寧波軌道交通通用管片排版與糾偏技術(shù)研究

朱繼文 ，林 平 ，成 琨 ，杜冠群

（1.上海城建市政工程（集團）有限公司,上海市200092；2.寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部，浙江寧波 315000）

1 工程概述

根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃，寧波市將首先建設(shè)軌道交通1號線和2號線一期工程，初步形成“十字型”軌道交通基本骨架，線路全長72.1 km。其中，1號線為東西走向的骨干線，沿中山路城市生活軸線布置，全長44.6 km，共分兩期建設(shè)。

區(qū)間隧道都處于②2-1淤泥及②2-2淤泥質(zhì)黏土層，土體具有高靈敏度、高流變性的特點，地質(zhì)情況較為復(fù)雜。各土層的主要參數(shù)如表1所列。同時，1號線工程中有很多區(qū)間為小半徑曲線隧道，對通用管片的拼裝水平要求較高。因此，為保證隧道通用管片的拼裝質(zhì)量，對寧波軟土地區(qū)的通用管片排版與糾偏技術(shù)進行了研究。

表1 主要地質(zhì)土層特征表

2 通用管片的特點

2.1 拼裝形式

管片拼裝方式主要有兩種，即通縫拼裝和錯縫拼裝。通縫拼裝要求管片的縱縫要環(huán)環(huán)對齊，具有拼裝較為方便、易定位、襯砌環(huán)施工應(yīng)力小的優(yōu)點，但同時又有環(huán)面不平整的誤差容易累積、襯砌結(jié)構(gòu)整體性剛度較差等缺點。而錯縫拼裝要求在拼裝時旋轉(zhuǎn)一定角度來避免通縫，它有利于襯砌本身傳遞圓環(huán)內(nèi)力。錯縫拼裝的隧道比通縫拼裝的隧道整體性強，而且在接縫防水上，環(huán)縱縫相交呈丁字形比十字形的通縫拼裝容易處理。可見，錯縫拼裝具有比通縫拼裝更多的優(yōu)點，因此，目前我國的隧道工程中采用錯縫拼裝技術(shù)的工程日益增多。該工程也規(guī)定了隧道區(qū)間采用錯縫拼裝的形式。

2.2 通用管片基本參數(shù)

該工程采用的通用管片為統(tǒng)一的形式，其內(nèi)徑為5 500 mm，外徑為6 200 mm，厚度為350 mm，環(huán)寬為1.2 m。該管片設(shè)計為雙面楔形環(huán)，最大楔形量為37.2 mm，每環(huán)楔形角20'37.59"。每環(huán)由6塊管片構(gòu)成，包括封頂塊1塊（F）、鄰接塊2塊（L1、L2）、標準塊 3塊（B1、B2、B3）。該管片共有 16個拼裝點位，管片環(huán)縫采用凹凸榫槽結(jié)構(gòu)。具體管片構(gòu)造圖見圖1所示。

圖1 通用管片構(gòu)造圖

2.3 管片超前量

寧波軌道交通工程中采用16個點位的通用管片，每次旋轉(zhuǎn)的角度為22.5°。其中，封頂塊F塊為環(huán)寬最小處，即1 181.4 mm，對應(yīng)最大環(huán)寬為1 218.6 mm。設(shè)封頂塊F塊在上部正中時的管片姿態(tài)為圓環(huán)K1，當K1順時針旋轉(zhuǎn)22.5°時，將此時封頂塊所處的位置狀態(tài)定義為K2。依次類推，可得到K3～K16的拼裝位置。

在管片旋轉(zhuǎn)的同時，其上部、下部、左部、右部的超前量也相應(yīng)地發(fā)生了變化，超前量的計算公式如下：

如圖2所示，式中S（雙面楔形量）為管片的楔形量，當順時針轉(zhuǎn)過θ角時，取相應(yīng)的超前量為Sθ（單面楔形量）。經(jīng)計算，各點位的超前量值如表2所列。

圖2 管片超前量的示意圖

表2 通用管片超前量對照表（單位：mm）

3 設(shè)計排版

3.1 排版原則

在管片拼裝作業(yè)前，需要根據(jù)設(shè)計軸線的要求確定通用管片封頂塊的位置，而在管片選擇中必須要遵循以下兩大原則：

（1）該工程采用錯縫拼裝的形式，但考慮到錯峰拼裝的內(nèi)力大，且限制了管片的可拼裝自由度，特別是不利于曲線段的線型擬合。因此，允許采用部分通縫進行管片拼裝，具體規(guī)定如下：嚴禁采用全通縫拼裝，即6條通縫；管片環(huán)之間允許采用小通縫，即1～2條通縫；相鄰兩環(huán)可采用大通縫，即3～5條通縫，但嚴禁三環(huán)及以上的管片環(huán)出現(xiàn)連續(xù)的大通縫。

（2）封頂塊一般是在最后安裝的，考慮到管環(huán)底部位置受力較大，且不易安裝，如果封頂塊安裝在底部位置，將加大拼裝的難度，且對于施工安全有一定的隱患，故避免將封頂塊安裝在底部的范圍。該工程嚴禁拼裝K8、K9、K10的點位。

3.2 管片選型

按照線型的分類，主要有直線段、圓曲線和緩和曲線。對于該工程的通用管片，直線段主要采用【K5、K13】的管片組合（上 /下超前量為 0、左 /右超前量為0）。

下面主要結(jié)合該工程的小半徑曲線盾構(gòu)施工，介紹通用管片的選型方法。

不同半徑的圓曲線超前量計算可簡化為圖3所示。在圖3中，取圓曲線的半徑為R，管片的環(huán)寬為W，管片環(huán)所對應(yīng)的圓心角為α，隧道半徑為r，定義平均每環(huán)超前量為Δ?？傻茫?/p>

圖3 每環(huán)超前量計算簡圖

因此，對于寧波軌道交通工程中半徑為300 m的隧道軸線，其每環(huán)管片所需的平均超前量為Δ=該工程所使用的管片超前量37.20 mm、34.36 mm、26.30 mm、14.24 mm，以及0超前量。因此，以右轉(zhuǎn)彎為例，可采用K5、K7、K2、K3的管片基本組合，其超前量為104 mm（24.8 mm×4=99.2 mm≈104 mm）。

4 動態(tài)糾偏

在實際施工中，管片拼裝的軸線與隧道設(shè)計軸線總存在一定的偏差，因此，應(yīng)根據(jù)不同的偏差量采取針對性的措施進行控制。根據(jù)《盾構(gòu)隧道施工與驗收規(guī)范》對管片拼裝完成后的允許偏差規(guī)定為± 50 mm。據(jù)此，該工程將管片拼裝的偏差分為<50 mm、50～100 mm、>100 mm。經(jīng)過相關(guān)學(xué)者對管片排版影響因素的分析，并統(tǒng)計現(xiàn)場管片施工的經(jīng)驗，盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾間隙、千斤頂行程是影響管片糾偏的三大重要影響因素。在不同的糾偏過程中，須實時控制此三大因素。

4.1 參數(shù)控制

當偏差量不大時，主要通過關(guān)鍵參數(shù)的控制，以對管片成型軸線進行微調(diào)。

（1）充分利用富余的盾尾間隙。在保證最小盾尾間隙的前提下，可利用盾尾間隙的可改變量控制盾構(gòu)機掘進的狀態(tài)。

（2）控制千斤頂行程差。千斤頂行程與盾尾間隙、盾構(gòu)推進姿態(tài)緊密聯(lián)系，在糾偏過程中，應(yīng)保證盾尾間隙的最小限制，且控制好盾構(gòu)機的推進姿態(tài)，因此必須實時監(jiān)控千斤頂行程差的發(fā)展趨勢，以保證盾構(gòu)機軸線、管片軸線與設(shè)計軸線之間的空間關(guān)系。

（3）合理調(diào)整盾構(gòu)機推進姿態(tài)。盾構(gòu)機的姿態(tài)影響著管片成型的姿態(tài)，加大盾構(gòu)機的首尾差，調(diào)整盾構(gòu)機盾首的方位，可改善盾構(gòu)機的掘進狀態(tài)，進而保證管片拼裝對設(shè)計軸線的擬合。

（4）增加管片超前量的使用。通用楔形管片不同點位的楔形量有所不同，當偏差較大時，可利用大超前量的管片點位，改變管片的成型姿態(tài)，逐步擬合設(shè)計軸線。

4.2 曲線設(shè)計

當偏差較大時，除了實時控制關(guān)鍵參數(shù)，還應(yīng)考慮重新設(shè)計糾偏曲線。綜合施工過程中各種軸線的擬合情況，可將模型簡化為如下兩種情況（見圖4）。對于成型軸線與DTA成小夾角的情況，圖4（a）中，L'為糾偏的范圍，由于δ偏差較小，相對于L'小得多，近似有L'≈L，由幾何關(guān)系可得糾偏曲線的半徑為：

圖4 糾偏曲線示意圖

以偏差為50 mm為例，設(shè)定每環(huán)糾偏量在5mm，則最少需要的糾偏環(huán)數(shù)為10環(huán)，進而可得糾偏范圍為L'約為12 m，根據(jù)公式（2），可得糾偏半徑為R=1 440 m，再由公式（1）可得平均每環(huán)超前量約為5.17 mm。按照此超前量的要求，可以進行管片組合的選擇。

對于成型軸線與DTA成大夾角的情況，如圖4（b）所示，按照糾偏曲線緩和平穩(wěn)的原則，設(shè)計兩段糾偏曲線進行糾偏，第一段糾偏曲線主要是減少大夾角，使成型軸線與DTA保持較好的趨勢，調(diào)整為小夾角，即進入第二段糾偏曲線。其中，第二段糾偏曲線可以參考小夾角的情況進行糾偏曲線設(shè)計，而第一段糾偏曲線的半徑需要由技術(shù)人員進行設(shè)定選取。

按照理論計算，并結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，對于大于100 mm的大偏差量進行糾偏時，所需的最少糾偏環(huán)數(shù)如下：（1）管片軸線與DTA成大夾角：30環(huán)以上；（2）管片軸線與DTA成小夾角：20環(huán)以上。

5 管片選型實例

寧波軌道交通工程東環(huán)南路站-出入段區(qū)間，左線長度為664.416 m，隧道頂部埋深4.5 m～11.6 m，線路最小縱坡2‰，最大縱坡-35‰，隧道軸線的最小半徑為R=300 m。在管片的前期作業(yè)中，施工單位按照平均每環(huán)超前量約為25 mm的要求進行管片選型，以擬合小半徑曲線。但拼裝至12環(huán)時，管片平偏為112 mm，超過了50 mm的允許要求。根據(jù)上述的糾偏措施，重新設(shè)計糾偏曲線。通過盾構(gòu)的測量系統(tǒng)已知管片與DTA成小夾角，故最少糾偏環(huán)數(shù)為20環(huán)，其糾偏曲線的半徑為：

據(jù)此，可根據(jù)此糾偏曲線進行管片選擇。圖5顯示12環(huán)～30環(huán)的管片平偏趨勢。可見，通過約23環(huán)的糾偏管片，管片成型曲線的偏差返回到了50 mm以內(nèi)，糾偏效果顯著。

圖5 12環(huán)～40環(huán)糾偏管片的平偏曲線圖

6 結(jié)語

通用管片相對于傳統(tǒng)管片形式，具有可擬合不同半徑曲線、模具統(tǒng)一、止水效果明顯等優(yōu)點，在國內(nèi)外的應(yīng)用日益增多。但對于管片排版與糾偏的研究還比較缺乏，本文結(jié)合寧波軌道交通項目的現(xiàn)場施工經(jīng)驗，對管片的設(shè)計選型與糾偏措施給出了其操作方法，對類似工程的通用管片排版與糾偏施工具有重要的參考價值。

[1]李偉平，鄭國平.盾構(gòu)隧道通用楔形管片排版系統(tǒng)的核心算法研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008（5）：34-37.

[2]戴仕敏，李章林，何國軍.大型通用楔形管片拼裝施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2006，26（4）：64-67.

[3]宋瑞恒，黃醒春，羅漢中，朱繼文.盾構(gòu)隧道通用管片排版與糾偏軟件開發(fā)研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2009（3）：557-562.

[4]儲柯鈞.地鐵盾構(gòu)管片在平、豎曲線上的排版探討[J].隧道建設(shè)，2007，27(4):20-22,25.

[5]趙志杰，金先龍，曹源，沈建奇，杜新光.盾構(gòu)隧道通用管片虛擬拼裝系統(tǒng) [J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2007（9）：1196-1199.