盾构机管片选型和安装

盾构管片选型和安装林建平在盾构法施工中，管片的选型和安装好坏直接影响着隧道的质量和使用寿命。

本文根据广州地铁三号线客～大区间的实际施工情况，就盾构管片选型和安装技术做总结分析。

一、工程概况客～大盾构区间分为两条平行的分离式单线圆形盾构隧道，总长度为3016.933米，管片生产与安装2011环。

管片外径6000mm，内径5400mm，宽度1500mm，防渗等级S10，砼C50。

依据配筋将管片分为A、B、C三类，C类配筋最高、B类配筋最低；管片的楔形量38mm，分左转、右转、标准三类。

二、管片的特征1、管片的拼装点位本区间的管片拼装分10个点位，和钟表的点位相近，分别是1、2、3、4、5、7、8、9、10、11。

管片划分点位的依据有两个：管片的分块形式和螺栓孔的布置。

拼环时点位尽量要求ABA（1点、11点）形式。

在广州盾构隧道管片要求错缝拼装，相邻两环管片不能通缝。

管片拼装点位有很强的规律，管片的点位可划分为两类，一类为1点、3点、5点、8点、10点；二类为11点、2点、4点、7点、9点。

同一类管片不能相连，例如1点后不能跟3、5、8、10这四个点位，只能跟11、2、4、7、9五个点位。

在成型隧道里两联络通道之间的奇数管片是同一类，偶数管片是同一类。

（竖列表示拼装好的管片，横向：√-表示可选后续的管片；×-表示不可选后续的管片）2、隧道管片排序鉴于管片拼装的规律性，所以盾构施工前必须对隧道管片做好排序，并根据设计，模拟出联络通道和泵房位置，管片拼到联络通道处时，点位要正好和设计点位符合，否则联络通道位置会被改变。

在本工程中，是从左线始发，第325、326环处是联络通道，此处拼装点位是11点，将标准块A3块拼到洞门位置。

盾构始发时的负环是6环，1环零环。

从负环到325环共332环，第325环是11点，相当于第332环是11点，那么负环第一环点位应该是1点，或3点、5点、8点、10点。

管片排序时，要优化洞门的长度，在广州洞门长度要求在400mm以上，一环管片的长度是1500mm，在条件允许的条件下，通过调整始发负环的位置，把每节隧道两端的洞门长度之和控制在1500mm以内，当隧道长度除以管片长度的余数大于两倍最小洞门宽度800mm（各地洞门的最小宽度要求不同）时，就取余数的一半为洞门长度。

纠偏能力最差。

2) 管片楔形量的确定隧道在曲线上，外边长大于内边长，以及盾构机姿态始终蛇行前进，所以要求管片在隧道里拼装时，可以灵活的调整走向，即需要管片设计楔形量。

确定管片楔形量的因素有三个，1、线路的曲线半径；2、管片宽度；3、标准环管片楔型量βδL1=L2=δA点的楔型量计算如下：arctg(Q)=36/6000=0.006Q=0.343度L=3000.(1-COS(B))X=3000.(1-COS(B)).36/6000A点的楔型量：X=18.(1-COS(B))管片各点位的楔型量通用公式也是：X=18.(1-COS(B))举例：A点与B点的夹角90o，=X-18，得A点的楔形量为0。

4H：表示盾尾间隙变化量，如图所示△ABC≌△CDE,则41）除过起填充作用的背后浆液外，管片是隧道唯一衬砌、受力体系。

所以管片的正确选型非常重要，如管片选型错误时，会引起隧道渗水、管片开裂、管片错台。

如图所示，由于选型错误，盾尾间隙小过45mm（海瑞克盾构机），管片和盾壳切在一起，管片的外棱和边角会被盾壳剐裂，导致管片止水条部位的混凝土开裂掉块，管片拼起来后，止水条部位就会形成漏水通道，造成隧道漏水。

2）、导致油缸行程差过大，油缸作用在管片上的力不均匀，盾构机无法纠偏，管片会受到集中应力，容易把管片推裂。

3）、不符合盾构机的姿态、线路走向、以及上一环的管片姿态时，新管片和上一环管片无法紧密接触，在盾构机的推力作用下，管片容易形成错台。

4)、盾构掘进往往有盾尾漏浆现象，当尾刷里进浆液时，在加大油脂注入量的同时，盾尾间隙一定要调整均匀。

否则进入尾刷的浆液一旦凝固之后，就取不出来，这样以来，易损伤盾尾，损伤盾尾后更易造成漏浆，漏浆后又造成尾刷破损，形成恶性循环。

如下图所示，由于浆液进入尾刷根部，凝结后形成硬块，是尾刷变形范围减小，当盾尾间隙调整不合适时，造成尾刷磨损、管片刮裂、管片错台。

1机向前的阻力和造成管片压坏引起隧道渗漏水，同时盾尾密封效果减弱造成盾尾漏浆。

1.2、推力油缸行程和铰接油缸行程差对管片的选型的影响。

盾构机是依靠推力油缸顶推在管片上产生的反力向前掘进的，推力油缸按上、下、左、右四个方向分成四组，每一个掘进循环这四组油缸的行程的差值反应了盾构机与管片的平面位置之间的空间关系，可以看出下一个掘进循环盾尾间隙的变化趋势。

当管片平面不垂直于盾构机轴线时，各组推进油缸的行程就会有差异，当这个差值过大时，推进油缸的推力就会在管片环的径向产生较大的分力，从而影响已拼装好的隧道管片以及掘进姿态。

通常我们以各组油缸行程的差值的大小来判断是否应该拼装转弯环，在两个相反的方向上的行程差值超过40mm时，就应该拼装转弯环来进行纠编。

通过转弯环的调整左右与上下的油缸行程差值就控制在30mm以内，有利于盾构掘进及保护管片不受破坏。

铰接油缸可以被动收放，有利于曲线段的掘进及盾构机的纠偏。

同样铰接油缸的行程差也影响管片的选型。

这时应将上下或左右的推进油缸行程差值减去上下或左右的铰接油缸行程差值，最后的结果作为管片选型的依据。

2、管片选型原则管片选型的原则有三个：①、管片选型要适合隧道设计线路；②、管片选型要适应盾构机的姿态；③、根据现有的管模数量和类型，及生产能力。

第一：管片选型要适合隧道设计线路:1、根据隧道的埋深和地质状况，管片分为A、B、C三类。

2、根据隧道中线的平曲线和竖曲线的走向，管片分为标准环、左转弯、右转弯三类。

直线上选标准环，左转曲线上选左转环，右转曲线上选右转环。

其中转弯环数量的计算公式如下：θ=2γ=2*arctg（δ/D）式中：θ——转弯环的偏转角δ——转弯环的最大楔型量的一半D——管片直径根据圆心角的计算公式α=180L/（πR）式中：L——段线路中心线的长度R——曲线半径而θ=α，将之代入的到L=6.3m，所以在圆曲线上每隔6.3m一个转弯环（N=6.3m/1.5=4环，即平均4环一个转弯环）。

经过实际计算，在缓和曲线上，也近似于6.3m一个转弯环。

第二：管片选型要适应盾构机的姿态管片是在盾尾内拼装，所以不可避免的受到盾构机姿态的约束。

管片要尽量垂直于盾构机轴线，让盾构机的推进油缸能垂直地推在管片上，这样使管片受力均匀，掘进时不会产生管片破损。

同时也要兼顾管片与盾尾之间的间隙，避免盾构机与管片发生碰撞而破损管片。

当因地质不均、推力不均等原因，使盾构机偏离线路设计轴线时，管片的选型要适应盾构机的姿态。

根据盾构机姿态选管片的计算方法如下：假定push rams(推进油缸)行程：上：1850 mm 下：1830 mm左：1820 mm 右：1840 mm Articulation ramas（铰接油缸）行程上：80 mm 下：70 mm左：62 mm 右：75 mm 盾尾间隙：上：65 mm 下：80 mm 左：60 mm 右：90 mm因推进油缸、铰接油缸安装在中盾上，反力支座在同意不部位，所以推进油缸的行程差减去铰接油缸的行程差是管片要校正的偏移量。

上下（上减下）：（1850-1830）-（80-70）=+10mm右左（右减左）：（1840-1820）-（75-62）=+7mm盾构机油缸的行程差大于5mm时，需要选楔型环，下一环所选楔型环管片的最大楔形量应处于右上方，管片走向应左向下，即要选左转环10点或右转环4点。

如果盾尾和管片都处于真圆状态，上下盾尾间隙之和、及左右盾尾间隙之和分别等于150mm。

所选管走向应使盾尾间隙趋于均等。

盾尾间隙差：上下（上减下）：65-80=-25mm右左（右减左）：90-60=+30mm通过盾尾间隙判断，下一环管片走向应该是右下方，即选右转环11点或10点。

但行程差判断下一环管片走向应是左下方。

综合考虑油缸行程差和盾尾间隙，管片应拼向下，或向右下方，那么只能从右转11点和10点两个里面选一个不通缝的点位。

在进行管片选型的时候，只有盾尾间隙接近警戒植（60mm）时，才根据盾尾间隙选择管片。

第三、根据现有的管模数量和类型及生产能力现有管模四套，两套标准环管模，一套左转环管模，一套右转环管模，每套管模每天能生产两环管片。

为了满足每天掘进8～9环的进度要求，用转弯环代替标准环，例如用一套左转环和一套右转环来代替两个标准环。

3、VMT系统选管片根据VMT系统程序中对各种相关因素的预先设定，程序会给所有后续管片进行评估，其中不利因素最少的一环会被选中。

程序会沿已经计算好的纠偏曲线进行下一次模拟计算，预测第二环管片选型，即程序把预测的上一管环作为参考管环，进行下一管环顺序的计算。

以下为VMT系统程序管片选择步骤：在一环掘进当中，主千顶的行程达到1700mm左右时，手动测量上一环管环的盾尾间隙。

当掘进结束，推进油缸未收缩前，按相应格式把测的盾尾间隙输入程序，VMT 系统就开始计算管片拼装点位。

当计算结果出来后，接着操作人员应当检查上一环管片选型是否正确。

如果其前面的操作无误，则此类管片应当是正确的。

VMT系统会计算的结果显示在屏幕的中央。

如果对建议的管环满意，则可选择按键“Build”，进行管片拼装。

如果对建议的管环类型不满意，或现有管片的类型限制，则可对其进行更换。

首先选择屏幕中央要被替换的管环，接着从右栏中选定希望用的管片类型。

利用屏幕上的箭头执行替换操作。

如果一个管环是通过这种方式手动改变的，则管环类型型号码的两边就会有“**”标识。

此时就会对纠偏曲线进行重新计算。

如果管片类型选择错误，后续管片就呈现红色警告。

四、盾构管片安装1、拼装机械设备；管片安装器整体外形为一圆环状，套装在2个安装器行走悬伸臂上，主要用于管片的拼装衬砌。

其安装头具有6个自由度，包括随安装器的前后移动、旋转运动、伸举运动和绕管片自身的三轴旋转运动，管片安装手通过操作控制台能够精密控制管片的动作和定位。

管片安装器由液压驱动，安装器旋转的旋转角度在±200°范围。

2、管片的堆放运输；1）、管片出厂前逐片进行尺寸、外观的检测，不合格者不允许出厂。

外观的检测内容有：管片表面光洁平整，无蜂窝、露筋，无裂痕、缺角，无汽、水泡，无水泥浆等杂物；灌浆孔螺栓套管完整，安装位置正确。

轻微的缺陷进行修饰，止水带附近不允许有缺陷。

2）、达到龄期并检验合格的管片有计划的由平板车运到施工现场，管片运输时之间用垫木垫实，以免使管片产生有害裂纹，或棱线部分被碰坏。

3）、管片到达现场后由龙门吊卸到专门的管片堆放区。