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地铁盾构法施工管片的选型及探讨


隧道盾构法施工中的管片选型
1 概述 盾构法施工作为现代隧道施工比较先进的科学的方法,具有对围岩扰动 小、施工速度快、作业安全、隧道建成后投入运行早等优点。 盾构法隧道施工中采用预制拼装块(管片)做为永久支护,或永久支护 的一部分。管片一般分为左、右转弯环和标准环。可以由专门从事砼制品的具 有较高水平的厂家提前制作,从而缩小施工用地、加快施工速度,特别对于城 市中昂贵的地价、工期相对较短具有重大的意义。 2 影响管片选型的主要因素 2.1 隧道设计线路 隧道设计线路各要素的特征原则上决定了管片拼装成环后横断面的走向, 也在总量上限制了管片在一个施工合同中的综合类型分布。 2.1.1 曲线地段 曲线地段线路的曲线要素、纵向坡度的大小、不同衬砌环和组合特征(楔 形量、锥度、偏移量等)决定了要安装的管片类型。 线路所要求提供的圆心角: α =180L/π R 式中:L— 一段线路中心线的长度; R— 线路曲线半径。 K 块(封顶块)不同位置时管片锥度的计算: β =2arctg(δ ×cosθ /2D) 式中: β —管片成环后的锥度。标准环为 0。 δ —转弯环楔形量,即转弯环管片 12:00 时 水平方向内外宽度 差。 D—管片外径。 θ —K 块所在位置对应的角度。 K 块位置 θ 10:00 72° 11:00 36° 12:00 0° 1:00 -36° 2:00 -72
°

我们追求的是 X 环不同类型及封顶块的组合提供的锥度β ′和 X 环管片长 线路所需要的圆心角α 相等的 X 环不同类型的组合,管片选型时应按这种组合 为基准来实施。 2.1.2 直线地段 直线地段原则上装标准环,只是在适当的时候靠转弯环来完成线路的纵 向坡度,以及调整盾构机掘进过程中偏离中线的偏移量。 2.2 盾构机姿态

盾构机姿态决定管片选型 盾构机姿态在某种程度上决定了管片选型。我们在选择要安装的管片类 型时,一定要考虑盾构机的趋势、盾构机偏移中线在水平和竖直方向的程度, 以及计划要在以后几环中调整盾构机到隧道中心线上。 比如盾构机竖直方向偏移中线 16mm,每环 L10 使下一环向下低头 4mm, 则最少需要 4 环 L10 才能调整过来,但此时一定还要同线路的水平特性、盾构机 上下趋势等相结合。 2.3 盾尾间隙 管片安装是在盾尾壳体的支护下完成,安装完的管片应该处于盾尾的正 中央,也就是说,管片外壁和盾尾内壁之间的孔隙是匀均的。所以盾尾姿态也 限制了管片选型。盾尾一般如下图:

如果管处片选型不注意盾尾姿态,使盾尾间隙≤ a,则盾尾就要擦着管片 , 使盾构在掘进的过程中摩擦力增大,降低掘进速度,严重时压破管片边角甚至管片。 2.4 工程地质 刀盘范围内地质软硬不均,掘进不易控制方向,甚至盾构机自行低头或 抬头,使掘进偏离隧道中心线或盾尾不规则倾斜,这样也直接影响到管片选型。 在地质条件复杂特别是下软上硬的地质情况下要更周到的考虑管片选型。 3 管片选型的基本原则和方法 3.1 拟合线路 管片选型基本上是在隧道线路要素的指导下进行的,特别是在曲线地段, 我们是以折线(最短折线长度为一环管片的宽度)来代替设计的光滑曲线,应 该先根据 2.1.1 提供的方法算出具体的管片类型组合来决定要施用的管片。 3.2 管片适应盾尾间隙 进行下一环管片选型的当务之急就是不能使盾尾间隙≤a ,否则,在掘进 时盾尾就有可能破坏管片结构,且对盾构的向前推进造成很大的磨擦阻力。 盾尾和盾构机中体连接的铰接油缸的不均匀伸缩,是造成盾尾间隙不均匀 的直接原因。施工过程中一定要时刻观注着铰接油缸行程差,过大时要在限界 范围内指导主司机向有利的方向偏移,使盾尾顺应管片,有必要时可以人工手 动控制,接回油缸。 管片成圆度不好也会导致盾尾间隙不均匀。这就要在管片选型时,尽可能 平缓地过度到最佳状态,安装管片时按规程及时的上好连接螺栓,为下一环管 片的选型和安装创造条件。 3.3 结合盾构机姿态 管片选型时,特别是综合考虑下几环管片选型时一定要结合盾构机姿态。 在盾构施工过程中,我们注意到管片在某种程度上也影响盾构机掘进的易难。 如果盾构机在左右或上下油缸行程差很大,使盾构机趋势过大甚至偏离中心,

且使推进油缸的撑鞋不能和管片面接触而形成线接触,要完美地控制盾构沿隧 道中线掘进是不容易的,而且使推力在管片上分解出一个接近于径向的分力, 此分力可以通过管片及连接螺栓传递到前一环甚至后几环,如果这个分力超过 了管片砼的抗剪极限,管片就要破损。在实际的施工中,这种情况发生的很多。 盾构机推进过程中油缸行程差过大,也是造成小半径曲线隧道和隧道超 挖过大的一个重要原因,使隧道背衬注浆在管片四周厚度不均,防水困难等。 所以在管片选型时要尽可能地缩小油缸行程差,并且考虑每掘进完一环 线路所形成的油缸行程差,做到预言下几环的管片类型。 3.4 结合特殊管片的要求进行管片选型 在地铁线路中,一般两站间区间隧道长度大于 1KM 时,上下行隧道间设 有联络通道,以使区间隧道在列车发生火灾等意外事故时,乘客能就地下车, 并通过通道安全疏散至另一条平行隧道内。在联络通道和隧道连接处往往是一 些特殊要求的管片。另外有些人防设施处也需安装特殊管片。所以,在进行特 殊管片附近管片选型时一定要结合特殊管片的特殊要求,进行合理的选型。 3.5 与盾构机操作司机协调 在盾构施工中要使主司机明白现在和将来的线路走向和工程地质情况, 以及下一环要安装的管片所能够提供的偏移量和它能抵消的油缸行程差等,以 便主司机掘进有一个明确的目标,从而按理论的管片组合来掘进。 当盾构机掘进方向偏离中线较大时,管片选型者要和主司机共同研究在 多少环中纠正过来,做到主司机和管片选型者想法一致目标统一。 4 管片选型实例 附:衬砌环任意位置宽度的计算公式 J=L±r×δ ×sinθ ÷D 式中: J—衬砌环特定位置宽度 L—衬砌环基本宽度 r—特定位置所在弧面半径 δ —衬砌环楔形量,标准环δ =0 θ —特定位置与铅垂线夹角

D—衬砌环外径

5 结束语 管片选型问题涉及到盾构机的性能和以上几种情况等多方面的原因,是 一项复杂的工作,因此,管片选型者应熟悉管片性能、线路情况、地质情况、 盾构机性能以及主司机的操作水平等。选择最佳的管片类型。


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