城市超大直径盾构管片选型及姿态控制技术

李新龙（中铁十五局集团有限公司，上海 200435）



城市超大直径盾构管片选型及姿态控制技术

李新龙（中铁十五局集团有限公司，上海 200435）

大盾构的管片拼装需要注意事项繁琐，管片姿态控制复杂，对不同地层有不同的控制方法，随着高铁盾构隧道的高标准、严要求、零误差的控制理念。针对各个方面需要认真总结，科学指导、反复求证的心态，不断的完善控制标准和精度要求。

管片；控制；技术

1　工程概况及地质情况

广深港客运专线ZH-4标隧道分为两段：益田路隧道DK104+730～DK111+053；深港隧道DK111+987～DK115+929。其中益田路隧道盾构段全长2546m，深港隧道盾构段全长1404m，盾构隧道均采用预制钢筋混凝土结构管片，管片外径12.8m、壁厚50cm。

2　工程采用盾构机

盾构隧道采用海瑞克设计制造气垫复合模式泥水加压式平衡盾构。该盾构是一个具备多种功能于一体的综合性设备，它集合了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能。

盾构机刀盘直径为13.23m，总重达3300t，总推力最大可达12000t，最大掘进速度为 50mm/min，刀盘最大转速为3.2rap/min。

3　管片选型的意义

管片选型的意义：按预定方法、工序进行，符合设计预定要求；管片选型好坏拟合隧道轴线直接影响工程的进度、质量、投资等。

4　管片的几何尺寸及表外特性

工程盾构隧道采用C50高性能耐腐蚀混凝土预制拼装式管片衬砌，采用“6+2+1”双面楔形通用环管片，错缝拼装。盾构隧道管片内径11.7m，外径12.8m，环宽2m，楔形量为26mm。每环管片由一块封顶块（F）、两块邻接块（L1、L2）、6块标准块（B1～B6）等九块构成。管片纵横向均采用直螺栓斜向连接（环缝设φ50mm定位榫，纵缝设φ50mm定位杆槽）。

图1

每环管片存在26mm的楔形量，而封顶块在每个螺栓孔位所产生的水平楔形量与竖直楔形量不同。需要通过调整封顶块位置控制每环管片的水平楔形量和竖直楔形量对管片姿态进行调整，从而达到管片拼装姿态与设计线路的拟合。

5　拼装点位选择考虑因素

5.1管片选型依据

管片选型的依据主要从以下几个方面：盾构机的姿态以及趋势、油缸行程差、盾尾间隙、管片姿态与盾构姿态对比分析、盾构线路走向和楔形量的计算等。

5.2盾构机的姿态以及趋势

根据盾构自动测量系统VMT上盾构机的姿态以及盾构司机下一步的掘进趋势，可以整体判断下一环管片封顶块的方位，从盾构姿态反应出盾构机的调整趋势，根据调整趋势中的调整量提前进行管片趋势调整，封顶块位置的变换来进行调整到与盾构机趋势线上。排列封顶块的位置计算出楔形量之后符合盾构姿态与管片姿态的差值在次进行调整纠偏。

5.3油缸行程差

在盾构机不断的调整姿态，通过调整不同的油缸压力来控制盾构机的方向，这样油缸会出现不同的行程差值，当形成差值达到较大是应及时靠管片的楔形量来弥补油缸行程差值，这时也是我们考虑管片封顶快的位置的依据之一，行程差值缩小时盾构机可以从新调整盾构机的方向，是盾构机能够按照设计的路线行走。

5.4盾尾间隙

盾尾间隙是选型考虑较多的一个因素。盾尾间隙的测量，在本环开始掘进和掘进完成后各测一次，分别是3点钟，9点钟，6点钟和12点钟四个方向。在拼装管片过程中，还要注意每一块管片与盾体之间的距离。与封顶块相对的位置就是盾尾间隙相对较小的。标准的盾尾间隙是确定值，当上下左右的盾尾间隙一定是说明管片与盾构的姿态是同步的，当姿态不同步是会出现盾尾刷的损坏甚至漏水、漏浆，对管片的止水条及洞内环境造成破坏。

5.5管片姿态与盾构姿态对比分析

管片姿态也是决定封顶块位置的因素之一，当拼装好的后方管片有较大的蛇形，这时不能将的封顶块的位置放在摆动方向，而应该放在摆动方向的两侧来减小应力，从而使管片的姿态趋于平稳，也要加强管片壁厚的注浆，稳定管片。

5.6盾构线路走向

盾构线路的走向往往都是设计好的，转弯半径都是设计好的，我们在缓曲线甚至直线的时候就应该提前做转弯的准备，提前计算楔形量之后有步骤、有提前、有计划的向左或向右转，避免转弯过大之后对管片拉伤拉坏等现象。

5.7楔形量的计算

管片楔形量的计算主要是符合以前的管片姿态从而总结经验，为以后的封顶块位置选择提供宝贵的经验，这样的计算也是总结以前的管片与盾构机姿态的差值，找出经验值对以后选型提供依据。

6　施工中常见问题及处理办法

6.1封顶块插入时容易挤伤自己或邻接块

封顶块的顺利插入是检验整环拼装质量的关键，如果封顶块的顺利插入代表预留的见间隙、拼装缝控制的精准。产生问题的原因有：①人员的拼装不精细，思想应提前把封顶块的位置预留出来；②拼装机的旋转力不能达到要求，纵缝未能拼装到设计要求，以至于封顶块的位置比较小，带来插入困难而造成破损；③拼装封顶块的时封顶块的姿态未调整到最佳的状态，这样会造成偏压或偏挤，对封顶块造成本身的损伤等原因。

6.2管片螺栓未能顺利锁紧

管片的螺栓是链接管片及增加整体刚度的，需要几次的复紧才能达到我们的设计要求，当管片拼装时螺栓孔未能较准备的对应到位，会带来长期螺栓未能正常锁紧而失去作用，产生问题原因及处理有：①第一块管片的拼装时候未能正确对准，这样会带来次生的问题，一块偏差1mm后，几块之后就不能将螺栓顺利插入到位了，要保证每一块管片的精度，这样就会正常的螺栓安插到位。②预先要检查螺栓孔位，避免杂物进入孔内后不能紧固。

6.3在全断面硬岩中管片稳定和防止开裂

在全断面硬岩中管片错台可以引起一系列的问题，如隧道漏水，管片开裂，盾尾刷的破坏等。如果防水条脱落或者错台较大，就会使相邻管片的防水条的搭接不够严谨，在地下水压较大的情况下容易造成管片漏水；由于盾构机的推力千斤顶直接作用在管片上，依靠管片的反作用力使盾构机向前掘进，一旦管片发生较大的错台现象，就容易导致相邻块管片之间产生应力集中现象，使管片边缘（包括上下波动和左右波动）幅度过大，再加上管片形态的惯性作用，必然导致管片与盾尾之间的间隙不均匀，从而导致管片拼装的困难，严重的还会发生管片崩角等问题。管片的错台基本上发生在脱出盾尾以后，导致上下盾尾间隙不均匀，对盾尾刷挤压损坏，可能导致盾尾漏浆，影响管片的拼装以及防水条的质量，在推进过程中要时刻观察，如漏浆要及时打盾尾油脂密封。对此类显现从以下几个方面避除：①调整浆液配比、改善浆液质量。通过大量的实验，在砂浆中添加硅灰、抗分散剂等材料，改善浆液质量，提高浆液的抗分散性、和易性、可注性，增加浆液的早期强度和缩短初凝时间；②双液浆封闭环，固定管片。每五环采用双液浆对管片进行封闭，形成封闭环，减少浆液流失并有效的固定了管片；③对管片顶部120°范围，采用双液浆跟进注浆；④在管片顶部120°范围，管片背千斤顶面增加2mm后丁晴软木橡胶衬垫，来弥补凹凸榫槽设计的瑕疵，增大管片环缝的间隙。

6.4管片破碎原因及解决办法

管片破碎原因有以下几个方面：①搬运和堆放时造成的破碎。在搬运、堆放过程中的碰磕，经常导致在碰磕位置处产生小块破裂。②拼装时，由于管片环面之间及相邻两块管片间接触面达不到理想的平行状态，使得预制管片的角部先受力而产生应力集中，导致管片角部破碎。③封顶块安插时，由于标准和邻接块安装的管片标准不够，两块邻接块间预留的间隙太小，把封顶块强行安装，导致角部或整体受损。④由于管片盾尾间隙管片外弧与盾体的各距离不均等，造成管片中心轴线与盾构机中心轴线成角度，在掘进过程中挤压管片边或角造成损坏。⑤衬砌管片成圆度不标准，造成原因多种，其中预制质量、安装质量和片缝之间有杂物等，在受集中应力过大的部位造成管片破损。⑥推进时管片受力不均匀，盾构掘进过程中由油缸的千斤顶通过油缸撑靴传力到管片环面，当油缸撑靴与管片环面成角度后，受力不均造成管片破损。⑦同步注浆浆量分布不合理，盾构掘进过程中同步注浆如果分布不均匀造成个别点位受到浆液的挤压造成偏压，通过盾尾间隙直接体现出来，盾尾间隙偏移造成管片受损。同时随着盾构震动等因素，壁后的浆液在未凝固状态下向下流动造成底部浆液过多形成管片上浮趋势，造成管片破损。

预防措施有以下几个方面：

（1）拼装前清理前一环管片上的杂物，保证环面清洁、接触面无杂物。

（2）拼装时保证衬砌环圆度，每块与每块不错位。推进油泵的伸缩顺序应与管片拼装顺序一致。

（3）封顶块安插前，实测两邻接块间间距，实测值控制在比设计值稍大，确保安装封顶块。

（4）在盾构掘进过程中，通过各种外界地质条件是，施工参数发生不断的变化，在经过不断的变化过程中，盾构机中轴线与管片中轴线必须高度保持一致，通过调整盾构姿态过程来拟合。

（5）转弯或竖曲线掘进是提前拟合盾构趋势和管片趋势，并保证拼装环和前一环的坡度一致，控制每环盾构姿态的偏移量，减少管片错台现象。

（6）掘进前检查油缸撑靴与管片环面的接触关系，如发现成角度及时伸缩控制好平面接触，调整不到位可采用辅助方木等措施。

（7）同步注浆时，控制好各分区的注浆量和注浆压力，通过压力控制注浆量，当压力达到设计压力后等待掘进空间后再注浆。在地层自稳性较好的情况下，减少盾构底部注浆量，加大顶部注浆量，比较二次注浆，确保顶部注浆饱满。当掘进转弯半径较大的线路是必要情况下可以加大一侧的注浆量，控制盾构机走向，提供必需的反力。

7　结论

管片选型要根据多方面因素平衡选型，施工中控制要点根据原因进行具体分析，对大盾构管片姿态精确控制要考虑提前量，控制在标准范围内。拼装时对动态的控制一定要形成流水线，随着盾构施工过程中的普及化我们国家对盾构施工管片规范越来越正规，相信在不久的将来会管片拼装越来越规范。

［1］铁道部《铁路技术标准》（JTGB01-2003）.北京：人民交通出版社.

［2］刘建航，等编著.盾构法隧道.北京：中国铁道出版社，1997.

［3］中铁第四勘察设计院集团有限公司.《福田站及相关工程设计图》.

李新龙（1988-），男，汉族，黑龙江鹤岗人，毕业于石家庄铁道学院。

U455.43

A

2095-2066（2016）17-0200-02

2016-5-20