管片分块与盾构推进油缸布置的研究

2013-11-24张学韬白韬光

建筑机械化 2013年11期

李杨，张学韬，白韬光

（1.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2.中船重工(青岛)轨道交通装备有限公司，山东青岛 266109)

随着我国大规模过江隧道及城市地铁建设的发展，盾构法施工逐渐成为隧道施工的主流技术。盾构隧道常采用管片衬砌作为永久支护，管片选型与设计是隧道工程设计的关键环节，直接关系到隧道工程的施工进度、工程安全及工程寿命。关于盾构隧道管片的设计，目前国内尚无统一的设计规范。盾构设备生产在国内尚处于初级阶段，国内生产厂家尚不具备自主研发和生产能力，盾构的整体设计和关键零部件生产均靠国外提供。

管片选型与盾构推进系统的设计密切相关，盾构推进系统的设计主要包括以下内容：①盾构推力确定；②推进油缸的规格参数、外形尺寸及数量计算；③推进油缸的布置方式；④推进油缸的控制等。盾构推进系统油缸的布置由管片的分块角度和封顶块的拼装位置决定，由于施工设计单位的设计习惯和施工经验差异，全国各地隧道衬砌管片的结构形式不一而足。

本文以外径Ø6 000mm，内径Ø5 400mm的地铁管片为例，通过对管片结构形式与推进油缸的布置方案的研究，建立推进油缸布置的典型方案；结合施工工艺和设备结构，得出不同施工机型下，管片选型优化方案，为管片分块和推进系统油缸布置提供理论依据，为管片选型和盾构选型匹配奠定理论基础。

1 管片结构形式

1.1 管片衬砌形式

目前，国内地铁隧道衬砌常用平板式单层预制钢筋混凝土管片，其衬砌形式有以下3种：①标准环与左、右转管片组合衬砌；②左、右转管片衬砌；③通用型管片衬砌。采用何种衬砌形式，一方面取决于隧道本身线路情况，另一方面取决于工程单位的设计、施工习惯。

通用性管片由于受施工经验的影响，国内应用较少。近年来，随着相关技术的发展，通用性管片逐渐得到认可，并成为一种趋势。管片的衬砌形式对盾构推进系统油缸的布置位置影响不大。

1.2 管片宽度选择

管片宽度增加，等长度隧道环缝数量减少，漏水环节减少，可以提高隧道的纵向刚度，降低施工造价，加快施工进度。但管片宽度也应考虑设备结构、油缸行程、线路曲线及施工技术等因素。目前，外径Ø6 000mm，内径Ø5 400mm的地铁管片宽度主要有1 200mm和1 500mm两种规格。

1.3 管片分块方案

盾构隧道管片分块需考虑以下因素：管片的拼装形式、盾构的拼装能力、纵向螺栓的位置分布等。管片的分块方案主要有3种：①封顶块等分方案；②1/2封顶块方案；③1/3封顶块方案。目前国内地铁隧道管片基本采用1/3封顶块方案。

图1是外径Ø6 000mm，内径Ø5 400mm的地铁管片的一种典型结构。该型管片为5+1key块结构，3块标准块（中心角72°）、2块邻接块（中心角64.5°）和1块封顶块（中心角15°）；纵向连接螺栓为10根，间隔角度36°，为保证拼接刚度和防水效果，错缝拼装。该型管片可以应用于3种衬砌形式。深圳地铁2号线就采用此种分块形式的通用型管片，不分左右转，一套模具，生产效率高。

图1 15°封顶块管片分块形式

2 管片拼装位置

2.1 管片拼装点位

对图1所示的管片，管片间纵向螺栓为10个,沿圆周方向均布,相邻的两个环向螺栓孔与管片中心所成角度为36°。为保证管片间的环向连接，管片沿环向有10个安装位置,每个位置称为管片的一个拼装点位，管片拼装点位示意图如图2所示。

图2 管片拼装点位示意图

2.2 错缝拼装

为保证防水效果,管片拼装方式采用错缝拼装。管片的相邻点位之间夹角为36°,而管片标准块两纵缝的夹角为72°,因此要避免管片通缝拼装,相邻两环管片的拼装点位相对差值不能是偶数位。管片错缝拼装可按表1进行。

表1 管片错缝拼装点位对应表

2.3 油缸行程控制

在掘进过程中，随着隧道线路和地质条件的变化，盾构需通过调整推进油缸压力和行程，实时调整盾构的掘进姿态，保持正确的掘进；同时，由于楔形管片衬砌，推进油缸的行程也需要实时调整。因此，在掘进中，每组油缸的压力和行程是实时变化的，各不相同。

3 推进油缸的布置原则

盾构推进时，由于推进油缸直接作用于管片上，因此推进油缸的布置主要考虑管片的结构形式、分布方位、受力点布置、管片组装施工方便性等方面的因素。需满足下列要求：①为使管片在径向受力均衡，推进油缸的轴线设计应分布在管片Ø5 700mm的中心圆上。②管片由1个封顶块、2个邻接块和3个标准块组成，采用环间采用10个螺栓连接，错缝拼装。根据施工需要和拼装要求，封顶块可以出现在圆周方向任意位置。无论管片如何错动，每块管片所受推进力应是均等的，并且整个衬砌环受力均匀，为此，推进油缸在布置时，要求其环向间隔角度与管片错动角相适应。

推进油缸的根数可按下式计算

式中 n—推进油缸根数；

k—油缸修正系数，k取自然数；

α—连接螺栓的间隔角度。

根据式（1），当连接螺栓间隔角度为36°时，在整圆范围内，推进油缸总数为l0的倍数。在实际情况下，根据隧道路线情况及设备的拼装能力，封顶块的位置常位于管片拼装环的上半周，即封顶块的位置一般位于正上方或偏离正上方±18°及±54°的位置，此时，推进油缸的总数会有所变化。③考虑管片在整个衬砌环受力均匀，油缸布置应沿垂直轴线、水平轴线均匀对称布置。④为保证管片的拼装效果，每块管片的推进油缸不能相互干扰。

4 推进油缸布置方案

4.1 推进油缸的通用布置方案

为保证管片衬砌轴线与隧道轴线最大限度的拟合，封顶块的衬砌位置应在全圆周范围内布置。以封顶块起始位置位于圆周正上方偏离18°（不拘顺时针、逆时针），安装位置沿全圆周布置为例，进行推进油缸布置方式研究。

1）图3给出油缸布置的3种方案，根据管片拼装原则可以看出，以下均不能满足封顶块全圆周布置的拼装要求。

图3 推进油缸数量为10、20及30时布置方案

2）采用双油缸结构，有效解决油缸压缝问题。由图4可以看出，采用20组30根油缸（单双油缸分开布置）可以满足管片拼装要求。

图4 20组30根油缸布置方案

当管片分块与图1所示结构相差不大，且管片环向连接螺栓间隔角度为36°时，图4所示的油缸布置方案都是可行的。如封顶块起始位置发生变化时，只需将图4的油缸布置旋转相应角度即可。

4.2 推进油缸的特殊布置

根据地质条件和施工工艺的不同，设备配置差异很大。在盾构和单护盾TBM中，如需配置超前钻机，对前方地质进行超前探测和超前加固时，需考虑超前注浆孔与推进油缸的空间位置是否相互影响；在双护盾TBM中，设置有主支撑和超前钻，推进油缸的布置需避免与主支撑和超前注浆管的相互干涉。在这些情况下，推进油缸的布置位置、数量及结构尺寸受限，难以实现封顶块在全圆周上的拼装。

根据管片拼装方案，当封顶块只要求拼装于圆周正上方偏离±18°2个拼装位置时，可按图5所示进行油缸布置，此时配置12根油缸即可满足管片拼装要求。根据管片拼装方案，当封顶块拼装位置要求在正上方偏离±18°和±54°4个位置时，需配置14组18根油缸，如图6所示。

图5 12根油缸布置方案

图6 14组18根油缸布置方案

以上两种布置方案，在盾构（或TBM）纵轴线方向能避免与主撑靴油缸干涉；在掘进机上部，充分保证超前注浆的空间布置要求。油缸位置可根据设备的具体要求稍作调整。

以上两种布置方案，能满足管片拼装的特殊要求。但由于支撑在管片上的油缸的数量减少，在保证设备掘进推力的情况下，单根油缸的推力增大，油缸对管片局部区域的比压增大，管片易压溃；同时由于作用在每块管片上的油缸的数量不同，为保证拼装效果，对油缸的控制提出更高的要求；对整环管片而言，上下半周油缸的数量不同，不利于盾构设备掘进姿态调整。

4.3 22.5°管片分块

为保证作用在每块管片上的油缸的数量相同；保证盾构设备姿态调整灵活；将油缸的总数控制在一个合理范围内，避免与主支撑和超前注浆管的空间干涉，可采用如图7所示的管片分块方案。

图7 22.5°管片分块及油缸布置方案

管片外径Ø6 000mm，内径Ø5 400mm，环向分为6块，3块A型标准块（中心角67.5°）、2块邻接块（中心角67.5°）和1块封顶块（中心角22.5°）。管片间纵向采用16根螺栓连接，间隔角度为22.5°，圆周均布。管片环与环之间采用错峰拼装。

采用此种管片分块结构，只需配置16根推进油缸。此时推进油缸沿整圆周均匀布置，作用在每块管片上的油缸的数量相同，可以方便实现管片拼装，控制设备姿态；同时为主支撑和超前注浆管留有充足空间。北京地铁4号线盾构区间即采用该型管片。

采用盾构或单护盾TBM进行施工，当不配备超前钻时，推进油缸的布置不受空间限制，管片的分块形式比较自由，可采用图1或图7所示管片方案；当采用盾构或单护盾TBM配备超前钻及采用双护盾TBM进行施工时，由于主支撑和超前注浆管的位置影响，推进油缸的空间布置受限，若采用图1所示的管片结构，难以保证封顶块在全圆周范围内的拼装位置，隧道管片的转弯及纠偏稍显复杂，施工难度增大。此时建议采用图7所示的管片分块方式。