大直徑盾構管片水平拼裝試驗方法探究

吳朱茂

(中鐵十四局集團房橋有限公司 北京 102400)

1 前言

近年來，國內城市軌道交通和城際鐵路快速發展，大直徑盾構鐵路隧道、公路隧道應用日趨增多。水平拼裝試驗作為盾構管片型式檢驗，能很好地模擬盾構管片拼裝后的真實狀態，借此檢驗產品的尺寸精度和形位偏差。

大直徑管片進行水平拼裝試驗過程中，往往存在試驗緩慢甚至是失敗的情況，并不能真實全面反映產品實際尺寸精度。造成這種結果的原因是多方面的:(1)管片產品尺寸誤差本身存在超標；(2)管片產品尺寸合格，試驗過程失敗致使數據超差；(3)現有規范關于水平拼裝試驗要求的局限性使得檢驗結果變得不確定。鑒于以上各種原因，大直徑管片水平拼裝試驗變得更加復雜，需要對現有試驗工裝、試驗方法、規范指標重新探索研究，消除由于試驗本身帶來的干擾，達到試驗結果指導模具尺寸精度修正的目的。

《盾構隧道管片質量檢測技術標準》(CJJ/T 164-2011)[1]中給出了水平拼裝的含義，即將兩環或三環管片沿鉛直方向疊加拼裝，通過測量管片內徑、外徑及環與環、塊與塊之間的拼接縫隙，從而評價管片的尺寸精度和形位偏差。目前大多數大直徑管片設計成通用楔形環[2]，采用雙面楔形的結構。

2 大直徑管片水平拼裝試驗存在的難點及現狀分析

大直徑管片自重大、體積大，管片側面存在楔形量，對拼裝造成很大難度。管片起吊時由于自身的弧形結構，致使管片整體后仰，在拼裝過程為避免互相碰撞磕損，又要滿足高精度的拼裝要求，這些都將大大增加試驗難度。

2.1 國內現有規范相關要求的幾點分析

(1)《預制混凝土襯砌管片》(GB/T 22082-2017)[3]8.3.3.2規定:“受檢樣品中，超差點不超過檢查點的20%為該項目合格”。從試驗結果指導模具尺寸精度修正的意義看，每一點超差都可能對應一個模具尺寸超差，要仔細分析。因此，建議規范改為“受檢樣品中，超差點不超過檢查點的20%為該項目合格，但所有超差點必須進行模具檢測并維修合格后方可繼續使用該模具”。

(2)《預制混凝土襯砌管片》(GB/T 22082-2017)7.3.3規定成環后的管片的縱、環縫間隙采用全數檢驗，采用塞尺測量，兩環之間的環向縫間隙應測量不少于6點，縱向縫間隙應每條縫測定一個最大值。這些測點要求偏少，容易產生遺漏，要加強檢測，宜改為“每塊管片環縫取3個測點，每條縱縫取3個點，且要取較大點位”。

2.2 現有工裝設備分析

目前，國內管片的水平拼裝設備主要有兩種:(1)圓環形鋼筋混凝土專用平臺[4]。這種平臺對平面度要求非常高，適用于不帶楔形量的管片。(2)采用多個獨立的底座作為拼裝臺，這種形式為當前國內最常用方式。由于每個底座與管片接觸面較大，在調節標高時自身容易互相影響，而無法進行精確調整。有些管片設計有凹凸榫，為避開凸榫，導致中間部位底座分布不均勻，使管片的受力不均勻，造成管片拼裝精度受到影響。

2.3 現有拼裝方法分析

現有的拼裝方法多為先把底座調平，然后拼裝第一塊標準塊，再通過第一塊標準塊兩端的標高調整相鄰底座的標高，以此類推進行拼裝。此方法沒有考慮楔形量的影響，有些管片場雖然考慮到管片長度方向楔形量，卻忽略管片厚度方向楔形量，也給試驗造成誤差。誤差累積到封頂塊時往往造成兩端相差太大，致使試驗失敗。因此如何將底座的位置及標高進行精準定位，是亟需解決的關鍵問題。

3 大直徑管片水平拼裝試驗方法改進及應用

為解決上述不足，在對底座進行改造的同時改進拼裝方法，關鍵點就是在底座與管片接觸面位置形成反楔形量的標高，總體思路為先精確固定底座平面位置，再調節底座標高，達到反楔形量標高，最后拼裝管片。

3.1 底座改造

由于管片側面長度方向和厚度方向都存在楔形量，見圖1，需要將底座標高調整為反楔形量標高，補充管片的楔形量。

圖1 管片側面存在的雙方向楔形量

經過分析對比，將原來整體式托盤底座改成分離式托盤底座，見圖2。即將托盤整塊鋼板分割為兩塊，兩塊托板的間距大于凸榫的尺寸，不但使升降臺與管片的接觸面積減小，內、外弧面的標高可以更加精確地調整，而且可避開凸榫，使底座布置更加合理、管片受力更加均勻，可以提高拼裝精度。

圖2 分離式托盤底座

分離式托盤底座由底板、升降螺桿、托盤和水平調節螺栓、鋼板五部分組成，見圖3。螺桿采用正反扣結構，可通過扳手來調整托盤的標高；水平調節螺栓用以調節管片水平位置。

圖3 底座構造

3.2 在AutoCAD軟件中標出平面坐標和標高

利用AutoCAD根據管片的結構圖按照1∶1的比例畫出水平拼裝后的平面圖和立面圖。在平面圖中將每個底座按照1∶1的比例在圖紙中畫出，將各底座間的圓心角、極坐標標出，并畫出每塊管片的分塊線，見圖4。

圖4 管片拼裝后平面和立面(單位：mm)

在平面圖中，底座和每塊管片的位置都已經精確定位。在立面圖中畫出單側楔形量線，在某個底座接觸面引豎線，與楔形量線相交，利用軟件中的測量命令查出該點的楔形量并標出，見圖5。

圖5 底座接觸面楔形量測量

3.3 現場放線

根據底座坐標，利用高精度全站儀對每個底座進行放線。首先確定水平拼裝試驗的圓心，然后采用全站儀按照圖紙標注的圓心角、極坐標對每個底座精確定位，最后將底座與地面固定，防止在拼裝過程中偏移。

采用高精度水準儀按照圖紙標注的標高進行測量，對每個托盤內、外弧面的標高進行調整，標高誤差控制在0.5 mm以內。按照管片的內徑位置在底座表面標出管片內弧面輪廓線。

3.4 管片拼裝

管片按照標準塊→鄰接塊→封頂塊的順序進行拼裝。管片要進行弧長方向位置和徑向位置精確定位并逐塊拼裝。第二層拼裝時采用旋轉180°的方式進行拼裝[5]，當完成一環時要對環縫、縱縫、內外徑進行檢測。第一層拼裝完成，檢測各項指標合格后，對所有升降螺桿進行復緊，確保每個接觸面都頂緊管片，并對每塊管片進行支撐加固，每塊管片底面增加4個支撐，防止二層管片重壓造成管片移動引起誤差。

3.5 標高檢測

標高檢測是指用高精度水準儀在每一層管片拼裝完成后進行底座標高及管片頂面標高測量，以實測值與理論設計值進行比較，要求標高誤差不超過1 mm。目前在國內各種規范中并沒有這一項要求，本項目首次提出標高檢測，其作用有兩個:(1)通過檢測拼裝完成后的底座及管片頂面標高，進而了解底座的變形、地面沉降情況；(2)通過標高誤差可以判定管片產品寬度尺寸是否超差。規范要求的環縫檢測，當遇到特殊情況時存在不足，見圖6。當兩塊管片寬度成同向變形時，只測環寬無法反映出實際問題，通過標高測量則能彌補這一不足。

標高檢測點布置:管片底座測點布置在托盤內、外側，每個底座布置4個測點；管片頂面測點布置在底座測點對應位置，每個底座對應管片頂面布置4個測點，見圖7。

圖6 兩塊管片同向變形示意

圖7 管片測點布置

3.6 水平拼裝試驗檢測項目

每環管片拼裝完畢后，測量的項目包括標高、內外半徑、環縱縫、錯臺等，見表1。

表1 水平拼裝試驗檢測項目及指標

表2 管片水平拼裝試驗記錄

3.7 改進后的試驗方法在工程中的應用

南京長江第五大橋夾江隧道工程管片共需1 164環，管片外徑15 m，厚度0.65 m，環寬2 m，單塊最大重量約16 t。襯砌環分為10塊，采用通用楔形環，雙面楔形量52 mm，在環縫面設置分布式凹凸隼。改進后的方法于本工程中多次應用，雖然試驗過程較以前繁瑣，但試驗效率卻大大提高，每次拼裝試驗時間由原來的14 d縮短到6 d，試驗精度大幅提高，能夠全面反映實際結果，并在超標測點與模具精度超差找到對應關系。試驗檢測結果見表2，標高測量記錄見表3。

表3 水平拼裝標高數據統計

3.8 水平拼裝試驗的成果運用

在正式投產前進行水平拼裝，能夠校核模具設計及制造的螺栓孔位、凹凸隼、定位棒等尺寸的精確性；通過環縱縫、內外徑尺寸測量，判斷管片尺寸是否合格。當檢測出某塊管片的某點如環縫寬度超差，可以推斷該模具對應位置尺寸存在偏差，這時要對該模具進行進一步的全面測量[6-9]，并對模具進行維修。當標高測量值與理論設計值偏差超標時，同樣要分析超差原因進而對模具進行全面檢測及維修。

3.9 管片虛擬水平拼裝試驗

國外采用管片虛擬水平拼裝技術代替實體拼裝，避免了實體拼裝可能引起的產品磕損[10]、管片吊裝安全隱患等，這種技術目前在國內還沒有應用推廣。虛擬水平拼裝是在對預拼裝管片的激光三維檢測[11]結果基礎上，采用專業的軟件進行虛擬拼裝，見圖 8。由于激光三維檢測技術采用專業的擬合軟件，對激光采集的數據進行分析計算[12]，是否有局部的檢測結果與實體試驗存在偏差，或是可以忽略這一部分的影響，需要做進一步的比較分析。

圖8 管片虛擬水平拼裝效果圖

4 結束語

大直徑管片水平拼裝試驗對模具尺寸精度調整具有實際指導意義，要認真對待。規范中關于水平拼裝試驗的內容需要完善、更新，要考慮試驗的實際意義。對拼裝設備進行改造，減少底座與管片接觸面積；改進拼裝方法，形成反楔形量底座支撐；在每層管片拼裝時增加標高檢測。以上措施大大提高了大直徑管片水平拼裝的效率和精度，可供同類工程參考。