浅谈无铰接盾构通用管片的排版与纠偏

摘要：分析了宁波轨道交通项目通用楔形环管片的设计特点，根据DTA（隧道设计轴线）和相关的管片参数来拟合不同类型的隧道轴线，以及在盾构推进过程中，针对管片轴线的偏离大小进行纠偏。

关键词：通用环管片;管片排版;纠偏分级

所谓通用管片，就是所有的管片环形式只有一种，它既可用在直线段，也可用在曲线段，而不像普通的管片形式将这两者加以区分，是一种较为先进的衬砌方式，代表着国内盾构形式发展的主流方向，在宁波轨道交通1号线一期工程施工过程中推广应用。本文从理论分析和工程实践的角度探讨了楔形管片环的技术特点并总结了相关规律，包括线路拟合、楔形量、纠偏等级等。

1通用楔形管片

宁波市轨道交通隧道衬砌采用统一的通用楔形环错缝拼装，其基本参数如下：通用管片内径为5500mm，外径为6200mm，厚度为350mm，环宽为1200mm。楔形衬砌环设计为双面楔形环，最大楔形量为37.2mm，每环楔形角为27°37′59″。

每环管片纵向共16只M30螺栓，环向共12只M30螺栓，具体构造如下图1所示，管片环缝采用凹凸榫槽结构。

图1" 管片构造示意图

注：F块为封顶块，L（L1、L2）为邻接块，B块为标准块

2设计排版原则

考虑管片错缝拼装的优点，如止水性能好、整体受力性能好、圆环整体刚度大等，本标段工程采用通用管片错缝拼装的方式。但考虑到错缝拼装的内力大，而通缝拼装的内力较小，可拼装自由度相对较多，有利于管片的安装。因此，在受力允许的状态下，可采用小通缝进行拼装。所谓“小通缝”，是指两管片环之间允许1～2条通缝，相应地，3条及3条以上的通缝定义为“大通缝”，大通缝的情况是绝对不允许的。

同时，通过管片的封顶块一般是最后安装的，考虑到管环底部范围受力较大，且不易安装，如果封顶块安装在底部位置，将加大拼装的难度，且对于施工安全有一定的隐患，故避免将封顶块安装在管片环底部的范围。

总结以上的要求，可得到管片设计排版的两大原则：

（1）不能出现大通缝（三条及三条以上纵缝重合）情况;

（2）封顶块F块不能拼装在157.5°～202.5°这个范围内（底部45°以下范围内），即K8、K9、K10。

3 纠偏分级

造成隧道轴线偏差的原因往往是综合的，但可以根据不同的偏差情况，重点采取相应的纠偏措施，以进行轴线的修正。《盾构隧道施工与验收规范》对管片轴线的允许偏差做了相关的规定：管片姿态的平面位置和高程在管片拼装完成后的允许偏差为50mm。据此，将管片拼装的状态份为正常状态（）、注意状态（）和纠偏状态），针对不同的管片状态采取相应的监控措施。

3.1正常状态（）

盾构推进管片拼装中，发生一定的偏差是正常的，但应该控制在允许的范围内。当管片成型轴线的偏差时，可定义为允许偏差，即管片处于正常状态。在此状态时，应加强对管片拼装趋势的监控，以避免偏差进一步的增大。

3.1.1 16点位管片纠偏量

本工程使用16个拼装点位的管片，不同点位的管片具有不同的楔形量，其对管片与设计轴线的偏差纠正程度也是不一样。下面将分情况进行讨论，其中，在水平方向上，本标段工程的最小半径为300m，对应于1.2m的管片，其圆心角为0.23°，其圆弧长度为1.204m，相差甚小，故可假设一环管片的曲线段为直线段，进行简化处理。

3.1.2成型管片轴线设计轴线无偏差、无夹角

如图2所示，以垂直方向为例，成型管片的当前管片与设计轴线吻合，且管片环前端面与设计轴线垂直，即前端面法线与设计轴线平行，无夹角。此种状态是最理想的情况，当拼装下一环管片时，通过管片的楔形角可求得待拼装管片与设计轴线的偏差。

当成型管片与设计轴线无偏差、无夹角时，拼装下一环管片时，待拼装管片引起的中心坐标与设计轴线的偏差为

（2）

式中，"为管片环宽，取1.2m;通过几何验证，得，"为待拼装管片的楔形角，当""时，待拼装管片的上部环宽下部环宽;当"时，待拼装管片的上部环宽下部环宽。相应的，当时，表示管片前端面中心在设计轴线之上，偏差为“+”;当时，表示管片前端面中心在设计轴线之下，偏差为“-”。

图2" 拼装管片对偏差影响的示意图

下面以K7的计算为例。K7在垂直方向上的楔形角为-14.58′（上部环宽<下部环宽），在水平方向上的楔形角为14.48′（左侧环宽>右侧环宽），则

在垂直方向：

在水平方向：

3.1.3成型管片轴线与设计轴线存在偏差、夹角

成型管片与设计轴线无偏差、无夹角的情况是理想状态，在盾构施工过程中，成型管片与设计轴线往往存在一定的偏差与夹角，如图3所示。同样以垂直方向为例，由几何关系可得，待拼装管片引起的偏差为

（3）

式中，"为上一环管片的偏差;为待拼装管片与设计轴线的夹角，有，为上一环管片与设计轴线的夹角，为当前管片的楔形角。

图3" 拼装管片对偏差影响的示意图

下面举例说明在成型管片轴线与设计轴线存在偏差、夹角时，拼装管片所引起的偏差。仍以K7为例，假设上一环管片的高偏、平偏分别为+5.2mm、-1.3 mm，上一环管片与设计轴线在垂直方向、水平方向上的夹角分别为+4.7′、-16.4′。则当拼装K7管片时，其偏差分别为：

在垂直方向：

在水平方向：

3.2注意状态（偏差为

当管片轴线偏差超过且在之内时，盾构施工班组应予以重视，考虑重新设计纠偏曲线进行管片轴线的纠正，因此，此状态可定义为“注意状态”。具体纠偏措施如下：

3.2.1相关控制因素

在注意状态下的纠偏过程中，应同步控制影响管片拟合的重要因素：

①充分利用富余的盾尾间隙。在保证最小盾尾间隙的前提下，可利用盾尾间隙的允许改变量控制盾构机掘进的状态。

②控制千斤顶行程差。千斤顶行程与盾尾间隙、盾构推进姿态紧密联系，在纠偏过程中，应保证盾尾间隙的最小值，且控制好盾构机的推进姿态，因此必须实时监控千斤顶行程差的发展趋势，以保证盾构机轴线、管片轴线与设计轴线之间的空间关系。

③合理调整盾构机推进姿态。盾构机的姿态影响着管片成型的姿态，加大盾构机的首尾差，调整盾构机盾首的方位，可改善盾构机的掘进状态，进而保证管片拼装对设计轴线的拟合。

④增加管片超前量的使用。通用楔形管片不同点位的楔形量有所不同，当偏差较大时，可利用较大超前量的管片点位，改变管片的成型姿态，逐步拟合设计轴线。

3.2.2纠偏曲线

轴线偏差在的范围内，属于盾构施工的关键阶段，在及时调整相关的控制参数外，还可以考虑设计纠偏曲线进行调整。综合施工过程中各种轴线的拟合情况，为简化模型，可将设计轴线简化为一直线。根据成型管片的趋势，可以分为以下三种情况进行讨论，如图4所示：

（a）成型轴线与DTA成小夹角（）

（b）成型轴线与DTA成大夹角（）

（c）成型轴线平行于DTA

图4" 纠偏轴线示意图

①成型轴线与DTA成小夹角（）

可设计一圆曲线的纠偏曲线对轴线进行纠正，如图9（a）纠偏曲线的终点即为圆曲线与设计轴线的切点。取为设计轴线与成型管片轴线的偏差，即，为纠偏的范围，由于"偏差较小，相对小得多，近似有。通过几何关系可推导纠偏曲线的半径：

（4）

以纠偏差为50mm为例，假定每环纠偏量控制在5mm/环，则最少需要的纠偏环数为10环（50/5），此时的纠偏范围为12m（1.210），纠偏曲线半径由公式（4）得

则平均每环纠偏量为 管片环半径，为管片环宽，"为纠偏曲线半径。其中，根据纠偏缓和平稳的原则，每环管片的纠偏量控制2～5mm，则对于5～10cm的偏差，其所需的纠偏环数最少为10～20环。

②成型轴线与DTA成大夹角（）

当成型轴线与DTA成大夹角时，首先应减少夹角，缓和盾构机与DTA的夹角。此时，纠偏曲线需要设计两端圆弧，如图9（b）。第一段圆弧是缓和管片成型曲线与设计轴线之间的夹角，使管片成型轴线趋向设计轴线，第二段圆弧类似于①，使偏向设计轴线的管片成型曲线逐渐缓和过渡，相切与设计轴线。第一段的圆曲线半径可自行设定，但应该大于管片能够拟合的最小半径，途中管片成型曲线与设计轴线的夹角可通过测量系统得到。第二段圆曲线的纠偏曲线设计类似于①，可计算得到圆曲线的半径。下面以具体算例为例子介绍其计算方法。

一般而言，管片成型曲线与DTA的夹角较小，故取管片成型轴线与DTA的夹角"为179°，偏差为50mm，取第一段纠偏曲线"的半径为300m，在第一段纠偏曲线点处的偏差同取为50mm，此时管片成型轴线与DTA的夹角为1°，如图5所示。由几何关系可得第一段纠偏曲线的弧长为：

图5" 两端纠偏曲线（成型轴线与DTA成大夹角）

对于环宽为1.2m的管片环，则需要的管片环数为9环，即10.47/1.2=8.73取整。第二段纠偏曲线b可以参考①成型轴线与DTA成小夹角的纠偏情况。

3.3纠偏状态（偏差10cm ）

轴线偏差10cm的情况属于大偏差，造成其后果的因素较多，因此，在调整优化盾构掘进因素的基础上，重点是设计拟合隧道轴线的纠偏曲线。

3.3.1纠偏曲线

纠偏量 0cm的纠偏曲线设计可参考5～10mm的纠偏曲线设计方法。按照纠偏曲线的分类，各纠偏曲线所需的纠偏环数可为：

①管片轴线与DTA成大夹角：30环以上;

②管片轴线与DTA成小夹角：20环以上;

③管片轴线平行于DTA：20环以上