通用楔形管片點(diǎn)位選擇在工程中的實(shí)踐應(yīng)用

婁成君

摘 要：對(duì)直線段和曲線段各30環(huán)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)與理論對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)分析通用楔形管片在點(diǎn)位選擇過程中與推進(jìn)油缸行程、鉸接油缸行程、盾尾間隙相互之間的關(guān)系和規(guī)律，分析結(jié)果表明：上下、右左推進(jìn)油缸行程、鉸接油缸行程產(chǎn)生的差值區(qū)域即為通用楔形管片采用管片超差量調(diào)整的區(qū)域，其中在盾尾間隙達(dá)到警戒值時(shí)必須依據(jù)盾尾間隙差值形成區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)位選擇，在理論情況下，每個(gè)點(diǎn)位所調(diào)整的油缸行程差、盾尾間隙差是一定，在掘進(jìn)和糾偏過程中進(jìn)行擇優(yōu)選取。將此方法成功有效的運(yùn)用在工程實(shí)踐施工中，為類似工程一線施工管理人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：通用環(huán);楔形量;點(diǎn)位選擇;實(shí)踐應(yīng)用

一、引言

目前，我國地鐵工程中廣泛采用盾構(gòu)法進(jìn)行修建，其中廣泛采用的襯砌結(jié)構(gòu)為通用楔形管片，所謂“通用”是指在整條隧道施工中只使用一種具有一定楔形量的襯砌圓環(huán)，通過楔形圓環(huán)的有序旋轉(zhuǎn)和組合，使得在同一條隧道內(nèi)僅采用這一種管片形式就能適合于直線、左轉(zhuǎn)曲線、右轉(zhuǎn)曲線、空間曲線、進(jìn)洞區(qū)、出洞區(qū)等各種工況條件，從而擬合出設(shè)計(jì)所需的線路[1]。這種形式的襯砌管片理論上只需要一套模具即可實(shí)現(xiàn)任何線性隧道的掘進(jìn)施工，成本較低并且更適用于設(shè)計(jì)軸線中存在較多的曲線段[2]。

分析文獻(xiàn)得出通用環(huán)管片在理論研究及數(shù)據(jù)模型建立等領(lǐng)域做了大量的研究和分析，在工程實(shí)踐過程中，為了更為直接快速有效的做出點(diǎn)為選擇，通過在理論研究的技術(shù)支持上，對(duì)工程時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，結(jié)合重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間隧道工程施工，總結(jié)出適應(yīng)類似工程施工過程中快速有效的點(diǎn)位選擇方法。

二、工程概況

重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間隧道采用預(yù)制鋼筋混凝土管片作為襯砌結(jié)構(gòu)，隧道橫斷面型式為圓型，開挖直徑6880mm，襯砌厚度350mm，管片內(nèi)徑5900mm、外徑6600mm，管片壁后超挖間隙理論值為140mm;其楔形量δ=39.6mm;管片點(diǎn)位共有12個(gè)，每個(gè)點(diǎn)位旋轉(zhuǎn)角度為30°，綜合具體情況而言，0點(diǎn)與6點(diǎn)是不可用，因此實(shí)際選擇只有10個(gè)點(diǎn)位;管片形式由3片標(biāo)準(zhǔn)塊（B）+2片連接塊（L）+1片封頂塊（F）組成;環(huán)向采用M27螺栓12根連接，縱向采用M27螺栓10根連接。

三、點(diǎn)位選擇與掘進(jìn)糾偏

盾構(gòu)法施工的隧道是由一系列管片排列而成的，可以看成一組短折線的集合，近似地?cái)M合成實(shí)際線路;由于采用短折線來代替光滑曲線，實(shí)際的線性和設(shè)計(jì)線性不能完全吻合，兩者之間存在一定的偏差;因此需要對(duì)通用管片的排版設(shè)計(jì)即點(diǎn)位選擇與掘進(jìn)糾偏相結(jié)合進(jìn)行考慮，并在工程實(shí)踐中進(jìn)行指導(dǎo)工程施工。

（一）TBM姿態(tài)控制原則及一般要求

TBM姿態(tài)控制一般包括盾體的滾動(dòng)控制和前進(jìn)方向控制兩種，其控制原則總體有兩點(diǎn)：一是盾體滾動(dòng)角應(yīng)控制在±10mm以內(nèi)，二是盾體水平與垂直的姿態(tài)，對(duì)兩者進(jìn)行規(guī)范合理范圍控制，對(duì)成型隧道軸線及高程偏差有一定的控制優(yōu)勢(shì)。一般情況下，TBM的姿態(tài)偏差在直線段范圍內(nèi)控制在±20mm;圓曲線段范圍控制在±40mm;需要注意的是曲線半徑越小，姿態(tài)控制難度越大，其次是在巖層性質(zhì)方面重點(diǎn)控制和考慮。

一般情況下，在直線段范圍內(nèi)TBM油缸之間的行程差可控制在±20mm;特殊情性不得超過60mm;在掘進(jìn)曲線段時(shí)，管片及姿態(tài)容易向曲線外側(cè)發(fā)生偏移，因此采取將TBM整體向曲線內(nèi)側(cè)偏移一定量進(jìn)行掘進(jìn)，大致范圍在±20mm，以實(shí)際曲線相關(guān)要素決定。

（二）TBM姿態(tài)控制與管片選型

TBM姿態(tài)的控制主要是通過調(diào)整設(shè)備分區(qū)油缸推力實(shí)現(xiàn)的，重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間隧道工程采用的單護(hù)盾TBM油缸分區(qū)為A/B/C/D。

TBM姿態(tài)調(diào)整，要在各種地質(zhì)情況下推力參數(shù)基礎(chǔ)上，加大局部推力或降低另外2個(gè)或3個(gè)區(qū)域的推力來調(diào)整姿態(tài)，簡(jiǎn)單說就是調(diào)整油缸行程大小，控制各組油缸的行程差;除通過調(diào)整油缸推力和行程控制TBM姿態(tài)外，還可以通過調(diào)整盾尾間隙來控制姿態(tài)，比如右側(cè)盾尾間隙偏小，即可采取增加右邊推力加大右側(cè)油缸行程，同時(shí)即可增大相應(yīng)位置的盾尾間隙;當(dāng)TBM姿態(tài)糾偏的方向與盾尾間隙糾偏的方向相反，那么權(quán)衡兩者對(duì)成型隧道質(zhì)量影響較大。

管片選型的基本原則是：一是管片選型要和隧道的設(shè)計(jì)線路軸線相一致;二是管片選型要和盾構(gòu)姿態(tài)相一致，即上、下、左、右4個(gè)方向的盾尾間隙大小應(yīng)基本相同;三是管片選型要適應(yīng)TBM的頂推油缸的行程，盡量減小油缸的行程差。其中所指油缸行程差的改變，主要是結(jié)合通用楔形管片的楔形量來進(jìn)行調(diào)整，也就是一環(huán)成型管片在不同點(diǎn)位的超差值來調(diào)整油缸行程差。

（三）不同點(diǎn)位的管片超差、盾尾間隙計(jì)算

1.管片超差計(jì)算

重慶軌道交通環(huán)線工程所采用的管片斷面結(jié)構(gòu)形式如圖1，由于通用環(huán)管片的總楔形量為39.6mm，可以從圖中看出在拼裝完成9點(diǎn)時(shí)，左方向后超出19.8mm，右方向前超出19.8mm，如圖4所示：

通過相關(guān)的計(jì)算原理，依據(jù)以下兩個(gè)公式分別計(jì)算出△V左方超差量（mm），△H上方超差量（mm）;其中X為拼裝點(diǎn)位。具體公式如下：

右方和下方的超差量分別取左方和上方的相反數(shù)。依據(jù)重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間隧道工程相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算通用管片拼裝后管片超差具體見表1：

2.盾尾間隙計(jì)算

TBM在掘進(jìn)過程中總有一定的偏移量，這就要求盾殼與管片外表面之間保持一定空隙，這個(gè)空隙稱為“盾尾間隙”，盾尾間隙是管片選型約束條件，應(yīng)考慮在當(dāng)前TBM的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)下之后幾環(huán)管片的盾尾間隙，如果盾尾間隙過小，TBM推進(jìn)過程中盾尾鋼絲刷會(huì)與管片發(fā)生干擾，因此管片選型必須以滿足隧道軸線為前提，確保有足夠的盾尾間隙，以防止盾尾直接接觸管片，造成管片擠壓破損，因此，在本文中只針對(duì)理論情況下，在當(dāng)前環(huán)拼裝完成后所對(duì)盾尾間隙的改變量，也就是當(dāng)前環(huán)管片推進(jìn)結(jié)束后脫出盾尾時(shí)，在不考慮其他影響因素對(duì)盾尾間隙的影響條件下，已完成管片拼裝對(duì)盾尾間隙所引起的改變量計(jì)算公式如下：

公式中：δ為通用環(huán)管片雙邊楔形量，mm;B為管片寬度，mm;Dr為管片直徑，mm;N1為已拼裝管片點(diǎn)位。

四、工程施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

（一）曲線段相關(guān)數(shù)據(jù)

通過對(duì)曲線段盾尾間隙、推進(jìn)油缸行程以及拼裝點(diǎn)位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)見圖5～圖7，分析結(jié)果表明：在曲線段掘進(jìn)施工時(shí)，以控制盾體姿態(tài)為主，盡量使其對(duì)設(shè)計(jì)線路進(jìn)行擬合，在點(diǎn)位選擇中，基本能符合上述關(guān)于各個(gè)點(diǎn)位的管片超差量以及盾尾間隙調(diào)整量的研究;并在曲線施工時(shí)點(diǎn)位大多以曲線轉(zhuǎn)向側(cè)為主，也就是盡量選擇管片向后超前量組合一側(cè)、向前超前量組合一起來擬合曲線;個(gè)別盾尾間隙偏小時(shí)以盾尾間隙為主進(jìn)行選擇點(diǎn)位來調(diào)整間隙。

（二）直線段相關(guān)數(shù)據(jù)

通過對(duì)直線段盾尾間隙、推進(jìn)油缸行程以及拼裝點(diǎn)位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)見圖8～圖10，分析結(jié)果表明：在直線段掘進(jìn)施工時(shí)，與曲線段施工存在的區(qū)別就是在油缸行程差控制方面是重點(diǎn)考慮，在油缸行程統(tǒng)計(jì)圖看出四組油缸每環(huán)掘進(jìn)長度基本保持一致，并且在盾尾間隙方面也是有離散狀態(tài)向集中狀態(tài)發(fā)展，也就是前所述要求四個(gè)盾尾間隙盡量保持一致;其點(diǎn)位選擇考慮的原則方面也同曲線施工，同樣在個(gè)別盾尾間隙接近警戒值情況下考慮盾尾間隙選擇點(diǎn)位，不同之處就是比較趨于對(duì)稱分布（假設(shè)以6點(diǎn)位基準(zhǔn)）。

五、工程施工實(shí)踐應(yīng)用

以本工程為例，盾尾間隙平均值為65mm，其警戒值為40mm;油缸頂進(jìn)最大長度為2200mm，實(shí)際施工過程中頂進(jìn)在1700～1900mm之間均可滿足管片的拼裝，那么在每一環(huán)掘進(jìn)完成時(shí)，首要明確本環(huán)處于的曲線要素位置，其次重點(diǎn)關(guān)注盾體姿態(tài)以及油缸行程差，最后結(jié)合盾尾間隙及鉸接油缸行程的基本原則進(jìn)行擇優(yōu)選點(diǎn)。例如工程452環(huán)相關(guān)數(shù)據(jù)如下（單位均為mm）：

上一環(huán)拼裝點(diǎn)位為8點(diǎn);

從設(shè)計(jì)線路上得出本環(huán)處于向左轉(zhuǎn)彎緩和曲線上，鉸接油缸同理得出結(jié)論，向左轉(zhuǎn)彎，右側(cè)鉸接油缸必然大于左側(cè)，且看出盾體姿態(tài)趨于抬頭，因?yàn)锽組油缸、C組油缸均較大，重點(diǎn)得出右側(cè)盾尾間隙已經(jīng)是警戒值了，那么首要選擇是在不影響姿態(tài)的情況下依據(jù)盾尾間隙進(jìn)行選點(diǎn)，將管片楔形量最大的地方放在盾尾間隙最小的地方，直接選擇9點(diǎn)即可;

假如右側(cè)盾尾間隙沒有達(dá)到50mm警戒值時(shí)，簡(jiǎn)單計(jì)算和選擇思路如下：A組—C組=—35mm;D組—B組=—25mm;因此得出右側(cè)油缸總體比左側(cè)短，那么即可選擇向左側(cè)向后超前量的點(diǎn)位，1點(diǎn)、2點(diǎn)、5點(diǎn)、9點(diǎn)、11點(diǎn)，在集合表2相關(guān)原則排除不可選點(diǎn)，在余下中選擇理論最佳的9點(diǎn)位。其中在糾偏過程中不宜急糾，緩慢而行最佳。

六、結(jié)論

（1）通用楔形管片在點(diǎn)位選擇時(shí)的影響因素包括線路擬合、TBM姿態(tài)、油缸行程差、盾尾間隙等。

（2）點(diǎn)位選擇應(yīng)該嚴(yán)格按照表2的基本原則進(jìn)行選點(diǎn)。

（3）在掘進(jìn)施工過程中，點(diǎn)位選擇在理論上可以按照表1的管片超前量進(jìn)行分析計(jì)算，在施工過程中得重點(diǎn)集合實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

參考文獻(xiàn)

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