盾构管片选型技术

不同的隧道工程所使用的管片的超前量是不 同的，超前量的大小在隧道管片设计上是最 重要的设计内容。一般超前量的大小起码要 能够适应隧道最小转弯半径的要求。但如果 超前量设计的过大，施工中很容易造成管片 错台和管片失圆，不但给管片拼装带来很大 困难，更影响隧道的防水和美观。
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盾构机管片选型技术
目录
一、盾构机管片选型原则 二、盾构机管片选型依据 三、盾构机电脑管片选型
一、盾构机管片选型原则
管片拼装时，通过转弯环与标准环的组合来 适应不同的曲线要求。管片拼装时按照以下 以下两个原则： 第一，要适合隧道设计线路； 第二，要适应盾构机的姿态。 这两者相辅相成，通过正确的管片选型和选 择正确的拼装点位，将隧道的实际线路调整 在设计线路的允许公差±50mm内。
管片对圆曲线段隧道的拟合计算步骤如下：
θ=2γ=2arctgδ/D 式中： θ---转弯环的偏转角 δ---转弯环的最大楔形量的一半 D----管片直径 将数据带入得出θ=0.3629 根据圆心角公式： α=180L/πR 式中：L---一段线路中心线的长度 R----曲线半径，取400m θ=α，将之代入，取得L=2.282
根据盾尾间隙进行管片选型
如果盾尾间隙过小，盾壳上的力直接作用在管 片上，则盾构机在掘进过程中盾尾将会与管片 发生摩擦、碰撞。轻则增加盾构机向前掘进的 阻力，降低掘进速度，重则造成管片错台（通 过调整盾构间隙，可以大大减少管片错台量）， 盾构一边间隙过小，另一边相应变大，这时盾 尾尾刷密封效果降低，在注浆压力作用下，水 泥浆很容易渗漏出来，破环盾尾的密封效果。
同时也可以看出如果继续拼装标准环的话， 下部的盾尾间隙将会进一步减小。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，就应该拼装转弯环进行 纠偏。
德国海瑞克公司的土压平衡式盾构机， 20组推进油缸分为A、B、C、D四组，分 别代表上、右、下、左四个方向。 油缸行程可以通过位移传感器反映在显示 屏上， 通过计算各组油缸之间的差值，就能进行 正确的管片选型。
上式表明，在400m圆曲线上，每隔2.282m 就要用一环转弯环，广州地铁的管片长度为 1.5m，也就是说每隔2.282×2=4.564m就需 要两环转弯环，即标准环与转弯环的关系为1 环标准环＋2环转弯环。
管片的钟点特征
我们从管片设计图上已经知道管片的纵向螺栓孔有 10个，而且他们沿管片的圆周方向是均匀分部的， 任何相邻的两个纵向螺栓孔与管片中心所成角度都 为36度，也就是说管片沿环向有十个安装位置，每 个位置称为管片的一个安装钟点。为了方便理解我 们把拼装点位与时间刻度相结合，楔形块位于最上 方时管片相对隧道的位置称为12点，楔形块位置顺 时针旋转18度后管片相对隧道的安装位置称为1点， 再转36度后称为2点，以此类推，如下图：
管片选型错误会导致以下问题
1）管片错台、破损及裂缝等缺陷。 2）隧道渗漏水。 3）管片走向与盾构机掘进方向不协调，盾 尾间隙过小，盾构机操作困难和管片安装困 难。 4）损坏盾尾尾刷。
选择正确的管片必须综合考虑以下因素：

A）根据线路特点进行管片预排版 B）推进千斤顶的行程差（左右和上下） C）盾尾间隙（上、下、左、右） D）铰接油缸的行程差。 E）盾构机掘进方向与设计轴线的相对关系 F）错缝拼装
观测了主机趋势、油缸行程、盾尾间隙后，我们就可以预测 出来几环主机的趋势、盾尾间隙的状态以及管片的类型。 运算步骤为： a 从导向系统上记录主机位置和姿态的所有信息，以及盾尾 间隙的数据； b 列出公式的首部分：趋势、油缸行程差和盾尾间隙； c 计算掘进完成的趋势形成差； d 预测管片类型和安装点位； e 计算安装完成后的油缸行程和盾尾间隙； f 把趋势和油缸行程以及盾尾间隙作为初始条件列入下一个 计算循环。 一般情况下提前计算3～4环是比较准确的，计算完成后把倔 劲和管片安装有用的信息记录下来形成交底以指导施工，这 些信息一般包括掘进前后的油缸行程差、趋势值和管片安装 类型。在实际掘进时要经常根据实际的掘进结果来调整计算。
盾构机应尽量根据设计线路进行掘进，避免 产生不必要的偏差。在实际掘进过程中，盾 构机因为地质不均、推力不均等原因，盾构 机的姿态经常会偏离隧道设计线路，当盾构 机偏离设计线路进行纠偏时，要特别注意管 片型号的选择，避免因盾尾间隙过小而造成 管片破损等事故。
如当地质情况变化剧烈时，主机会突然偏向 一边很大的数值，盾尾间隙将急剧变小，这 是更要在管片安装和掘进方向上综合考虑， 避免出现过激的纠偏以至造成大错台，甚至 破坏管片。 掘进控制和管片选型在盾构施工中唇齿相依、 相互适应，不能分开对待。
管片的标准环和转弯环
标准环与转弯环的不同之处在于从拼装好的一整环 管片的顶部看，标准环在平面上的投影为一矩形， 而转弯环在平面上的投影为对称的梯形，梯形长边 比短边长38mm。在管片拼装时，如果正在安装的 一环为转弯环，且转弯环中的楔型块的位置处于隧 道的正上方，这时隧道腰部两侧将会产生衬砌长度 的不同，这种长度的不同称为超前，它的数值称为 超前量。如上介绍的管片，每拼装一环将会在隧道 腰部两侧产生38mm的超前量。
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1
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min. l min. l
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2
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A3L Ⅱ A3L Ⅰ CL
+X +Z
A2L + Z
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Ⅱ BL A1L Ⅰ
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管片对隧道的拟合
一定的标准环和一定的转弯环按照一定量和 适应的顺序排列，能够拟合出不同的半径的 曲线隧道，这种管片的排列计算叫做管片对 隧道的拟合计算。下面分别介绍在直线、缓 和曲线、圆曲线段管片对隧道的拟合计算。

现有一组油缸行程的数据如下： B组（右）：1980mm C组（下）：1964mm D组（左）：1934mm A组（上）：1943mm 左右行程差为：D－B=1934－1980=－46mm 上下行程差为：A－C=1943－1964=－21mm 由上可以看出，盾构机的轴线相对于管片 平面 向左上方倾斜。在对这环管片进行选型的时候， 就应选择一环左转弯环且还要有向上的偏移量。
衬砌管片
管片按其材料可分为钢筋混凝土管片和金属 管片，其中钢筋混凝土管片应用的更广泛。 管片按其形状可分为标准环和转弯环两种。 标准环和转弯环可以按照不同的组合形式拟 合出不同半径的曲线隧道。
隧道设计轴线（DTA）
在理想的情况下，主机是严格按照DTA向前 掘进的，主机的前后产考点应该都位于DTA 上。如果DTA为一段直线，每掘进一环推进 油缸向前推进相同的距离，如果DTA为曲线， 掘进时位于曲线外侧的油缸就会比内侧油缸 距离长一些，在曲线内外两侧的推进油缸上 产生行程差，否则管片的走向就会和主机的 走向偏离。
二、盾构机管片选型依据
根据油缸行程差进行管片选型
盾构机是依靠推进油缸顶推在管片上所产生的反力 向前掘进的，我们把推进油缸按上、下、左、右四 个方向分成四组。而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平面之间的空间关 系，可以看出下一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。
但实际拼装过程中不存在12点与6点拼装点位，而 且一般情况下，本着有利于隧道防水的要求，都只 使用上部6个点位。
管片选型要适应盾构机姿态
所谓“盾构姿态”是指盾构机的空间方位和 走向、管片是在盾尾内拼装，所以不可避免 地受到盾构机姿态的限制。 实际施工中盾构姿态失控的主要有两种表现： 一是使盾构主机偏离DTA， 二是使盾尾间隙局部变小。
盾尾间隙是管片选型的一个重要依据。盾尾间 隙为75mm，每次安装管片之前，对管片的上、 下、左、右四个位置进行测量。如发现有一方 向上的盾尾间隙接近50mm时，就要用转弯环 对盾尾间隙进行调节（在盾构掘进过程中，应 及时跟踪盾尾间隙，发现盾尾间隙有变小趋势， 最好能通过千斤顶推力来调整间隙）。调整的 基本原则是，哪边的盾尾间隙过小，就选择拼 装反方向的转弯环。
隧道直线段管片对隧道的拟合计算
直线段理论上只需要标准环，但在掘进和管 片安装时，油缸推力的不均匀、主机的蛇行、 已安装管片的沉降等因素会造成盾尾间隙和 油缸行程的不均衡，当这种因素累加到一定 程度时就必须安装转弯环进行管片纠偏。
缓和曲线段管片对隧道的拟合计算
在缓和曲线段，转弯环的数量需要满足隧道转弯造 成的隧道总的超前量的需要。例如：缓和曲线的长 度为65m；圆曲线半径为400m；管片宽度为1.5m； 每环超前量为38mm。 经过计算已经知道整个缓和曲线段隧道内外两侧的 超前量总和为463mm。整个缓和曲线段需要的管片 中数量为65m/1.5m=44环，其中需要的转弯环数量 为463mm/38mm=15环，需要的标准环数量为4415=29环