盾构施工法管片选型拼装

盾构施工法管片选型拼装当前第1页\共有36页\编于星期六\12点管片选型拼装内容：一、管片选型的意义；二、管片表观几何尺寸特性；三、管片选型与隧道轴线；四、管片选型与盾构机；五、施工中纠偏修正；六、管片选型原则；七、管片拼装。当前第2页\共有36页\编于星期六\12点一、管片选型的意义

隧道工程施工中，盾构法隧道不同与矿山法、明挖等工法。它是在一密闭施工机械内，采用预制构件，利用机械臂，按预定方法、工序将预制构件逐一安装而形成隧道，使成型的隧道满足设计要求。

管片选型的意义：按预定方法、工序进行，符合设计预定要求；管片选型好与差直径影响工程进度、质量、投资。当前第3页\共有36页\编于星期六\12点二、管片表观几何尺寸特性当前第4页\共有36页\编于星期六\12点（一）管片外观尺寸计算注：a角为管片环封顶块任意旋转角度Kt管片顶部宽度最大值：kt＝1500＋19sinаKb管片底部宽度最大值：kb＝1500－19sinаKl管片左端宽度最大值：kl＝1500＋19cosаKr管片右端宽度最大值：kr＝1500－19cosа管片水平、垂直方向宽度尺寸计算当前第5页\共有36页\编于星期六\12点（二）管片空间角度、尺寸计算

封顶块位置从顶端偏了a°时，楔形环前面的中心点C，（中心点由C→C，）移动，其移动量为COC=4.75mm。移动量分成水平（X）和垂直（Y）：水平向：ΔX=38cosa°

垂直向：ΔY=－38sina°

楔形环前端断面的直角方向（C，→C“）和标准环—楔形环管片的连接面与直角方向（中心轴方向）是A—A角2θ，此角度可分成X（水平-θX）与Y（垂直-θY），C，→C“的长度为L公式如下：

由于:tan2θ=tan(0.3628°)=6.332×10-3所以:θX=tan-1(0.006332×cosa)θY=－tan-1(0.006332×sina)管片环空间角度、尺寸变化计算当前第6页\共有36页\编于星期六\12点楔形管片K件在不同位置时ΔX、ΔY、θX、θY其值依次的大小：K件位置K件所在圆弧位置a（°）K件旋转角度ΔX（mm）宽度差ΔY（mm）宽度差θX（°）角度变化θY（°）角度变化0（0）0（180）38.0（－38.0）0.0（0.0）0.3628（－0.3628）0.0000（0.0000）1（－1）18（342）36.14（36.14）－11.74（11.74）0.3450（0.3450）－0.1121（0.1121）2（－2）36（324）30.74（30.74）－22.34（22.34）0.2935（0.2935）－0.2132（0.2132）3（－3）54（306）22.34（22.34）－30.74（30.74）0.2132（0.2132）－0.2935（0.2935）4（－4）72（288）11.74（11.74）－36.14（36.14）0.1121（0.1121）－0.3450（0.3450）5（－5）90（270）0.00（0.00）－38.00（38.00）0.0000（0.000）－0.3628（0.3628）右楔形环管片为例:计算法则：垂直向Y：下－上水平向X：左－右负数（－）代表轴线下降、左转。正数（＋）代表轴线上升、右转。当前第7页\共有36页\编于星期六\12点（三）管片空间水平、垂直向角度变化计算另一方法当前第8页\共有36页\编于星期六\12点角度（1，2）的调整量是从上图的关系里按下列公式计算：垂直方向：1＝2v水平方向：2＝2h注：6000为管片直径从推导公式可以显示为：当前第9页\共有36页\编于星期六\12点三、管片选型与隧道轴线

管片环节构成的隧道，对于轴线的构成，是利用每一环管片环节构成的短直线将其相互连接，尽可能地将管片环节构成的隧道轴线与设计隧道轴线吻合。但仍然存在一定的误差。当前第10页\共有36页\编于星期六\12点（一）管片拟合的隧道轴线

提出一个问题：为什么目前广州地铁的大多数管片环为宽度1500mm，内径5400mm，管片环楔变量38mm？1.对于内径选择：主要根据列车的选型、设备（限界）、列车设计旅行的速度确定（活塞效应）；2.管片环的宽度、楔变量：主要根据设计线路平、纵断面曲线半径、盾构机内空间设计、设计允许的误差确定；3.按施工过程中施工工艺、功效、质量及经济效益确定。4.管片环节形成的隧道轴线关键是尽量减小与隧道设计轴线误差。当前第11页\共有36页\编于星期六\12点（二）管片宽度、楔变量的确定1.管片宽度：管片宽度与设计轴线最小误差（设计允许误差±50mm），建议在10mm范围内；2.管片楔变量：在确定管片宽度后，根据直径、宽度则可确定管片楔变角度和楔变量;3.确定管片参数后，盾构机根据其参数进行盾构机内空间设计。管片环楔变角Q=180°－2Q1注：在确定上述的参数后，须根据管片拼装模式（如：封顶块位置、管片拼装模式）进行验算调整。当前第12页\共有36页\编于星期六\12点（三）管片排列

管片排列需根据隧道设计线路、管片宽度、管片楔变角、管片拼装模式确定。1.在隧道设计线路图中，圆曲线一般给出圆形要素：圆曲线半径R、圆曲线所对应的圆心角度a、圆弧长度L等。2.根据圆弧长公式：L＝a.π.R/1803.根据管片拼装模式（错缝拼装、通缝拼装），封顶块（K件）所在位置时，管片环所对应楔变角度。4.则对于管片环宽度所对应圆弧线的圆心角为：一）管片排列估算当前第13页\共有36页\编于星期六\12点5.K件所在位置所对应的楔变角度与管片环宽度所对应的圆心角之比，则得出管片环所组合模式。如：设计线路平面曲线半径R=450m,平面曲线圆心角57°，管片宽度1.5m，管片环楔变量最大值38mm，管片采用错缝拼装,封顶块（K件）偏转18度安装。则：平面曲线弧长L=57×3.14×450÷180＝447.45m。管片环宽度所对应的圆心角Q＝1.5÷447.45×57＝0.191度封顶块偏转18度拼装，管片环楔变角为0.345度。0.345÷0.191=1.8环。即：对于1.5m的管片环使用1＋1（1直线＋1楔形环）楔型环管片。注：该计算方法只是粗略计算，没能考虑实际中工中存在偏差修正问题。

当前第14页\共有36页\编于星期六\12点二）管片环修正排列计算

圆曲线半径450m，管片环宽度1.5m。计算管片环排列及偏差1.半径450米所需的轴线偏转角，管片环K件在±18°（拼装模式：S（－18°）—R（18°）—S（－18°）—R（18°）….，圆曲线圆心角57°，则弧长为447.45m以每一环1.5米进行计算，由平面几何得：

由于管片环封顶块K在±18°，通过计算，封顶块在18°时，其水平方向偏转角为：0.3450°（0.3450°÷2＝0.1725°)则：θ1，、θ2，、θ3，＝――――θ，θ＝0.3450°/2＝0.1725°则：每环管片环与圆曲线偏差角度：＝0.1725－0.1910＝－0.0185°表明：每安装一环管片，管片环的轴线偏离圆曲线0.0185°（注：在圆曲线内则为正值，外则为负值）。当前第15页\共有36页\编于星期六\12点

在第一环管片施工中心方向与隧道设计中心方向一致情况下，下图将表示每一环安装后的偏差（第1环），＋2＝3（第2环），＋2＋3＝6（第3环）―――，＋2＋―――＋n（第N环），不断增大。＝1500sin

＝1500sin(0.0185)＝0.48mm

在第N环的偏差：n＝＋2＋3―――＋n＝0.5n(n+1)mm；在第N环的角度偏差：N

＝0.0185n

如不作修正，则：弧长447.45＝298环

N

＝298×0.0185=5.513°

第298环累计偏差：（第298环）＝0.5×298×（298＋1）×0.48＝21.312m。

如按上述不作修正，轴线是严重的、灾难性的偏离。因此需作修正，以满足设计轴线要求。在第N环修正：Nx＝θ÷

＝0.1725÷0.0185

＝9环注：θ：每环偏差角累计到达管片环修正角度时修正角度则：在第9环偏差＝0.5n(n+1)＝0.5×9×（9＋1）×0.48＝21.6mm

当前第16页\共有36页\编于星期六\12点

由于施工轴线在隧道设计轴线外则，对于21.6mm偏差，虽然在施工误差范围内，但考虑施工轴线随长度增加而增加，偏差不断增大，需将施工偏差调整在设计轴线内则，因此必须在施工9环内，作出调整，一般是在计算第N环修正，提前N/2修正（如第9环修正，则提前9÷2＝4环修正），即：在第4环修正偏差＝0.5n(n+1)＝0.5×4×（4＋1）×0.48＝4.8mm即：在开始第4环，使用R-R模式，以后每隔9环使用R-R模式。注意：若通过管片排列计算，施工轴线在设计隧道轴线内则，则修正环使用S-S（标准环）。当前第17页\共有36页\编于星期六\12点

通过上述计算，可以确定对曲线半径450m，弧长447.45m，圆心角57°的圆曲线，可确定管片排列模式：S－R－S－R－R－S－R－S－R－S－R－S－R－R－S－R……….。（其中管片环封顶块旋转安装角度为：±18°）则：可知弧长447.45圆曲线，管片环使用多小环标准环、多小环楔型环。同理：则全区间的管片环数可知，但需根据施工单位施工水平，排列计算得出的环数后，作楔型管片环增加，已作日后纠偏使用。对于圆曲线排列，小结其计算步骤：1、通过圆心角公式，初步估计管片环排列模式；2、计算管片环宽度所对应的圆心角度；3、计算管片环，K件旋转不同角度时，其宽度、修正角度；4、计算一环管片环，修正角度与管片环宽度所对因的圆心角度差值及偏差量；5、计算第N环修正量、第N/2环修正量及使用修正拼装模式；6、管片环排列模式。注：在盾构机实际施工中，考虑地质、操作、机械问题，往往将盾构机施工轴线设置在圆曲线内则施工。当前第18页\共有36页\编于星期六\12点四、管片选型与盾构机

管片选型与盾构盾尾、盾构铰接、盾构推进千斤顶有着重要关系，特别是盾尾间隙的控制，尤为突出。从理论上，当管片安装后，管片环外圆面与盾构盾尾内圆面，其间隙是一致的，但实际施工中，由于受地层、人工操作、盾构蛇行等，造成间隙距离不一。

盾尾间隙确定：由管片宽度、隧道设计轴线、注浆工艺、盾尾油脂压注工艺确定。

当前第19页\共有36页\编于星期六\12点（一）盾尾间隙盾构机盾尾间隙变化三种情况：1、使用楔型环管片环；2、管片方位角与盾构机方位角不一致，3、盾构机偏移。以上三种情况在实际施工常常同时出现，是一个综合性因素。第二种情况第一种情况第三种情况当前第20页\共有36页\编于星期六\12点第一种情况：使用楔型管片a＝ABa，＝A，B，b＝2200－ab，＝2200－a,B1＝a.tanaB2＝-(a’tana)c1＝B1+btan(2a+b)c2＝-(B2+b’tan(2a+b))注：c1、c2则由于管片环的组合的不同而不同。当前第21页\共有36页\编于星期六\12点第二种情况：管片方位角与盾构机方位角不一致δB1'＝1500sinθδB2'＝-1500sinθδC1'＝2500sinθδC2'＝-2500sinθ当前第22页\共有36页\编于星期六\12点第三种情况：盾构偏移：管片与机尾的间隙，上（δt）下（δb）左（δl）右（δr）的数值，在盾构机施工现场通过盾尾是可以测量到，在管片中心（θs）与盾构机中心（θt）的偏差δv、δh可以用下公式计算出来：δt＋r＋δV＝r－δV＋δb

δr＋r＋δh＝r－δh＋δlδh＝(δl－δr)

δmin＝当前第23页\共有36页\编于星期六\12点（二）管片选型与盾构千斤顶垂直方向水平方向目前盾构机中，在盾构机控制面板均能显示垂直方向（定部、底部）及水平方向（左侧、右侧）千斤顶定行程，将各行程差，则初步反映了目前盾构及姿态（转弯、上坡、下坡状态）。当前第24页\共有36页\编于星期六\12点通过管片环修正角度及千斤顶行程差，通过计算可知，管片环在盾尾间隙控制最小量。同时通过平面曲线、纵向曲线、上下、左右千斤顶距离，可以得知盾构每推进一环管片宽度距离所需的行程差。根据圆心角公式：a＝2×sin-1(管片宽度一半÷曲线半径)按上述三种情况计算，可知每安装不同类型管片其盾尾间隙变化。当前第25页\共有36页\编于星期六\12点（三）管片选型盾构机铰接千斤顶

管片选型与盾构铰接千斤顶关系虽然没有直接关系，如在曲线段，铰接千斤顶行程确定与盾构掘进推进千斤顶有着重要关系。因此，管片选型与盾构铰接千斤顶具有间接影响。当前第26页\共有36页\编于星期六\12点需注意：盾构机主动铰接和被动铰接，对管片选型的影响推后体式（主动铰接）推前体式（被动铰接）当前第27页\共有36页\编于星期六\12点五、施工中纠偏修正（一）直线纠偏从设计中心偏移（δA）以及尾部偏移（δB）表示在以下公式：δA＝（管片宽度＋盾尾以外主体长度）sinΔθ°δB＝管片宽度sinΔθ°Δθ的确定：垂直方向：Δθ＝（盾构机实测俯仰角）－（挖掘设计坡度）水平方向：Δθ＝（所示方位角值）－（设计隧道方位角）注：盾构机垂直方向俯仰角、水平方向方为角，通过测量求得。

Δθ也可以通过千斤顶行程差计算当前第28页\共有36页\编于星期六\12点（二）曲线段修正根据圆心角公式：a＝2×sin-1(管片宽度一半÷曲线半径)，每推进1环管片，盾构机必须偏移角度（如：半径为300米时盾构转0.2292°）

如果偏向曲线外不加以修正，就会与设计曲线越偏越远；如果偏向曲线内不加以修正，就会以较大的角度冲向设计曲线，难以修正。当前第29页\共有36页\编于星期六\12点

根据上述，为了保持盾构在设计曲线上，尽可能地将盾构机控制在设计的曲线内侧。另外，用推进器长度差来管理时，推进1环以上时，盾构机会向曲线外偏一点，其偏差角度为Δθ＝tan-1(δ/R)在半径300米的区间δ＝50mm时，Δθ＝0.01°，对盾构机施工轴线也不会产生不可控制偏离。在曲线纠偏中：关键是控制盾构机偏差角的控制，不能以大角度纠偏，否则，管片选型、轴线控制就会完全失控。当前第30页\共有36页\编于星期六\12点假设：水平方向在设计中心线内，但垂直方向比设计中心线低50mm，垂直方向的方位角也向前倾0.4°。

如果继续安装标准管片，每推进一环，施工中心线就会比设计中心线多偏离10.5mm，如果再推进N环（如：6环），侧偏离值d＝50＋10.5×6＝113mm，此时已超出100mm的容许值（其中：10.5=1500×sin0.4°）。

当前第31页\共有36页\编于星期六\12点K件位置a（°）K件旋转角度ΔX（mm）宽度差ΔY（mm）宽度差θX（°）角度变化θY（°）角度变化0（0）0（180）38.0（－38.0）0.0（0.0）0.3628（－0.3628）0.0000（0.0000）1（－1）18（342）36.14（36.14）－11.74（11.74）0.3450（0.3450）－0.1121（0.1121）2（－2）36（324）30.74（30.74）－22.34（22.34）0.2935（0.2935）－0.2132（0.2132）3（－3）54（306）22.34（22.34）－30.74（30.74）0.2132（0.2132）－0.2935（0.2935）4（－4）72（288）11.74（11.74）－36.14（36.14）0.1121（0.1121）－0.3450（0.3450）5（－5）90（270）0.00（0.00）－38.00（38.00）0.0000（0.000）－0.3628（0.3628）当前第32页\共有36页\编于星期六\12点要修正管片施工中心线的方法有多种，即是0.2935°，但水平方向却在设计中心线上，有必要用2环锥形管片消除水平方向的偏差。因此，2次使用0.02935°锥型环管片，垂直向仰角是0.2935°×2＝0.5870°已向上修正了。为了修正向上0.2935°的仰角，从施工方面考虑选用，其方法是RT－（－54），LT－(－54)，则水平方向消除安装第一环楔型环产生的0.2132°，需注意：在这两环楔型环管片之间需加上2环标准环管片（主要时考虑错缝拼装）。根据上述分析纠偏量计算如下：第1环：dv1=50mm垂直偏差角Φ

＝0.4°第2环：dv2=dv1+1500sinФv1-1500sin（0.2935÷2）＝56.6mm，第3环：dv3=dv2+1500sinФv3＝59＋1500sin（0.4－0.2935）＝61.8mm，第4环：dv4=dv3+150