盾構法隧道管片選型及拼裝技術

摘 要：文章通過介紹盾構隧道管片的設計依據、楔形量、管片種類及選型、管片拼裝點位選擇方法和原則、管片拼裝過程中應注意的問題等方面，闡述了盾構法隧道施工中的管片選型及拼裝技術，以確保施工質量，供讀者參考。

關鍵詞：盾構法；隧道施工；管片選型；管片拼裝

引言

盾構法隧道施工技術在目前的城市地鐵、軌道交通等地下隧道工程中的運用日益廣泛，文章結合了深圳地鐵5號線、7號線，臺山核電站海底取水隧洞工程盾構施工，對盾構隧道施工中管片選型及管片拼裝技術進行了總結和探討。

1 管片選型

1.1 盾構隧道管片設計

管片寬度、厚度、配筋、砼強度和抗滲等級、分塊長度、楔形量、直徑等，均是管片設計的要素。

（1）管片厚度和配筋、砼強度和抗滲等級要根據全線的工程地質情況、隧道覆土厚度、施工荷載狀況、隧道的使用目的及管片施工條件等多種因素確定，對管片配筋要進行試算和驗算。（2）管片環寬與分塊設計主要由管片的制作、防水、運輸、拼裝、隧道總體線型、地質條件、結構受力性能、盾構掘進機選型等因素確定。襯砌管片寬度越大，隧道結構的縱向剛度越大，抗變形能力越強；襯砌環縱向接縫越少，漏水環節、螺栓數量越少，施工速度越快，費用越省。（3）管片楔形量。楔形管環中最大寬度與最小寬度的差即楔形量。楔形管片分為單面楔形、雙面楔形兩種，其中單面楔形又分為前楔形、后楔形兩種，即通常所說的左轉彎環、右轉彎環。確定楔形量的因素有三個：線路的曲線中心半徑R，管片寬度d，管片直徑D，標準環與楔形環環數之比U（U不小于1）。取中心弧長L=（U+1）*d，圓心角β=L/R，外弧長L1=β（R+0.5D），內弧長L2=β（R-0.5D），即可計算出管片楔形量X= L1-L2。

1.2 管片選型應用實例

每環管片均由標準塊、鄰接塊、封頂塊組成。在深圳地鐵5號線施工中，采用的管片為單面楔形，有標準環、左轉彎環、右轉彎環三種，外徑6m，厚度30cm，寬度1.5m，楔形量38mm，每環分為6塊（A1、A2、A3、B、C、K）。臺山核電站取水隧洞線性為直線，管片選用雙面楔形通用環管片，外徑8.7m，厚度40cm，寬度1.5m，楔形量25mm，每環分為7塊（A1、A2、A3、A4、B1、B2、K）。在深圳地鐵7號線施工中，采用的管片為雙面楔形通用環管片，外徑6m，厚度30cm，寬度1.5m，楔形量38mm，每環分為6塊（B1、B2、B3、L1、L2、K）。

1.3 管片點位選擇

1.3.1 臺山核電站取水隧洞

工程選用海瑞克泥水平衡式S551盾構機，推進油缸共有19組，管片采取錯縫拼裝。根據管片分塊長度及角度，可將拼裝點位與油缸編號對應，共19個點位可以選取。

拼裝點位可由以下公式確定：Y=X+2+3n，n∈{0，1，2，3，4，5}

Y是當前環可選拼裝點位，X是上一環拼裝點位，X和Y均是1～19之間的整數。

1.3.2 深圳地鐵

深圳地鐵5號線和7號線盾構隧道，管片拼裝點位與時鐘整點位置對應，有1、2、3、4、5、7、8、9、10、11等10個點位，采用錯縫拼裝（聯絡通道處除外），若上一環拼裝在1、3、5、8、10點位中的一個點位，當前環管片應在2、4、7、9、11點位中選取1個點位拼裝，保證不通縫。管片拼裝展開示意圖如圖1。

1.4 管片安裝點位選擇依據

管片錯縫拼裝點位選擇主要依據：盾尾間隙，油缸行程差，盾構機姿態，隧道線型。（1）根據管片與盾尾之間的間隙大小選擇點位，將寬管片拼裝在間隙小的部位，利用楔形量調整盾尾間隙。（2）根據各組推進油缸的油缸行程差選擇點位，將寬管片拼裝在行程長的部位，以減小各組油缸的行程差，使油缸推力分布均勻、管片受力均勻；行程差以50mm以內為宜。（3）若盾構姿態向左（右）偏移或者隧道平面曲線為左轉彎，則將通用環寬管片拼裝在右（左）側以調整姿態，使管片與隧道轉向一致，寬管片安裝部位與隧道轉彎方向相反；而非通用環管片（左轉彎、右轉彎環）尤其要注意管片類型和楔形方向，不得拼反。（4）管片點位選擇總體上要與隧道線型擬合，及時糾偏，減少蛇形。

2 管片拼裝過程控制

管片拼裝是一道十分重要的工序，且拼裝成環之后不可拆除，要保證管片拼裝和成型隧道質量，必須做好拼裝前、拼裝過程、拼裝后全過程控制。

2.1 拼裝前卡控要點

管片寬1.5m，為防止安裝管片時管片因與油缸撐靴或盾構機管線碰撞而破損產生質量或安全事故，每環掘進油缸行程1750～1850mm之間拼裝最佳。

管片拼裝前，工程師應該根據工況，選擇最佳拼裝點位；并仔細檢查管片質量，發現不合格的要立即更換。檢查內容有：（1）下井管片種類是否齊全，有無缺少或重復（如缺少A1塊，或者有兩個B1塊），不可缺，不可多，不可重復。（2）管片編號、生產日期是否清楚，養護時間是否滿足28d齡期，若不滿足則不能使用。（3）管片是否存在缺邊、掉塊、破損等情況。若存在，則更換管片，缺陷管片待修補質量達標后方可使用（4）管片止水帶、遇水膨脹止水條、軟木橡膠襯墊、定位橡膠棒是否粘貼牢固，若部分脫落，須重新粘貼合格后方可使用。（5）管片螺栓孔、二次注漿孔是否堵塞。若完全堵塞則管片不能使用；若部分堵塞則須清除堵孔的少量混凝土、砂、石子、橡膠套等雜物后方可使用。（6）檢查管片小車上管片擺放順序是否正確，擺放順序即管片安裝順序，若順序不對，須重新擺放。

2.2 管片拼裝過程控制

管片安裝油缸千斤頂設定的壓力值適中，過大會使盾構機前移、管片不能頂緊，易造成倉內積渣、姿態失常；壓力過小，則無法頂緊。管片拼裝時，應確保盾尾底部無積渣、積水，以免造成拼裝困難、破壞管片。

安裝過程中需注意：（1）管片拼裝第一塊最重要，位置準確定位，控制好平整度，防止過高或過低使相鄰塊之間形成喇叭口，影響拼裝質量。（2）每安裝一塊，推進油缸只收回拼裝位置處的幾根千斤頂。油缸收回過多，盾構機部分或全部失去管片提供的反力，土倉內壓力使盾構機后退，造成管片破損、滲水、錯臺，甚至損壞盾尾刷。（3）檢查定位銷、螺栓墊片和雨水膨脹止水墊圈是否齊全，環、縱向兩種螺栓是否安裝正確。定位銷能夠防止錯臺，止水墊圈能夠防止螺栓孔滲水。（4）檢查管片是否對齊，是否存在錯臺，若存在問題則要求安裝司機調整。（5）管片螺栓要緊固到位，并在脫出盾尾前進行3次復緊。

2.3 拼裝完成后缺陷處理

管片拼裝點位選取不當，盾尾間隙過小，推進油缸和鉸接油缸行程差過大，油缸作用在管片上的力不均，地層與管片相互作用力，盾構機糾偏困難等，會造成管片局部受力過大破損、破碎甚至出現貫穿性裂紋、滲漏水。在管片生產、養護、運輸過程中控制不當，也會造成管片破損、產生裂紋。

2.3.1 管片破損及裂紋處理

破損修復：先清除掉破碎的塊，將裂縫處松動的混凝土鑿除，然后用水沖洗破碎面，在破碎面上注混凝土修補膠以增加新舊混凝土界面的黏結力，用混凝土修補并做好養護。若露筋，還需對鋼筋在鋼筋上涂抹氨基甲酸乙酯樹脂進行防銹處理。若管片破損面積和深度較大，還需安裝膨脹螺栓或者植筋后用混凝土修補，確保修補部分和原管片的整體性。

裂縫修復：用高壓水清除裂縫內的粉灰，將環氧樹脂等黏結材料在一定壓力下灌注到裂縫內部，表面用水泥漿抹平。

2.3.2 管片滲漏水處理

管片接縫和螺栓手孔等位置，均容易發生滲漏水。如果管片本身存在肉眼看不到的貫穿性裂紋，在安裝后由于受土體和水壓力作用，也會產生滲水。

在滲漏點處，一般采取通過二次注漿孔進行雙液漿二次注漿封堵，或者結合環氧樹脂和堵漏劑，共同使用，控制堵漏過程中的注漿和壓漿壓力，達到止水目的。雙液漿一般采用水泥：水：水玻璃=1：1：1的比例，具體的水玻璃波美度、配合比、漿液凝結時間和注漿壓力，根據具體工況可適當調整。

2.4 管片旋轉

管片拼裝一般采取從下到上的原則，避免長期順時針或逆時針拼裝，否則會引起油缸撐靴與管片縱縫和平面接觸面不對稱、管片旋轉。管片旋轉會造成管片拼裝困難、油缸撐靴頂爛管片，也會造成盾構機VMT導向系統轉站頻繁、測量偏差變大。在臺山核電站取水隧洞盾構施工過程中，發現已成洞管片相鄰環間發生旋轉，管片相對盾構機逆時針方向旋轉偏移量較大，最大旋轉100mm，及時分析了原因并采取措施，通過40環管片的調整，恢復到設計位置。

管片旋轉產生原因分析：（1）在管片拼裝過程，沒能及時發現管片發生旋轉并糾正管片安裝司機的拼裝方法，造成旋轉量累積。（2）粘土地層容易超挖，管片與地層之間的間隙不均，作用力不平衡導致管片發生旋轉。（3）掘進參數選取不恰當，為防止粘土在刀盤上結塊糊刀盤，方便出渣，刀盤轉速過大，刀盤旋轉方向調整不及時，盾體旋轉幅度增大。

調整管片旋轉的辦法：（1）通過降低刀盤轉速，增大掘進扭矩，改變刀盤旋轉方向，利用摩擦力使成環管片順時針方向回轉。（2）調整管片拼裝順序，不再先拼裝底部后拼裝兩側的方式安裝管片，而是逆時針方向按B2→A4→A3→A2→A1→B1→K塊的順序依次拼裝，每一塊安裝時，待安裝對齊平整、相鄰環螺栓能夠連接后，順時針微調管片，然后再利用風動扳手將螺栓打緊，微調幅度約2～4mm/環。（3）每拼裝一環管片，對后面兩環管片螺栓進行全部復緊，以減小相鄰環管片的旋轉錯位。（4）調整盾構姿態和盾尾間隙，使管片狀態和盾構姿態相對應，盾尾間隙、管片與開挖地層間隙均勻。（5）值班工程師指導拼裝司機，嚴格控制管片拼裝質量和落實螺栓復緊情況。

3 結束語

隨著盾構法施工工法在城市地鐵和軌道交通等隧道施工中應用的越來越廣泛，盾構種類、機型及生產廠家逐漸增多，隧道斷面類型多樣、地質條件復雜、地表和地下建構筑物、管線更多的現狀下，文章總結的管片選型及管片拼裝技術及注意事項、處理措施，具有較大的實用性，對提高隧道工程施工功效和質量具一定實際意義。

參考文獻

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