管片分塊與盾構(gòu)推進(jìn)油缸布置的研究

李 楊，張學(xué)韜，白韜光

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031；2.中船重工(青島)軌道交通裝備有限公司，山東 青島 266109)

隨著我國大規(guī)模過江隧道及城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，盾構(gòu)法施工逐漸成為隧道施工的主流技術(shù)。盾構(gòu)隧道常采用管片襯砌作為永久支護(hù)，管片選型與設(shè)計(jì)是隧道工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到隧道工程的施工進(jìn)度、工程安全及工程壽命。關(guān)于盾構(gòu)隧道管片的設(shè)計(jì)，目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范。盾構(gòu)設(shè)備生產(chǎn)在國內(nèi)尚處于初級階段，國內(nèi)生產(chǎn)廠家尚不具備自主研發(fā)和生產(chǎn)能力，盾構(gòu)的整體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件生產(chǎn)均靠國外提供。

管片選型與盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：①盾構(gòu)推力確定；②推進(jìn)油缸的規(guī)格參數(shù)、外形尺寸及數(shù)量計(jì)算；③推進(jìn)油缸的布置方式；④推進(jìn)油缸的控制等。盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)油缸的布置由管片的分塊角度和封頂塊的拼裝位置決定，由于施工設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)習(xí)慣和施工經(jīng)驗(yàn)差異，全國各地隧道襯砌管片的結(jié)構(gòu)形式不一而足。

本文以外徑?6 000mm，內(nèi)徑?5 400mm的地鐵管片為例，通過對管片結(jié)構(gòu)形式與推進(jìn)油缸的布置方案的研究，建立推進(jìn)油缸布置的典型方案；結(jié)合施工工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)，得出不同施工機(jī)型下，管片選型優(yōu)化方案，為管片分塊和推進(jìn)系統(tǒng)油缸布置提供理論依據(jù)，為管片選型和盾構(gòu)選型匹配奠定理論基礎(chǔ)。

1 管片結(jié)構(gòu)形式

1.1 管片襯砌形式

目前，國內(nèi)地鐵隧道襯砌常用平板式單層預(yù)制鋼筋混凝土管片，其襯砌形式有以下3種：①標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與左、右轉(zhuǎn)管片組合襯砌；②左、右轉(zhuǎn)管片襯砌；③通用型管片襯砌。采用何種襯砌形式，一方面取決于隧道本身線路情況，另一方面取決于工程單位的設(shè)計(jì)、施工習(xí)慣。

通用性管片由于受施工經(jīng)驗(yàn)的影響，國內(nèi)應(yīng)用較少。近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，通用性管片逐漸得到認(rèn)可，并成為一種趨勢。管片的襯砌形式對盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)油缸的布置位置影響不大。

1.2 管片寬度選擇

管片寬度增加，等長度隧道環(huán)縫數(shù)量減少，漏水環(huán)節(jié)減少，可以提高隧道的縱向剛度，降低施工造價，加快施工進(jìn)度。但管片寬度也應(yīng)考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、油缸行程、線路曲線及施工技術(shù)等因素。目前，外徑?6 000mm，內(nèi)徑?5 400mm的地鐵管片寬度主要有1 200mm和1 500mm兩種規(guī)格。

1.3 管片分塊方案

盾構(gòu)隧道管片分塊需考慮以下因素：管片的拼裝形式、盾構(gòu)的拼裝能力、縱向螺栓的位置分布等。管片的分塊方案主要有3種：①封頂塊等分方案；②1/2封頂塊方案；③1/3封頂塊方案。目前國內(nèi)地鐵隧道管片基本采用1/3封頂塊方案。

圖1是外徑?6 000mm，內(nèi)徑?5 400mm的地鐵管片的一種典型結(jié)構(gòu)。該型管片為5+1key塊結(jié)構(gòu)，3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（中心角72°）、2塊鄰接塊（中心角64.5°）和1塊封頂塊（中心角15°）；縱向連接螺栓為10根，間隔角度36°，為保證拼接剛度和防水效果，錯縫拼裝。該型管片可以應(yīng)用于3種襯砌形式。深圳地鐵2號線就采用此種分塊形式的通用型管片，不分左右轉(zhuǎn)，一套模具，生產(chǎn)效率高。

圖1 15°封頂塊管片分塊形式

2 管片拼裝位置

2.1 管片拼裝點(diǎn)位

對圖1所示的管片，管片間縱向螺栓為10個,沿圓周方向均布,相鄰的兩個環(huán)向螺栓孔與管片中心所成角度為36°。為保證管片間的環(huán)向連接，管片沿環(huán)向有10個安裝位置,每個位置稱為管片的一個拼裝點(diǎn)位，管片拼裝點(diǎn)位示意圖如圖2所示。

圖2 管片拼裝點(diǎn)位示意圖

2.2 錯縫拼裝

為保證防水效果,管片拼裝方式采用錯縫拼裝。管片的相鄰點(diǎn)位之間夾角為36°,而管片標(biāo)準(zhǔn)塊兩縱縫的夾角為72°,因此要避免管片通縫拼裝,相鄰兩環(huán)管片的拼裝點(diǎn)位相對差值不能是偶數(shù)位。管片錯縫拼裝可按表1進(jìn)行。

表1 管片錯縫拼裝點(diǎn)位對應(yīng)表

2.3 油缸行程控制

在掘進(jìn)過程中，隨著隧道線路和地質(zhì)條件的變化，盾構(gòu)需通過調(diào)整推進(jìn)油缸壓力和行程，實(shí)時調(diào)整盾構(gòu)的掘進(jìn)姿態(tài)，保持正確的掘進(jìn)；同時，由于楔形管片襯砌，推進(jìn)油缸的行程也需要實(shí)時調(diào)整。因此，在掘進(jìn)中，每組油缸的壓力和行程是實(shí)時變化的，各不相同。

3 推進(jìn)油缸的布置原則

盾構(gòu)推進(jìn)時，由于推進(jìn)油缸直接作用于管片上，因此推進(jìn)油缸的布置主要考慮管片的結(jié)構(gòu)形式、分布方位、受力點(diǎn)布置、管片組裝施工方便性等方面的因素。需滿足下列要求：①為使管片在徑向受力均衡，推進(jìn)油缸的軸線設(shè)計(jì)應(yīng)分布在管片?5 700mm的中心圓上。②管片由1個封頂塊、2個鄰接塊和3個標(biāo)準(zhǔn)塊組成，采用環(huán)間采用10個螺栓連接，錯縫拼裝。根據(jù)施工需要和拼裝要求，封頂塊可以出現(xiàn)在圓周方向任意位置。無論管片如何錯動，每塊管片所受推進(jìn)力應(yīng)是均等的，并且整個襯砌環(huán)受力均勻，為此，推進(jìn)油缸在布置時，要求其環(huán)向間隔角度與管片錯動角相適應(yīng)。

推進(jìn)油缸的根數(shù)可按下式計(jì)算

式中 n—推進(jìn)油缸根數(shù)；

k—油缸修正系數(shù)，k取自然數(shù)；

α—連接螺栓的間隔角度。

根據(jù)式（1），當(dāng)連接螺栓間隔角度為36°時，在整圓范圍內(nèi)，推進(jìn)油缸總數(shù)為l0的倍數(shù)。在實(shí)際情況下，根據(jù)隧道路線情況及設(shè)備的拼裝能力，封頂塊的位置常位于管片拼裝環(huán)的上半周，即封頂塊的位置一般位于正上方或偏離正上方±18°及±54°的位置，此時，推進(jìn)油缸的總數(shù)會有所變化。③考慮管片在整個襯砌環(huán)受力均勻，油缸布置應(yīng)沿垂直軸線、水平軸線均勻?qū)ΨQ布置。④為保證管片的拼裝效果，每塊管片的推進(jìn)油缸不能相互干擾。

4 推進(jìn)油缸布置方案

4.1 推進(jìn)油缸的通用布置方案

為保證管片襯砌軸線與隧道軸線最大限度的擬合，封頂塊的襯砌位置應(yīng)在全圓周范圍內(nèi)布置。以封頂塊起始位置位于圓周正上方偏離18°（不拘順時針、逆時針），安裝位置沿全圓周布置為例，進(jìn)行推進(jìn)油缸布置方式研究。

1）圖3給出油缸布置的3種方案，根據(jù)管片拼裝原則可以看出，以下均不能滿足封頂塊全圓周布置的拼裝要求。

圖3 推進(jìn)油缸數(shù)量為10、20及30時布置方案

2）采用雙油缸結(jié)構(gòu)，有效解決油缸壓縫問題。由圖4可以看出，采用20組30根油缸（單雙油缸分開布置）可以滿足管片拼裝要求。

圖4 20組30根油缸布置方案

當(dāng)管片分塊與圖1所示結(jié)構(gòu)相差不大，且管片環(huán)向連接螺栓間隔角度為36°時，圖4所示的油缸布置方案都是可行的。如封頂塊起始位置發(fā)生變化時，只需將圖4的油缸布置旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度即可。

4.2 推進(jìn)油缸的特殊布置

根據(jù)地質(zhì)條件和施工工藝的不同，設(shè)備配置差異很大。在盾構(gòu)和單護(hù)盾TBM中，如需配置超前鉆機(jī)，對前方地質(zhì)進(jìn)行超前探測和超前加固時，需考慮超前注漿孔與推進(jìn)油缸的空間位置是否相互影響；在雙護(hù)盾TBM中，設(shè)置有主支撐和超前鉆，推進(jìn)油缸的布置需避免與主支撐和超前注漿管的相互干涉。在這些情況下，推進(jìn)油缸的布置位置、數(shù)量及結(jié)構(gòu)尺寸受限，難以實(shí)現(xiàn)封頂塊在全圓周上的拼裝。

根據(jù)管片拼裝方案，當(dāng)封頂塊只要求拼裝于圓周正上方偏離±18°2個拼裝位置時，可按圖5所示進(jìn)行油缸布置，此時配置12根油缸即可滿足管片拼裝要求。根據(jù)管片拼裝方案，當(dāng)封頂塊拼裝位置要求在正上方偏離±18°和±54°4個位置時，需配置14組18根油缸，如圖6所示。

圖5 12根油缸布置方案

圖6 14組18根油缸布置方案

以上兩種布置方案，在盾構(gòu)（或TBM）縱軸線方向能避免與主撐靴油缸干涉；在掘進(jìn)機(jī)上部，充分保證超前注漿的空間布置要求。油缸位置可根據(jù)設(shè)備的具體要求稍作調(diào)整。

以上兩種布置方案，能滿足管片拼裝的特殊要求。但由于支撐在管片上的油缸的數(shù)量減少，在保證設(shè)備掘進(jìn)推力的情況下，單根油缸的推力增大，油缸對管片局部區(qū)域的比壓增大，管片易壓潰；同時由于作用在每塊管片上的油缸的數(shù)量不同，為保證拼裝效果，對油缸的控制提出更高的要求；對整環(huán)管片而言，上下半周油缸的數(shù)量不同，不利于盾構(gòu)設(shè)備掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整。

4.3 22.5°管片分塊

為保證作用在每塊管片上的油缸的數(shù)量相同；保證盾構(gòu)設(shè)備姿態(tài)調(diào)整靈活；將油缸的總數(shù)控制在一個合理范圍內(nèi)，避免與主支撐和超前注漿管的空間干涉，可采用如圖7所示的管片分塊方案。

圖7 22.5°管片分塊及油缸布置方案

管片外徑?6 000mm，內(nèi)徑?5 400mm，環(huán)向分為6塊，3塊A型標(biāo)準(zhǔn)塊（中心角67.5°）、2塊鄰接塊（中心角67.5°）和1塊封頂塊（中心角22.5°）。管片間縱向采用16根螺栓連接，間隔角度為22.5°，圓周均布。管片環(huán)與環(huán)之間采用錯峰拼裝。

采用此種管片分塊結(jié)構(gòu)，只需配置16根推進(jìn)油缸。此時推進(jìn)油缸沿整圓周均勻布置，作用在每塊管片上的油缸的數(shù)量相同，可以方便實(shí)現(xiàn)管片拼裝，控制設(shè)備姿態(tài)；同時為主支撐和超前注漿管留有充足空間。北京地鐵4號線盾構(gòu)區(qū)間即采用該型管片。

采用盾構(gòu)或單護(hù)盾TBM進(jìn)行施工，當(dāng)不配備超前鉆時，推進(jìn)油缸的布置不受空間限制，管片的分塊形式比較自由，可采用圖1或圖7所示管片方案；當(dāng)采用盾構(gòu)或單護(hù)盾TBM配備超前鉆及采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工時，由于主支撐和超前注漿管的位置影響，推進(jìn)油缸的空間布置受限，若采用圖1所示的管片結(jié)構(gòu)，難以保證封頂塊在全圓周范圍內(nèi)的拼裝位置，隧道管片的轉(zhuǎn)彎及糾偏稍顯復(fù)雜，施工難度增大。此時建議采用圖7所示的管片分塊方式。

5 結(jié) 語

本文通過對目前常用的管片分塊形式及油缸布置方案的分析，建立不同管片分塊形式下，推進(jìn)油缸的布置模型；根據(jù)設(shè)備選型和管片拼裝要求，得出油缸的特殊布置方案。根據(jù)工程設(shè)計(jì)的設(shè)備選型推薦方案，得出在不同設(shè)備配置下管片分塊的優(yōu)先推薦方案。為今后隧道設(shè)計(jì)中管片與設(shè)備選型的相互匹配奠定基礎(chǔ)。

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