盾构机管片选型和安装

林建平

在盾构法施工中，管片的选型和安装好坏直接影响着隧道的质量和使用寿命。本文根据广州地铁三号线客～大区间的实际施工情况，就盾构管片选型和安装技术做总结分析。

一、工程概况

客～大盾构区间分为两条平行的分离式单线圆形盾构隧道，总长度为3016.933米，管片生产与安装2011环。管片外径6000mm，内径00mm，宽度1500mm，防渗等级S10，砼C50。依据配筋将管片分为A、B、C三类，C类配筋最高、B类配筋最低；管片的楔形量38mm，分左转、右转、标准三类。

二、管片的特征 1、

管片的拼装点位

本区间的管片拼装分10个点位，和钟表的点位相近，分别是1、2、3、4、5、7、8、9、10、11。

管片划分点位的依据有两个：管片的分块形式和螺栓孔的布置。拼环时点位尽量要求ABA（1点、11点）形式。在广州盾构隧道管片要求错缝拼装，相邻两环管片不能通缝。管片拼装点位有很强的规律，管片的点位可划分为两类，一类为1点、3点、5点、8点、10点；二类为11点、2点、4点、7点、9点。同一类管片不能相连，例如1点后不能跟3、5、8、10这四个点位，只能跟11、2、4、7、9五个点位。在成型隧道里两联络通道之间的奇数管片是同一类，偶数管片是同一类。

选管片的规律如下图1： 图1 点位 1点 2点 3点 4点 5点 7点 8点 9点 10点 11点 1点 × √ × √ × √ × √ × √ 2点 √ × √ × √ × √ × √ × 3点 × √ × √ × √ × √ × √ 4点 √ × √ × √ × √ × √ × 5点 × √ × √ × √ × √ × √ 7点 √ × √ × √ × √ × √ × 8点 × √ × √ × √ × √ × √ 9点 √ × √ × √ × √ × √ × 10点 11点 × √ × √ × √ × √ × √ √ × √ × √ × √ × √ × （竖列表示拼装好的管片，横向：√-表示可选后续的管片；×-表示不可选后续的管片）

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2、隧道管片排序

鉴于管片拼装的规律性，所以盾构施工前必须对隧道管片做好排序，并根据设计，模拟出联络通道和泵房位置，管片拼到联络通道处时，点位要正好和设计点位符合，否则联络通道位置会被改变。在本工程中，是从左线始发，第325、326环处是联络通道，此处拼装点位是11点，将标准块A3块拼到洞门位置。盾构始发时的负环是6环，1环零环。从负环到325环共332环，第325环是11点，相当于第332环是11点，那么负环第一环点位应该是1点，或3点、5点、8点、10点。

管片排序时，要优化洞门的长度，在广州洞门长度要求在400mm以上，一环管片的长度是1500mm，在条件允许的条件下，通过调整始发负环的位置，把每节隧道两端的洞门长度之和控制在1500mm以内，当隧道长度除以管片长度的余数大于两倍最小洞门宽度800mm（各地洞门的最小宽度要求不同）时，就取余数的一半为洞门长度。例如本工程有一段盾构隧道长609.86m，609.86m除以1.5（m/环）是406环余860mm，那洞门长度应取430mm。那么盾构始发时，零环深入隧道的长度应控制到430mm。 3、管片楔形量计算 1）楔型管片分为前楔型，后楔型、等腰梯形型。客大区间用的管片为后楔形，后楔型和等腰梯形型容易控制管片方向，纠偏比较灵活，前楔形一般不可取。 ①后楔形纠偏示意图 ② 前楔形纠偏示意图 ③等腰楔形纠偏示意图 如上图所示，在楔形量相同的情况下，后楔形管片纠偏的能力最强，前楔形管片 2 纠偏能力最差。

2) 管片楔形量的确定

隧道在曲线上，外边长大于内边长，以及盾构机姿态始终蛇行前进，所以要求管片在隧道里拼装时，可以灵活的调整走向，即需要管片设计楔形量。

确定管片楔形量的因素有三个，1、线路的曲线半径；2、管片宽度；3、标准环数与楔形环数之比∪值（∪值一般不小于1）；4、楔形量管模的使用地域。广州三号线管片楔型量36mm。 本区间的曲线半径为1000m，∪=3（经验值），环宽1.5。楔形量计算如下： 有几何关系得β=γ=Θ；L=4×1.5m=6.0m β=L/R=6.0/1000=0.006=0.343O δ=L1-L2 L1=（R+3）m×β=1003×0.006=6.018m L2=（R-3）m×β=997×0.006=5.982m δ

L1-L2=6.018m-5.982m=0.036m=36mm 所以确定δ=36mm。 3）管片楔形面圆周上每一点的楔形量计算： = B点是管片最窄处的一点，A点为楔形面圆周上的任意一点。 3 A点的楔型量计算如下： arctg(Q)=36/6000=0.006 Q=0.343度 L=3000.(1-COS(B))

X=3000.(1-COS(B)).36/6000 A点的楔型量：X=18.(1-COS(B))

管片各点位的楔型量 通用公式也是：X=18.(1-COS(B))

举例：A点与B点的夹角90o，侧A点的管片楔形量为X=18.（1-cos（90））=18mm。 一般施工中用的楔形量都是相对于标准环。那么标准=X-18，得A点的楔形量为0。

用上述公式可以算得楔形环任何部位的楔形量。 4）管片纠偏量和盾尾间隙变化的关系如下图： H：表示盾尾间隙变化量，

楔形量δδ：表示相应位置处管片的楔型量 如图所示△ABC≌△CDE,则H=1.5×δ/3.0=0.5δ。 4、管片选型错误引起的后果分析 1）除过起填充作用的背后浆液外，管片是隧道唯一衬砌、受力体系。所以管片的正确选型非常重要，如管片选型错误时，会引起隧道渗水、管片开裂、管片错台。如图所示，由于选型错误，盾尾间隙小过45mm（海瑞克盾构机），管片和盾壳切在一起，管片的外棱和边角会被盾壳剐裂，导致管片止水条部位的混凝土开裂掉块，管片拼起来后，止水条部位就会形成漏水通道，造成隧道漏水。

2）、导致油缸行程差过大，油缸作用在管片上的力不均匀，盾构机无法纠偏，管片会受到集中应力，容易把管片推裂。

3）、不符合盾构机的姿态、线路走向、以及上一环的管片姿态时，新管片和上一环管片无法紧密接触，在盾构机的推力作用下，管片容易形成错台。

4)、盾构掘进往往有盾尾漏浆现象，当尾刷里进浆液时，在加大油脂注入量的同时，盾尾间隙一定要调整均匀。否则进入尾刷的浆液一旦凝固之后，就取不出来，这样以来，易损伤盾尾，损伤盾尾后更易造成漏浆，漏浆后又造成尾刷破损，形成恶性循环。如下图所示，由于浆液进入尾刷根部，凝结后形成硬块，是尾刷变形范围减小，当盾尾间隙调整不合适时，造成尾刷磨损、管片刮裂、管片错台。

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三、管片选型 1、管片选型的影响因素 1.1、盾构机的盾尾间隙的影响 盾尾与管片之间的间隙叫盾尾间隙。 如果盾尾间隙过小，则盾构机在掘进过程中盾尾将会与管片发生摩擦，增加盾构机向前的阻力和造成管片压坏引起隧道渗漏水，同时盾尾密封效果减弱造成盾尾漏浆。

1.2、推力油缸行程和铰接油缸行程差对管片的选型的影响。

盾构机是依靠推力油缸顶推在管片上产生的反力向前掘进的，推力油缸按上、下、左、右四个方向分成四组，每一个掘进循环这四组油缸的行程的差值反应了盾构机与管片的平面位置之间的空间关系，可以看出下一个掘进循环盾尾间隙的变化趋势。当管片平面不垂直于盾构机轴线时，各组推进油缸的行程就会有差异，当这个差值过大时，推进油缸的推力就会在管片环的径向产生较大的分力，从而影响已拼装好的隧道管片以及掘进姿态。通常我们以各组油缸行程的差值的大小来判断是否应该拼装转弯环，在两个相反的方向上的行程差值超过40mm时，就应该拼装转弯环来进行纠编。通过转弯环的调整左右与上下的油缸行程差值就控制在30mm以内，有利于盾构掘进及保护管片不受破坏。

铰接油缸可以被动收放，有利于曲线段的掘进及盾构机的纠偏。同样铰接油缸的行程差也影响管片的选型。这时应将上下或左右的推进油缸行程差值减去上下或左右的铰接油缸行程差值，最后的结果作为管片选型的依据。

2、管片选型原则

管片选型的原则有三个：①、管片选型要适合隧道设计线路；②、管片选型要适应盾构机的姿态；③、根据现有的管模数量和类型，及生产能力。

第一：管片选型要适合隧道设计线路: 1、

根据隧道的埋深和地质状况，管片分为A、B、C三类。

2、根据隧道中线的平曲线和竖曲线的走向，管片分为标准环、左转弯、右转弯三类。直线上选标准环，左转曲线上选左转环，右转曲线上选右转环。其中转弯环数量的计算公式如下：

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θ=2γ=2*arctg（δ/D）

式中：

θ——转弯环的偏转角

δ——转弯环的最大楔型量的一半 D——管片直径

根据圆心角的计算公式

α=180L/（πR）

式中：

L——段线路中心线的长度 R——曲线半径

而θ=α，将之代入的到L=6.3m，所以在圆曲线上每隔6.3m一个转弯环（N=6.3m/1.5=4环，即平均4环一个转弯环）。经过实际计算，在缓和曲线上，也近似于6.3m一个转弯环。

第二：管片选型要适应盾构机的姿态

管片是在盾尾内拼装，所以不可避免的受到盾构机姿态的约束。管片要尽量垂直于盾构机轴线，让盾构机的推进油缸能垂直地推在管片上，这样使管片受力均匀，掘进时不会产生管片破损。同时也要兼顾管片与盾尾之间的间隙，避免盾构机与管片发生碰撞而破损管片。当因地质不均、推力不均等原因，使盾构机偏离线路设计轴线时，管片的选型要适应盾构机的姿态。

根据盾构机姿态选管片的计算方法如下：

假定push rams(推进油缸)行程：上：1850 mm 下：1830 mm 左：1820 mm 右：1840 mm Articulation ramas（铰接油缸）行程上：80 mm 下：70 mm 左：62 mm 右：75 mm

盾尾间隙：上：65 mm 下：80 mm 左：60 mm 右：90 mm

因推进油缸、铰接油缸安装在中盾上，反力支座在同意不部位，所以推进油缸的行程差减去铰接油缸的行程差是管片要校正的偏移量。

上下（上减下）：（1850-1830）-（80-70）=+10mm 右左（右减左）：（1840-1820）-（75-62）=+7mm

盾构机油缸的行程差大于5mm时，需要选楔型环，下一环所选楔型环管片的最大楔形量应处于右上方，管片走向应左向下，即要选左转环10点或右转环4点。

如果盾尾和管片都处于真圆状态，上下盾尾间隙之和、及左右盾尾间隙之和分别等于150mm。所选管走向应使盾尾间隙趋于均等。

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盾尾间隙差：上下（上减下）： 65-80=-25mm

右左（右减左）： 90-60=+30mm

通过盾尾间隙判断，下一环管片走向应该是右下方，即选右转环11点或10点。 但行程差判断下一环管片走向应是左下方。综合考虑油缸行程差和盾尾间隙，管片应拼向下，或向右下方，那么只能从右转11点和10点两个里面选一个不通缝的点位。

在进行管片选型的时候，只有盾尾间隙接近警戒植（60mm）时，才根据盾尾间隙选择管片。

第三、根据现有的管模数量和类型及生产能力

现有管模四套，两套标准环管模，一套左转环管模，一套右转环管模，每套管模每天能生产两环管片。为了满足每天掘进8～9环的进度要求，用转弯环代替标准环，例如用一套左转环和一套右转环来代替两个标准环。

3、VMT系统选管片

根据VMT系统程序中对各种相关因素的预先设定，程序会给所有后续管片进行评估，其中不利因素最少的一环会被选中。程序会沿已经计算好的纠偏曲线进行下一次模拟计算，预测第二环管片选型，即程序把预测的上一管环作为参考管环，进行下一管环顺序的计算。

以下为VMT系统程序管片选择步骤：

在一环掘进当中，主千顶的行程达到1700mm左右时，手动测量上一环管环的盾尾间隙。当掘进结束，推进油缸未收缩前，按相应格式把测的盾尾间隙输入程序，VMT系统就开始计算管片拼装点位。当计算结果出来后，接着操作人员应当检查上一环管片选型是否正确。如果其前面的操作无误，则此类管片应当是正确的。

VMT系统会计算的结果显示在屏幕的。如果对建议的管环满意，则可选择按键“Build”，进行管片拼装。

如果对建议的管环类型不满意，或现有管片的类型，则可对其进行更换。首先选择屏幕要被替换的管环，接着从右栏中选定希望用的管片类型。利用屏幕上的箭头执行替换操作。

如果一个管环是通过这种方式手动改变的，则管环类型型号码的两边就会有“**”标识。此时就会对纠偏曲线进行重新计算。如果管片类型选择错误，后续管片就呈现红色警告。 四、盾构管片安装 1、拼装机械设备；

管片安装器整体外形为一圆环状，套装在2个安装器行走悬伸臂上，主要用于管片的拼装衬砌。其安装头具有6个自由度，包括随安装器的前后移动、旋转运动、伸举运动和绕管片自身的三轴旋转运动，管片安装手通过操作控制台能够精密控制管片的动作

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和定位。

管片安装器由液压驱动，安装器旋转的旋转角度在±200°范围。 2、管片的堆放运输；

1）、管片出厂前逐片进行尺寸、外观的检测，不合格者不允许出厂。外观的检测内容有： 管片表面光洁平整，无蜂窝、露筋，无裂痕、缺角，无汽、水泡，无水泥浆等杂物；灌浆孔螺栓套管完整，安装位置正确。轻微的缺陷进行修饰，止水带附近不允许有缺陷。

2）、达到龄期并检验合格的管片有计划的由平板车运到施工现场，管片运输时之间用垫木垫实，以免使管片产生有害裂纹，或棱线部分被碰坏。

3）、管片到达现场后由龙门吊卸到专门的管片堆放区。管片堆放区应选择适当，以免因其自重造成场所不均匀沉降和垫木变形而产生异常的应力和破裂。在卸之前对管片进行逐一的外观检测，不符合要求（裂缝、破损、无标志等）的管片立即退回。管片吊放到两节拖车上，之间用10cm×10cm方木垫隔，拖卡上也预先安放了方木垫块以方便管片堆放。 标准管片和左、右转弯管片分开堆放，以方便吊运和存量统计。管片贴密封垫后，经专人检查合格（位置、型号、粘结牢固性等）才可吊下隧道使用。储存时，必须注意，不能让油类、泥等异物污损管片，混凝土管片的接头配件确保不发生腐蚀。 4）、管片下井采用龙门吊进行。洞内运输采用电瓶车牵引管片车运输。管片车上的管片堆放有序，堆放次序是依据下一环的管片安装顺序，示意图如下。 掘进方向封顶块管片运输示意图 5）、管片运到盾构机附近后，由专门设备卸到靠近安放位置的平台上，再送到管片安装器工作范围内，并被从下到上依次安装到相应位置上。当最后一块插入块安装紧固后，一环管片即安装完毕，可以进行下一环的掘进。 3、管片的安装 管片在安装前仍要进行一次检查，再确认管片种类正确、质量完好无缺和密封垫黏

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结无脱落，管片的吊装孔预埋位置正确，逆止阀、封堵盖完好无损，以及其它主要预埋件和混凝土的握裹牢固，管片接头使用的螺栓、螺母、垫圈、螺栓防水用密封垫等附件准备齐全后，才允许安装。每环管片安装结束后要及时拧紧各个方向的螺栓，且在该环脱出盾尾后再次拧紧。

对掘进过程中出现的管片裂缝和其它破损，要及时观察记录并提醒盾构机操作手注意，并要选择合适时间对管片进行修补。

管片安装是盾构法施工的重要环节，其安装质量的好坏不仅直接关系到成洞的质量，而且对盾构机能否继续顺利推进有着直接的影响。

1）安装顺序 管片安装采取自下而上的原则，由下部开始，先装底部标准块（或邻接块），再对称安装标准块和邻接块，最后安装封顶块，封顶块安装时，先径向搭接2/3，径向推上，然后纵向插入。 拼好的一环管片从盾尾脱出时，受到自重和压力的作用产生变形，当变形量过大，既成环和拼装环高低不平，影响到安装纵向螺栓时，用真圆保持器对管片进行临时整圆。 2）拼装工艺 见“图管片安装工艺流程图” 管片止水条及衬垫粘贴管片选型、下井和运输组织盾构掘进管片吊装卸车、管片短驳掘进1.5m盾尾的清理管片螺栓的连接推进缸顶紧就位管片整圆器就位管片环脱离盾尾后的二次紧固缩回安装位置油缸 管片就位 管片在防水处理前必须对管片进行清理，然后再进行密封的粘贴。 安装过程中彻底清除盾壳安装部位的垃圾和积水，同时必须注意管片的定位精确，尤其第一环要做到居中安放。

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用管片拼装机将管片吊起，沿吊机梁移动到盾尾位置。

安装时千斤顶交替收回，即安装那段管片收回那段相对应的千斤顶，其余千斤顶仍顶紧。

管片安装把握好管片环面的平整度，环面的超前量以及椭圆度，还有用水平尺将第一块管片与上一环管片精确找平。

第二块管片与上一环管片和第一环管片大致对准后，先纵向压紧环向止水条，再环向压紧纵向止水条，并微调对准螺栓孔。

边拼装管片边拧紧纵、环向联接螺栓。

在整环管片脱出盾尾后，再次按规定扭矩拧紧全部联接螺栓。 3）特殊地段的管片安装 （1）曲线段管片安装

平面曲线采用左转弯、右转弯衬砌环进行调整，竖曲线用低压石棉垫片调整，蛇形修正用橡胶垫片调整。施工中注意标准管片和左右转弯管片的衔接，拼装工艺与标准管片相同.

（2）区间内联络通道位置处的管片安装

区间隧道的联络通道与正线隧道相接处采用特殊片，以通缝形式拼装。此时管片仍为封闭的，并在洞门周边设置一圈封闭钢梁，构成一坚固的封闭框架，在联络通道施工前，先拆除通道部位的特殊片，将洞口荷载完全传到框架上，再向里施工。此段管片安装时由于管片分块较多，因而注意标准管片和楔形管片的衔接，拼装工艺与标准管片相同。

（3）盾构始发管环拼装

需要工具：水平尺，钢板（2mm、4mm、5mm），铜皮（0.5mm、1mm），短螺栓，棘轮扳手、电焊机。

首先要计算清楚始发部位的线路坡度,把第一环位置定准。拼装第一环时，要注意防护尾刷，拼环前先在尾刷和油脂腔上涂满油脂，如果盾构机是第一次始发，尾刷比较柔软，容易压弯，拼环时管片就可以直接压上去，管片靠紧尾刷时，管片只能后退，不能前进，否则尾刷的钢压板将被破坏。

若盾构机是过站始发，尾刷没有得到很好的清理维护，弹性比较差，不易压弯，管片不能直接向上压，在盾尾没有尾刷的部位把管片先定好位（在盾壳上铺垫1m长、70mm的木条来协助拼装机定位），盾尾间隙调整到接近理论尺寸（75mm）时，用油缸配合拼装机把管片缓缓推倒尾刷部位。

盾尾油脂是易燃产品，在烧焊反力架和钢管片时，小心引燃油脂。盾尾要预备灭火器。

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（4）半环拼装

在盾构始发和过站过程中，为了以后拆管片方便，或者出土下料，需要拼装半环。本工程中半环管片设4个横撑，对应4个管片螺栓位置。

需要工具：电焊机、加工好的横撑、倒链、短螺栓、割。

本区间所拼半环的上部用两个200工字钢并焊做横撑，横撑端头加一块20mm厚400mm×400mm的钢板。架设钢支撑前，先把横撑端头钢板用短螺栓固定在管片上。再把两个并焊的工字钢提升到设计位置，把横撑端头钢板和横撑端头快速的焊在一起，接着点动相应的推力油缸，给横撑加力。

4）通过管片拼装消除管片旋转

管片的旋转，虽然不作为隧道质量验收项目，但管片旋转过多时，会引起油缸靴子对管片纵缝接触面不对撑，容易破坏管片。管片拼装顺序坚持从下到上的原则，避免长期顺时针或逆时针拼装，否则会引起管片旋转。如果管片出现旋转，拼管片时要有意识的反转，一环转2mm，很快就把管片旋转回原位。在本工程中，右线掘到150环处，管片逆时针旋转了120mm，采用环环顺时针反转2mm，到250环时，管片旋回设计位置。 4、选型和拼装引起管片开裂原因分析及预防措施 1）开裂原因 因选型和拼装引起管片开裂主要原因是拼装不平整和选型错误。当管片拼装不平整或选型错误时，油缸靴子与管片端面、管片与管片之间接触面不平整、或着使管片切在盾壳上，形成集中应力，易使管片开裂。示意图如下： 2）预防措施 ①管片选型时，人选和机选相结合，以免出现错误，通过调整点位后也不能满足楔形量的管片，运出隧道替换。 ②注意管片拼装平整，每一环的第一块，需要与上以还找顺。 ③拼装管片前，清理盾壳泥砂，清洗环面杂物。

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5、隧道管片修补

对已安装好的管片出现的破损处和超过一定宽度的裂缝及所有渗水裂缝，都将进行修补处理。具体办法为选用高标号的环氧水泥砂浆回填修补，并压实抹光，做到既能保证强度和防水效果，又能保证美观。

隧道的修补采用可移动的工作平台。 五、管片拼装质量控制

（1）成环环面控制：环面不平整度应小于10mm。相邻环高差控制在10mm以内。 （2）安装成环后，在纵向螺栓拧紧前，进行衬砌环椭圆度测量。当椭圆度测量，当椭圆度大于20mm时，应做调整。

管片拼装允许误差见表

管片拼装允许误差 项 目 相邻环的环面间隙 纵缝相邻块间隙 对应的环向螺栓孔的不同轴度 六、管片安装中的注意事项

1、每一环推进长度必须达到大于环宽300mm（1800mm）以上方可拼装管片，以防损坏K块止水条。

2、管片吊装头必须拧紧，为避免管片旋转过程中安装头单独承受管片重量，应将四条压板均匀地接触管片，避免管片拼装过程中螺栓头被拔出。

3、管片拼装过程中，第一块管片的位置尤为重要，它决定了本环其他管片的位置及拼缝的宽窄。管片高于相邻块，将会导致K块的位置不够；低于相邻块，纵缝过大，防水性降低。同时，第一块应平整，防止形成喇叭口。

4、当拼装第五块（B或C）时，应用尺子量K块空位的宽度，并调整第五块，保证48±1cm或95±1cm。

5、管片拼装应满足规范规定的偏差：高程和平面不侵限；每环相邻管片平整度10mm；纵向相邻环环面平整度10mm；衬砌环直径椭圆度5‰。

6、拧紧螺栓应确保螺栓紧固，紧固力矩要达到设计要求300N.m。

7、同一环内各管片的相邻位置应符合设计图纸要求，不可互换。每环管片上有管片类型标记，环类型标记，纵缝对接标记，安装管片时应认真查看这些标记，保证管片安装正确；管片迎千斤顶面和背千斤顶面不同，方向不要错装。操作手在安装管片时看

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允 许 偏 差 ≤1.0mm 1mm+1, 1mm-0 ≤1.0mm 备 注 内表面测定 其中1mm为衬垫