大 型通用楔形管片拼装施工技术

大型通用楔形管片拼装施工技术

盾构网(2008-11-25) 新闻来源：上海隧道工程股份有限公司

摘要：通用楔形管片作为一种较先进的隧道衬砌形式，在盾构法施工中能够较好地控制隧道掘进轴线和管片成环质量。文章以上海市上中路隧道工程大型通用楔形管片的应用为例，介绍了通用楔形管片的设计理念和特点、全圆周错缝拼装的施工方法以及施工中控制管片质量的方法。

关键词：隧道；通用楔形管片；错缝拼装；施工技术

1 工程概述

上海市上中路隧道工程位于徐汇区和浦东新区内。该工程西起上中路～龙川路交叉口东侧，与中环线南段上中路衔接；东至浦东规划华夏西路～公园大道交叉口西侧，与中环线南段华夏西路衔接，是连接浦东、浦西的交通枢纽工程和重要的地下生命线工程。

本越江通道工程共设南线和北线2条隧道，为双管双层双向8车道隧道工程，工程以南线上层、北线下层车道作为主线控制中心线。其中盾构法圆隧道南线起始里程为SK1+850.0m，终止里程为SK0+580.0m，全长1270m。北线起始里程为NK0+582.853m，终止里程为NK1+856.908m，全长1274.055m。隧道工程采用一台Ф14870mm 泥水平衡式盾构机掘进施工。隧道最大坡度为4.50%，曲线转弯达12段，最小平曲线半径为R1000m。

在本次盾构施工中，我们采用通用楔形管片的形式作为隧道衬砌，在满足隧道曲线的基础上，保证了隧道环面的质量。

2 通用楔形管片的特点

2.1 普通隧道衬砌管片

目前在盾构施工中，隧道衬砌直线段一般采用等宽的普通圆环，在平面曲线和竖曲线段则采用不同的楔形圆环对隧道轴线进行拟合。整条隧道就需要设计和加工左转、直线、右转以及特殊形式的圆环，同时，由于管片楔形量是固定的，从而不利于在盾构施工中对隧道轴线的精准控制。而管片拼装一般采用通缝拼装和错缝拼装两种形式。错缝拼装要求在拼装时旋转一定的角度避免通缝，有利于衬砌本身传递圆环内力，且错缝拼装的隧道比通缝拼装的隧道整体性强，圆环可以近似按匀质刚度考虑。但在通常的隧道衬砌施工中，错缝拼装的形式比较单一，且管片的旋转角度相对固定(一般只能旋转3个角度，左右20度角范围内)。

2.2 通用楔形管片

本工程隧道管片外径14500mm，内径13300mm，环宽2000mm，管片厚度600mm。每环由10块管片构成。其中标准块7块(S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7)，邻接块2块(S8，S9)，封顶块1块(S10)。普通衬砌环由钢筋砼管片构成，砼强度等级为C55，抗渗等级为1.2MPa，钢筋采用HPB235级、HRB335级钢。管片环与环之间用38根M27的斜螺栓相连接，每环管片块与块间以20根M36的斜螺栓连接。具体管片构造详见图1。

图1 衬砌圆环构造图

2.3 管片楔形量

在图1中，我们可以看到管片的楔形量为40mm，同时根据管片外径14500mm和环宽2000m，可以计算出轴线最小半径为725米，满足隧道轴线最小曲线半径1000m。

在本工程中，盾构机共有19组千斤顶，相对应管片可全圆周旋转19个方位，每次旋转的角度位18.947度。在管片旋转时，纵向的螺栓位置不变。

我们将封顶块S10在上部时管片姿态定义为衬砌圆环R1，S10顺时针旋转18.947度时，将其定义为R2，依次为R3～R19。在管片旋转的同时，其上部、右部、下部、左部的楔形量(对应2000mm的标准环宽)也相应地发生变化。具体楔形量变化见表1。

表1 不同旋转角度管片楔形量表

在推进施工中，根据盾构姿态与管片姿态的相对关系及管片与盾壳的间隙，可以根据不同旋转角度下管片楔形量的变化对隧道推进轴线进行微调，从而确保隧道轴线的进度。

3 管片选型

3.1 选型因素

在管片拼装前应先确定管片旋转的角度，即选择封顶块S10的位置，选型必须考虑以下因素：

盾构机姿态与隧道轴线相对关系

盾构机姿态与管片姿态的相对关系

盾构机各个千斤顶行程

管片外表面与盾壳内表面的四周间隙

管片的上、下、左、右超前量

错缝拼装

封顶块的位置尽量选择在隧道腰部以上

3.2 管片选型

(1) 设计排版

在推进施工前，应对管片进行排版以拟合设计轴线。在直线段，基本排版为R5、R6、R15、R16为主。在曲线段，以R＝1000米的平面左曲线为例，每环管片(见图2)所需的右超前量计算如下：

Δ＝φW/R=14.5×2000/1000=29mm

因此基本排版可采用R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18，满足曲线转弯的需要。

图2平面曲线楔形量计算示意图

(2) 动态轴线拟合

在实际推进中，盾构姿态与管片姿态的关系是相辅相成的。盾构推进姿态决定了管片拼装姿态，同时成环隧道作为盾构推进的导向，而在施工中，成环隧道的轴线不可能与设计轴线相吻合，总存在一定的偏差，因此应根据设计轴线拟合管片拼装的轨迹，从而指导盾构推进。

设计轴线的动态拟合遵循缓和平稳的原则。

以下以竖曲线拟合设计轴线进行说明(平曲线拟合方法相同)。轴线拟合可归类于以下模型,见图3。

图3 曲线拟合示意图

测量上环管片的坡度θ2和与设计轴线的竖直方向的偏差ΔZ，设设计轴线坡度θ1，设拟合曲线的半径为R，转弯角度为α。

α＝|θ1-θ2|

(3) 施工调整

在设计排版和拟合曲线的基础上应根据施工的具体工况对管片线路排版进行动态调整。在施工中我们采用CA TSBY施工软件和PYXIS测量导向系统，对管片选型进行优化。PYXIS测量导向系统通过盾构机各个千斤顶的行程与管片与盾壳的四周间隙数据采集计算，同时结合管片纵缝的情况计算出可供选择的封顶块位置，并可预测出后2环管片的趋势。见图4。

图4 施工软件界面图

但PYXIS测量导向系统没有考虑到盾构机姿态与隧道轴线相对关系和盾构机姿态与管片姿态的相对关系，在实际施工中我们应增加这两个因素对管片进行选型。

4 选型实例

在上中路隧道工程盾构推进至57环时，设计轴线坡度为-4.5%,测量盾构姿态、管片姿态(56环报表)、千斤顶行程和盾尾四周间隙报表见表2。