盾构线形和管片选型

第三章盾构隧道断面、线形和管片选型
一.盾构隧道断面
1. 通常盾构隧道按其端面来分有圆形隧道、半圆形隧道、双圆搭接形隧道、三圆搭接形隧道、矩形隧道、马蹄形隧道、椭圆形隧道等多种隧道。

（1）圆形断面
圆形隧道是使用得最多的断面形状，因此，人们通常把圆形断面称为标准断面。

本书以后若无其他说明，一般提到的隧道均指圆形断面的盾构隧道。

圆形隧道有以下几个优点：
①由于圆形断面的拱作用，故管环上作用的外压小（相对非圆断面而言），管环受损小，寿命长，即隧道的耐久性好、安全性好。

②圆形盾构断面盾构机掘削机理简单，掘削系统（刀盘，力、扭矩的传递结构）容易制作、造价底。

③管片的制作简单容易，拼装方便。

④圆形断面隧道的内空（直径）可大可小。

内空利用率底，存在浪费。

（2）矩形断面
矩形断面的优点是内空利用率高，与圆形断面相比构筑时可以减少３０％的土体切削和排放。

利于成本降低。

另外，矩形断面地中占位小，地下空间利用率高。

缺点是管环上的作用大，不适于大尺寸隧道的构筑；管片设计、施工复杂；盾构机制作复杂、价格偏高。

双圆搭接端面
这种多用于铁路、公路往返复线的情形。

地中占地面积小、空间利用率高。

盾构机制作复杂、造价高，管片设计、组装、施工复杂。

（3）三圆搭接断面
三圆搭接断面可以说是为构筑地铁车站而设计的盾构断面形状。

优点是空间利用率高，使地铁车站的构筑施工完全转入地下，此工法的造价底。

缺点是盾构机、管片的设计、制作和施工均比较复杂。

二.盾构隧道的线形
1. 平面线形
平面线形可以分为平曲线和竖曲线，平曲线和竖曲线在盾构隧道的线形中有直线、缓和曲线、圆曲线几种形式。

从盾构工法自身的施工性来方面来看，盾构隧道最好选用直线和大曲率半径的平面线形。

但多数的施工对象是城市市区的地下工程，因都市地区的地下构筑物密集，加上地价昂贵，所以线形的确定受地层条件、地表条件、地下障碍物及用地条件的制约。

也就是说，线形为直线和大曲率半径的条件通常不易得以满足，而多数情况会出现小曲率半径的急转弯，所以小曲率半径的设计、施工是平面线形讨论的重点。

2. 坡度
隧道的坡度不仅取决于使用目的，还取决于河流、地下构造物及障碍物的分布状况。

从隧道使用目的上来考虑，其坡度原则上设计成渗漏水可以自流排放的平缓坡度，以不底于０.２％为宜；
从施工方面来考虑，为了使施工的涌水能自流排放，使坡度提高到０.２％～０.５％为宜。

但坡度超过０.２％会影响出渣和运料等作业效率。

由于条件限制的原因坡度大于５％时，就要选择特殊的运输方式，同时还要做好各种安全防护措施。

三.盾构姿态的控制和管片选型
(一)盾构姿态
盾构姿态是指盾构机前端刀盘中心（以下简称“刀头”）三维坐标和盾构机筒体中心轴线在三个相互垂直平面内的转角等参数。

1. 盾构姿态的控制
（1）盾构姿态的控制是盾构推进施工的一项关键技术，轴线方向控制主要是依靠测量精确性，在实际施工中盾构推进轴线控制不可能是理想状况，轴线控制不佳状况的原因：地质不均匀引起正面阻力不均匀，施工操作技术水平不高。

控制好盾构的推进轴线，才能保证管片拼装在位置的准确，才能使隧道竣工轴线误差控制在允许范围内。

（2）盾构推进及管片拼装施工时，为了减少由于盾构自转所产生的施工困难，应控制盾构旋转量，在±30以内。

在施工中可采取措施以防止过量的旋转，方法有：
①改变刀盘的旋转方向。

②改变管片拼装左、右交叉的先后次序。

③调整两腰推进油缸轴线，使其与盾构轴线不平行。

④当旋转量较大时，可在盾构支承环或切口环内单边加压重。

（3）盾构在硬岩、地下水比较发育地段、浅埋隧道地段、软弱土层中推进时，特别是在曲线段盾构逐环转折推进时会引起盾尾后一段隧道的位移，导致测量的后视标志点移动。

因此，在盾构推进轴线和成环管片中心的测量必须定时严格复测后视标志点的移动值，并及时进行调整，确保盾构推进导向测量的正确性。

(二)盾构姿态的纠偏
（1）分析上环盾构推进姿态测量报表，决定本环推进纠偏方案，按纠偏量选择千斤顶编组，盾构司机按千斤顶编组和设备操作规定检查和操作推进系统开始盾构掘进，在掘进施工时应经常观察进土情况。

盾构是依靠安装于支承环周围的千斤顶推力向前推进的，正确地使用千斤顶是使盾构沿设计轴线方向准确向前推进最有效的措施，所以每环推进前必须根据前几环盾构推进现状报表分析盾构趋势，决定纠偏方案、纠偏量，选择千斤顶编组。

（2）盾构内径与管片外径两者之者有一定施工间隙，盾构纠偏只能在此范围内调整，过量纠偏会使盾壳卡住管片，导致管片被挤坏或增加下一环管片拼装的困难。

盾构纠偏应及时、连续，不要过量纠偏。

过大纠偏会使盾构轴线与隧道轴线产生较大的夹角，影响盾尾密封效果产生盾尾漏浆。

壁后注浆发生漏浆无法保证空隙填充，过量纠偏增加盾构对土体的扰动，这些因素都将增大地面变形。

(三)管片选型
1. 管片类型
在盾构施工过程中，管片的类型根据隧道断面的不同而不同，有圆形、半圆形、双圆搭接形、三圆搭接形、矩形、马蹄形、椭圆形等多种形式，在这里以圆形断面隧道的管片来讲述。

圆形断面隧道的成型管片是圆形的，该类型的管片一般由六块管片组合形成圆形，在盾构法施工中采用预制钢筋砼块（管片）做为永久支护，或永久支护的一部分。

目前常用的是将管片分为左、右转弯环和标准环三种类型。

2. 管片与隧道线路
隧道设计线路的特征决定了管片拼装成环后横断面的走向，同时也在总量上限制了管片在一个施工合同中的类型分布。

①曲线地段
曲线地段应根据线路的曲线要素、纵向坡度的大小、不同衬砌环的组合特征（楔形量、锥度、偏移量等）来决定要安装的管片类型。

线路所要求提供的圆心角：
α＝180L／πR
式中：L—一段线路中心线的长度；
R—线路曲线半径。

K块（封顶块）不同位置时管片锥度的计算：
β＝2arctg(δ×cosθ／2D)
式中: β—管片成环后的锥度。

标准环为0。

δ—转弯环楔形量，即转弯环管片12：00时水平方向内外宽度差。

D—管片外径。

θ—K块所在位置对应的角度。

我们追求的是X环不同类型及封顶块的组合提供的锥度β′和X环管片长线路所需要的圆心角α相等的X环不同类型的组合，管片选型时应按这种组合为基准来实施。

如广州地铁二号线越三区间隧道盾构工程中左转弯曲线：R=399.863m, δ=50mm, D=6000mm, 通过计算L12+T+L1+T为最佳组合。

（备注：L12为左转弯12：00，T为标准环，装L1是满足线
路为下坡及管片环与环间错缝拼装的要求。

）
②直线地段
直线地段原则上装标准环，只是在适当的时候靠转弯环来完成线路的纵向坡度，以及调整盾构机掘进过程中偏移中线的纠偏量。

3. 管片与盾构机姿态
（1）盾构机姿态决定管片选型
盾构机姿态在某种程度上决定了管片选型。

我们在选择要安装的管片类型时，一定要考虑盾构机的趋势、盾构机偏移中线在水平和竖直方向的程度，以及计划要在以后几环中调整盾构机到隧道中心线上。

比如盾构机竖直方向偏移中线16mm，每环L10使下一环向下低头4mm,则最少需要4环L10才能调整过来,但此时一定还要同线路的水平特性、盾构机俯仰趋势等相结合。

（2）管片影响盾构机掘进
在盾构施工过程中，我们注意到管片在某种程度上也会影响盾构机向前掘进的。

如果盾构机在左右或上下油缸行程差很大，使盾构机趋势过大甚至偏离中心，且使推进油缸的撑靴不能和管片紧密面接触而形成线接触，从而导致盾构机推力不能完全发挥，进一步影响推进速度。

同时要完美地控制盾构沿隧道中线掘进是不容易的，也就是说，盾构机一直和隧道中线成一定的角度向前推进，而且使推力在管片上分解出一个接近于径向的分力，然后通过管片及连接螺栓传递到后一环甚至后几环，当此分力超过了管片砼的抗剪极限时，管片就要破损。

在实际的施工中，这种情况发生的很多。

在施工中盾构机推进过程中油缸行程差过大，也是造成小半径曲线隧道和隧道超挖过大的一个重要原因，使隧道背衬注浆在管片四周厚度不均，地层下沉，防水困难等。

所以在管片选型时要尽可能地缩小油缸行程差，并且考虑每掘进完一环线路所形成的油缸行程差，做到预测下几环的管片类型。

4. 盾尾与管片选型
的油缸行程差等，以便司机掘进有一个明确的目标，从而按理论的管
片组合来掘进。

当盾构机掘进方向偏离中线较大时，管片选型者要和主司机共同研究在多少环中纠正过来，做到主司机和管片选型者想法一致目标统一。

管片选型问题涉及到盾构机的性能和以上几种情况等多方面的原因，是一项复杂的工作，因此，管片选型者应熟悉管片性能、线路情况、地质情况、盾构机性能以及主司机的操作水平等。

选择最佳的管片类型，制造出完美的隧道。

7. 管片选型示意图
图2。