马蹄形盾构负环管片拼装技术

李飞宇， 胡燕伟， 李龙飞

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016)

马蹄形盾构负环管片拼装技术

李飞宇， 胡燕伟， 李龙飞

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016)

盾构负环管片拼装是盾构始发中的一个重要环节，其拼装工法将直接影响工程工期、盾构的顺利始发及后续管环的拼装质量(倾角、滚转角等)。以应用世界首台马蹄形盾构施工的蒙华铁路MHTJ-01标白城隧道为例，介绍盾构始发时负环管片的拼装步骤，研究负环管片拼装过程中管片的定位与固定方式，并针对性地设计马蹄形管片在管片推出时的支护方式与支护工装。最终形成一套科学、安全、高效并具有指导意义的异形盾构管片施工方法。

马蹄形盾构； 负环管片； 管片拼装； 盾构始发

Abstract: The partial segment assembly is very important to shield launching, and the assembly method will affect the project′s schedule, shield launching and the assembling quality of the following rings (i.e. inclination and rolling angle, etc). The assembling steps of the partial segment of Baicheng Tunnel of MHTJ-01 Bid Section on Menghua Railway are presented when shield launching; the positioning and fixing method of the segments during assembling of the partial ring are studied; and the supporting mode of the horseshoe-shaped segment is designed. Finally, a suit of scientific, safe, high-efficient and instructive assembling method of non-circular shield segment is developed.

Keywords: shield with horseshoe-shaped cross-section; partial segment; lining segments assembling; shield launching

0 引言

马蹄形盾构作为异形盾构的一种，具有开挖面小、隧道衬砌周长小等优点。马蹄形管片有别于常规圆形管片，以其为代表的异形盾构的负环管片拼装尚未形成一套完整的施工技术。

目前针对盾构负环管片拼装技术的研究主要集中于圆形盾构，且主要面向于常规地铁隧道6 m级盾构管片。韩亚丽等[1]通过南京地铁玄武门站—许府巷站的施工实践，论述了6.2 m直径圆形管片的拼装技术；于建军[2]以沈阳地铁1号线为例，通过设计比选，提出一套快速的地铁盾构始发负环管片拼装及拆除技术；梅勇兵等[3]结合隧道施工技术及工程机械各领域的发展状况，对管片拼装技术的今后发展趋势进行了探讨。

随着盾构技术的发展，大直径盾构的使用也趋于频繁。针对大直径盾构管片的拼装也形成了一套较完善的工法。其中： 王华伟[4]和张伯阳[5]以南京纬三路过江隧道工程φ14.93 m泥水平衡式盾构为例，分别论述了超大直径盾构的管片拼装技术和超大直径盾构的始发关键技术。

然而，由于异形盾构尤其是马蹄形盾构的工程实例较少，故目前尚未形成一套完善的负环管片拼装方法。本文结合蒙华铁路白城隧道马蹄形盾构施工实例，对管片的拼装方式、拼装流程以及在管片推出时的支护方式和支护工装进行研究，探索一套可适应于马蹄形大直径盾构管片的拼装方法。

1 马蹄形管片介绍

马蹄形管片是针对蒙华铁路白城隧道的马蹄形盾构开挖面而特殊设计的盾构管片，由于管片形似马蹄而得名。

管片厚度为500 mm，环宽1 600 mm，纵向最大外径为10 589 mm，横向最大外径为11 540 mm。管片分为奇数环和偶数环。每环管片又分为8块，其中标准块5块，临接块2块，封顶块1块。管片标记如图1所示。

每块管片上面均布置有螺纹预埋件和螺栓孔。管片之间由轴向和环向直型螺栓紧固。环间由44个相互交叉螺栓拧紧，同环相邻管片间由2个相互交叉螺栓拧紧。

(a) 奇数环管片 (b) 偶数环管片

图1马蹄形管片标记示意图

Fig. 1 Sketches of segment marking

2 马蹄形管片拼装

2.1拼装方式

本台盾构结合设备布置及管片特殊性，选用环形机械抓取式管片拼装机。管片拼装机结构如图2所示。

图2 环形机械抓取式拼装机

理论上管环外侧距离尾盾内侧有一定尾刷间隙，而在拼装第1环管片时并没有压到盾尾刷来保证此间隙，因此需要在拼装前，于尾盾下部(最底部3块管片位置)焊接垫块保证管片和尾盾间隙，避免第1环管片推进时损坏底部盾尾刷。现场选用槽钢反扣并焊接到尾盾内侧，保证65 mm的理论间隙值，如图3所示。

2.2拼装流程

2.2.1 拼装顺序

每环管片的拼装顺序遵循先底部，再交替向上拼装，最后拼装封顶块的原则。奇数环和偶数环管片的拼装顺序如图4所示。

图3 保证理论尾盾间隙

(a) 奇数环管片(b) 偶数环管片

图4马蹄形管片拼装顺序

Fig. 4 Segment assembling sequences

在首块管片拼装前需要对管片进行准确定位，以保证首块管片拼装完成后整环管片相对于隧道中轴线垂直并左右对称。首块管片的定位通常选用全站仪，定位时准确确定首块管片4个角在尾盾内壁的投影，然后划线标记。

2.2.2 首块管片的拼装

马蹄形盾构管片有别于圆形管片，主要涉及管环与隧道的滚转角等。第1环首块管片的姿态决定整个首环甚至后续几环管片的姿态，因此首块管片的拼装尤为重要。

管片吊机将管片吊装到划线标记位置附近后，利用管片拼装机抓取并调整管片位置，使管片4个角点投影可以和上述划线标记点初步重合，然后用卷尺精确测量位置误差。管片的位置误差测量项目包含： 管片外圆与尾盾内壁距离；管环轴线与盾构轴线的垂直度；管环轴线相对于盾构轴线的同轴度。

管片位置及姿态调整好后，对首块管片进行固定。固定方式如图5所示，用φ40 mm的钢筋穿过管片前后两侧用于环间连接的螺栓孔，焊接到尾盾内壁。由于在拼装第1环后续管片时，首块管片需要承载后续管片的挤压力，因此，钢筋与盾壳之间要保证足够的焊接强度。

2.2.3 首环其他块管片的拼装

利用管片吊机将管片放置到最底部拼装机接收区域，等待拼装机抓取。管片放置位置应保证在拼装机前后行走行程之内。每块管片与相邻管片的环向连接强度要充分可靠，以保证管片密封压紧。

每拼装完成一块管片后，要及时测量每块管片相对于盾体的前后位置，以保证管环在同一平面内，同时保证封顶块能够顺利拼装。图6示出管环不在同一平面内(S1≠S2)的情况。

图5 首块管片的固定

图6 管环不同面示意图

封顶块拼装时，要首先确定2临接块在同一竖直平面内。临接块与常规块的前后位置通过推进油缸在点动模式下进行点动调节，分块分区顶进，并做好实时测量。

封顶块的榫卯与2临接块榫卯对准后，推进油缸伸出将封顶块顶紧并用连接螺栓紧固，然后松开抓举头油缸。

2.2.4 其他环管片的拼装

后续管片拼装时，要保证管环间的拼装精度，尽可能控制管环之间的错台高度在允许范围内。螺栓在插入困难时禁止强行插入和敲打，切忌野蛮操作而对管片造成损伤。

管片错台会导致管片破裂、隧道渗水、盾尾刷损坏等一系列问题，不仅影响隧道外观质量而且影响隧道寿命。拼装过程中为防止错台、错缝，要规范管片拼装程序，严格控制负环顶到衬砌段后各组推进油缸的推进行程及推进压力，保证合理的盾体姿态[6-8]。

3 管片的支护与盾体推进：

3.1负环管片的支护

负环管片在每环拼装完成后，为防止管环变形，需要对管环进行辅助支撑。具体支护方法需按照管环未推出尾盾时和管环推出尾盾后2种工况进行考虑。

1)管环未推出尾盾时，其下部外侧有槽钢支撑，故只需对内侧做支撑加固。尾盾内管环的内侧支撑主要靠L型挂钩拉紧。L型挂钩由40 mm厚的钢板切割而成。挂钩一端焊接到尾盾内侧，一端钩住管片内表面，分布如图7所示。

图7 未推出盾尾时管环支护

2)管环推出尾盾后，考虑负环管片在自重情况下的受力变形，需要对其底部和中部外侧及上部内侧进行加固[9]。该施工区间有别于地铁隧道，由于隧道入口覆土较浅而采取明挖法施工，负环管片始发完成后不予拆除，经回填后作为永久隧道管片留存，故对于负环管片下部要求充分填实。管环具体加固支护方式如图8所示。

图8 推出盾尾后管环支护

①管环底部支撑有导轨，防止管环下沉。支撑导轨在圆周方向的布置决定相邻导轨的包络角。相邻支撑导轨的包络角选取与管片的分块、管片的质量密切相关。导轨布置时应避开管片接缝，布置位置与数量要适应管环质量，以防管片被压溃；同时要做好精确位置测量，尤其是导轨高度要与管环高度相适应以防管环上翘或下悬。调整好导轨姿态后，将导轨与预埋到浇筑工事的钢筋植筋焊死固定。为均匀管环受力，在管环向后推出前于管环底部导轨之间密实填充豆砾石。

②中部由工字钢做成的外侧支撑顶到预先做好的浇筑工事上。

③内侧上部由工字钢做成的内部支撑顶到设备结构件上。管环推出时要防止管环出现裂纹、破损等表面损伤。

由于该掘进段前部埋深较浅，因而在盾构始发前采用明挖加衬砌的施工方式，衬砌段同时用作始发反力架。负环管片被推出顶到衬砌段后，采用工装对负环管片和衬砌段连接固定(针对管环上部)，连接方式如图9所示。图中Z型挂钩采用40 mm厚的钢板割制而成。

图9 上部管环与衬砌段连接示意

Fig. 9 Sketch of connection between upper segment ring and lining section

管环重力主要由底部支撑导轨与填充豆砾石提供，而侧部有外侧支撑顶紧防止管环变形，因而挂钩所受内力较小，并不会对管片、衬砌表面造成损伤。

管片与衬砌段连接固定后，负环管环已经具备一定的自稳性，由于连接于设备上的内部支撑将随设备掘进，此时拆除内部支撑，仅有外侧支撑支持管环。

3.2负环管片的推进

负环管片的推进过程要实时跟踪管环相对中轴线的垂直度。推进负环管片时刀盘没有贯入掌子面，盾构推进油缸的负载很小。如果管片推进时采用推进模式，推进油缸会产生不同步的现象，从而导致管环与中轴线不垂直，因此应单独控制或分区控制推进油缸的伸出。

负环管片顶到衬砌段(即反力架)后，盾构向前运动，后续拼装的负环管片难以布置底部支撑导轨，即使从管环外部向底部填充豆砾石也无法保证完全填充密实。此时对管环下部的支撑通过对下部同步浇筑混凝土实现。首先推进油缸伸出并推进管环，当管片的二次补浆孔露出最后一道盾尾密封刷时，连接注浆管通过管片的二次补浆孔进行注浆操作。在混凝土中加入一定配比的水玻璃可加速浆液凝固。

为保证浇筑饱满度，同时防止浇筑压力过大造成管片上浮，可在补浆孔上临时安装压力表检测浆液压力数据。管片容许最大上浮量要与管片参数(管片接头容许错台量、接头容许张开角、管片环宽等)相匹配[10]。应当注意的是，由于管环必须在注浆孔被推出盾尾密封刷时才可以注浆，在此之前可能由于管环下沉对盾尾刷造成损坏，因而要定时监测管环姿态，必要时在底部对管环做临时性支撑。

3.3管片螺栓复紧及管片破损修复

管片被推出尾盾后，管环可能由于支撑不到位而产生管环变形，从而导致管片螺栓松动的现象，此时要及时对管片螺栓复紧。管片有破损的要用水泥及时修复。管片破损较为严重时，可以借鉴其他盾构法施工案例中利用新型修复材料RM或粘贴芳纶纤维修复的方法[11-15]。

马蹄形盾构负环管片拼装完成后效果如图10所示。管环外部做防水处理后，对负环管片做回填处理，负环管片作为隧道永久环使用。

图10 马蹄形负环管片拼装效果

4 结论与讨论

1)负环首块管片的准确定位是后续管片顺利拼装的前提。拼装首块管片时要使用精密仪器测量、合理工装固定。负环后续管片拼装时要及时对管环加固，以保证管环姿态正确，避免损坏盾尾密封刷。

2)负环管片推出盾尾后要同步对管环进行支护，其中包括底部的混凝土浇筑支撑和上部与中部的钢结构工装加固。操作中，一要精确控制混凝土浇筑量以免出现管环上浮现象，二要在设计工装时避免应力集中损坏管片。

3)管环拼装完成后要及时对管片连接螺栓复紧。管片有破损的要及时修复避免发生隧道渗水。

使用不同工法、工序拼装盾构负环管片，不仅对负环管片的拼装质量、拼装效率、施工安全性有重要的影响，而且会对后续甚至整个区间内管片的拼装产生影响。本工程首次采用马蹄形盾构进行隧道施工，对于异形管片拼装尚无经验可循，通过参考圆形管片的拼装方法对马蹄形盾构负环管片拼装技术进行了研究和实践，可以为其他异形盾构负环管片拼装提供参考。异形管片拼装的误差及质量控制是管片拼装的关键，关于异形管片拼装质量的标准和规范还需要进一步深入研究。

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AssemblingTechnologyforPartialSegmentofShieldwithHorseshoe-shapedCross-section

LI Feiyu, HU Yanwei, LI Longfei

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016，Henan，China)

U 455.43

B

1672-741X(2017)09-1162-05

2017-02-08;

2017-04-21

李飞宇(1992—)，男，山西晋中人，2015年毕业于郑州大学，机械工程专业，本科，助理工程师，现从事盾构设计和研发工作。E-mail： creclfy@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.015