摘要：分析了寧波軌道交通項(xiàng)目通用楔形環(huán)管片的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，根據(jù)DTA（隧道設(shè)計(jì)軸線）和相關(guān)的管片參數(shù)來擬合不同類型的隧道軸線，以及在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，針對(duì)管片軸線的偏離大小進(jìn)行糾偏。

關(guān)鍵詞：通用環(huán)管片;管片排版;糾偏分級(jí)

所謂通用管片，就是所有的管片環(huán)形式只有一種，它既可用在直線段，也可用在曲線段，而不像普通的管片形式將這兩者加以區(qū)分，是一種較為先進(jìn)的襯砌方式，代表著國(guó)內(nèi)盾構(gòu)形式發(fā)展的主流方向，在寧波軌道交通1號(hào)線一期工程施工過程中推廣應(yīng)用。本文從理論分析和工程實(shí)踐的角度探討了楔形管片環(huán)的技術(shù)特點(diǎn)并總結(jié)了相關(guān)規(guī)律，包括線路擬合、楔形量、糾偏等級(jí)等。

1通用楔形管片

寧波市軌道交通隧道襯砌采用統(tǒng)一的通用楔形環(huán)錯(cuò)縫拼裝，其基本參數(shù)如下：通用管片內(nèi)徑為5500mm，外徑為6200mm，厚度為350mm，環(huán)寬為1200mm。楔形襯砌環(huán)設(shè)計(jì)為雙面楔形環(huán)，最大楔形量為37.2mm，每環(huán)楔形角為27°37′59″。

每環(huán)管片縱向共16只M30螺栓，環(huán)向共12只M30螺栓，具體構(gòu)造如下圖1所示，管片環(huán)縫采用凹凸榫槽結(jié)構(gòu)。

圖1" 管片構(gòu)造示意圖

注：F塊為封頂塊，L（L1、L2）為鄰接塊，B塊為標(biāo)準(zhǔn)塊

2設(shè)計(jì)排版原則

考慮管片錯(cuò)縫拼裝的優(yōu)點(diǎn)，如止水性能好、整體受力性能好、圓環(huán)整體剛度大等，本標(biāo)段工程采用通用管片錯(cuò)縫拼裝的方式。但考慮到錯(cuò)縫拼裝的內(nèi)力大，而通縫拼裝的內(nèi)力較小，可拼裝自由度相對(duì)較多，有利于管片的安裝。因此，在受力允許的狀態(tài)下，可采用小通縫進(jìn)行拼裝。所謂“小通縫”，是指兩管片環(huán)之間允許1～2條通縫，相應(yīng)地，3條及3條以上的通縫定義為“大通縫”，大通縫的情況是絕對(duì)不允許的。

同時(shí)，通過管片的封頂塊一般是最后安裝的，考慮到管環(huán)底部范圍受力較大，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(duì)于施工安全有一定的隱患，故避免將封頂塊安裝在管片環(huán)底部的范圍。

總結(jié)以上的要求，可得到管片設(shè)計(jì)排版的兩大原則：

（1）不能出現(xiàn)大通縫（三條及三條以上縱縫重合）情況;

（2）封頂塊F塊不能拼裝在157.5°～202.5°這個(gè)范圍內(nèi)（底部45°以下范圍內(nèi)），即K8、K9、K10。

3 糾偏分級(jí)

造成隧道軸線偏差的原因往往是綜合的，但可以根據(jù)不同的偏差情況，重點(diǎn)采取相應(yīng)的糾偏措施，以進(jìn)行軸線的修正?！抖軜?gòu)隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)管片軸線的允許偏差做了相關(guān)的規(guī)定：管片姿態(tài)的平面位置和高程在管片拼裝完成后的允許偏差為50mm。據(jù)此，將管片拼裝的狀態(tài)份為正常狀態(tài)（）、注意狀態(tài)（）和糾偏狀態(tài)），針對(duì)不同的管片狀態(tài)采取相應(yīng)的監(jiān)控措施。

3.1正常狀態(tài)（）

盾構(gòu)推進(jìn)管片拼裝中，發(fā)生一定的偏差是正常的，但應(yīng)該控制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)管片成型軸線的偏差時(shí)，可定義為允許偏差，即管片處于正常狀態(tài)。在此狀態(tài)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管片拼裝趨勢(shì)的監(jiān)控，以避免偏差進(jìn)一步的增大。

3.1.1 16點(diǎn)位管片糾偏量

本工程使用16個(gè)拼裝點(diǎn)位的管片，不同點(diǎn)位的管片具有不同的楔形量，其對(duì)管片與設(shè)計(jì)軸線的偏差糾正程度也是不一樣。下面將分情況進(jìn)行討論，其中，在水平方向上，本標(biāo)段工程的最小半徑為300m，對(duì)應(yīng)于1.2m的管片，其圓心角為0.23°，其圓弧長(zhǎng)度為1.204m，相差甚小，故可假設(shè)一環(huán)管片的曲線段為直線段，進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

3.1.2成型管片軸線設(shè)計(jì)軸線無偏差、無夾角

如圖2所示，以垂直方向?yàn)槔?，成型管片的?dāng)前管片與設(shè)計(jì)軸線吻合，且管片環(huán)前端面與設(shè)計(jì)軸線垂直，即前端面法線與設(shè)計(jì)軸線平行，無夾角。此種狀態(tài)是最理想的情況，當(dāng)拼裝下一環(huán)管片時(shí)，通過管片的楔形角可求得待拼裝管片與設(shè)計(jì)軸線的偏差。

當(dāng)成型管片與設(shè)計(jì)軸線無偏差、無夾角時(shí)，拼裝下一環(huán)管片時(shí)，待拼裝管片引起的中心坐標(biāo)與設(shè)計(jì)軸線的偏差為

（2）

式中，"為管片環(huán)寬，取1.2m;通過幾何驗(yàn)證，得，"為待拼裝管片的楔形角，當(dāng)""時(shí)，待拼裝管片的上部環(huán)寬下部環(huán)寬;當(dāng)"時(shí)，待拼裝管片的上部環(huán)寬下部環(huán)寬。相應(yīng)的，當(dāng)時(shí)，表示管片前端面中心在設(shè)計(jì)軸線之上，偏差為“+”;當(dāng)時(shí)，表示管片前端面中心在設(shè)計(jì)軸線之下，偏差為“-”。

圖2" 拼裝管片對(duì)偏差影響的示意圖

下面以K7的計(jì)算為例。K7在垂直方向上的楔形角為-14.58′（上部環(huán)寬<下部環(huán)寬），在水平方向上的楔形角為14.48′（左側(cè)環(huán)寬>右側(cè)環(huán)寬），則

在垂直方向：

在水平方向：

3.1.3成型管片軸線與設(shè)計(jì)軸線存在偏差、夾角

成型管片與設(shè)計(jì)軸線無偏差、無夾角的情況是理想狀態(tài)，在盾構(gòu)施工過程中，成型管片與設(shè)計(jì)軸線往往存在一定的偏差與夾角，如圖3所示。同樣以垂直方向?yàn)槔蓭缀侮P(guān)系可得，待拼裝管片引起的偏差為

（3）

式中，"為上一環(huán)管片的偏差;為待拼裝管片與設(shè)計(jì)軸線的夾角，有，為上一環(huán)管片與設(shè)計(jì)軸線的夾角，為當(dāng)前管片的楔形角。

圖3" 拼裝管片對(duì)偏差影響的示意圖

下面舉例說明在成型管片軸線與設(shè)計(jì)軸線存在偏差、夾角時(shí)，拼裝管片所引起的偏差。仍以K7為例，假設(shè)上一環(huán)管片的高偏、平偏分別為+5.2mm、-1.3 mm，上一環(huán)管片與設(shè)計(jì)軸線在垂直方向、水平方向上的夾角分別為+4.7′、-16.4′。則當(dāng)拼裝K7管片時(shí)，其偏差分別為：

在垂直方向：

在水平方向：

3.2注意狀態(tài)（偏差為

當(dāng)管片軸線偏差超過且在之內(nèi)時(shí)，盾構(gòu)施工班組應(yīng)予以重視，考慮重新設(shè)計(jì)糾偏曲線進(jìn)行管片軸線的糾正，因此，此狀態(tài)可定義為“注意狀態(tài)”。具體糾偏措施如下：

3.2.1相關(guān)控制因素

在注意狀態(tài)下的糾偏過程中，應(yīng)同步控制影響管片擬合的重要因素：

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，可利用盾尾間隙的允許改變量控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)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(jìn)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值，且控制好盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)姿態(tài)，因此必須實(shí)時(shí)監(jiān)控千斤頂行程差的發(fā)展趨勢(shì)，以保證盾構(gòu)機(jī)軸線、管片軸線與設(shè)計(jì)軸線之間的空間關(guān)系。

③合理調(diào)整盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)影響著管片成型的姿態(tài)，加大盾構(gòu)機(jī)的首尾差，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)盾首的方位，可改善盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)，進(jìn)而保證管片拼裝對(duì)設(shè)計(jì)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(diǎn)位的楔形量有所不同，當(dāng)偏差較大時(shí)，可利用較大超前量的管片點(diǎn)位，改變管片的成型姿態(tài)，逐步擬合設(shè)計(jì)軸線。

3.2.2糾偏曲線

軸線偏差在的范圍內(nèi)，屬于盾構(gòu)施工的關(guān)鍵階段，在及時(shí)調(diào)整相關(guān)的控制參數(shù)外，還可以考慮設(shè)計(jì)糾偏曲線進(jìn)行調(diào)整。綜合施工過程中各種軸線的擬合情況，為簡(jiǎn)化模型，可將設(shè)計(jì)軸線簡(jiǎn)化為一直線。根據(jù)成型管片的趨勢(shì)，可以分為以下三種情況進(jìn)行討論，如圖4所示：

（a）成型軸線與DTA成小夾角（）

（b）成型軸線與DTA成大夾角（）

（c）成型軸線平行于DTA

圖4" 糾偏軸線示意圖

①成型軸線與DTA成小夾角（）

可設(shè)計(jì)一圓曲線的糾偏曲線對(duì)軸線進(jìn)行糾正，如圖9（a）糾偏曲線的終點(diǎn)即為圓曲線與設(shè)計(jì)軸線的切點(diǎn)。取為設(shè)計(jì)軸線與成型管片軸線的偏差，即，為糾偏的范圍，由于"偏差較小，相對(duì)小得多，近似有。通過幾何關(guān)系可推導(dǎo)糾偏曲線的半徑：

（4）

以糾偏差為50mm為例，假定每環(huán)糾偏量控制在5mm/環(huán)，則最少需要的糾偏環(huán)數(shù)為10環(huán)（50/5），此時(shí)的糾偏范圍為12m（1.210），糾偏曲線半徑由公式（4）得

則平均每環(huán)糾偏量為 管片環(huán)半徑，為管片環(huán)寬，"為糾偏曲線半徑。其中，根據(jù)糾偏緩和平穩(wěn)的原則，每環(huán)管片的糾偏量控制2～5mm，則對(duì)于5～10cm的偏差，其所需的糾偏環(huán)數(shù)最少為10～20環(huán)。

②成型軸線與DTA成大夾角（）

當(dāng)成型軸線與DTA成大夾角時(shí)，首先應(yīng)減少夾角，緩和盾構(gòu)機(jī)與DTA的夾角。此時(shí)，糾偏曲線需要設(shè)計(jì)兩端圓弧，如圖9（b）。第一段圓弧是緩和管片成型曲線與設(shè)計(jì)軸線之間的夾角，使管片成型軸線趨向設(shè)計(jì)軸線，第二段圓弧類似于①，使偏向設(shè)計(jì)軸線的管片成型曲線逐漸緩和過渡，相切與設(shè)計(jì)軸線。第一段的圓曲線半徑可自行設(shè)定，但應(yīng)該大于管片能夠擬合的最小半徑，途中管片成型曲線與設(shè)計(jì)軸線的夾角可通過測(cè)量系統(tǒng)得到。第二段圓曲線的糾偏曲線設(shè)計(jì)類似于①，可計(jì)算得到圓曲線的半徑。下面以具體算例為例子介紹其計(jì)算方法。

一般而言，管片成型曲線與DTA的夾角較小，故取管片成型軸線與DTA的夾角"為179°，偏差為50mm，取第一段糾偏曲線"的半徑為300m，在第一段糾偏曲線點(diǎn)處的偏差同取為50mm，此時(shí)管片成型軸線與DTA的夾角為1°，如圖5所示。由幾何關(guān)系可得第一段糾偏曲線的弧長(zhǎng)為：

圖5" 兩端糾偏曲線（成型軸線與DTA成大夾角）

對(duì)于環(huán)寬為1.2m的管片環(huán)，則需要的管片環(huán)數(shù)為9環(huán)，即10.47/1.2=8.73取整。第二段糾偏曲線b可以參考①成型軸線與DTA成小夾角的糾偏情況。

3.3糾偏狀態(tài)（偏差10cm ）

軸線偏差10cm的情況屬于大偏差，造成其后果的因素較多，因此，在調(diào)整優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)因素的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)是設(shè)計(jì)擬合隧道軸線的糾偏曲線。

3.3.1糾偏曲線

糾偏量 0cm的糾偏曲線設(shè)計(jì)可參考5～10mm的糾偏曲線設(shè)計(jì)方法。按照糾偏曲線的分類，各糾偏曲線所需的糾偏環(huán)數(shù)可為：

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;

③管片軸線平行于DTA：20環(huán)以上