东庄站—会展中心站区间盾构管片拼装技术

肖 昱，董延昭，刘 峰，崔卫龙

(1.石家庄市轨道交通集团有限责任公司，河北 石家庄 050000； 2.中铁建华北投资发展有限公司，河北 石家庄 050000)

自1841年英国泰晤士河水底隧道首次采用盾构法修建以来，盾构法迄今已有180 a历史。我国1963年于浦东塘桥采用盾构法试挖了直径4.2 m的隧道[1]，由于盾构掘进隧道机械化和自动化程度高[2]、有利于减小工程建设对城市交通影响[3-5]，已成为修建城市轨道交通的首选工法[6]。张文萃[7]、宋瑞恒[8]、刘凤华[9]、高春香[10]等针对盾构管片排版、纠偏及拟合进行了研究，拟合隧道线路良好。

石家庄地铁1号线东庄站—会展中心站区间工程采用盾构法进行隧道施工[11]，并结合工程实际对管片拼装技术进行研究。研究内容包括：管片类型选择、拼装位置确定、管片类型及拼装位置预测、管片直楔环配合比、拼装施工的技术要点和质量要求。

1 工程概况

东庄站—会展中心站区间里程为K26+750.820～K30+186.000，线路长度3 435.180 m，覆土厚度为9.54 m～23.4 m，线路平面设计曲线半径依次为550 m，800 m，1 200 m和400 m，坡度呈“W”型。管片外径(D)为6 000 mm，厚度300 mm，内径5 400 mm，环宽(L)为1 200 mm。衬砌管片分为6块：3块标准管片、2块邻接管片及1块封顶块。每环设纵向连接螺栓16根，沿隧道圆周均匀布置；环向连接螺栓12根；共28根弧形螺栓。盾尾脱出后，土层与隧道结构之间的间隙采用同步注浆进行充填，这种注浆方式能够及时填充施工间隙，保证注浆效果，减小地表沉降，减少管片脱离盾尾后的位移，增强隧道结构的防水性能。管片衬砌环采用错缝拼装方式，管片拼装由隧道中心线和过隧道圆心的水平线定位。管片安装顺序为A型管片、B型管片和C型管片。左、右楔形环的楔形量为48 mm，楔形角为0.46°(0.008 rad)。其中图1为管片拼装展开图，图2为管片拼装图。

2 管片类型选择原则

2.1 管片选型原则

管片拼装以顺盾尾行进，考虑预拼装系统和人工管片点位选择相结合，在拼装前确定管片选择角度，基于固定封顶块的位置出发，以管片姿态、盾构姿态、隧道轴线三者相对关系为主要考虑因素，结合各千斤顶行程差、管片迎土面与盾尾内壁间隙、各项楔形量、错缝拼装、后配套台车轨道定位销孔及纠偏趋势分析合理选择。直线段尽量减少楔形环使用，“勤纠偏、缓纠偏、小纠偏”，确保成型隧道轴线近乎完全与设计轴线拟合；曲线段配合管片选型，合理直楔环配比，严格控制超挖，完成曲线段隧道的拟合。盾构隧道掘进及方向控制如图3所示。

2.2 管片选型依据

管片拼装依据主要包括盾构刀盘千斤顶与铰接千斤顶行程差、管片拼装前后管片迎土面与盾壳内壁间隙2个方面综合分析所得。

盾构刀盘千斤顶与铰接千斤顶行程差：针对盾构机铰接类型差异，基本原则为拼装管片与盾尾构造方向努力达到统一；主动型铰接，管片拼装后两个千斤顶最佳行程差为0；被动型铰接，管片拼装后刀盘千斤顶行程差约等于铰接千斤顶行程差。东庄站—会展中心站区间盾构为被动型，铰接千斤顶的长度在盾构掘进过程中跟随前盾、中盾摆动，千斤顶伸缩值控制受限，最终铰接千斤顶行程差变化量不能直接测量。通过在其他工程的总结资料分析，单个铰接千斤顶的伸缩变化幅度为±5 mm，因而左右、上下铰接千斤顶行程差为小于±10 mm。

管片拼装前后管片迎土面与盾壳内壁间隙：盾构机设有3道盾尾密封刷，防止水土及浆液进入盾构内部，掘进时盾尾密封补注油脂，确保密封。若盾尾间隙过小，管片脱出盾尾时可能出现变形，影响成型隧道质量；同时，盾尾间隙过小也将直接损坏盾尾密封刷，故管片选择时须确保各方向盾尾间隙均大于20 mm。

3 管片类型选择及拼装位置确定

3.1 管片类型及管片拼装位置

在东庄站—会展中心站区间工程中管片的型式分标准环和左、右楔形环3种。施作时，标准环有5种拼装位置，采用标准环对管片轴线未见明显影响。标准环的拼装位置如图4所示(加黑处为楔形块位置，S16点位需偏移22.5°方可)。

左、右楔形环5种拼装位置对管片走向及盾尾间隙影响见图5(H为垂直变化量，V为水平变化量，箭头所示方向为管片偏转方向)。

3.2 拼装位置选择

拼装位置的选择应确保错缝拼装，全面分析管片类型并预测下环管片情况。为保证错缝拼装，依据当前环管片参照表1选择。

表1 下一环管片可选位置表

3.3 管片平面及盾尾间隙变化预测

当前环掘进行程完成时，管片平面与盾尾间隙相对固定。当管片拼装施工完成后管片平面相对盾尾的位置将出现一定量变化，其变化见式(1)：

Δh=δ垂直/5

(1)

C上=C上′+Δh。

C下=C下′-Δh。

其中，C上,C下分别为当前环盾尾处各上、下两点的盾尾间隙；C上′，C下′分别为前一环盾尾处各上、下两点的盾尾间隙；Δh为因管片走向发生的垂直或水平方向盾尾间隙变化量(应小于20 mm,如图6所示)。

预测计算结果须满足管片选型依据，否则须重新选择。

4 管片类型选择预测

在东庄站—会展中心站区间工程中，选用的盾构掘进管理自动导向系统(VMT)具备管片预测功能，专设管片选型的软件(Ring selection Software)完成下一环掘进，施工过程中需人工计算复核确定管片类型及管片拼装位置。管片类型选择预测主要采用前述选型依据、错缝拼装原则、盾尾间隙的计算方法，完成预测下一环管片的类型及拼装位置。盾构掘进方向不变时，盾构机操作手使用软件能自动根据千斤顶行程、盾尾间隙和已装管片的类型等基础数据预测出未来若干环(3环～5环)的管片类型。

4.1 用计算机程序实现管片预测

采用计算机实现管片预测与人工选择管片的相互结合，综合考虑施工误差、偏差和盾构机功能限制进行管片排列。预先输入管片参数、螺栓类型及数量、隧道起终点里程、平曲线要素、纵曲线要素，选择错缝拼装，每环拼装结束以后程序据推进千斤顶伸长量、铰接千斤顶伸长量等姿态参数经计算、调整、修正，将提示盾构机下一环的管片类型与封顶块拼装位置。操作人员人工计算复核，与计算机预测结果比较。若差异较大，系统会提示是否正确。

4.2 需提供的逐环基本数据

刀盘千斤顶参数：L上，L下，L左，L右；

铰接千斤顶参数：A上，A下，A左，A右；

盾尾间隙：C上，C下，C左，C右。

程序计算出的管片见式(2)：

H=(L右-L左)+(A右-A左)
V=(L上-L下)+(A下-A上)

(2)

刀盘千斤顶的伸长值与铰接千斤顶的伸长值可由PLC程序直接显示或人工修正。

4.3 具体采用管片的选择

对程序的要求必须执行表1有关点位指标。

在H>70 mm或V>70 mm或H<-70 mm或V<-70 mm或盾尾间隙小于30 mm时程序显示“如何处理”。在管片选择时，以满足盾尾间隙指标作为优先条件进行确定。当盾尾间隙小于20 mm时，以拼装管片时调整盾尾间隙指标作为优先条件进行确定，相关点位确定见表2。在盾尾间隙满足条件时，以管片平面值指标为条件匹配管片类型及封顶块位置如表3所示。

表2 盾尾间隙小于20 mm时拼装点位 mm

表3 盾尾间隙满足条件时拼装点位 mm

5 直、曲线隧道拟合

5.1 直、楔环比计算

1)直线段直、楔环比计算。

初始条件有利工况下可采用标准环管片直接拼装完成，实际掘进可能因施工误差、结构变形、隧道隆沉、测量偏差等条件限制未精确拟合隧道轴线，加之掘进不可避免会产生少量偏转，实际掘进时可选用“标准环+左、右楔形环”型式管片拼装实现纠偏。

东庄站—会展中心站区间统计数据显示直线段直、楔环比约10∶1。正常掘进直线段施工优选标准环，其拼装效率明显高于楔形环。

2)曲线段直、楔环配合比计算。

曲线段施工中，为达到拟合设计轴线的目的，须选用楔形环管片，楔形环管片用量计算见图7,式(3)：

L为管片宽度，R为设计曲线半径，δ为每环管片的楔形量。

β1=β2≈arctan(L/R)
α=β1+β2=2β1
δ=tanα=tan2β1

(3)

5.2 直线段隧道轴线拟合

直线段施工，隧道轴线用标准环拼装，加上少量楔形管片配合纠偏进行隧道轴线拟合。

特殊情况下，利用左、右楔形环修正拼装，抵消偏转量拟合实现直线段隧道施工。施作尚应关注盾尾间隙，精确计算盾尾间隙的变化量。

5.3 曲线段隧道轴线拟合

曲线段隧道轴线拟合施工，必须严格按照直楔形管片配合比计算指导施作，进一步监控盾构姿态、盾尾间隙变化、超挖方向、超挖量，封顶块的位置偏离正上方22.5°，在曲线模拟和施工纠偏时标准环、楔形环封顶块可依需要偏离正上方22.5°的整数倍角度，但不宜大于90°，确保管片拼装精度。

以R=400 m的左转曲线为例：取1.5 m小段计算，外圈边长L1，内圈边长L2，偏差22.5 mm。

由于管片错缝拼装，无法保证每环管片的纠偏量均为22.5 mm，则需将线路微分，以小段为单位(不超过5环)，通过管片的不同点位组合，保证平均纠偏量为22.5 mm每环即可。可确定选用S2，4，12，14，16管片组合，消除垂直方向的纠偏，计算水平纠偏为24.1 mm/环，与22.5 mm相近，已经较好适应400 m的曲线半径，基本消除因曲线纠偏问题造成的管片错台。

6 管片拼装技术要点及质量控制

1)在掘进前正确的对下一环管片进行预测，严格按照“先纵后环[12]”拼装顺序错缝拼装，由下而上，左右对称，按标准块→邻接块→封顶块的顺序进行。拼装封顶块时，只缩回拼装管片部分的刀盘千斤顶，其他千斤顶则轴对称保持支撑或升压，封顶块与邻接块先行搭接2/3径向上推，纵向插入成环。2)盾构机掘进施工直接影响盾构机的轴线及管片拼装型式和管片拼装位置，掘进中严格“勤纠偏，小纠偏”，保证纠偏幅度在合理范围。管片实时拼装可根据施工实际进程对管片排版选型的计算结果进行调整修正[13]。3)严禁封顶块拼装到隧道轴线以下。4)在拼装过程中管片定位要正确，保持已成环管片环面及拼装管片各面的清洁[14]。5)管片拼装应采取管片、防水及密封保护措施，管片不得有内外贯穿裂缝和宽度大于0.2 mm的裂缝及混凝土剥落现象。6)管片拼装过程中，应根据拼装顺序分组回缩千斤顶，盾构机土仓内应保压。管片拼装成环时，应检查衬砌环椭圆度和错台情况。连接螺栓应先逐片对称初步拧紧，脱出盾尾后应及时复紧管片螺栓[15]。7)曲线段管片的拼装依靠设置楔形管片使管片环轴线形成曲线，对后续管片拼装进行纠偏计算，并符合设计的曲率半径要求。

7 结论及建议

1)东庄站—会展中心站区间隧道已施工完成，SLS-T自动导向系统及管片预测软件在管片拼装技术设计了管片拼装方案，重点加强了管片拼装拟合隧道设计轴线、适应盾构姿态要求、适应千斤顶行程等关键指标预测监控，确保了盾构掘进及管片拼装的质量。

2)研究提出了合理的管片轴线拟合、拼装顺序，完善了施工工艺，有利于实现设计与施工的实时动态互动和反馈，初步形成了管片拼装技术体系，后续可指导盾构掘进施工。