管片基础知识与管片选型

1、管片基础知识 主讲人：向远主讲人：向远目录一、管片概述二、管片选型相关基础知识三、管片选型方法四、管片拼装一、管片概述1.1、管片简介 盾构法隧道的衬砌一般有预制混凝土管片和挤压混凝土衬砌两种形式。采用预制混凝土管片组装隧道衬砌具有质量易于保证、便于机械化操作等优点，因而得到广泛应用。 管片又称为盾构隧道的一次衬砌，作为隧道的衬砌，是隧道的临时支护或永久支护的一部分。 管片属技术含量高，工艺和品质要求都特别高的钢筋混凝土构件，被业界称为混凝土预制构件中的“工艺品”，其强度、抗渗性、几何尺寸、表观质量等方面的要求都非常严格。一、管片概述1.2、管片的分类 管片型式可从结构层数、成环形式、制作的材

2、料、每环块数来划分各种不同的管片型式。现着重讲述管片特点，下面对三种不同材料制成的管片作介绍。2.1、球墨铸铁管片 球墨铸铁管片强度高、延性好、易铸成薄壁结构，管片重量轻，搬运安装方便，管片精度高，外形准确，防水性能好，但加工设备要求高、造价大，早期盾构应用较多，现国内已很少见。2.2、钢管片 主要用型钢或钢板焊接加工而成，其强度高，延性好，运输安装方便，精度稍低于球墨铸铁管片，但施工时在施工应力作用下易变形，在地层内也易锈蚀。2.3、钢筋混凝土管片 该种材料制作而成的管片有一定强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是地铁隧道最常用的管片型式，但较笨重，在运输、安装施工过程中易损坏。一、管片

3、概述常见钢管片一、管片概述钢筋混凝土管片一、管片概述按其他分类的一些管片一、管片概述1.3、地铁盾构隧道常用管片的特性1.3.1、管片直径、厚度、环宽（1）管片的直径一般根据隧道的功能要求确定设备限界、建筑限界，根据变形和工艺要求，进而确定结构限界，明确最小隧道内径；（2）管片的厚度根据确定的隧道的最小内径，然后按照56D确定管片的厚度，并可以根据配筋等条件进行适当的调整 350mm（上海，天津，杭州，南京，武汉，宁波） 300mm（北京，广州，深圳） 250mm（台湾，新加坡） 一、管片概述（3）管片的环宽 如有条件，管片尽可能宽点，以提高施工速度，节约造价。目前国内单圆中型地铁盾构隧道主要

4、以1200mm1200mm和1500mm1500mm为主。 管片宽度主要取决于掘进机和隧道直径，如果管片过宽，则机械过长，灵敏性差。而且管片运输困难。 管片的宽度必须与盾构机相匹配：与盾构机的千斤顶行程匹配；宽度大，管片重，需与管片拼装机的能力匹配； 管片宽度大，一次出渣量大，为提高掘进效率，必须尽快把渣土运输出去，因此水平运输系统和垂直运输系统应匹配合理，以利于发挥效率。一、管片概述1.3.3、管片分块管片的分块不宜过多，这样拼状时间长，材料用量也大；也不宜过少，这样管片体量过大，不利于拼状和运输。对于中等直径盾构，一般采用六分块：一块封顶块+二块邻接块 +三块标准块。 管片分块必须重点考虑

5、K块的设计，是采用大封顶块，还是采用小封顶块，需根据螺栓的设置、千斤顶的行程控制、手孔的布置以及封顶块的拼状方式进行总体综合考虑。 封顶块的设计需要考虑管片的拼状条件，一般条件下，最后拼状封顶块时，k块和两侧邻接块在任何部位两者间的最小水平间隙不宜小5mm。一、管片概述1.3.4、衬砌环组合方式区间盾构隧道的线路拟合是通过不同的管片衬砌环组合来实现的。线路的拟合包括平、竖曲线两个方面。一般有三种管片组合方法来模拟线路，这三种管片组合方法应该说都是可行的。采用哪一种方法，一方面取决于设计施工习惯，另一方面取决于区间的线路曲线情况。 一般而言，采用标准衬砌环十左转弯衬砌环十右转弯衬砌环组合施工更方

6、便，但管片的生产数量控制相对复杂一些，管片模具的利用率可能低一些；采用万能管片，由于只需要一种模具，模具的利用率高，管片的生产控制单一，但管片的拼装相对复杂。一、管片概述一、管片概述1.3.5、管片楔形量 楔形量表示一环管片锥度大小，其数值等于楔形环最大宽度与最小宽度之差。一般带有楔形量的管片我们称之为转弯环，没有楔形量的我们称之为标准环。标准环（环宽处处相等）与楔形环的不同之处在于从拼装好的一整环管片顶部看，标准环在平面上的投影为一矩形，而楔形环在平面上的投影为对称的梯形，梯形长边比短边长在管片拼装时，如果正在安装的一环管片为楔形环，每拼装一环将会在管片最宽和最窄的两处间产生的超前量。 一、

7、管片概述通过控制管片在各自方向上的超前量，从而实现实现在各种拟合曲线上行进一、管片概述1.4 、管片连接方式 管片的连接通常采用螺栓连接，螺栓连接的数量块间一般2-3个，环间考虑地质情况、抗震要求等设置，一般每块不少于2根，一环对于中小直径盾构控制在10-16个。有时为满足错缝拼装要求，环间螺栓必须360度范围内均匀设置。 目前主要的连接方式为弯螺杆连接，上海等一些以通缝拼装的隧道管片用直螺杆连接。一、管片概述一、管片概述1.5、其他管片标识设计：模具编号、块编号、直径或半径标识、螺栓孔位置标识等； 起吊孔或注浆孔设计，在中小直径盾构中，两者经常合一，注意起孔应设置在管片的重心位置，避免拼状时

8、由于附加弯矩造成不稳定。 触面设计：是否设置榫槽；是否设置缓冲材料；防水槽位置和尺寸；嵌缝槽形状，定位棒等。 一、管片概述1.6、本区间管片特征本区间隧道管片采用通用环管片设计，为单层装配式钢筋混凝土衬砌，C50抗渗P12混凝土衬砌圆环包括1块封顶块F，2块邻接块B1、B2、3块标准块（大三块）组成A1、A2、A3。管片内径为5500mm，外径为6200mm，厚度为350mm，环宽为1500mm.A块-标准块B块-邻接块F块-封顶块一、管片概述隧道衬砌采用通用楔型环错缝拼装。楔形衬砌环设计为双面楔形环，封顶块中间位置为管片环宽度最小处，宽度为1480mm；中间标准块(A2)的中间位置为管片环宽

9、度最大处，宽度为1520mm.管片纵缝接触面设凹凸榫。管片接缝连接采用弯螺杆连接，包括16个环缝连接螺栓（M30）和12个纵缝连接螺杆（M30)环缝，纵缝面设有一道弹性密封垫槽及嵌缝槽管片中间均设置有吊装孔，兼二次补强注浆的注浆孔。一、管片概述凹凸榫的好处是提升隧道整体的刚度。凹面凸面一、管片概述环向与纵向接触面单侧粘贴缓冲衬垫，有利于传力和保护管片 二、管片选型相关基础知识2.1、与管片相关的名词解释纵向隧道的轴线方向；径向隧道圆环的直径方向；环向隧道圆环的圆周方向；纵缝同环管片块与块之间的缝；环缝管片环与环之间的缝；通缝拼装时后一环管片纵缝与前一环管片纵缝对齐；错缝拼装时前后环纵缝错开；环

10、面管片圆环的环向面；内弧面圆环的环向内面；外弧面圆环的环向外面；管片端头每块管片的二个纵向端面；张角两块管片端面接头缝在径向向外张开称外张角，反之称内张角喇叭两块管片端面接头缝在纵向向推进方向张开叫前喇叭，反之称后喇叭踏步前后两环管片内弧面的不平整度； 二、管片选型相关基础知识张角两块管片端面接头缝在径向向外张开称外张角，反之称内张角;喇叭两块管片端面接头缝在纵向向推进方向张开叫前喇叭，反之称后喇叭;踏步前后两环管片内弧面的不平整度；纵向螺栓环与环之间的连接螺栓；环向螺栓同一环管片块与块之间的连接螺栓；椭圆度圆环垂直、水平两直径之差值；超前量指圆环环面与推进设计轴线垂直度的误差，有上、下超前和

11、左、右超前 二、管片选型相关基础知识2.2、管片选型的概念管片选型是指通过灵活选用盾构管片，从而满足拟合设计线路行进的要求，同时保证管片的成型质量，达到满足验收及使用的目的。本区间采用通用楔形管片拼装，每一环除了因埋深不同而配筋不同的区别以外，楔形量的布置的都是完全相同的，只要通过K块位置的选择从而旋转管片调整管片在各个方向上的超前量进行符合设计线路的行进，有别于标准环、转弯环设置的管片需要进行不同类型的管片组合使用。因此此类管片选型的核心就在于选择K块拼装的点位。 二、管片选型相关基础知识2.3、通缝与错缝的区别 按照相邻两环管片拼装缝的位置不同，管片的拼装可以分成两种形式，通缝拼装和错缝拼

12、装，通缝即每一坏与上一环相对的位置是完全重合的，错缝即上一环与下一环之间的纵缝不能重合，错缝拼装比通缝拼装在工程应用上出现的晚，但由于它在承受纵向力和保持成圆度方面比通缝拼装优越，所以在很多工程中被大量应用。本区间管片亦是采用错缝拼装。 二、管片选型相关基础知识 二、管片选型相关基础知识错缝拼装点位分布所谓“拼装点位”，是指管片拼装时封顶块所在的位置。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螺栓孔的布置。 常见的管片环缝连接螺栓有10根和16根，本区间采用16个根环缝连接螺栓，螺栓孔的沿管片圆周均匀分布，对应的在圆周上一共有16个点位可以选择。 盾构隧道管片要求错缝拼装，相邻两环

13、管片不能通缝。计算公式为：M+3N+2，其中M为上一环管片拼装的点位，N为常量，可取0、1、2、3、4、5，计算结果即为下一环管片可选。 二、管片选型相关基础知识K1K2K3K4K5K6K7K9K11K10K8K12K13K14K15K16 二、管片选型相关基础知识 错缝拼装点位表 二、管片选型相关基础知识超前量是衡量当前管片的环面与隧道设计轴线是否垂直的指标，其可通过实测后计算得到。 超前量的控制不当会导致拼装难、管片破裂、轴线偏差大和纠偏困难等问题。 在拼装中，主要是通过楔形管片的楔形量来计算出管片的超前量的变化，选择合理的管片拼装点位来使楔形的管片拟合设计线路。2.4、管片超前量 二、管

14、片选型相关基础知识人工测量管片超前量人工测量管片超前量管片超前量示意图管片超前量示意图 二、管片选型相关基础知识任意点位楔形量的计算本工程所采用的管片为带双面等腰楔形，楔形量为40mm。管片各点位的楔形量通用计算公式：（式1）式（1）中：B任意点位与最窄处（即K块中心）之间的夹角如图所示。当小角度时。式（1）可为简化=20（1-cos(B) 二、管片选型相关基础知识楔形量表拼装点位拼装点位1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010111112121313141415151616上超前量上超前量2.82.86.76.712.812.8202027.127.133.333.33

15、7.437.4404037.437.433.333.327.127.1202012.812.86.76.72.82.80 0下超前量下超前量37.437.433.333.327.127.1202012.812.86.76.72.82.80 02.82.86.76.712.812.8202027.127.1333337.437.44040左超前量左超前量27.127.133.333.337.437.4404037.437.433.333.327.127.1202012.812.86.76.72.82.80 02.82.86.76.712.812.82020右超前量右超前量12.812.86.76

16、.72.82.80 02.82.86.76.712.812.8202027.127.133.333.337.437.4404037.437.433.333.327.127.12020 二、管片选型相关基础知识通过此公式我们可以算出在任意点位拼装其他点位楔形量的大小，从而进行控制管片超前量，达到对管片轴线的调整。 二、管片选型相关基础知识2.5、盾尾间隙 盾构施工中管片的安装是在盾尾壳体的保护下在主机内部进行的，每环管片安装完成后被推出盾尾（实际上是主机在已安装的管片提供的反力作用下向前推进），这就要求盾壳和管片外径之间有一定的空隙，这个空隙称为“盾尾间隙”。 盾尾间隙的大小是盾构设计和管片设计

17、时要考虑的一个重要内容：如果盾尾间隙过大，注浆量也很大，对盾尾密封的要求也高；如果盾尾间隙过小，则主机与管片相对姿态调整的余地就会很小，对掘进时方向的控制和管片选型的要求也会很高。 盾尾间隙能够直观的反映管片与盾尾相对位置的关系，同时对管片成型质量有着直接的影响。 二、管片选型相关基础知识 二、管片选型相关基础知识 盾尾为一直径6430mm，厚度为40mm的钢筒，在末端安装由薄钢板和钢丝组成的三道盾尾密封，盾尾密封有很强的弹性和很大的压缩性，它的的作用有两个，一是保护已安装的管片，使管片在密封的弹力握裹作用下保持稳定和形状；二是在注浆时防止浆液通过盾尾间隙进入主机内部。 密封刷结构的最小厚度为

18、45mm。管片的外直径为6200mm。如果管片的中心轴和主机的中心轴完全重合时，则盾尾间隙的值为30mm。当管片的中心轴和主机的中心轴不重合时，也就是说当它们的姿态不一致时，盾尾间隙就会变化。如果盾尾间隙变得非常的小，就会在主机与管片间产生非常大的应力，造成管片错台，管片破裂，甚至盾尾密封损等严重后果，因此施工中我们要时刻关注盾尾间隙的大小，以确保管片和盾尾结构的安全。实际施工中要准确的测量盾尾间隙是困难的，推进油缸零平面到盾尾密封位置的距离为2.2米，而施工中安装管片需要的油缸行程一般只为1.92.0米，也就是说盾尾密封结构被管片遮住了，我们所能测量的为管片和盾壳的间隙值，理想情况下的盾尾间

19、隙测量值为30mm+45mm=75mm 二、管片选型相关基础知识(a）（b) 二、管片选型相关基础知识 用楔形管片进行盾尾间隙调整的变化规律是与管片楔形量变化规律是统一的。增大楔形量大处的间隙，楔形量越大的地方间隙调整越大.理论计算公式：H=（管片宽度1.5m/管片外径6.2m）*楔形量，可由式（式（1 1）算出。 二、管片选型相关基础知识2.6、盾构机姿态1.盾构机姿态指的是盾构机与设计轴线的偏差，是通过隧道导向系统测量和计算所得。2.目前国内市场应用较多的测量系统为德国的VMT系统（海瑞克），日本的ENZAN演算工坊（小松、石川岛等日系机）系统，上海力信系统（中铁装备、铁建重工）。3.盾构

20、机姿态是盾构掘进控制的核心要素之一。 二、管片选型相关基础知识本区间采用的是VMT最新的导向系统，工作原理是通过全站仪发射的导向激光和激光标靶单位的角度关系计算出掘进机的掘进方向，结合实际应用的坐标换算出隧道掘进机同设计轴线的偏差。 二、管片选型相关基础知识 二、管片选型相关基础知识盾构机趋势 盾构机设定有两个虚拟参考点：前点、后点。前点在盾构机切口环处、后点在盾构机中盾与尾盾的连接处。盾构自动测量系统会通过测量计算出盾构前点和后点水平和垂直的偏差。通过偏差我们可以计算出盾构机轴线的方向。即为盾构机趋势。前点O1坐标:X1,Y1其中X1是水平偏差、Y1是垂直偏差后点O2坐标:X2,Y2其中X2

21、是水平偏差、Y2是垂直偏差上述两坐标均由盾构机测量系统自动测量得出。水平趋向、垂直趋向是角度值，数值以弧度来表示。水平趋向=（X1-X2）/LL为前后点的距离，约为4.78米。垂直趋向=（Y1-Y2）/LL为前后点的距离，约为4.78米。 二、管片选型相关基础知识2.6、千斤顶行程 盾构机是依靠推进油缸顶推在管片上所产生的反力向前掘进的,推进油缸分布在主机壳体内部周围，掘进过程中调节不同位置推荐油缸中液压油的压力可以控制油缸的伸出深度，从而控制盾构机主机的掘进方向和掘进速度，这就是掘进中姿态控制的基本原理。 推进油缸一般分成上下左右四个分区，通过控制这四组个分区的油压大小，可使不同区的推力大小

22、不同，从而控制它们的推进速度，或使主机产生偏转按操作者意愿向前掘进，在掘进完成后每个千斤顶均能单独控制完成管片拼装。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平面之间的空间关系。 二、管片选型相关基础知识 二、管片选型相关基础知识由上图可以看出: 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，盾构机给管片的反力产生了一定的侧向分力，盾构机姿态不好控制，拼装好的管片也容易破裂。因此我们在掘进和选择管片时要兼顾到推进油缸的行程，一般行程差超过50mm后要及时进行调整，纠偏或曲线段可以放宽至60mm。三、管片选型方法施工最理想的状态是隧道设计中线隧道设计

23、中线与盾构轴线盾构轴线、管片中线管片中线重合。我们管片选型的目的就是在保证管片质量的前提下尽量达到施工的最理想状态。因此管片选型的原则可以归纳为：（1）管片轴线拟合设计轴线（2）盾尾间隙满足保证管片质量的要求具体就是围绕盾构机根据盾构机姿态、千斤顶行程差和盾尾间隙来判断如何选择点位。三、管片选型方法通常情况下，盾尾间隙的变化与管片轴线和盾构机轴线偏差变化保持一致。如图中所示，千斤顶上长下短，管片端面上短下长，管片轴线向上偏，会使上部间隙逐步变小，下部间隙变大如果下一环选择将楔形量最大的部位拼在上部，这时上下千斤顶行程差变小，同时对间隙的调整也是使增大上部间隙。管片的轴线也和盾构机的掘进轴线的夹

24、角变小。三、管片选型方法 在这个摆动过程，会出现一侧行程长，但是间隙大的情况。此时应当以盾尾间隙为主选择管片点位，使盾尾间隙大于最小值，以此来保证管片的成型质量。即将楔形量大的地方拼在盾尾间隙小的地方。但是当盾构机姿态处于纠偏时，姿态的变化过程为：第一阶段，前点向纠偏方向摆动，后点反方向摆动；第二阶段，前后点一起向纠偏方向摆动；第三阶段，控制前点，让趋势放缓，后点逐渐靠近前点。三、管片选型方法 由于地层及盾构机自身因素等，盾构机姿态常常需要纠偏，所以我们通常在选择管片点位的时候主要以保证盾尾间隙在一个安全的范围内保证拼装质量为主，结合掘进线路选择管片。通常选择流程：1、确定掘进思路，即在此设计

25、线路上准备对姿态做如何调整；2、分析盾尾间隙是否满足保证管片质量的要求，如不满足以调整间隙选择管片。3、分析千斤顶的行程差是否过大，过大时进行调整，如与间隙冲突应以间隙为主。四、管片拼装 4.1、管片拼装前的准备工作(1)确认管片拼装机和推进千斤顶、管片吊机及相关的电器、液压系统是否能正常工作，如有故障，通知现场电器工程师、机械工程师进行维修。(2)拼装前对管片进行检查，首先查看管片的选型是否正确，其次查看管片是否有损伤，如缺边少角、裂纹等，止水胶条粘贴是否牢固，最后检查螺栓及垫片、防水胶圈是否配套齐全、数量是否充足。(3)拼装前检查盾尾是否清理干净以及管片表面泥污清理干净，防止影响拼装质量。(4) 推进油缸行程是否到位，满足下一环拼装所需要求（一般要求大于1900mm)。四、管片拼装四、管片拼装四、管片拼装4.2、管片拼装流程：1.按照先下后上，左右加叉在最后塞入封顶块的顺序选择管片拼装的顺序；2.收回待拼装管片对应位置的千斤顶，每次回收的千斤顶的个数不能超过千斤顶总数的一半，即每次收回的千斤顶个数不超过7个；3.用管片吊机安全搬运管片至拼装的部位，管片拼装手操作管片拼装机镶嵌管片到拼装部位;4.在距离上一环