地铁隧道普通环管片理论计算与选型技术

田春雨 张洁澜 王国义

(1.中国水利水电第七工程局有限公司轨道交通分公司,四川 成都 610081；2.中电建成都建设投资有限公司，四川 成都 610212)

0 引言

近年来，盾构法凭借其安全、可靠、快速、经济、环保等优势广泛应用于各大城市地铁。盾构隧道一般采用预制的钢筋混凝土管片永久衬砌。管片选型不当直接造成盾构掘进过程中盾尾间隙过小，造成管片的错台与破损，最终导致隧道管片质量差，影响到地铁的后期运营。作为盾构施工常见工程问题，管片选型问题已经引起了广泛关注，部分学者对此进行了一些研究。程明等[1]提出了使用推进油缸和铰接油缸行程差来计算管片的楔形量，从而确定转弯环管片的拼装点位；孙锦涛[2]提出了管片适应盾尾间隙，结合盾构机姿态，与盾构机操作司机协调的管片选型原则和方法；张文萃等[3]提出了在管片排版中应重点考虑线路拟合、盾构姿态、油缸行程差、盾尾间隙等因素；王晖等[4]提出最佳的管片选型应该是管片轴线与盾尾轴线基本重合；孟宪凤[5]提出根据推进油缸差选用管片，在两个相反方向上的行程差不小于50 mm时就应该拼装转弯环。已有研究中主要是现场施工专家根据实际管片选型经验从多因素分析管片选型注意事项，但未提出详细管片选型原则，研究深度不足，同时提出的管片选型原则有不妥之处。

笔者根据盾构机与管片位置关系、成都普通环管片特点，推导出圆曲线管片理论排版的简化计算公式，并提出了盾构掘进管片选型原则。对于现今存在的通过油缸行程差进行管片选型、拼装转弯环数量多于理论排版管片选型问题等几个管片选型误区进行分析，提出正确观点。

1 盾构机与管片位置关系

在地下施工时盾构机、设计隧道中心线(DTA)、管片的关系见图1。以现今常用的被动铰接系统φ6 250 mm盾构机为例，盾构机司机通过调节四组推进油缸的压力和平均速度沿着设计隧道中心线(DTA)走，主要控制盾构机前点(一般是切口环)和后点(在被动铰接附近)中心与相应位置的DTA的偏差在水平与垂直方向上都不超过50 mm。盾构推进一定距离(管片宽度1 500 mm时，一般掘进1 500 mm)后，在盾尾内拼装一环管片(管片的外表面与盾尾内表面最小直径“盾尾刷前的凸台”之间的距离定义为盾尾间隙，海瑞克盾构盾尾间隙设计为30 mm)，然后继续推进1 500 mm，再拼装管片。在推进过程中，管片位置不动，盾构前盾、中盾、盾尾前移，刚拼装完成的管片要与盾尾、盾尾内的凸台和盾尾刷有相对运动。如盾尾间隙不好，在盾构推进过程中管片背面将与盾尾、盾尾内的凸台或盾尾刷体相挤压，造成管片的损坏或盾尾刷的损坏，影响管片质量和盾构施工的正常进行。因此，在盾构推进过程中，最优的盾尾间隙控制值是一直控制在设计值(30 mm)，也就是盾尾的中心线与管片的中心线相重合。管片选型的目的就是要达到最优的盾尾间隙，从而确保成型隧道质量。

2 成都普通环管片特点与理论计算

目前在成都地铁隧道盾构施工中，采用普通环管片对设计隧道平纵曲线拟合，普通环管片一般分为直线环、左转弯环、右转弯环三种管片，每环管片由6块管片组成，3块标准块，2块邻接块，1块封顶块，由盾构上的拼装机拼装成一个整环(见图2)。

2.1 成都地铁管片技术参数

成都地铁管片技术参数见表1。

表1 成都地铁普通环管片技术参数

2.2 管片拼装点位的分布

管片拼装的成型隧道为了能够达到设计的线形，需要使用不同的楔形量管片来同时拟合平曲线和纵曲线，这就要求转弯环管片有不同的位置来达到此目的。

成都地铁管片采用错缝拼装，有10个点位，来达到转弯所需要的不同楔形量。管片拼装点位是以封顶块的中线位置来叙述的(管片拼装点位见图3)，转弯环不同的拼装点位在平曲线和纵曲线中有不同的楔形量，达到不同的平纵曲线转弯半径。为了能够顺利拼装管片，封顶块一般安装在上半部分，左转弯环或右转弯环一般拼装1，2，3，8，9，10这6个点位。

转弯环在不同点位条件下水平曲线楔形量的计算这里不再推导、计算，只是将右转弯环在不同点位条件下的楔形量汇总表进行统计(见表2)。

表2 右转弯环楔形量计算表 mm

根据汇总表可知采用错缝拼装方式转弯环水平转弯的楔形量最大是36.14 mm，而不是38 mm。左转弯环的情况与右转弯相反，这里就不再列举。通过转弯环管片不同点位和直线环的组合拼装，就可以实现不同曲线半径隧道的转弯。

2.3 曲线的理论排版简化计算

转弯环不同的拼装点位有不同的楔形量，不同的楔形量转弯环和直线环的组合拼装可以拼装出不同半径的曲线。当然在盾构管片拼装中尽量使用最大楔形量的拼装点位(1点或10点)，不需要转弯环时使用直线环拼装，这样使用转弯环数量最少，同时理论排版和实际排版才更加接近。

设管片内径为Φ内，外径为Φ外；设水平转弯半径为R，管片拼装最大楔形量为&，管片宽度为L，计算理论排版简化公式如下：

1)求转弯半径为R条件下掘进1 m理论所需楔形量&1(见图4)。

如相似三角形可知:

(R+Φ外/2)/R=L1/1

(R-Φ外/2)/R=L2/1

&1=L1-L2=Φ外/R

(1)

2)设半径为R的圆曲线长度为L总，所需转弯环X环，所需直线环Y环，求理论排版简化计算：

(LX+LY)&1=X&。

可求出：X=LY&1/(&-L&1)。

X/Y=L&1/(&-L&1)=&1/(&/L-&1)

(2)

3)求管片水平最小转弯半径R最小。

根据以上计算可知，管片水平最小转弯半径是转弯环一直拼装1点位和10点位的错缝拼装，此时&/L=&1。

&1=Φ外/R最小

&/L=Φ外/R最小

R最小=LΦ外/&

(3)

4)成都普通环管片理论排版和管片最小转弯环半径计算举例：

设R=400 m，Φ外=6 m，L=1.2 m，&=36.14 mm。

求得:&1=6 000/400=15 mm。

X/Y=15/(36.14/1.2-15)=1∶1。

R最小=LΦ外/&=1.5×6 000/36.14=249 m。

对于不同转弯半径下的圆曲线通过式(1)，式(2)计算公式都可以准确计算出理论排版,通过式(3)可以计算管片的最小转弯半径为249 m。缓和曲线由于从直缓点到缓圆点或从缓圆点到直缓点并不是均匀变化的，需根据侯刚所写论文[6]计算公式计算理论排版。当然在实际盾构施工过程中，由于盾构需要纠偏、管片选型不合理等多种原因，实际需要的转弯环管片数量不等于理论排版转弯环数量，这需要根据实际经验最终确定生产的转弯环数量(转弯环数量宁多勿少)。

3 普通环管片选型原则与方法

普通环管片选型实际上只要做到盾尾间隙控制在一定范围内，管片背面不与盾尾、盾尾凸台和盾尾刷体相干涉，实际只要控制管片背面与盾尾凸台的间隙就可以了。一般盾尾间隙控制在15 mm～45 mm之间。现就盾构掘进直线段和曲线段分别进行管片选型原则分析。

3.1 直线段管片选型原则

管片与盾尾、盾尾凸台、盾尾刷存在一定关系，管片前端面还与推进油缸相接触，盾构依靠推进油缸顶在管片上的推力前进。推进油缸的行程差(上下或左右等相对油缸行程的差值)体现了推进油缸与管片的位置关系。

对于主动铰接的盾构(如图5所示)当上下左右相对位置推进油缸行程差值都为0时，说明推进油缸所在的盾体(中盾和尾盾)中心线与管片的中心线相平行，只有盾尾间隙为30 mm时，两条中心线才会重合。

对于被动铰接的盾构(如图6所示)当上下左右推进油缸行程减去同角度位置铰接油缸行程相对位置差值控制差值都为0时，说明盾尾中心线与管片中心线相平行，只有盾尾间隙为30 mm时，两条中心线才会重合。

因此，用油缸行程差来进行管片选型只能体现盾体与管片中心线的平行关系，不能体现盾尾间隙的好与坏。对于主动铰接盾构推进油缸上下左右相对位置行程差控制在0附近为宜，对于被动铰接盾构上下左右推进油缸行程减去同角度位置铰接油缸行程相对位置差值控制在0附近为宜。

综合以上分析，直线段管片选型应以盾尾间隙为主，油缸行程差为辅。

3.2 曲线段管片选型原则

曲线段时由于盾构推进油缸推力不同，使盾构沿着设计的曲线掘进，管片要适应盾尾，理论上曲线管片选型应主要看盾尾间隙，确保盾尾间隙在合理范围内。但管片拼装完成测量盾尾间隙指导下一环管片选型时，下一环的管片已经进入盾构机内，导致测量的盾尾间隙不能及时指导管片选型。同时由于盾尾内管片外表面受盾尾刷的挤压影响，盾尾间隙也无法全部能够反映管片的真实位置状态。但盾构机沿着设计隧道中心线掘进，曲线段管片理论排版能够完全拟合设计的线路，盾构机盾尾中心线和管片理论排版管片中心线都接近设计隧道中心线。因此曲线段管片应以理论排版为主，盾尾间隙和油缸行程差为辅的原则选型，盾尾间隙能够控制在合理范围内，尤其在小半径缓合曲线中此选型原则显得更加重要。

当然在曲线段盾构进行纠偏(盾构中心向DTA掘进)时，应以实际纠偏情况和盾尾间隙进行管片选型。

4 管片选型的几个误区

依据以上理论与实践推导，现对当今存在的管片选型误区进行简要介绍。

4.1 油缸行程差管片选型

根据主动与被动铰接不同油缸行程差值计算不同外，相对位置油缸行程差值大于转弯环楔形量才选择转弯环的这种说法不正确。只有油缸行程差值为0时，管片与盾尾中心线相平行。因此，油缸行程差值应控制在0附近，对于最大楔形量38 mm的管片，油缸行程差值应控制在±19 mm以内，同时油缸行程差值不能一直为正，也不能一直为负。理论上正负交错才是最优的油缸行程差。

4.2 实际转弯环数量大于理论转弯环数量

实际施工过程中，许多人说“我选择的转弯环数量远大于理论转弯环排版数量，我的管片选型没问题”。这种说法是不妥的。例如在直线段有1环管片选型有误，管片前点中心偏离DTA5 mm(见图7)，管片后点中心未偏离DTA，以后每环都选择直线环，那么管片前点中心会逐渐偏离DTA10 mm，15 mm，20 mm，……。因此管片选型实际上1环都不能选错，1环选错会造成后续管片盾尾间隙变化较大。曲线段对于管片选型要求更加严格，1环管片应选择转弯环实际选择标准环，后续管片选型正确，也会造成管片中心偏离DTA较大。曲线段管片选型以理论排版为主也是这个原因。

5 结论与建议

1)本文详细推导出圆曲线的理论排版简化计算公式，通过此公式可以计算各种不同半径的圆曲线理论排版。2)普通环管片选型直线段以盾尾间隙为主，油缸行程差为辅，曲线段以理论排版为主，盾尾间隙和油缸行程差为辅。3)管片选型时油缸行程差值应控制在0附近。4)管片选型1环都不能选错，选错1环需要使用多环转弯环进行纠偏。