.48′（左側環寬>右側環寬），則

在垂直方向：

在水平方向：

3.1.3成型管片軸線與設計軸線存在偏差、夾角

成型管片與設計軸線無偏差、無夾角的情況是理想狀態，在盾構施工過程中，成型管片與設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，由幾何關系可得，待拼裝管片引起的偏差為

（3）

式中，"為上一環管片的偏差;為待拼裝管片與設計軸線的夾角，有，為上一環管片與設計軸線的夾角，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，假設上一環管片的高偏、平偏分別為+5.2mm、-1.3 mm，上一環管片與設計軸線在垂直方向、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（偏差為

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

3.2.1相關控制因素

在注意狀態下的糾偏過程中，應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機掘進的狀態。

②控制千斤頂行程差。千斤頂行程與盾尾間隙、盾構推進姿態緊密聯系，在糾偏過程中，應保證盾尾間隙的最小值，且控制好盾構機的推進姿態，因此必須實時監控千斤頂行程差的發展趨勢，以保證盾構機軸線、管片軸線與設計軸線之間的空間關系。

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

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，逐步擬合設計軸線。

3.2.2糾偏曲線

軸線偏差在的范圍內，屬于盾構施工的關鍵階段，在及時調整相關的控制參數外，還可以考慮設計糾偏曲線進行調整。綜合施工過程中各種軸線的擬合情況，為簡化模型，可將設計軸線簡化為一直線。根據成型管片的趨勢，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計軸線的切點。取為設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。通過幾何關系可推導糾偏曲線的半徑：

（4）

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

則平均每環糾偏量為 管片環半徑，為管片環寬，"為糾偏曲線半徑。其中，根據糾偏緩和平穩的原則，每環管片的糾偏量控制2～5mm，則對于5～10cm的偏差，其所需的糾偏環數最少為10～20環。

②成型軸線與DTA成大夾角（）

當成型軸線與DTA成大夾角時，首先應減少夾角，緩和盾構機與DTA的夾角。此時，糾偏曲線需要設計兩端圓弧，如圖9（b）。第一段圓弧是緩和管片成型曲線與設計軸線之間的夾角，使管片成型軸線趨向設計軸線，第二段圓弧類似于①，使偏向設計軸線的管片成型曲線逐漸緩和過渡，相切與設計軸線。第一段的圓曲線半徑可自行設定，但應該大于管片能夠擬合的最小半徑，途中管片成型曲線與設計軸線的夾角可通過測量系統得到。第二段圓曲線的糾偏曲線設計類似于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）

對于環寬為1.2m的管片環，則需要的管片環數為9環，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（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，在調整優化盾構掘進因素的基礎上，重點是設計擬合隧道軸線的糾偏曲線。

3.3.1糾偏曲線

糾偏量 0cm的糾偏曲線設計可參考5～10mm的糾偏曲線設計方法。按照糾偏曲線的分類，各糾偏曲線所需的糾偏環數可為：

①管片軸線與DTA成大夾角：30環以上;

②管片軸線與DTA成小夾角：20環以上;

③管片軸線平行于DTA：20環以上