隧道小曲線半徑盾構管片選型施工技術研究

周偉光

摘要：隨著城市的高速發展、城市隧道的多樣化和復雜化，隧道的線型選擇越來越困難，為了城市規劃的需要和規避地面構建筑物等多方面原因，隧道不得不選擇小曲線半徑進行施工。尤其是近幾年來城市綜合管廊的施工對線型要求降低，隧道出現了轉彎半徑小于300m的超小曲線半徑盾構掘進施工，同時也導致了盾構推進和盾構管片選型難度的增加。文中結合多方盾構管片選型經驗，對盾構管片選型技術進行優化和完善，闡述小曲線半徑盾構管片選型施工工藝，供類似工程參考。

關鍵詞：小曲線半徑；管片選型；管片安裝

1概述

盾構管片作為盾構開挖后的一次襯砌，是成型隧道的永久結構，它需要抵擋來自隧道周邊的土壓力和水壓力，拼裝完成后的管片既要保證隧道不發生變形，還要起到止水、擋土的功能，防止隧道變形、土體坍塌和滲漏水。盾構管片拼裝的質量直接影響到盾構機掘進施工以及成型隧道的外觀質量和使用質量，如何提高盾構管片的拼裝質量，尤其是小曲線半徑盾構管片的選型技術，成為盾構施工者的一大課題，通過多年來從事一線盾構施工的盾構操作、管片選型、管理經驗的研究和總結，并結合今年廣州市綜合管廊項目盾構掘進230m小曲線半徑管片拼裝技術進一步施工實踐，對盾構管片拼裝選型進行了優化和完善，供類似工程參考。

2管片選型的基本原則

2.1盾構管片拼裝后要滿足盾尾間隙的最低要求；

2.2多環拼裝后的管片要能夠擬合隧道曲線；

2.3單環拼裝后的盾構管片趨向與隧道軸線趨于一致；

3工藝原理

3.1管片選型的定義

通過對隧道軸線、盾構機姿態、油缸行程、盾尾間隙等數據的計算分析對管片型號和拼裝點位進行選擇，由盾構管片拼裝機安裝后的管片組合后能夠達到擬合隧道軸線的目的。

3.2 管片分類

3.2.1按管片延伸長度一般分為1.2m、1.5m管片；

3.2.2按管片拼裝點位數量不同分為10點位管片、16點位管片；

3.2.3按整體形式分轉彎環、通用環，轉彎環包括左轉環、右轉環、標準環；

4管片選型流程

盾構管片選型流程：

4.1管片出廠、進場、下井和拼裝前要對管片進行驗收，包括出廠合格證、管片標識、止水條和防撞襯墊粘貼情況、管片的表觀質量、吊裝孔是否有雜物等相關方面進行驗收記錄，保證拼裝使用的管片符合規范要求；

4.2管片拼裝進行前必須把盾尾的積水、雜物清理干凈，以保證第一塊管片精準定位后續推進過程管片的保護；同時對即將拼裝的管片進行清洗，防止有雜物夾在兩管片之間造成管片拼裝不到位；

4.3盾構機推進完成后要對盾尾間隙進行量測，如果盾尾間隙過小，會導致管片受盾尾加強環擠壓而造成錯臺、破損，所以管片選型優先考慮的對象就是盾尾間隙，當盾尾間隙很小的情況下，管片選型必須圍繞如何調整盾尾間隙為主要原則；

4.4嚴格控制管片拼裝流程，封頂塊拼裝前應對兩個連接塊管片預留位置尺寸進行量測，預留位置尺寸應略大于封頂塊實際尺寸1-2cm，以保證封頂塊順利插入；

4.5管片螺栓的復緊工作十分重要，管片拼裝完成后進行第一次復緊，下一環推進過程進行第二次復緊，管片脫出盾尾進行第三次復緊，管片復緊不到位直接導致管片在推進和脫出盾尾時缺少約束而發生自由移動造成錯臺；

4.6加強對盾構同步注漿管理，同步注漿必須與盾構機推進同步進行，采取壓力與注漿量雙控原則，保證注漿壓力均衡，避免因局部注漿壓力過大導致管片錯臺、破損；

4.7管片選型必須與盾構機掘進有效的結合起來，兩者相輔相成、密不可分；盾構管片為盾構機的推進提供直接反力，與盾構機掘進施工密不可分，良好的管片姿態能夠為盾構推進過程提供好的掘進環境，同時良好的盾構機掘進姿態也能夠為后續管片拼裝過程提供好的拼裝環境。

5管片選型計算過程

以正常情況下海瑞克盾構機20組油缸10個拼裝點位布置、小曲線半徑為230m、外徑6m內徑5.4m隧道、管片為1.2m通用環管片、楔形量為41mm為例進行介紹：

5.1小曲線半徑單環楔形量計算

通過以上公式計算結果得出每環管片水平方向需要補償31.3mm的楔形量。因為通用環管片為鋼筋混凝土預制結構，根據設計圖紙相同型號管片是由同一模具制作出來，相同型號的每環管片楔形量是一致的，我國基本采用管片錯縫拼裝技術，每環管片拼裝于不同的點位會產生水平和垂直方向上不同的楔形量（轉彎環中標準環除外），所以需要進行多環管片組合以達到總體楔形量滿足設計曲線要求。綜上所述，當我們拼裝完成一段后可以取一定量的管片數量，通過計算設計曲線所需楔形量與實際拼裝管片產生的楔形量和進行對比驗證所拼管片是否合適；或者在準備掘進階段，在準備施工的一段進行選取并計算設計曲線楔形量，進行模擬組合管片安裝的點位。

5.2 管片相對于盾構機趨向計算

5.2.1對于盾構機油缸行程傳感器位于正上下、正左右布置

5.3盾構機相對于隧道設計軸線趨向計算

通過以上公式可以計算出盾構機中心線與隧道中心線的水平和垂直夾角。

5.4管片楔形量計算

盾構管片拼裝采用鐘表的12個點位形式進行布置，12點位和6點位為虛擬點位，是為了方便使用，但實際并不存在的。鐘表12點順時針旋轉18度為管片1點位，以后依次旋轉36度為下一點位，等分成10份，所以θ取值為自12點順時針旋轉的角度。通過上述計算可以得出不同形式的管片拼裝不同點位所產生的楔形量，實際中取上正下負、右正左負原則。

5.5曲線半徑上管片控制值計算

在曲線半徑盾構掘進施工過程中，良好的盾構掘進狀態和管片拼裝的狀態是盾構機的前后點（盾構機刀盤切口環位置和激光靶位置）都位于圓曲線中心線上，拼裝完成的管片中心線應該與隧道軸線相切，如上圖所示。

推進完成管片未安裝時c1=（P01+L/2）/R*1000=（1.8+1.2/2）/230*1000= 10.43

管片安裝完成后c2=（P02+L/2）/R*1000=（0.6+1.2/2）/230*1000= 5.22

管片中心線與隧道中心線的水平夾角c=a2-a1

因a2、a1均代表角度，數值都應為正值

所以在右轉曲線情況下

（P右-P左）/D為負值，a2=-（P右-P左）/D

（A1-A2）/C為正值，a1=（A1-A2）/C

c=a2-a1=-（P右-P左）/D-（A1-A2）/C=-[（P右-P左）/D+（A1-A2）/C]

在左轉曲線情況下

（P右-P左）/D為正值，a2=（P右-P左）/D

（A1-A2）/C為負值，a1=-（A1-A2）/C

c=a2-a1=（P右-P左）/D-[-（A1-A2）/C]=（P右-P左）/D+（A1-A2）/C

c1——推進完成管片未安裝時管片中心線與隧道軸線夾角理論值，c2——管片安裝完成后管片中心線與隧道軸線夾角理論值，c ——推進完成管片未安裝時管片中心線與隧道軸線夾角計算值，P01——油缸推進長度，P02——管片安裝完成后油缸長度

通過以上公式計算出推進完成管片未安裝時、管片安裝完成后管片中心線與隧道中心線的水平夾角理論值c1和c2，同時計算出推進完成管片未安裝時管片中心線與隧道中心線的水平夾角實際值c。當曲線半徑為左轉曲線時，管片中心線位于隧道中心線右側，所以c、c1和c2的取值為正值；當曲線半徑為右轉曲線時，管片中心線位于隧道中心線左側，所以c、c1和c2的取值為負值。

準備拼裝的管片選型原則是讓選擇管片的水平楔形量c+β1接近于c2，

當∣c∣>∣c1∣，上一環管片選型楔形量補充不足，要適當加大本環的管片水平楔形量∣t1∣或加大本環的管片水平轉角∣β1∣；

當∣c∣≤∣c1∣，上一環管片選型楔形量補充過快，要適當減小本環的管片水平楔形量∣t1∣或減小本環的管片水平轉角∣β1∣；

分析得出：在230m右轉小曲線半徑上。當計算值∣c∣>10.43時，優先選擇拼裝3點位；當計算值∣c∣接近10.43時，優先選擇拼裝2、4點位；當∣c∣<10.43，優先選擇拼裝1、5點位（230m小曲線半徑楔形量總體要求，不建議選擇左轉點位）；左轉原理相同。

通過以上的計算和理論分析，得到適合本環現有狀態的管片型號和拼裝的點位，管片拼裝施工過程有很多特殊情形，這里未做分析考慮，本選型系統理論仍處于改進、完善過程，使用過程僅做參考。

6應用情況

我單位承建的廣州軌道交通十一號線綜合管廊項目共6井7區間，區間采用采用盾構法施工，因綜合管廊對隧道線型要求較低，本項目又是在老城區改造工程，地面建構筑物繁多，前期拆遷借地工作十分困難，同時與十一號線并行前進，存在交叉干擾，所以區間范圍內設置了多段小曲線半徑轉彎。17-18區間線路盾構機由17號工作井始發沿廣園中路向西直至18號工作井，其中CK16+383.593-CK16+474.119為R=230m小曲線半徑。當施工進入小曲線半徑掘進后，在管片選型過程中采用以往的施工經驗和盾構管片選型方式進行選擇，部分管片出現1-2cm錯臺和局部破損；項目召開多次會議對管片拼裝錯臺進行統計分析，查找問題根源，根據先前選型公式進行分析整理，制定了上述管片選型依據并進行計算選型實踐，管片的錯臺量控制在了1cm以內、管片破損也得到了有效的控制，管片錯臺、破損均得到了大的改善。之后重復使用本依據進行管片選型，并對每10環進行對比分析驗證，在保證隧道軸線與區間線路設計軸線趨勢相近的前提下，后續施工管片安裝的錯臺、破損完全滿足規范要求。本依據尚在驗證實驗階段，后續區間線路仍存在多處小于300m的小曲線半徑，我們將在后的施工中持續總結、改進和完善。

參考文獻

[1]GB50299-2018地下鐵道工程施工質量驗收標準.北京：中國建筑工業出版社，2018.

[2]GB50446-2017 盾構法隧道施工及驗收規范.北京：中國建筑工業出版社，2017.

（作者單位：中鐵一局城軌公司）