【干货】盾构管片知识全面总结

【干货】盾构管片知识全面总结
一、什么是盾构管片
盾构机刀盘、盾壳的尺寸就是根据管片环的这几个参数来设计的。

整体的混凝土圆环是无法在隧道内运输、安装的。

解决方法就是将混凝土圆环分解成多块。

分解运输，洞内拼装。

这些块就是管片(segment)。

二、盾构管片分块
1.管片是构成管片环的所有分块的统称，包括标准块(B)，邻接块(L)和封顶块(F)三类。

管片的分块数量因隧道直径（对应管片环的周长）的不同而不同。

原则就是不宜做得太大，以便于运输和安装。

其中，封顶块只有一块；邻接块分布在封顶块的两侧，有两块。

因此，分块数量的不同，实际是指标准块的数量不同。

2.为什么如此分块呢？
想象一个竖放的圆筒，从上而下通过圆心像切蛋糕一样，简单地切割成几个等份的圆弧块不是更简单吗？
也许最初大家确实是这么想的。

按这个思路我们继续想象下去，看看会发生什么呢：
现在，将这个等份切割的圆筒扳倒平放（圆心的法线想象成隧道轴线）。

拿掉其中任意一块。

怎么拿？当然，是沿直径方向往外移动。

反之，向内是拿不掉的。

这是因为圆环的外周长比内周长大，每一份分得的外弧长也比内弧长要大。

同理，将这拿掉的一块再装回去的话，也只能是从外向内地“凑”上去。

拿掉一块的过程相当于隧道内的管片拼装过程的逆过程。

隧道施工时，人员的操作都是在隧道内部进行的。

你怎么将这最后的一块管片送到管片环外侧再由外向内地将这块管片凑到正确的安装位置呢？这显然是不行的。

为解决这个问题，技术人员采取了两种办法：
（1）将认定为最后安装的一块管片的环向结合面（就是上面说的切割面）设计成内弧长，外弧短。

从而可以从内向外地安装管片。

相应的，与这块管片连接的左右两切割面设计成与之对应的坡面。

就是更大的内外弧差。

总之，严密贴合就行。

盾构发展的历史上，确曾有过这样的解决方法。

由于有更好的方案，这种设计国内基本上没人采用。

（2）细心的话，你可能会想到，将最后那一片从端头平滑地插进去不就解决了吗？完全正确，从端头可以插进去。

唯一的限制是空间。

要这样做，管片环端头外侧必须有大于管片宽度的自由空间。

这对盾构机的设计提出了较高的要求。

实际上，盾构设计者采用了这种思路，并完善成一种更有效的解决方法。

就是将最后一块管片沿隧道轴线方向上设计成一头宽一头窄的楔形，窄的一端朝向已成型的隧道。

拼装时，先将楔形块相对于管片环偏移一定距离（理论上，这个距离可以很小，本工程施工设计是偏离600mm），然后沿直径方向由内向外将楔形块推送到管片环的对应缺口位置，用推进油缸将楔形块顶推到安装位置。

螺栓固定，完成一环的拼装。

该楔形块就是所谓的封顶块(F)。

这不是个好名字，容易造成误解。

封顶块不一定拼装在隧道的顶部，也常常出现在隧道的腰部，底部等位置。

施工单位通常叫它“K块”，是沿用欧洲人的习惯叫法（Key。

钥匙，关键之意）。

这个词表明了该管片的重要性。

实际上，盾构隧道线形的控制（转弯、上下坡、纠偏）就是依靠K块的拼装位置变化来实现的。

K块拼装位置变化相当于整个管片环的（顺/逆时针）旋转，不是说仅仅K块换个位置（那是不可能的）。

K块的重要性在于它是我们考察隧道线形变化的着眼点。

三、案例介绍
1.某工程使用的管片为双面楔形通用环。

下图是本工程的管片设计总体
图。

图1管片环设计图
备注：图纸视图是从盾构隧道掌子面向已成型隧道方向正视的管片端面视图。

2.主要设计参数：
这里不便将所有的管片图纸都展示出来，重点放在对管片的概括性描述上。

（一）名称约定
1.环向：就是沿管片环圆周方向；
2.环间：管片环之间；有时也叫“纵向”。

（二）分块
1.管片分块：7块
2.标准块(B)：=7-3=4块（3=1个F块+2个邻接块(L)。

这是固定不变的）
图中，将封顶块(F)画在水平方向左侧（隧道的右侧）。

各管片关于水平线对称分布。

下部是L1邻接块，B1、B2标准块；上部是L2邻接块，B3、B4标准块。

图中看到的封顶块（F）是其较宽的一端，窄的一端在图纸背面。

从几何结构上说，4个标准块（B1-B4）是完全一样的，实际上却是不一样的。

之所以不一样是出于拼装便利的考虑，没有结构上的必然性。

（三）管片拼装的原则
1.确定的一点是：封顶块（F）只能最后安装。

否则，管片环无法闭合。

2.图上各块的相对位置是不能变的，无论封顶块将出现在哪里，邻接块L1、L2总是紧贴在F块的两侧；B1总是接着L1，B2总是接着B1，B3总是接着B2，B4总是接着B3。

一言以蔽之：顺序不能变。

3.那么，最先安装那一块呢？
（1）假如，我们先拼装了B1和B3（这是可以做到的。

因为后面已有成型隧道，有纵向螺栓孔；前方有推力油缸可以顶推。

任何一块在任何位置都是可以牢固就位的），那么，B2就无法安装了——管片是一段圆弧块，外弧长大于内弧长。

B1、B3之间的空档尺寸与B2的内弧长一致，但小于B2的外弧长。

所以，沿径向是无法将B2块塞进去的。

沿隧道纵向可以推进去，但盾壳内的拼装空间长度须大于2倍管片环宽。

实际的盾构机没那么大的拼装空间，也没谁按这个思路设计。

这提示我们，管片拼装必须是连续的，中间不能出现空档。

唯一可以（而且是必须）出现的空档是L1、L2之间的F 块拼装位置。

（2）能不能按L1-B1-B2-B3-B4-L2的“连续”方式来设计呢？从几何结构上讲，是可以的。

但这种设计有一个弊端，就是管片拼装只能按一个方向进行，缺乏对不利情况的适应性。

结合上面说到的“F块只能最后安装”的原则，我们就可以知道，管片拼装路线应该是：以F块的最远相对点I-I为起点，沿圆周的两侧向F块辐辏。

所以，最先安装的应该是B2或者B3标准块。

二者选一即可。

本工程设计选择的是B3。

需要说明的是：B3这个“首先块”一旦确定，就是不可更改的。

其螺栓孔布置要进行特别设计，跟其它标准块已经不一样了。

每环管片的拼装只能先装这一块。

不遵守这一条就无法安装环向连接螺栓。

拼装顺序有很多，这里列出一个：B3-B2-B4-B1-L2-L1-F。

（四）连接螺栓
1.连接螺栓用于两方面的连接：
（1）各分块之间的圆周方向的连接（环向连接。

每个结合面有2根连接螺栓，共2x7=14根）；
（2）管片环与管片环之间的连接（环间连接。

标准块和邻接块的环间端面上都是3根，F块上1根。

共3x6+1=19根）。

这两类连接螺栓都选用“机械性能等级不小于6.8级的M30钢螺栓，产品等级为C级”。

2.连接螺栓有直螺栓、弯螺栓之分。

本工程设计选用直螺栓。

（1）两种螺栓各有利弊。

对于用真空吸盘抓取管片的盾构机而言，直螺栓更便于施工操作。

管片安装时，真空吸盘式管片安装机将吸盘覆盖在管片的内弧面。

真空泵工作，营造真空，产生吸力。

提吊，翻转，将管片推送到安装位置。

由于需要较大的真空吸力。

吸盘面积要尽可能的大，遮挡了连接螺栓的手孔位置。

适应性设计是：首先安装的B3标准块的环间端面上有3个盲孔（内嵌有M30聚酰胺螺栓套）。

纵向螺栓从上一环内弧面的手孔向B3的这3个盲孔穿入，拧紧固定。

此时，没有环向连接动作。

然后是拼装B2或B4标准块。

B2、B4与B3的不同点在于它们与B3的环向结合面上是盲孔，而B3上的螺栓孔与手孔相通。

此时，吸盘覆盖在B2或B4的内弧面上，环向螺栓从已经就位的B3上的手孔向B2的盲孔穿入。

其余依此类推。

（2）简言之：
环向—以B3为起始，分两侧沿圆周向F块辐辏，螺栓从前一块穿向当前安装块；
环间—纵向连接螺栓都是从前一环穿向当前安装环。

3.从安装过程描述中，我们可以看到直螺栓在真空吸盘管片安装条件下的便利性。

同时，我们也应注意到其可能出现的施工困难：
（1）对盲孔的精度要求高。

管片盲孔内的螺栓套是聚酰胺材料预制而成，管片生产过程中的高温、震动、钢筋加工工艺等都对其精确性构成潜在的威胁。

（2）对施工精度要求高
在盲孔螺栓套的前端有60mm深，φ40-φ60的喇叭口。

是设计用来补救管片安装误差的。

而真正制约安装精度的，是与手孔相通的螺栓孔直径。

位置关系见下图：
图2环间连接螺栓孔
螺栓孔直径为36mm，螺杆直径是30mm，二者的差值是6mm。

螺栓孔相对于环间端面的角度是60°，相对于环向端面的角度是57°。

允许偏差量：
环向结合面=3/sin(57°)=3.58(mm)
环间结合面=3/sin(60°)=3.47(mm)
这意味着，管片拼装对位的偏差不能大于3.5mm，否则，连接螺栓就无法拧入螺栓套。

如此微小的端面对位精度是很难控制的。

所以，拼装作业必须十分细致。

努力控制好施工精度，方可保证连接螺栓的全额、正确安装。

这对于防止缝隙渗漏具有非常重要的意义。

（五）定位棒、弹性橡胶密封垫、注浆孔
1.定位棒是一根长800mm直径φ50的PVC圆柱棒。

镶嵌在管片的环向端面，而且总是出现在有手孔的环向端面上。

对应的结合面上开有半圆型的定位棒槽，不同点在于这是一条贯通槽。

F块的两个环向端面上的定位棒槽均是贯通槽。

贯通槽用于管片（尤其是F块）的滑入。

这些是管片的辅助部件，用于安装定位、防水、和缺陷修补。

2.弹性橡胶密封垫为专业产品，要点在于粘贴正确、牢固。

3.注浆孔位于每块管片（F块除外）内弧面的几何中心。

直径φ50，深度为350mm。

注浆孔是在管片生产时嵌入注浆管形成。

注浆管为专业制作，内有砂浆止回阀。

注浆孔的作用在于缺陷修补。

当同步注浆达不到设计要求时（即出现沉降、渗漏等情况），手工凿开剩余的50mm（=400-350）管片壁，连接压浆设备，注入选定配比的砂浆。

注浆完成后，上紧注浆孔密封塞封闭。