盾构通用管片排版优化与纠偏控制研究

2015-11-04杜冠群

城市道桥与防洪 2015年1期

关键词：管片夹角轴线

杜冠群

（上海城建市政工程集团有限公司，上海市200065）

盾构通用管片排版优化与纠偏控制研究

杜冠群

（上海城建市政工程集团有限公司，上海市200065）

为了保证盾构法隧道的施工质量，推导了盾构隧道施工中隧道设计轴线、管片成型轴线和盾构机推进轴线三者之间的关系，建立了通用管片排版优化与纠偏控制计算方法，开发了相应的软件，并将其应用于宁波市轨道交通1号、2号线盾构施工中。结果表明该计算方法和软件符合工程要求，为高效安全施工提供了保障。

盾构隧道；通用管片；排版优化；纠偏控制

0　引言

通用管片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，因而近年来对其使用越来越受到重视［1-2］。为了保证盾构法隧道的施工质量，必须对隧道的轴线进行严格的控制，而通用管片的排版设计和纠偏是盾构隧道施工过程中轴线控制的关键，因此有必要开展通用管片环的实时排版设计，以及盾构动态纠偏过程的控制研究。在传统施工中，通常采用手工计算初步实现管片的排版和纠偏，显然工程施工精度与效率难以得到保证。针对传统手工计算的不足，国内学者开展一些相关的尝试工作，其主要研究思路是针对输入的设计线型，结合管片的基本参数，进行管片对线路的拟合。主要创新在于考虑包括管片的楔形量、环宽、最小旋转角、分块等基本参数和包含千斤顶行程、盾尾间隙、盾构首尾差等盾构机姿态的因素，推导了管片排版与盾构纠偏的计算方法［1-4］，同时一些学者开发了相应的软件［5-6］。本文基于管片排版与纠偏理论试图建立通用管片排版优化与纠偏控制计算方法，开发相应的软件，并将其应用于实际盾构隧道施工中。

1　盾构隧道施工中三轴线的关系

通用管片的排版设计和动态纠偏主要依据隧道设计轴线、盾构轴线、成型管片轴线三者之间的发展关系，以确保施工质量和安全，隧道三轴线的相互关系见图1所示。盾构机中心线，a为成型管片中心线与盾构机夹角，β为设计中心线与盾构机夹角，γ为设计中心线与成型隧道中心线的夹角。由图2可见：

图1 隧道三轴线相互关系示意图

图2 隧道三轴线之间的几何关系图示

式中：A1为切口与设计轴线的平面偏差；A2为盾尾与设计轴线的平面偏差；LZ为盾构的首尾长度（不考虑铰接）。

式中：B2-B1为平面内左右油缸的行程差；h为左右千斤顶之间的距离。

2　通用管片排版优化

2.1通用管片排版原则

盾构隧道施工前期，需要按照隧道轴线设计进行管片的预排版，以指导盾构施工及其管片的拼装。对于通用管片，管片的设计排版主要是确定封顶块的位置，以确定管片环的旋转角度，即确定其上下左右的超前量，以拟合设计的轴线。由于封顶块需最后安装，管环底部位置受力较大且不易安装，故避免将其安装在底部。错缝拼装具有管片纵缝的抗张开力较大，自动消除环面累计误差，止水、整体受力性能好和圆环的整体刚度大等优点，在受力允许的状态下，可采用小通缝进行拼装（两管片环之间允许有1～2条通缝），但不允许大通缝（3条及以上的通缝）拼装。因此管片排版设计需遵循以下原则：

（1）不能出现大通缝（3条及3条以上纵缝重合）情况。

（2）封顶块不能拼装在底部的范围（157.5°～202.5°，即底部45°以下范围内）。

2.2超前量的计算

图3为管片超前量的计算模型。假设管片的楔形量为S（双面楔形量），当顺时针转过θ角时，取相应的超前量为Sθ（单面楔形量），由几何关系，则有：

由式（4）得：

则管片上下侧的超前量满足式（6）：

同理得管片左右的超前量满足式（7）：

图3　管片超前量的计算模型

2.3次环管片的选型

结合其前环及下一点位的管环的信息，可判断是否为大通缝。当符合要求时，可计算累积总偏差，通过累积总偏差以选择可拼的管环。若两环管片之间的超前量变化过大，进行下一环管片拼装时会造成千斤顶行程差相差较大，推力不均匀，进而增加施工难度。因此，可限定两管环之间的累积超前量值［7］。

3　通用管片纠偏控制

3.1偏差成因分析

盾构推进过程中，管片成型的轴线往往会出现偏离设计轴线的情况，应根据不同的偏差原因，采取相应纠偏措施进行轴线的修正。轴线偏差的可能成因：（1）盾构机操作有误；（2）管片超前量控制不当；（3）人工测量偏差或测量系统故障；（4）成型管片移位；（5）设计轴线的需求。

3.2纠偏优化

为了选取最优的纠偏曲线，采用穷举法和最小二乘法相结合的方法，即在后续纠偏曲线的设计时，将可能出现的拟合姿态的管环一一列出，再采用最小二乘法进行选优，得到最佳姿态的拟合管环。

以盾尾间隙、盾构首尾差、油缸行程差等因素为目标函数，选取最优的纠偏曲线。最优的纠偏曲线的目标函数为：

第n+1环拼装完成后的左边与右边的盾尾间隙差为：

第n+1环拼装完成后的上部和下部的盾尾间隙差为：

3.3纠偏控制及实现

按照偏差量的大小可分为小纠偏（＜5cm）、大纠偏（5cm～10cm）和纠偏线（＞10cm）。

对于小纠偏，可将盾构推进管片拼装及管片成型轴线的偏差视为正常状态。通过控制盾构机姿态（由出土量、注浆量、注浆压力、推进速度和土压力等因素确定）、盾尾间隙（由管片宽度、隧道设计轴线、注浆工艺等因素确定），千斤顶行程（由盾构机首尾间距离、变化趋势量，千斤顶之间的中心距离，盾尾间隙改变量和管片的环宽等因素确定）和管片超前量实现纠偏。

对于大纠偏，可将盾构推进管片拼装及管片成型轴线的偏差视为为注意状态。可采取小纠偏控制措施，亦可重新设计纠偏曲线进行管片轴线的纠正。若采用后者，按照纠偏曲线类型的不同，可分为外侧曲线纠偏、内侧曲线纠偏、直线段纠偏，见图4所示。

（1）当管片成型曲线与设计轴线的夹角较大且有远离趋势时，不应将盾构姿态立即向设计轴线进行调整，应逐渐减少管片成型轴线与设计轴线之间的夹角，待夹角平稳后再进行反向调整，此方法为外侧曲线纠偏，始终遵循纠偏缓和平稳的原则。

（2）当管片成型曲线以较大的夹角趋向设计轴线时，此时应采用内侧曲线的方法进行纠偏，盾构机以远离设计轴线的趋势掘进，以缓和管片轴线与设计轴线之间的夹角。

（3）当管片成型曲线与设计轴线的夹角在适宜的范围，保证在规定的纠偏距离内完成调整，可考虑采用直线段的纠偏方案。

以内侧曲线为例，如图4所示，假设δ为设计轴线与成型管片轴线的偏差（5cm＜δ＜10cm），为纠偏的范围，δ远远小于L′2，可近似L2为L′2，由几何关系则纠偏曲线的半径为［1］：

图4　设计轴线与纠偏曲线之间的关系示意图

根据纠偏缓和平稳的原则，每环的纠偏量控制在2～5mm，则对于5～10cm的偏差，其所需的纠偏环数最少为10～20环。每环管片所需的超前量可按照下式计算：

式中：W为管片的环宽；r为隧道半径。

对于纠偏线，属于大偏差，在调整优化盾构掘进因素的基础上，需重新设计拟合设计轴线的纠偏曲线，可参考大纠偏后者纠偏控制措施。纠偏曲线所需的纠偏环数可为：（1）外侧曲线段：25环以上；（2）直线段：20环以上；（3）内侧曲线段：15环以上。

在进行纠偏曲线施工时，可开启铰接装置，主动改变盾体的掘进方向，使盾构机更容易沿设计中心线掘进。不同曲率半径的曲线段对应不同的铰接角度，可由式（13）计算，计算简图如图5所示。

式中：RD为的曲线段半径；LD为盾构机前体（含刀盘）的距离。

当L固定及θD确定后，可求出盾构左右铰接油缸的行程差：

式中：a、b分别为左右铰接油缸的伸长量；h为左右铰接油缸的距离。

图5　铰接角度计算简图

4　工程应用

4.1工程概况

宁波市轨道交通1号、2号线全长72.1 km，盾构施工穿越的地层主要有①3层、②2-1层、②2-2层、③1层、③2层、④1-2层和④2层。施工场地地下水由浅部土层中的潜水、砂性土中的微承压水及深部粉（砂）性土层中的承压水组成。潜水和承压水水位分别在0.5～1.0m和5.0～7.0m之间。通用管片内径为5 500mm，外径为6 200mm，厚度为350mm，环宽为1 200mm，最小设计可拟合的曲线半径为200m。管片结构示意图见图6所示。

图6　通用管片结构示意图

4.2应用结果分析

根据上述所建立的通用管片排版优化与纠偏控制方法理论，表1列出了宁波轨道交通盾构隧道管片排版的参考表。为了便于施工管理，根据表1制定了如表2所列的管片排版单。表中“√”为优先考虑拼装的点位，空白的部分为次选方案，划“—”的部分为严禁拼装的管环点位。

在该工程中，确定采用16个点位的通用管片，并采用通用双面楔型环错缝拼装。每环楔形角20′37.59"，每次旋转的角度为22.5°，θi=22.5i，i=1、2、3……，最大环宽和最小环宽分别为1 218.6mm和1 181.4mm，K1管片环的上下楔形量为37.2mm，可计算出其他点位的环宽及上下、左右的超前量，详细见表3所列。同时，开发了适合宁波市轨道交通盾构隧道施工的软件，图7为管片设计排版误差分析图，由图7可见，该预排版方案的最大偏差为7mm，满足设定的允许偏差距离。因此，运用该软件设定的管片预排版方法符合工程要求。