南水北调中线盾构管片拼装技术

马凤伟

中铁十六局集团有限公司（450000）

0 概述

隧洞全长4250m，其中过河隧洞3450m,隧洞采用泥水平衡式盾构机推进，盾构机埋深33m。隧洞采用钢筋混凝土管片衬砌，每环有7块管片组成，管片宽度为1.6m，厚度为40cm、内径 7.9m、外径 8.7m。

如何沿隧道的设计轴线驾驶盾构机是任何隧道项目施工中的主要目标。然而当需要在隧道中安装预制管片衬砌时，则如何决定TBM的走向,TBM盾尾中管片在安装时的最佳有效间隙，及最适宜管环的趋向是至关重要的。楔形管片最适合在地质条件差的情况下进行曲线掘进或直线掘进，因为在地质条件差的情况下,利用垫片来纠正错位拼装的管片是不可取的。如何最佳拼装管环是在隧道施工中至关重要的一部分。在施工的过程中避免管片受损，避免机器不能转弯及保证盾尾密封的完整性总是处于重要的地位。

1 管片拼装方式

南水北调穿黄工程隧洞使用的是直螺栓紧固管片。管片的形式分为：K、B1、B2、A1、A2、A3、A4 七种，A4 与 B2 连接处楔形量最大，A1与B1连接处楔形量最小，依靠管片楔形量来实现隧道的转向、管片的平整度和盾尾间隙的调整等。拼装的顺序如图1所示。

图1 管片拼装顺序选择

管环顺序计算要考虑以下几点因素:

1）盾构机当前位置，水平和垂直的位置，当前掘进的趋势，偏差及方位角。

2）盾尾几何尺寸。

3）盾尾间隙，测盾尾间隙至少为4个点，比如上下左右。

4）防止通缝的出现。

5）根据实际的方位角、姿态、管片的平整度、盾尾间隙等设计一条合理的纠偏曲线来调整到设计轴线上。

2 拼装点位的确定

在盾构机掘进的过程中,管片拼装点位的位置极其重要，对拼装后的管片质量有很大的影响,对盾构机掘进过程中姿态控制很有效。当管片与千斤顶接触面不平行时，在盾构机开始掘进千斤顶产生力时,管片很容易碎裂产生裂缝从而导致漏水,并且根据中砂层掘进800m的经验得知此时的姿态不好控制，难以遵循设计轴线前进。施工时盾构机总推力约为28352kN（中砂层800m掘进过程中），即2835.2T。穿黄盾构机有14组千斤顶，每组千斤顶的推力为202.5T，由于管片与千斤顶接触面有夹角，产生分力，管片混凝土标号为C50，抗压强度大约为50kg/mm2，而千斤顶产生压力远远超过了该值,因此判定千斤顶与管片接触面不重合是导致管片碎裂的一个因素。同时由于管片与千斤顶接触面有夹角，使得盾构机各组千斤顶不同步，导致方向不好控制。

所以应使管片与千斤顶接触面尽量重合，可以利用管片楔形量选择点位来实现。大的来讲管片拼装点位确定主要的两大因素是管片平整度（管片走向趋势）和盾尾间隙。管片平整度主要是与油缸伸长度有关。现简单做一下管片位置，如图2所示。

图2 推进油缸与管片平面位置关系

由图2可知管片走向趋势，水平走向趋势=pz-py,垂直走向趋势=ps-px,ps=ys、px=yx、pz=yz、py=yy(本泥水盾构机没有铰接油缸)。利用管片的楔形量使水平趋势和垂直趋势为零，这样管片与千斤顶接触面吻合，此时受力最好，对管片的拼装以及盾构机姿态控制都好。但是我们实际掘进过程中很难实现水平和垂直趋势为零，根据工程地质、盾构机性能等实际情况尽量往理想方向去做，使管片平整度更好，便于施工，减少不必要的管片碎裂。

3 盾尾间隙对管片位置选择影响

不同点位的选择可以控制盾尾间隙。盾尾间隙大致指盾壳内侧到管片外弧面的建筑空隙,但是我们都知道盾壳加了一圈加强环，可以保证盾壳的圆度，另外还可以作为一道止水环。加强环的高度为40mm，实际掘进线路也不可能与设计轴线一样,也就是说在掘进过程中盾尾间隙必须大于40mm，否则盾尾刷与管片外弧面严重挤压，加强环与管片外弧面挤压，由于挤压必然导致管片的碎裂，盾构机的方向不好控制，给施工带来不利，更严重的是管片掉下来，整个工程停止。由于管片类型的不同，对盾尾间隙有一定的调解作用，现将盾构机分14个点位，如图3所示。

图3 管片拼装点位

将A4块拼在14点位置时，管环的趋势向下走，即隧道的走向往下，此时14点位置的盾尾间隙增大，而8点的位置盾尾间隙变小。盾尾间隙好有利于保护盾尾刷，盾尾刷是管片与盾尾密封防水装置，根据设计管片与盾尾刷关系，如图4所示。

图4 管片与盾尾刷位置关系

当盾尾间隙小于25mm时，盾尾拖动，管片与盾尾刷相互干扰，因此在拼下一环时注意盾尾间隙，发现小于25mm时，要利用管片楔形量及时调整，保护好盾尾刷及管片的完好。如果盾尾间隙处理不好的情况下，根据穿黄工程的经验会出现管片的碎裂，钢环与管片外弧面挤压，如图5所示。因此要处理好盾尾间隙与管片选择的关系。

图5 管片外弧面碎裂

4 盾尾间隙与油缸行程的关系

在管片选型时,既要考虑油缸的行程也要考虑盾尾间隙。而推进油缸行程差值更能反映管片与盾构机的关系，一般情况下在点位的选择主要考虑油缸的行程,但是如果盾尾间隙小于25mm时，这时要考虑盾尾间隙，保护好盾尾刷和管片的完好。

5 管片拼装施工技术和质量控制

管片拼装的好与坏直接影响成型隧道的质量。为有效控制管片踏步大小、碎裂、盾构姿态的控制，按以下几点施工经验进行控制。

1）在拼装过程中要清除盾尾处拼装部位的垃圾和杂物,同时必须注意管片定位的正确,尤其是第一块管片的定位会影响整环管片成环后的质量及与盾构的相对位置良好度。

2）每环管片拼装要精心，尽量做到管片接缝密贴，环面平整。

3）拼装时，要确保“T”字接头平整。

4）环面超前量控制:施工中经常测量管片圆环环面与隧道设计轴线的垂直度，当管片超前量超过控制量时，及时调整管片旋转角度,从而保证管片环面与隧道设计轴线的垂直度。

5）每一块管片拼装结束后，伸出千斤顶并控制到所需的顶力，再进行下一块管片的拼装，这样逐块进行完成一环的拼装。对于不平整环面的管片，在拼装下一环管片用千斤顶压实时，应先顶“凸”位置的千斤顶。

6）在拼装时应注意调整管片的椭圆度，尽量使管片呈竖椭圆状态。

7）拼装后及时调整千斤顶的顶力防止盾构姿态发生突变。

8）在隧道施工的过程中，工人们需要事先知道管片拼装的点位来确定管片下放的顺序,提高作业的绩效。由于楔形量的存在,按照所选定旋转位置的不同,管环就产生不同程度地向盾尾轴线或盾尾本身的趋向。管环的拼装必须尽可能地好，以避免对隧道管片外弧面造成破坏，从而造成盾尾密封的危险。因此必须特别注意选择要拼装的每一环封顶块的最佳位置。图6是严格控制管片拼装质量所成型的隧道。

图6 南水北调穿黄隧道

6 总结

点位选择好坏将直接影响已经拼装好的管环质量,点位选择好不但姿态好控制而且管环不易碎裂，保证盾尾间隙、管片平面的平整度、纠偏曲线设计等都是通过管片楔形量选择合理的点位来实现的，所以要合理的选择管片拼装的点位，使隧道与盾构机同步进行,实现沿隧道的设计轴线驾驶盾构机完成隧道贯通目标。

[1]张凤祥,等.盾构隧道施工手册[M].人民交通出版社,2005，6:178-247.

[2]GB50299-1999,盾构掘进隧道工程施工及验收规范[S].