地铁盾构内置式榫插型管片错缝拼装施工技术

王田，陈彪

（中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，江苏 无锡 214105）

近年来，国内诸多城市正在大规模地进行轨道交通工程建设，国家交通建设的中心也在往城市轨道交通建设上偏移，盾构法施工技术以其安全可靠、绿色环保的优势在轨道交通领域取得了突飞猛进的发展。

目前盾构法隧道普遍使用螺栓连接管片作为隧道的承载结构，但是螺栓连接管片成型隧道后期的防水和变形较为严重，部分隧道需通过采取钢环加固的措施来确保地铁的正常运营。

而内置式榫插型管片拼装技术的应用，不仅可大大提高盾构隧道施工质量，减少后期隧道防水和隧道变形，同时可以满足盾构施工的自动化作业，为轨道交通领域实现自动化施工起到了积极的推动和指导作用。

1 工程概况

1.1 工程简介

上海轨道交通某盾构区间长1082.9m，埋深7.5～13.4m，线间距2.3～15.2m，最小曲线半径约599.907m，最大纵坡29.907‰，隧道内径5900mm，外径6600mm。

区间主要穿越地层为④灰色淤泥质黏土、⑤11灰色黏土；上部覆土为③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土；下卧⑤11灰色黏土。本区间埋深较浅，不涉及承压水，地下水形式主要以潜水为主，年平均地下水水位埋深离地表面0.5～0.7m。

1.2 内置式榫插型管片结构形式

内置式榫插型管片采用钢筋混凝土通用环管片，错缝拼装，每环管片最大楔形量为39.6mm。管片外径：6.6m；内径：5.9m；管片环纵向均采用内置式连接接头，环向采用承插式连接，纵向采用插入式连接，环、纵向连接件拼装允许偏差均为1.5mm，拼装精度要求高，且纵向连接为不可逆连接，管片拼装后无法进行常规拆除。

2 盾构机选型与改造

（1）本工程管片采用通用环错缝拼装，盾构机油缸分布需适应管片错缝拼装，推进油缸撑靴板不发生骑缝现象。（2）因内置式榫插型管片连接件分布的形式，封顶块管片拼装时需径向搭接1/3，盾构推进油缸的有效伸长量应不小于2100mm，以满足内置式榫插型管片拼装需求。（3）内置式榫插型管片连接件允许偏差仅为1.5mm，拼装精度要求高，管片拼装机需具备无极可调速旋转的功能，旋转精度需达到1.5mm以内。（4）盾构机操作系统中需配置管片自动选型系统以及盾尾间隙自动测量系统，盾尾间隙自动测量系统精度需达到1.5mm以内。

3 内置式榫插型管片盾构掘进技术

3.1 盾构纠偏量控制

盾构掘进单环纠偏量控制是盾构掘进姿态控制的要点。盾构掘进过程中需严格控制盾构的纠偏量，最大限度减少每次纠偏幅度。根据每环管片的测量结果和管片四周间隙情况，对盾构机下一环的掘进提供精确依据，及时调整各分区推力差以及千斤顶的伸长量。

盾构掘进姿态纠偏控制时，会产生一定的超挖，施工中根据纠偏量严格计算出土量及超挖量，并根据超挖量同步调整注浆量。

盾构掘进单环姿态纠偏量控制包括切口变化量、盾尾变化量以及切口变化量与盾尾变化量之差控制，以上姿态变化量均需控制在4mm以内。

3.2 推力差控制

推力差是控制盾构机姿态的基本方法。针对本区间软土地层，埋深较浅，总推力不宜过大。此外，需均匀分配各分区千斤顶压力，在软土地层盾构推进时，若上下推力差过大，将会导致管片出现上浮现象，从而会导致管片渗漏水以及破损等质量病害。因此，穿越过程中将上下推力差控制在150t以内，水平推力差根据隧道设计轴线以及转弯半径实时调整。

3.3 推进油缸行程差控制

在盾构姿态纠偏期间，计算每环管片的纠偏楔形量为39.6mm，为保证管片拼装质量，盾构推进过程中通过控制盾构机推进油缸压力差，分阶段调整推进油缸行程差，满足每环管片的纠偏楔形量。将盾构推进过程划分为3个阶段，每个阶段推进400mm，调整13.2mm的纠偏楔形量，每环管片推进过程中，均采用间隔400mm确认对应油缸行程差是否为13.2mm的方式进行控制，确保每环管片拼装完成后推进油缸行程差不大于10mm。

4 内置式榫插型管片拼装技术

4.1 负环管片拼装及定位

针对内置式榫插型管片拼装精度高的要求，负环管片采用钢管片全环拼装。为了提高负环管片的重复利用率，负环管片采用螺栓连接通缝拼装，通过特制的600mm宽过渡环管片将通缝钢管片与内置式榫插型管片进行有效连接。连接处需采取有效的加固措施减少管片的变形量。

为确保负环管片拼装精度，在负环管片拼装过程中实时测量管片前超量以及环面平整度，通过在负环管片背千斤顶面粘贴纤维橡胶板进行调整，以达到零环管片环面相对平整的技术要求，零环管片环面高差不大于1mm。

负环管片与零环管片拼装过程中实时测量管片真圆度并进行调整，为内置式榫插型管片拼装提供精确定位。

4.2 管片拼装顺序

因内置式榫插型管片接连件结构形式要求，第一块管片必须拼装B2管片；管片为通用环管片，封顶块不会固定在某一个点位，为了保证管片拼装安全可控，拼装过程中尽量优先拼装下半圆管片，在双梁吊运管片时需根据拼装顺序合理摆放各块管片。

4.3 管片拼装点位选择

管片拼装共16个点位，每个点位22.5°。直线段拼装时，一般选择3点位和11点位对拼或者5点位和13点位对拼。平曲线及竖曲线段拼装时需根据盾尾间隙及推进油缸行程差进行点位选择，一般情况下，不选择8点位和16点位。

曲线段管片拼装时，根据管片点位自动选择系统和人工选择相结合的形式确定最佳拼装点位，为实现人工快速准确地进行管片拼装点位选择，特别设计了管片点位选择转盘，包含3个部分，最外侧为盾构推进油缸编号，管片拼装过程中，可根据转盘准确控制每块管片拼装区域对应的盾构推进油缸的伸缩；中间为上一环管片拼装点位，可直观地看出管片拼装点位对应的纠偏楔形量；最内侧为当前环管片拼装点位，可根据转盘直观地看出当前环管片的纠偏楔形量以及快速准确地判断当前环管片与上一环管片不发生通缝现象的拼装点位，从而快速准确地进行管片拼装点位选择。当上一环拼装点位为N时，当前环拼装点位可选择N±2，N±5，N±8点位。

图1 管片拼装点位选择转盘

4.4 管片拼装质量保证措施

拼装过程中按各块管片位置，缩回相应位置的千斤顶，形成管片拼装空间，可有效防止盾构后移；管片运至拼装机下方后，由管片拼装机将吊装螺栓卡紧，将管片运至相应位置进行拼装；每块管片拼装到位后，及时将千斤顶伸出，并拿掉举重孔内的吊装头。

管片拼装过程中，通过内弧面设置的纵向插入式连接件的位置标记进行精确定位；同时，每块管片拼装过程中，由操作人员采用水平尺控制错台高度，以确保管片拼装质量全面受控。当纵向和环向连接均确认无误后，由推进油缸将管片顶推到位。

管片拼装时，在纵向插入过程中需通过拼装机将正在拼装的管片止水条与已经拼装好的管片止水条挤压密实，然后，将管片沿纵向拉紧，确保张开量在设计允许范围内。

封顶块拼装前，先确认两侧邻接块管片距离大于设计值0.5～1mm，方可进行封顶块的拼装；若距离小于设计值，在拼装封顶块前，需将两侧邻接块管片上部油缸松开；封顶块拼装时，先径向搭接1/3，然后纵向插入；待两侧卡槽均卡实后利用拼装机和推进油缸将封顶块顶推到位。

每推进完成一环后及时清理盾尾杂物和积水，确保下部管片拼装区域清洁以及止水条干燥无夹杂泥沙等情况，提高管片拼装精度，减少渗漏水通道。

4.5 盾尾间隙控制

本区间盾尾间隙理论值为30mm，在盾构掘进过程中，任意点位的盾尾间隙控制在15mm以上。

为了精确控制盾尾间隙，本区间在盾构机操作系统中增加盾尾间隙自动测量系统，该系统采用非接触式测量方式，应用图像技术、辅助激光的方式精确测定尾盾间隙，能够在施工过程中实时测量出当前间隙值，提高了数据质量，为管片的最佳拼装点位提供了有效的数据基础。同时，每环掘进过程中人工进行两次盾尾间隙的测量，掘进完成后，人工测量一次盾尾间隙，盾尾间隙大于15mm时测量上、下、左、右4个部位，盾尾间隙小于等于15mm时至少测量8个部位。当盾尾间隙小于等于15mm时，需通过调整盾构机掘进姿态、合理选择拼装点位来调整盾尾间隙，使管线趋势拟合盾构机趋势，本区间盾构掘进过程中，盾尾间隙较为均匀，最小为19mm，满足高精度内置式榫插型管片拼装需求。

5 实施效果

盾构掘进过程中，各项指标控制良好，未发生渗漏水现象，管片破损率为0.6%（本区间共903环管片，仅6环管片各出现一次破损）。推进前期，因对拼装工艺不熟练，管片拼装速度较慢，后期通过加强各项施工参数的控制以及现场管理，逐渐熟悉拼装工艺，管片拼装速度有所提升，拼装完成一环用时约30～40min，可以达到螺栓连接管片的拼装速度，而且管片拼装质量良好。

6 结语

（1）内置式榫插型管片成型隧道环纵缝很小，且内弧面无手孔，隧道贯通后无须进行管片嵌缝及手孔封堵施工，一定程度上节约了施工成本及施工工期。

（2）内置式榫插型管片采用内置式连接方式，可减少螺栓工的投入；同时，不存在后期螺栓锈蚀的病害、手孔渗漏水现象以及后期运营过程中上部手孔盖帽掉落等现象，减少后期运营维保安全隐患。

表1 盾构区间推进完成后既有隧道变形统计表

（3）内置式榫插型管片采用两道封闭成环的遇水膨胀止水条，成型隧道无渗漏水现象，大大减少了施工过程中的堵漏费用和后期运营过程中的维保成本。

（4）内置式榫插型管片制作精度高，拼装允许偏差小，管片破损现象极少，成型隧道上浮量得到很好的控制；内置式榫插型管片能有效提高管片拼装初始真圆度，后期成型隧道收敛变形较小。

（5）内置式榫插型管片的应用改变了国内传统的螺栓连接方式的管片的结构，具备了与其不同的特点：管片的整体性得到提高，具有更强的刚度，很大程度提高了管片的耐久性和盾构隧道的防水性能；同时，可大大减少盾构隧道的后期变形，提高了盾构施工质量，降低后期的维护成本；同时，使地铁盾构隧道管片拼装施工多了一种选择，不仅可以大大减少隧道施工以及运营后的质量病害，也可满足自动化拼装需求，将对国内轨道交通盾构施工实现自动化起到积极地推动和指导作用。