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。
说明：盾构和管片的平面及高程均为相对设计轴线，坡度计算时需转换为角度；千斤顶行程和盾尾四周间隙的上、右、下、左为面向盾构推进方向所看到的方位。
经计算可得，57环高程楔形量Δ=9.97mm，根据表1管片楔形量表，选择R6、R7均可。
同时考虑到左部千斤顶行程比右部长24mm和左部盾尾间隙比左部大，因此是这两种管片选型均是合理的。
5 管片拼装施工技术和质量控制5.1 管片拼装技术(1) 在拼装过程中要清除盾尾处拼装部位的垃圾和杂物，同时必须注意管片定位的正确，尤其是第一块管片的定位会影响整环管片成环后的质量及与盾构的相对位置良好度。
(2) 每环管片拼装要精心，尽量做到管片接缝密贴，环面平整。
必要时应在环面密贴1～5mm石棉板以调整环面的平整度。
(3) 拼装时，要确保“T”字接头平整。
(4) 环面超前量控制：施工中经常测量管片圆环环面与隧道设计轴线的垂直度，当管片超前量超过控制量时，及时调整管片旋转角度，从而保证管片环面与隧道设计轴线的垂直度。
(5) 每一块管片拼装结束后，伸出千斤顶并控制到所需的顶力，再进行下一块管片的拼装，这样逐块进行完成一环的拼装。
对于不平整环面的管片，在拼装下一环管片用千斤顶压实时，应先顶“凸”位置的千斤顶。
(6) 在拼装时应注意调整管片的椭圆度，尽量使管片呈竖椭圆状态。
(7) 拼装后及时调整千斤顶的顶力，防止盾构姿态发生突变。
5.2 同步注浆对成环管片的质量影响由于盾构的外径大于管片的直径，随着盾构的推进，在管片与土体之间将产生建筑空隙。
为了能及时填充这些空隙，尽可能的减少盾构施工时对地面的影响，采用较为有效的同步注浆法，即盾构一边向前推进，一边对盾构后产生的建筑空隙进行及时注浆填充。
相对以往大型泥水平衡盾构采用的双液浆，在上中路隧道工程中，同步注浆的浆液采用单液浆的形式。
本次单液浆有以下特点：注浆材料填充性好填充后在早期只能取得与土体相当的强度硬化后，体积的缩小量小、止水性好具备不受或少受地下水稀释的特性流动性好，离析少可泵性好，在长距离输送过程中泌水量小本工程的管片直径达14500mm，管片之间的连接相对管片的刚度而言表现为柔性。
因此，在进行同步注浆时须控制好注浆压力和注浆量，使之既能达到有效地填充建筑空隙，又不会对管片的成环质量产生影响。
盾构本体同步注浆系统6个注浆点(0°、60°、120°、180°、240°、300°) 对盾尾后管片外部建筑空同步实施注浆。
注浆压力设定P＝P1＋P2＋P3其中P1为该注浆点泥水压力值(Bar)P2为注浆管损失压力，根据盾构机取2BarP3为注浆压力差，一般取1.5Bar理论注浆量为：V＝π/4·(14.852－14.52) x2=16.14m3实际的注浆量为理论建筑空隙的110%～120%，即17.75～19.36m3。
由于单液浆初期强度低，具有一定的流动性，故上部与下部注浆点的注浆量之比为60：40。
结语相对传统管片形式，通用楔形管片有以下优点：(1) 钢模数量单一，大大简便了管片生产施工，降低了施工成本；(2) 单一的管片形式可适合多种不同曲线半径复合轴线推进；(3) 施工动态调整方便，具有即时性，在盾构推进结束后根据测量的结构对管片进行拼装选型，对盾构推进起着良好的导向；(4) 不同的楔形量调整有利于施工中盾构姿态与管片姿态的微调，从而提高隧道轴线控制质量；(5) 管片成环质量高，踏步小，环面平整，止水效果明显。
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