宁波轨道交通通用管片排版与纠偏技术研究

2014-01-08朱继文杜冠群

城市道桥与防洪 2014年3期

朱继文，林平，成琨，杜冠群

（1.上海城建市政工程（集团）有限公司,上海市200092；2.宁波市轨道交通工程建设指挥部，浙江宁波 315000）

1 工程概述

根据城市发展规划，宁波市将首先建设轨道交通1号线和2号线一期工程，初步形成“十字型”轨道交通基本骨架，线路全长72.1 km。其中，1号线为东西走向的骨干线，沿中山路城市生活轴线布置，全长44.6 km，共分两期建设。

区间隧道都处于②2-1淤泥及②2-2淤泥质黏土层，土体具有高灵敏度、高流变性的特点，地质情况较为复杂。各土层的主要参数如表1所列。同时，1号线工程中有很多区间为小半径曲线隧道，对通用管片的拼装水平要求较高。因此，为保证隧道通用管片的拼装质量，对宁波软土地区的通用管片排版与纠偏技术进行了研究。

表1 主要地质土层特征表

2 通用管片的特点

2.1 拼装形式

管片拼装方式主要有两种，即通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装要求管片的纵缝要环环对齐，具有拼装较为方便、易定位、衬砌环施工应力小的优点，但同时又有环面不平整的误差容易累积、衬砌结构整体性刚度较差等缺点。而错缝拼装要求在拼装时旋转一定角度来避免通缝，它有利于衬砌本身传递圆环内力。错缝拼装的隧道比通缝拼装的隧道整体性强，而且在接缝防水上，环纵缝相交呈丁字形比十字形的通缝拼装容易处理。可见，错缝拼装具有比通缝拼装更多的优点，因此，目前我国的隧道工程中采用错缝拼装技术的工程日益增多。该工程也规定了隧道区间采用错缝拼装的形式。

2.2 通用管片基本参数

该工程采用的通用管片为统一的形式，其内径为5 500 mm，外径为6 200 mm，厚度为350 mm，环宽为1.2 m。该管片设计为双面楔形环，最大楔形量为37.2 mm，每环楔形角20'37.59"。每环由6块管片构成，包括封顶块1块（F）、邻接块2块（L1、L2）、标准块 3块（B1、B2、B3）。该管片共有 16个拼装点位，管片环缝采用凹凸榫槽结构。具体管片构造图见图1所示。

图1 通用管片构造图

2.3 管片超前量

宁波轨道交通工程中采用16个点位的通用管片，每次旋转的角度为22.5°。其中，封顶块F块为环宽最小处，即1 181.4 mm，对应最大环宽为1 218.6 mm。设封顶块F块在上部正中时的管片姿态为圆环K1，当K1顺时针旋转22.5°时，将此时封顶块所处的位置状态定义为K2。依次类推，可得到K3～K16的拼装位置。

在管片旋转的同时，其上部、下部、左部、右部的超前量也相应地发生了变化，超前量的计算公式如下：

如图2所示，式中S（双面楔形量）为管片的楔形量，当顺时针转过θ角时，取相应的超前量为Sθ（单面楔形量）。经计算，各点位的超前量值如表2所列。

图2 管片超前量的示意图

表2 通用管片超前量对照表（单位：mm）

3 设计排版

3.1 排版原则

在管片拼装作业前，需要根据设计轴线的要求确定通用管片封顶块的位置，而在管片选择中必须要遵循以下两大原则：

（1）该工程采用错缝拼装的形式，但考虑到错峰拼装的内力大，且限制了管片的可拼装自由度，特别是不利于曲线段的线型拟合。因此，允许采用部分通缝进行管片拼装，具体规定如下：严禁采用全通缝拼装，即6条通缝；管片环之间允许采用小通缝，即1～2条通缝；相邻两环可采用大通缝，即3～5条通缝，但严禁三环及以上的管片环出现连续的大通缝。

（2）封顶块一般是在最后安装的，考虑到管环底部位置受力较大，且不易安装，如果封顶块安装在底部位置，将加大拼装的难度，且对于施工安全有一定的隐患，故避免将封顶块安装在底部的范围。该工程严禁拼装K8、K9、K10的点位。

3.2 管片选型

按照线型的分类，主要有直线段、圆曲线和缓和曲线。对于该工程的通用管片，直线段主要采用【K5、K13】的管片组合（上 /下超前量为 0、左 /右超前量为0）。

下面主要结合该工程的小半径曲线盾构施工，介绍通用管片的选型方法。

不同半径的圆曲线超前量计算可简化为图3所示。在图3中，取圆曲线的半径为R，管片的环宽为W，管片环所对应的圆心角为α，隧道半径为r，定义平均每环超前量为Δ。可得：

图3 每环超前量计算简图

因此，对于宁波轨道交通工程中半径为300 m的隧道轴线，其每环管片所需的平均超前量为Δ=该工程所使用的管片超前量37.20 mm、34.36 mm、26.30 mm、14.24 mm，以及0超前量。因此，以右转弯为例，可采用K5、K7、K2、K3的管片基本组合，其超前量为104 mm（24.8 mm×4=99.2 mm≈104 mm）。

4 动态纠偏

在实际施工中，管片拼装的轴线与隧道设计轴线总存在一定的偏差，因此，应根据不同的偏差量采取针对性的措施进行控制。根据《盾构隧道施工与验收规范》对管片拼装完成后的允许偏差规定为± 50 mm。据此，该工程将管片拼装的偏差分为<50 mm、50～100 mm、>100 mm。经过相关学者对管片排版影响因素的分析，并统计现场管片施工的经验，盾构姿态、盾尾间隙、千斤顶行程是影响管片纠偏的三大重要影响因素。在不同的纠偏过程中，须实时控制此三大因素。

4.1 参数控制

当偏差量不大时，主要通过关键参数的控制，以对管片成型轴线进行微调。

（1）充分利用富余的盾尾间隙。在保证最小盾尾间隙的前提下，可利用盾尾间隙的可改变量控制盾构机掘进的状态。

（2）控制千斤顶行程差。千斤顶行程与盾尾间隙、盾构推进姿态紧密联系，在纠偏过程中，应保证盾尾间隙的最小限制，且控制好盾构机的推进姿态，因此必须实时监控千斤顶行程差的发展趋势，以保证盾构机轴线、管片轴线与设计轴线之间的空间关系。

（3）合理调整盾构机推进姿态。盾构机的姿态影响着管片成型的姿态，加大盾构机的首尾差，调整盾构机盾首的方位，可改善盾构机的掘进状态，进而保证管片拼装对设计轴线的拟合。

（4）增加管片超前量的使用。通用楔形管片不同点位的楔形量有所不同，当偏差较大时，可利用大超前量的管片点位，改变管片的成型姿态，逐步拟合设计轴线。

4.2 曲线设计

当偏差较大时，除了实时控制关键参数，还应考虑重新设计纠偏曲线。综合施工过程中各种轴线的拟合情况，可将模型简化为如下两种情况（见图4）。对于成型轴线与DTA成小夹角的情况，图4（a）中，L'为纠偏的范围，由于δ偏差较小，相对于L'小得多，近似有L'≈L，由几何关系可得纠偏曲线的半径为：

图4 纠偏曲线示意图

以偏差为50 mm为例，设定每环纠偏量在5mm，则最少需要的纠偏环数为10环，进而可得纠偏范围为L'约为12 m，根据公式（2），可得纠偏半径为R=1 440 m，再由公式（1）可得平均每环超前量约为5.17 mm。按照此超前量的要求，可以进行管片组合的选择。

对于成型轴线与DTA成大夹角的情况，如图4（b）所示，按照纠偏曲线缓和平稳的原则，设计两段纠偏曲线进行纠偏，第一段纠偏曲线主要是减少大夹角，使成型轴线与DTA保持较好的趋势，调整为小夹角，即进入第二段纠偏曲线。其中，第二段纠偏曲线可以参考小夹角的情况进行纠偏曲线设计，而第一段纠偏曲线的半径需要由技术人员进行设定选取。

按照理论计算，并结合现场施工经验，对于大于100 mm的大偏差量进行纠偏时，所需的最少纠偏环数如下：（1）管片轴线与DTA成大夹角：30环以上；（2）管片轴线与DTA成小夹角：20环以上。

5 管片选型实例

宁波轨道交通工程东环南路站-出入段区间，左线长度为664.416 m，隧道顶部埋深4.5 m～11.6 m，线路最小纵坡2‰，最大纵坡-35‰，隧道轴线的最小半径为R=300 m。在管片的前期作业中，施工单位按照平均每环超前量约为25 mm的要求进行管片选型，以拟合小半径曲线。但拼装至12环时，管片平偏为112 mm，超过了50 mm的允许要求。根据上述的纠偏措施，重新设计纠偏曲线。通过盾构的测量系统已知管片与DTA成小夹角，故最少纠偏环数为20环，其纠偏曲线的半径为：