一种盾构隧道管片拼装点位数字化选型拼装方法与流程

本发明涉及一种管片拼装方法，具体设计一种盾构隧道管片拼装点位数字化选型拼装方法。

背景技术：

管片是盾构法隧道的永久衬砌结构，钢筋混凝土管片是目前使用最多的盾构隧道衬砌结构形式之一，管片分为通用型管片和标准型管片2种。相较于标准型管片，通用型管片有成型后错台小、缝隙窄、在曲线段隧道中更拟合隧道设计轴线、利于纠偏等优点，故我国在深圳地铁一期工程第7标段首次采用通用管片环后，盾构区间管片设计越来越趋向于选择通用型管片设计。

通用型管片拼装施工中，管片拼装点位选型是施工过程中的关键工序，施工过程中值班工程师一般通过个人经验进行拼装点位选型，这种选型方法存在以下几个方面的问题：

1、受个人经验深浅的影响，管片拼装点位选型存在不合理性，经常出现因为选型错误导致管片趋势与盾构机趋势相背，盾构机推进时施加在管片上的推力产生竖向分力，从而产生管片破损；

2、盾构机推进时受地层影响方向发生变动，原有盾尾间隙测量仅能量得管片外缘的盾尾间隙，管片内缘盾尾间隙无法测得。值班工程师无法判定管片与盾构机盾尾之间的位置关系，使得实际盾尾间隙过小，盾构机盾尾刮擦管片，致使管片破损；

3、盾构管片采用凹凸榫设计，管片渗水依赖于原有的一层橡胶条进行防水，当管片拼装间隙过大时，容易发生管片渗水现象。

技术实现要素：

本发明的目的是针对背景技术的以上不足，提供一种拟合隧道设计轴线、拟合盾构机掘进趋势、可测量内缘盾尾间隙、管片防渗效果好、安全质量有保证、功效高的盾构隧道管片拼装点位数字化选型拼装方法。

本发明的技术方案如下：

(1)分析原始数据，对设计文件进行计算分析，计算得到隧道的设计参数及盾构机参数。

采集如下基本初始参数：

隧道设计轴线每隔一环管片长度上的空间坐标及相应的里程、管片的尺寸及超前量、盾构机的长度、盾构机的开挖直径、盾尾的直径；

(2)测量盾构机盾尾间隙，根据改进后的直角靠尺测得管片与盾构机在正上点、正下点、正左点、正右点的内缘间隙及外缘间隙，通过这4点的内外缘间隙判断出管片与盾构机的相对位置，利用两者关系确定盾构机与成型管片的相对位置；

(3)通过盾构机内部的传感器采集隧道掘进参数，包括盾构姿态、盾构机油缸千斤顶行程数据；

(4)数字化管片拼装点位计算，根据上述步骤(1)～(3)所得到的数据将隧道原始数据、盾尾间隙及隧道掘进参数，带入推导的公式中计算适用于通用型管片错缝拼装的点位，得到数个备选点位；

(5)通过盾构设计轴线、盾尾间隙确定步骤(4)中最合适的管片拼装点位，根据隧道设计轴线、盾尾间隙进行判定，条件为最能拟合隧道设计轴线及使上下左右四个点位的盾尾间隙值差值最小的拼装点位为最佳管片拼装点位。

(6)在管片防水设计的基础上，沿每块管片外环面粘贴一圈密闭的缓膨胀型橡胶止水条，用于改善管片缝隙防水效果；

(7)利用步骤(6)中防水施工完毕的管片，按照步骤(5)中确定的管片拼装点位排列管片块，进行管片拼装施工。

与现有技术相比较，本发明盾构隧道管片拼装点位数字化选型拼装方法中，步骤(2)所述改造后的直角靠尺利用夹角定距的原理，确定管片内缘的盾尾间隙，使值班工程师判断出管片与盾构机的相对位置。步骤(6)所述的粘贴缓膨胀型橡胶止水条位置为沿每块管片外环面一周，其所需长度＝管片外周长×2+管片纵向长度×管片块数×2。

与现有技术相比较，本发明采用在管片外环面增贴缓膨胀型遇水膨胀止水条止水、改造后的直角靠尺测量盾尾内外缘间隙、数字化拼装点位计算方法，能够适用于采用错缝拼装方式的盾构法隧道中通用型管片衬砌拼装点位的确定和拼装施工。此外，本发明摒弃了依靠人工经验进行估算选型的传统方法，能够快速自动地选定管片封顶块的拼装位置，使成型隧道轴线与隧道设计轴线相拟合，因而所述的盾构隧道管片拼装点位数字化选型拼装方法具有工效高、质量好的有益效果。

附图说明

图1为本发明通用盾构隧道管片拼装示意图；

其中，图1a为单环管片横断面示意图；图1b为单环管片纵断面示意图图1c为单环管片平面示意图

f为封顶块；l1、l2为邻接块；b1、b2、b3为标准块。

1-16为拼接点

图2为本发明隧道线型示意图；

其中图2a为直线线型坐标计算示意图；图2b为圆曲线线型坐标计算示意图图2c为缓和曲线线型坐标计算示意图

图3为本发明盾尾间隙测量直角靠尺示意图及其局部放大；

图中，100为盾尾盾壳200为管片300为间隙靠尺

310-竖直刻度尺320-水平刻度尺330-旋转尺340-转轴

图4为本发明施工成型隧道、盾构机轴线与隧道设计轴线相互关系示意图；

a为施工成型隧道轴线b为盾构机轴线c为隧道设计轴线

图5为本发明增贴缓膨胀型遇水膨胀止水条示意图。

图5a为管片纵缝密封防水结构图5b为管片环缝密封防水结构

400-弹性密封垫500-遇水膨胀止水条600-凹凸榫

图6为管片防水结构局部示意图。

700-橡胶垫片

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

以某盾构隧道施工工筹为例，该工程采用φ6.48m的盾构施工，盾构主机总长为10m，隧道采用通用型管片进行错缝拼装成型，并应用本发明所述隧道管片拼装点位数字化选型拼装方法进行施工，该方法包括采集基本数据、测量盾尾内外缘间隙、采集隧道掘进参数、拼装点位计算、确定拼装点位、改良防水材料粘贴、最后进行管片拼装的组合方案。具体内容如下：

(1)隧道线型计算

通过下述计算公式计算可求得隧道设计轴线上各点的坐标，即可计算各点相对于起点的偏移量，从而求得每环管片的所需的偏移量。

1)直线坐标求解

直线段起点a里程为l0，坐标(xa,ya)，终点b里程为l1，坐标(xb,yb)，如图2所示：

则里程为lp的p点坐标为：

2)圆曲线坐标求解

圆曲线起点a(xa,ya)，终点b(xb,yb)，α为曲线上起点a到所求点p的圆心角，如图2所示：

则p点坐标为：

3)缓和曲线坐标求解

缓和曲线的曲率是均匀变化的，一般采用回旋线方程表示，如图2所示：

根据缓和曲线的不同和左右转弯的情况，分为以下四种：

a.左转弯直缓曲线

式中：β—缓和曲线的起始方位角，即曲率为0处的切线与整体坐标x轴的夹角，逆时针为正；(xo,yo)为回旋线起点坐标。

b.右转直缓曲线

先利用上式做局部变换，再利用式(13)、(14)进行旋转变换和平移变换，即可得整体坐标系。

c.左转缓直曲线

用式(5)做平移变换即可得到p点坐标。

d.右转缓直曲线

计算步骤与c相同，局部变换公式与方位角应按下式计算：

r代表计算点的半径；t代表由起始点到计算点的线型长度(参见图2)

(2)通用型管片点位超前量计算

通用型管片通过管片圆环的转动，使得管片左右或上下的纵向长度差产生变化，从而使管片与设计轴线相拟合。管片左右的纵向长度差或上下的纵向长度差称之为管片水平超前量或垂直超前量。

假设管片的楔形量为s(双面楔形量)，由集合关系得：

管片上下侧的超前量满足式：

2sθ-2sθ+π＝-scosθ

管片左右侧的超前量满足式：

2sθ-2sθ+π＝-ssinθ。

θ代表管片圆环转动角度；sθ代表转动后管片的单面楔形量；sθ+π代表圆环纵断面sθ加180°对应的点；

本具体实施例盾构管片楔形量为40mm，根据上述公式计算其超前量(双向)得下表：

(3)盾尾间隙测量

管片选型前后，需进行盾尾间隙测量，通过间隙测量确定盾构机与管片的相对位置，确保盾构机与管片存在一定间隙，使盾构机盾壳不与管片发生刮擦碰撞。

盾尾间隙量测采用直角靠尺进行量测，但目前市面上的直角靠尺仅能量测当前环管片环面处的盾尾间隙，而无法量测内缘的盾尾间隙。为了确切的得到盾构管片与盾构机相对位置情况，本发明提供了一种新型靠尺，通过该靠尺，利用几何原理测内缘及外缘的盾尾间隙，使值班工程师判断出管片与盾构机的相对位置。如附图3所示，该间隙靠尺300包括竖直刻度尺310、水平刻度尺320和旋转尺330，其中，竖直刻度尺310和水平刻度尺320垂直相交成为直角的两条边，水平刻度尺320上设有转轴340，旋转尺340能够以转轴340为轴心水平刻度尺320相对旋转。测量时，将旋转尺和水平刻度尺左端插入盾尾盾壳100和管片200之间，再张开，就可在右侧竖直刻度尺310读取相应数据，换算获得间隙的大小。

(4)管片拼装点位计算

1)错缝拼装

通缝和错缝之间的区别在于成型管片环整体刚度上的差异。错缝的存在，使管片环之间的螺栓可以更大的发挥其纵向紧固作用，增加管片环整体的刚度。相较于通缝拼装，错缝拼装更能避免管片衬砌发生大变形、渗漏甚至是屈服破坏等安全问题，因此通用型管片拼装中，较多采用错缝拼装，避免通缝拼装。

管片块的划分不同，为了避免通缝拼装，选择的拼装点位也不同。本实施例每环管片由3块标准块+2块邻接块+1块封顶块组成，共16个拼装点位，故每个相邻拼装点位在管片纵断面上的位置为360°/16＝22.5°，换而言之管片只能按22.5°的倍数进行旋转。将管片纵断面以拼装点位为中心划分为16个22.5°的区域可以得到，若为避免通缝，下一环的封顶块拼装点需在当前环拼装点的标准块或邻接块3个拼装点位的中心点进行选择。以图1a为例，当前环拼装点为12点时，下一环错缝拼装需选择的点为14、1、4、7、10。错缝拼装公式如下所示：

下一环的拼装点位＝当前环的拼装点位+2

或当前环的拼装点位+2+3*n(其中n≤4，当结果值大于16时需减去16)

厦门轨道项目1号线管片错缝拼装点位如下表所示：

管片点位中，8点对应管片的正下方、16点对应管片的正上方，因隧道施工中，这两位置的应力最大，故管片拼装时不选择该两处位置作为拼装点位，以避免管片块中尺寸最小的封顶块受大应力破坏。

2)隧道设计轴线、盾构机轴线与成型隧道轴线相对关系计算

如附图4所示，α为设计轴线与盾构机轴线的夹角，β为盾构机轴线与成型隧道轴线的夹角。

式中：a1——盾构机切口与设计轴线的平面偏差；a2——盾构机尾部与设计轴线的平面偏差；ld——盾构机首尾长度(不考虑铰接)。

式中：b1-b2——平面内盾构机左右油缸行程差；h——盾构机左右油缸千斤顶之间的距离。

计算后可得三条轴线之间的相互关系，管片拼装点位选型的最佳效果是使α与β的值最小化。

3)盾构机趋势计算

盾构机趋势是指盾构每掘进1m，偏离隧道设计路线(dta)的数值(mm/m)。趋势的计算公式如下：

δ＝(δ1-δ2)/l

式中：δ——趋向值；δ1——切口圆心偏移值，δ2——盾尾圆心偏移值，l——切口、盾尾距离。

(5)管片拼装点位选取

管片选型是决定成型隧道轴线是否拟合设计轴线的直接因素，在管片拼装中是至关重要的一步。影响管片选型的因素主要有以下四点：①盾尾间隙；②隧道设计轴线；③油缸行程差；④盾构机趋势；

①盾尾间隙

当盾尾间隙d小于40mm时，盾构机内缘有较大可能与管片外缘接触，进而刮擦管片。受管片楔形量影响，单环内管片圆环中封顶块位置是盾尾间隙最小的位置，因此当管片某一点盾尾间隙小于40mm时，管片选型时需将封顶块拼装于该点的反向位置，例如当前盾尾间隙最小点位于12点，则管片封顶块应拼装于4点位置附近。

②隧道设计轴线

管片拼装以拟合隧道设计轴线为原则，规范要求管片姿态与隧道设计轴线偏差不超过100mm。故管片选型中应考虑管片拼装成型后隧道的轴线与隧道设计轴线的拟合性。例如在第50～100环管片中，隧道轴线为半径330m、向右的圆曲线，则管片选型应将封顶块拼装于右侧，使成型后管片线型整体向右。

③油缸行程差

油缸行程差为管片拼装点位上相对应的盾构机千斤顶油缸伸长量之间的差值，在实际施工中一般关心左右油缸行程差(12点、4点油缸行程差)和上下油缸行程差(16点、8点油缸行程差)。油缸行程差超过60mm时需对其进行纠正，将管片封顶块拼装于油缸行程小的一侧能缩小油缸行程差。

④盾构机趋势

由于盾构机属于超大机械，在短距离掘进中盾构机方向的转变较慢。管片选型中，需考虑盾构机趋势。当盾构机趋势为整体向上，则管片选型应将封顶块设置于正上方(拼装点位16点)附近，使成型管片亦为向上，以使管片与盾构机不产生冲突从而产生质量缺陷。

(6)管片防水设计优化

本实施例管片采用凹凸榫设计，利用凹凸榫使管片紧密的拼装在一起。在防水设计的基础上进行改良，在缝隙处增设微膨胀性橡胶止水条500，具体见图5和图6。

管片200采用凹凸榫相互拼接在一起600，通过迎水侧的弹性密封垫400进行止水，本发明在迎水侧增设一道微膨胀性橡胶止水条500，使成型管片止水效果大为提高。

(7)管片拼装作业

1)管片进场。将管片由预制场运送至施工场地，管片除进行出场质量控制外，在施工场地卸车时需由专人进行进场管片质量验收。

2)防水材料粘贴。由管片供应组人员进行衬垫、止水条粘贴，粘贴验收后，以垂直和水平运输系统进行管片运输，运输至盾构机内部的管片存放区位置以待施工。

3)拼装区清理。清理管片拼装区内的水及碴土等。

4)缩回拼装部位置油缸。根据管片拼装需要收回油缸，以满足拼装一块管片为准。

5)管片拼装。拼装区域的油缸全部收到位后，可进行管片就位、拼装。管片拼装顺序为先拼标准块，然后拼装邻接块，最后拼装封顶块，管片拼装时由下至上。

6)推进油缸顶紧就位管片。管片就位后，将油缸以低油压顶推支撑在管片上。

7)螺栓紧固。每块管片拼装就位后，立即进行环纵向螺栓连接，并进行初紧。

8)管片二次紧固。管片脱离盾尾后进行二次紧固。

综上所述，本发明所述盾构隧道管片拼装点位数字化选型拼装方法能精确选定符合隧道设计轴线的管片拼装点位，使隧道施工轴线与设计轴线相拟合，并克服了现有管片拼装点位选取经验性的缺陷，适用于采用错缝拼装方式的盾构法隧道中通用型管片衬砌拼装点位的确定和拼装施工。本发明具有防渗性高、拼装质量好、适用性强的优点，能够达到减小施工轴线偏差、保证盾构隧道工程质量的有益效果。