在盾构施工中对姿态控制与管片选型技术探讨与研究.doc

盾构施工姿态控制与管片选型第一章 绪论盾构施工技术在世界上的发展与应用已有上百年的历史，目前已经成为一种国际上较为普遍的隧道工程施工方法。而在我国，盾构施工大规模的应用尚未真正开始，传统的明挖法、矿山法以及应用新奥法原理施工的隧道仍然占有很大的比重。随着我国对城市地下空间开发领域的重视，诸如地下铁路、电力隧道、水工隧道以及城市共同沟等地下结构开始越来越多的被提上建设舞台。由于盾构施工相对传统施工更能满足城市施工对环保、高效、安全等标准的高要求，所以将会被建设与施工单位更加重视与广泛的应用。盾构施工相对传统施工有着明显不同的特点。这种差别主要存在与管理与技术上。从管理的角度来说，盾构施工是高度流水化，自动化的工厂作业，要求管理要适应作业协调性、平衡性、连续性、密集性的特点。下面我们将重点讨论盾构施工在技术上的不同特点。传统方式施工对地质的变化很敏感，在不同地质条件下，地层处理、开挖方法，支护手段甚至是支护原理以及衬砌的构成方式都有很大的区别，因此技术上的矛盾主要集中在“地质”与“支护”上。盾构施工把复杂的地质条件变的简单，不同的地质条件只对施工中掘进模式的选择产生影响，但盾构施工中不同掘进模式的选择采取的地质分类标准又与传统方式施工的分类标准有很大的差别。而且由于现代化的机械式盾构对地质条件有很强的自适应性，使得地质条件对施工的影响相对传统施工也减弱了很多。所以盾构施工的主要技术矛盾已经不再集中在“地质”与“支护”上，掘进姿态控制、管片选型、注浆工艺成为同样重要的技术控制点。其中盾构掘进中的姿态控制与管片选型对隧道质量起的影响最大，也是盾构施工的一个难点，因此本文将对盾构施工中的姿态控制与管片选型方法作详细的分析。在此之前，先介绍一些盾构与管片的基本知识。第一节 盾构简述盾构的种类很多，从最原始的手掘式盾构到最现代化的机械式盾构，各种盾构在施工方式与对地层支护机理上的差别很大。现代化工程施工中最为常用的盾构基本上是自动化程度很高的机械式盾构，机械式盾构从开挖方法与对地层的支护方式上可以简单的分为三种，即挤压式盾构、泥水式盾构、土压平衡式盾构与复合式盾构。挤压式盾构是在开挖面的稍后方设置隔壁，在隔壁上有大小可调的孔口，掘进时靠盾构的推力使流动的泥土从隔壁上的孔口排出，调节孔口的大小与推进油缸推力就可以调节掘进的速度与作用在开挖面上的支护压力。挤压式种盾构适用于自稳性差，流动性大的岩土，但不适用于硬质岩土。泥水式盾构相对于挤压式盾构在主机前部安装有旋转的切削刀盘，刀盘与隔壁之间形成泥水室，取消了挤压式盾构隔壁上的排土口，改为输入与排出泥浆用的泥浆管。在主机上或地面上还有分离泥浆与碴土的设备。掘进时把泥浆压入泥水室，泥浆在开挖面上形成不透水的泥膜，调节泥浆的压力可以控制作用在开挖面的支护力。刀盘旋转切削下的碴土由循环的泥浆带出，再通过泥浆分类设备分离出碴土。泥浆式盾构适用的地质范围很大，从软弱砂质土到砂砾土都可使用，在工程中应用较多。土压平衡式盾构与复合式盾构由刀盘与隔壁形成土仓，依靠土仓中的土压力稳定开挖面，在遇到不良地质时复合式盾构还可以用向土仓中加入泡沫、复合材料、膨润土或压缩空气等辅助材料的方法改善碴土、稳定开挖面与控制地下水过量渗出。掘进时土仓中的碴土由开口在隔壁上的螺旋输送机排出，土仓中的压力与推进速度，排土速度，辅助材料的使用量有关。复合式盾构的应用面十分广泛，从比较坚硬的岩层到软弱的砂土层都可使用，更因为在开挖时可以向开挖面加入辅助材料，大大提高这种盾构在富水地层中的适应性，在部分使用泥水式盾构的场合也可以胜任。土压平衡式盾构机构造图第二节 管片简述管片衬砌属于一种装配式隧道衬砌。它是由若干预制好的构造块在开挖出的地下空间内拼装成设计的隧道形状，作为隧道的初期支护衬砌或直接成为隧道的最终结构。装配式衬砌在隧道施工中的实践已经有很长的历史。但装配式衬砌相对于传统方式衬砌因其构造块的体积一般比较大，构造块制造精度要求高，在现代化的隧道施工方法成熟以前，由于局限于人力与技术的限制，应用较少。直到高精度制构造块知造技术与机械化施工发达的今天，才被广泛的采用。装配式衬砌相对于传统衬砌的最大优点就是施工工艺简单，施工速度高，施工安全，施工质量有保障；它的缺点是施工成本较高，只适应于大规模的与标准化的隧道建设。管片是圆形隧道使用的装配式构造块，多用于圆形地铁隧道与城市地下管道的建设。为了提高施工速度与防水质量，管片的单块质量比较大，一般只用几块就可拼出一环；管片的制造精度比较高，在防水处理上比较简单。管片衬砌是盾构施工最常用的衬砌方式。管片按其材料可分为砼管片与金属管片，其中砼管片的应用更为广泛一些，这是因为砼管片整体刚度大，耐久性好，成本较低。管片按其形状可分为平行环或称标准环、楔形环或称转弯环两种，平行环与楔形环按照不同的组合形式可以拟合出不同半径的曲线隧道。也有的隧道只用楔形环一种管片，这样的好处是可以减少模具的数量，但管片排列时要复杂一些，也有的隧道只用平行环，当隧道转弯时在管片间加不同厚度的垫块使管片能随线路的走向偏转，但这样的隧道在防水上要复杂些，而且在隧道曲线半径较小时很难实现。我们只论述最经常使用的，即同时采用平行环与楔形环时的施工原理。第三节 小结盾构的种类很多，配套使用的管片也不尽相同，但其掘进时姿态的控制与管片拟合选型的原理是基本相同的。因此本文结合郑州地铁一号线使用的德国复合式盾构与配套的1.5米宽度管片为例介绍姿态控制与管片选型的方法。郑州地铁从一号线开始应引进应用盾构，主要应用于穿越对环境保护要求较高的繁华城区与施工难度较大的隧道施工。鉴于盾构施工在速度、环保以及安全上的诸多优点，在郑州一号线施工中开始扩大使用。一号线施工采用的六台盾构机全部为复合式盾构机，开挖直径都在六米以上。第二章 盾构主机第一节 主机的主要尺寸盾构主机的尺寸在盾构施工姿态控制与管片选型中是很重要的数据，以一号线应用的德国产盾构为例，其各项参数见下图。 这台盾构主机的全长为8.32米。其中刀盘的厚度为0.755米，直径为6.3米；前体与中体的总长为4.28米，直径分别为6.25米与6.24米；盾尾的长度为3.285米，直径为6.23米。前参考点（RF: Reference Front）：位于刀盘的前部，为刀盘最前端的中心点；后参考点(RB: Reference Back)：VMT系统ELS靶所处的主机的平面中心点；推进油缸零平面(VJ0P:VTR Jacks 0 Plane)：全部推进油缸完全收回，所有油缸撑靴形成的平面；RF 到 RB的距离 4.754MRF 到 VT0P的距离 5.455M推进油港最大形程 2.000M作为掘进控制与管片选项计算的关键数据，主机的这些主要尺寸与参考点的位置必须被技术人员熟练掌握。第二节 推进油缸盾构掘进所须的推力是由安装在主机上的推进油缸提供的，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进油缸中液压油的压力可以控制油缸的伸出长度与伸出速度，从而控制盾构主机的掘进方向与掘进速度，这就是掘进中姿态控制的基本原理。下面为推进油缸在盾构主机内部的安装示意图。推进油缸安装直径为5.7米。 推进油缸共有30个，分成单缸与双缸两种，单缸与双缸在安装圆环上相间均匀分布，每一个单缸或者每一对双缸为一组油缸，全部油缸共分20组，在安装管片模式时，每一组油缸可以单独控制。每四组油缸（保含两个单缸与两个双缸，共六个）成为一区，全部油缸共分A、B、C、D、E五个区，每区油缸有一个油压调节器，分别称为第A、B、C、D、E区油压调节器，在掘进模式时，分别调节这五个调节器，可使不同区的油缸推力不同，从而控制它们的推进速度，或使主机产生偏转按操作者的意愿向前掘进。在每个区各有一个油缸安装了行程传感器，由上图可以看是第4、9、17、22、28号油缸安装了行程传感器。掘进控制时，我们需要了解上下左右四个位置的油缸行程，但这个位置的油缸没有安装行程传感器，这时要把已知的油缸行程换算成这相当于这四个位置的油缸行程。在理论上，只要知道任意三个位置的油缸行程就可以算出这四个位置的相当油缸行程，但这个计算的过程是比较麻烦的，一般情况下掘进导向系统会为我们提供了这个计算功能，使我们可以随时知道在这四个位置的相当油缸行程，为掘进控制提供方便。第三节 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），这就要求盾壳与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与管片设计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与管片选型的要求也会很高。下面是盾尾间隙的详细图例。盾尾为一直径6230mm，厚度为40mm的钢筒，在末端安装由薄钢板与钢丝组成的三道盾尾密封，盾尾密封有很强的弹性与很大的压缩性，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与形状；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45mm。管片的外直径为6000mm。如果管片的中心轴与主机的中心轴完全重合时，则盾尾间隙的值为30mm。当管片的中心轴与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，以确保管片与盾尾结构的安全。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2.0米，而施工中安装管片需要的油缸行程一般只为1.8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与盾壳的间隙值，理想情况下的盾尾间隙测量值为30mm+45mm=75mm（见上图）。盾尾间隙为管片与盾尾形成的一环形空间，实际施工中我们只测量上、下、左、右四位置的间隙值就可以了，然后根据这四个值判断已安装的管片与主机的相对位置关系，再分析管片与盾尾有无危险。下面图示说明判断主机管片相对位置与分析他们危险程度的过程。如果管片只是偏向水平或竖直方向（如图a所示），这时的最小盾尾间隙为测得的最小盾尾间隙，如果这个值接近45mm，说明盾尾与管片已经没有间隙了，必须立即调整。但是大部分情况下管片轴线偏离主机轴线的方向是随机的，如图b所示，这时测量得到的最小间隙值并不是实际的最小间隙值。评价这种情况下的盾尾间隙要用到两个相邻的最小间隙值之与。在图a所示的情况下，两个相邻的最小间隙值之与为120mm，而在图b所示的情况下，如果管片轴心偏离主机轴心的方向为竖直偏左45度，则两最小的间隙值之与为110mm。可以验证，这也是所有情况中最小的两个间隙值之与。通过上面的数据，我们就可以制定出一个标准：任何情况下测量的四个盾尾间隙值必须满足两个条件：其一、最小的盾尾间隙值为大于等于45mm；其二、最小的两个相邻盾尾间隙值之与不能小于120mm，困难的情况下绝对不能小于110mm。实际执行时应加上一定的安全系数，因此可以这样规定：最小间隙值一般情况下不小于60mm；特殊情况下最小间隙值应在50mm60mm之间且两个最小值之与不小于120mm。很多盾构为了适应小曲线半径的施工，都设计成带铰接的结构。具体做法是把盾尾与中体分开，用环绕内表面安装的很多个铰接油缸连接。这样就允许在盾尾与中体间有一个夹角，夹角的大小与相应位置铰接油缸伸出的长度有关，掘进中可以调节铰接油缸的长度使主机适应曲线的变化。但这种铰接油缸是随动的，所有的油缸只有收回、锁定、放松三个控制键，无法精确控制单个油缸的伸出量，只能在掘进中依靠盾尾的受力情况作自适应性的调整。这种带有铰接结构的盾构主机在盾尾间隙很小时可以通过调整铰接的角度使管片与盾尾之间的不利作用力减小，从而大大减少了管片被损坏的概率。担掘进中要十分注意的是所有铰接油缸的伸出量要与开挖曲线的曲率相配合，如果个别部位的铰接油缸伸出长度突然变大且油压很高，就说明铰接机构的调整量已经达到了极限，必须采取紧急措施了。第三章 盾构掘进的导向系统盾构掘进导向系统是盾构施工中的指挥系统，盾构主机在它的指引下沿着设计的线路向前掘进。导向系统的种类很多，但基本的原理是相通的。下面以德国VMT公司的SLS-T导向系统为例先介绍一下导向系统的基本构成与工作原理。导向系统原理图导向系统按照安装的位置可分为三个模块。第一模块为安装在盾构主机上的激光耙系统，它由姿态测量精密传感器与测量棱镜组成。姿态测量精密传感器的作用是接受来自全站仪的激光，测量激光的入射角度、盾构主机的滚动值与附仰值等数据；棱镜的作用是测量盾构主机的位置坐标与指引激光的照射方向。第二系统为安装在主机后方稳定的隧道壁上的全站仪与测量参考点，它们的坐标在掘进前已经被精确测定，它们的作用是测量盾构主机的方位。第三模块是数据处理显示系统与一些辅助设备。他们的作用是处理姿态传感器测得的姿态数据与测量系统测得的方位数据，然后计算出盾构机相对隧道设计中线（DTA: Tunnel Design Axis ）的位置姿态，指导盾构的掘进。其原理图见上图。测量过程：安装在盾构主机上的传感器与棱镜相对于主机的位置在主机制造时已被精确的测定，全站仪与参考点的整体位置坐标在掘进前也已经被准确测量。导向系统开始工作时全站仪后视参考点，确定正北方向，然后再转向盾构主机，测量主机上棱镜的位置坐标；同时全站仪发射一束激光照射在姿态传感器上，姿态传感器测量激光的入射角度，并把测得的数值传输到数据处理系统。数据处理系统根据上述的位置及姿态信息可以计算出主机的坐标与相对与DTA的姿态。SLS-T系统的自动化程度很高：如全站仪自动可以跟踪盾构主机上的目标，并随时测量；测得的数据进入计算机，并在计算机上显示出盾构机相对DTA的精确位置，其测量的频率可以是每分钟数次。VMT系列的导向系统以其先进与稳定在最新的盾构掘进导向中应用较为广泛。其典型的显示画面如下图。 VMT显示典型盾构掘进图在介绍上图以前先介绍SLS-T使用的三种不同的坐标系统。1、总/全局坐标系统：此系统用于计算所有固定点的三维坐标，此系统所需的资料由地面传给SLS-T，包括DTA数据、全站仪与参考点的坐标等。2、主机坐标系统：此系统计算主机传感器与棱镜的设置尺寸、主机内控制点与参考点。这些数据已有VMT在制造主机时精确测定。3、DTA坐标系统：此系统将显示主机的里程与前后参考点的偏差。此系统中主机坐标的确定是SLS-T的主要目的。对掘进控制而言我们最关心的是盾构主机相对DTA的偏离位置，因而最多的应用到DTA坐标系统。DTA坐标系统以垂直于DTA的水平方向为横轴，以竖直方向为竖轴，以沿DTA的方向为纵轴，描述主机前后参考点的位置。观察上图，图左上方的数值为主机前（Front）后(Back)参考点的坐标值(H: Horizontal，V: Vertical)与主机相对DTA的趋势（T: Tendency）。 Front Back TendencyHorizontal 16 25 2Vertical 6 17 5Front与Back的坐标（H,V）直接由数据处理系统根据测量值计算得出，而Tendency与Front与Back的坐标（H,V）的数学关系为: （mm/m） （mm/m）FHV(Front Horizontal Value) 前参考点水平坐标值 mm BHV(Back Horizontal Value) 后参考点水平坐标值 mmFVV(Front Vertical Value) 前参考点竖直坐标值 mm BVV(Back Vertical Value) 后参考点竖直坐标值 mm参数4.754（ FR TO BR ）为前后参考点间的距离 m根据这六个数值我们可以清楚的知道主机与DTA的位置关系，也清楚主机相对与DTA的运动方向。图形右上角的（Chainage）为主机前参考点的里程值，Advance 为当前掘进环号。中间的图形为主机在DTA坐标系中的方位与姿态形象图，图形的尖端代表主机的前参考点，图形中粗十字交叉的交点代表主机的后参考点，这个图形可以让操作者能最直观的了解主机的位置与姿态信息。图形左侧的Roll为主机的滚动值，Pitch为主机相对水平面的绝对角度。对掘进控制而言，以上这些数值是对掘进是有直接指导意义的。第四章 隧道设计轴线 （DTA ）在理想的情况下，主机是严格按DTA向前掘进的，主机的前后参考点应该都位于DTA上。如果DTA为一段直线，每掘进一环推进油缸向前推进相同距离，所有油缸的行程都是相同的；如果DTA为曲线，掘进时位于曲线外侧的油缸就会比位于曲线内侧的油缸推进距离长一些，就会在曲线内外两侧的推进油缸上产生行程差。当行程差达到一定程度时，就必须安装转弯环以平衡这个行程差，否则管片的走向就会与主机的走向偏离。那么每掘进一环内外油缸可以产生多大的行程差呢？我们要研究DTA与油缸行程的关系。DTA是一些简单的、一定长度的直线与曲线组合成的空间曲线。在直线段，主机不会产生油缸行程差；在曲线段，不同的曲线半径，曲线的不同部位产生的油缸行程差不同。下面我们分别讨论在不同半径的圆曲线与缓与曲线上油缸行程的计算方法。1、圆曲线：圆曲线上每掘进一环曲线内外侧油缸行程差的计算比较简单其计算公式为：油缸行程差； R：曲线半径；l：每环掘进长度； r：油缸安装直径；以宽度为1.5m的管片与油缸安装直径为5.7米的盾构工程为例，其每环油缸行程差为：例如，在400米半径的圆曲线上，每掘进一环产生的油缸行程差为21.4mm；在600米半径的圆曲线上，每环产生的油缸行程差为14.25mm。2、缓与曲线：缓与曲线的种类很多，有适用于低速铁路的放射螺旋线，有适用于高速铁路的高次形曲线、正弦形曲线。地铁隧道沿用了我国铁路广泛使用的放射螺旋线作为缓与曲线的线形。它的线形公式为： : 缓与曲线上任一点到直缓点的长度；C：缓与曲线长度0与圆曲线半径的乘积。下面介绍缓与曲线段每掘进一环油缸行程差的计算公式：油缸行程差；R: 曲线半径；1、2 ：曲线外侧掘进始点与终点的切线与曲线始切线的夹角；r : 油缸安装直径；上面的公式为在缓与曲线上每掘进一环油缸行程差的原理公式，带入油缸安装半径5.7米，整理后得:5700(1-2)由缓与曲线的线形公式可得： ； 其中1、2 为掘进起点与终点到直缓点的长度把1、2代入5.7(1-2)得：由这个公式可以计算出整个缓与曲线段油缸行程差的总与：假如我们已经知道主机进入缓与曲线的长度L，那么就可以计算出下一环掘进将会产生的油缸行程差：现场施工中我们可以把缓与曲线段每环掘进产生的油缸行程差做成一个表，这样在指导施工时可以免去现场的计算，减少出错的机会。例如，已经知道DTA在里程DK16200.000时由直线进入缓与曲线，环号为251，缓与曲线长度为65m，圆曲线半径为400mm，：首先计算缓与曲线段油缸行程差的总与：然后列表计算每环的油缸行程差。具体的表格见“缓与曲线油缸行程差的计算”。DTA上竖曲线油缸行程差的计算与平面上圆曲线油缸行程差的计算原理是相同的，但竖曲线的曲线半径都比较大，对油缸行程的影响也非常的小，甚至可以不必考虑。第五章 管片第一节 管片的标准环与楔形环以与上面介绍的盾构机所配套使用的管片为例，管片的外直径为6000mm，内直径为5400mm，厚度为300mm,宽度为1500mm。每环管片由六片钢筋砼预制块组成，分别称为三块基本块，两块邻接块与一块楔形块，管片的这种分割方式称为51式设计。每环管片环向的两块之间用两颗高强螺栓连接，每环用12颗高强螺栓；相邻的两环管片纵向之间用10颗高强螺栓连接。管片拼装时一般情况下先拼装基本块，再拼装邻接块，最后再拼装楔形块。安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，通缝拼装与错缝拼装，见下图。通缝拼装示意错缝拼装示意通缝拼装所有的环向连接缝在沿隧道的纵向方向上成一直线，而错缝拼装每环管片的环向连接缝都是错开的。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与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，本文的所举的例子也是以错缝拼装为前提的。地铁隧道因为转弯半径一般比较小，所以要同时应用标准环与楔形环来拟合隧道。下图为标准环与楔形环的设计图，标准环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，而转弯环在平面上的投影为对称的梯形，梯形长边比短边长50mm。在管片拼装时，如果正在安装的一环管片为楔形环，且楔形环中楔形块的位置处于隧道的正上方，这时隧道腰部两侧将会产生衬砌长度的不同，这种长度上的不同称为超前，它的数值称为超前量。如上面介绍的管片，每拼装一环将会在隧道腰部两侧产生50mm的超前量。不同的隧道工程所使用的管片的超前量应该是不同的，超前量的大小在隧道管片设计上是最为重要的研究内容。一般来说超前量的大小最起码要能够适应隧道最小转弯半径的要求。但如果超前量设计的过大，施工中很容易造成管片错台，管片成圆度差，不但对管片拼装带来很大困难，更影响隧道的防水效果与的美观。第二节 管片对隧道的拟合一定的标准环与一定的转弯环（楔形环）按照一定的数量与合适顺序排列，能够拟合出不同半径的曲线隧道，这种管片排列的计算叫做管片对隧道的拟合计算。当规划管片的总体制造计划与管片的运送计划以及施工场地的管片储存计划时，就要用到拟合计算，拟合计算对管片的选型也有直接的指导作用。下面分别介绍在直线、缓与曲线、圆曲线段管片对隧道的拟合计算。首先介绍隧道直线段管片对隧道的拟合计算。在管片供应正常的情况下，直线段理论上只需要标准环，但在掘进与管片安装时，油缸推力的不均、主机的蛇行、已安装管片的沉降等因素会造成盾尾间隙的变小与推进油缸行程的不均衡，当这种不利的影响累加到一定程度时就必须安装转弯环进行管片纠偏。在规划施工场地管片储存计划时可以考虑存放大量的标准环，只储存少量的转弯环。不同的地质因素，不同的注浆效果与不同的掘进控制水平，其造成的纠偏量是不同的，因此转弯环与标准环的存放比例应经过一定时间的施工实践后综合分析做出。当转弯环用完后，要及时补充。在缓与曲线段，转弯环的数量要满足隧道转弯造成的隧道总的超前量的需要。例如：缓与曲线的长度为65m；圆曲线半径为400m; 管片宽度为1.5m; 每环超前量为50mm。经过计算已经知道整个缓与曲线段隧道内外两侧的超前量总与为463mm（计算过程见第四章“隧道设计轴线”缓与曲线部分）。整个缓与曲线段需要的管片总数量为环，其中需要的转弯环数量为环，需要的标准环数量为44环减去10环34环。那么这10环转弯环在整个缓与曲线段内部的分部怎样呢，就要用到转弯环在缓与曲线内的分部规划。转弯环在缓与曲线内的分部规划步骤如下。 1、列表计算缓与曲线段油缸行程差，其计算步骤参见第四章“隧道设计轴线”的介绍； 2、 在表上计算转弯环的分部区域：计算每一环掘进后产生的行程差累积之与，当某一环的行程差累积之与等于一环转弯环的超前量时，则第一环到这一环为第一个转弯环的安装区域；当某一环的行程差累积值等于两环转弯环超前量之与时，则第一个安装区域之后后的第一环到当前环为第二个转弯环的安装区域；依次类推，直到算出所有转弯环的安装区域。需要注意的是在计算时要将管片的最大超前量50mm折算到油缸行位置的实际超前量，其值为：3、 在表上定出转弯环的安装位置：转弯环的安装环号应满足下面的等式，转弯环安装处的行程差累积值=区域号47.5mm47.5mm/2转弯环在缓与曲线内的分部规划原理是比较简单的，掘进产生的行程差到达一定程度时，就要安装转弯环以平衡这个行程差，但平衡的时机不是在行程差与管片超前量相等的时候，而是在行程差等于管片超前量的一半的时候，这样当一个安装区域的管片安装完成后盾尾间隙可以保持在合适的范围之内。 管片对圆曲线的拟合相对缓与曲线要更简单一些。它的计算步骤如下：1、 计算在曲线上每掘进一环（1.5m）左右推进油缸产生的油缸行差L；2、 计算转弯环在对应油缸位置的超前量，为47.5mm（计算过程见前文的介绍）；3、 假设拟合这样曲线半径的隧道需要T块标准环，需要Z块转弯环，找到下面方程式中未知数T、Z的最接近结果的最小整数解：（Z+T）L=Z47.54、 求解偏差：（Z+T）LZ47.5；5、 对进行结果进行修正，列出圆曲线段的管片拼装拟合方程式。下面分别以400m曲线半径与600 m曲线半径为例，介绍圆曲线管片的拟合计算。1、 计算400m与600m曲线每环产生的油缸行程差为： L400(1500/400) 5.7=21.375mm L600(1500/600) 5.7=14.25mm2、 转弯环的超前量已知，为47.5mm；3、 把上述结果带入（Z+T）L=Z47.5，分别求得在400m曲线半径时，Z=4, T=5;在600m曲线半径时，Z=1, T=2。4、 求解偏差： 400（45）21.375447.52.375 600（12）14.25147.54.75可以看到，在400m曲线时，偏差为正，说明尚有未被平衡的行程差存在；在600m时，则偏差为负，说明超前有富裕。5、 对结果进行修正：400m曲线采用4Z+5T的拼装方式时每47.5/2.375=20个循环要多安装一环转弯环，其精确的拼装拟合方程为：20（4Z+5T）1Z600m曲线采用1Z+2T的拼装方式时每47.5/4.75=10个循环要多安装一环标准环，其精确的拼装拟合方程为：10（1Z+2T）1T如果计算出的修正值比较大，则最后一步可以省去，因为实际施工中的误差将会把精确的修正变得毫无意义。如上述的两个拼装拟合方程式，其修正都可以省略，而只保留400m=4Z+5T ; 600m=1Z+2T就可以了。从一些工程实例看来只要修正值大于三或四的都可以省略。正式施工时可以把所有曲线半径的拟合方程式制成一个表，以利管片的选型。如下面的常用曲线管片拟合表常用圆曲线管片拼装拟合表曲线半径行程差拟合比调整循环拼装公式ZT30028.5 32无穷大3Z+2T35024.4 1135Z+T40021.4 45204Z+5T45019.0 23无穷大2Z+3T50017.1 1212 1Z+2T55015.5 12-551Z+2T60014.3 12-101Z+2T65013.2 139 1Z+3T70012.2 13351Z+3T75011.4 13-251Z+3T80010.7 13-101Z+3T85010.1 14171Z+4T9009.5 14无穷大1Z+4T9509.0 14-191Z+4T10008.6 15121Z+5T第三节 管片的钟点特征转弯环管片沿圆周方向不同的位置其宽度值是变化的。例如一环左转弯的管片，当它的楔形块位于隧道最顶部时，它的腰部最左侧为宽度最小点，它的腰部最右侧为宽度最大点，管片顶部与底部的宽度值相等，其他部位的宽度为沿连接最小点与最大点的直线线性变化。当楔形块位置偏离隧道的最顶部时，管片的最大与最小宽度值将不位于隧道的腰部两侧，顶部与底部的宽度值也变得不相等。转弯环楔形块位置偏离隧道顶部的程度不同，其最大宽度与最小宽度的位置相对于隧道的位置也各不同，这就是管片的钟点特征。我们从管片设计图上已经知道管片的纵向螺栓孔有10个，而且它们沿管片的圆周方向是均匀分部的，任何相邻的个纵向螺栓孔与管片中心所成角度都为36 0。也就是说管片每一块的安装位置相对隧道是可以变化的，有10个纵向螺栓孔，管片沿环向就有10个安装位置，每一个安装位置称为管片的一个安装钟点。例如，我们把当楔形块位于最上方时管片相对隧道的位置称为12：00或称为0：00；楔形块位置沿环向顺时针旋转36 0后管片相对隧道的安装位置称为1：00。管片的详细钟点示意图参见下图 由图可见管片从1：00到12：00去掉3：00与9：00共有十个钟点。去掉3：00与9：00是因为楔形块不可能安装到这两个位置，因此2：00之后的下一个安装位置应是4：00，8：00之与的下一个安装位置是10:00。 以管片的中心为原点，以楔形块中心与管片中心的连线为零度，下表为一些关键角度处管片的宽度值：角度宽度值油缸换算值角度宽度值油缸换算值0150015001801500150018150815071981492149336151515142161485148654152015192341480148172152415232521476147790152515242701475147610815241523288147614771261520151930614801481144151515143241485148616215081507342149214931801500150036015001500管片有10个安装点位，管片选型时我们只需知道各个点位在上下左右四个位置的宽度值就行了，因为控制这四个位置的超前量就可以控制管片的走向与四个盾尾间隙的大小。也就是说，在管片安装时，安装点位的选择要依赖不同点位上下左右的超前差的数值。下表分别列出了左右转弯环安装在不同点位时管片在隧道上下左右位置产生的超前差。左转弯环管片钟点特征表钟点值12:001:002:004:005:006:007:008:0010:0011:00上下超前0.00 -27.92 -45.18 -45.18-27.92027.9245.1845.1827.92左右超前47.50 38.4314.68-14.68-38.43-47.5-38.43-14.6814.6838.43注：上部宽度大于下部宽度为正值，右侧宽度大于左侧宽度为正值。右转弯环管片钟点特征表钟点值12:001:002:004:005:006:007:008:0010:0011:00上下超前0.00 27.92 45.18 45.1827.920-27.92-45.18-45.18-27.92左右超前-47.50 -38.43-14.6814.6838.4347.548.4314.68-14.68-38.43注：上部宽度大于下部宽度为正值，右侧宽度大于左侧宽度为正值。 由上部的两个表我们可以知道左右转弯环是可以互相代替的，如右转弯12：00可以由左转弯6：00代替，右转弯的1：00可以由左转弯的7：00代替。下面是左转弯与右转弯的对应表。左转弯与右转弯对应表R12=L6R1=L7R2=L8R4=L10R5=L11R6=L12R7=L1R8=L2R10=L4R11=L5管片的这种特点在施工时很有意义，如施工马上需要使用右转弯环，但施工场地储存的只有左转弯环，这时就可以用左转弯环来代替右转弯环。但需要说明的是左右转弯环在互相代替时要注意管片是否会通缝。例如当前环为标准11：00钟，下一环需要安装右转弯12：00，但这时发现场地只有左转弯环，不得不用左转弯来代替右转弯，但是这个左转弯不能安装到6：00钟，虽然这个左转弯安装到6：00与右转弯12：00完全等价，但会与当前的标准环11：00通缝，你只能把左转弯安装到5：00或者7：00才能满足既错缝又代替右转弯大部分功能的要求。虽然管片有10个点位，但正常情况下如果管片供应充足，管片的常用安装点位只有五个：10：00、11：00、12：00、1：00、2：00。对标准环而言剩下的点位没有任何意义，对转弯环来说剩下的点位完全可以用相反的管片在这五个点位内找到代替环。而且在转弯环供应充足时我们更并不主张使用剩下的点位，因为这些点位的楔形块位于隧道下半部，在安装时比较不便，对安装的技术要求也要高一些。 第六章 掘进中的姿态控制与管片选型第一节 概述有了上面的介绍我们已经知道了姿态控制的基本原理与管片选型的基础知识，但具体到施工实践中的姿态控制与管片选型却远远没有这么简单。实际施工中未知的因素很多，这些因素对盾构施工的不利影响主要有两点， 一、使盾构主机偏离DTA；二、使盾尾间隙变小。使盾构主机偏离DTA的因素主要有：1、 开挖面地层的软硬不均。盾构主机有着向地层硬的部分偏移的特性，如果开挖面右侧地层比较坚硬，则在掘进时盾构主机会向右侧偏移，这种现象超乎人的意料，但在施工中是确实存在的。只有当右侧油缸的推力加大到一定程度时这种偏移才能纠正。2、 主机的可控制效果。盾构主机有着一个复杂的庞大的控制系统，涉及到机械、电子电气、液压等很多学科，因此在掘进时如果没有摸清主机的“脾气” ，则控制起来会很困难。例如，各组推进油缸的推进压力调节即使在软硬均匀的地层中掘进也是不同的，而且调节起来有的很敏感，有的很迟钝，施工稍有疏忽主机便会跑偏，只有在充分熟悉机器的情况下才能达到较好的控制效果。3、 导向系统的误差。导向系统是一个集光、电、精密机械为一体的复杂的系统，机械系统的传动误差与光电系统因大气折射造成的误差是不可能消除的，而且随着系统使用时间与测量距离的增大，误差也会变。使盾尾间隙变小的主要因素有：1、 管片的下沉。当注浆效果不好时，或者当推进油缸的推力过小不足以支撑安装好的管片时，管片在自重的作用下会下沉，造成下部的盾尾间隙变大，上部盾尾间隙变小。例如有时候会发现连续安装的很多环管片上部盾尾间隙很小，虽然在管片选型时充分考虑了上部盾尾间隙的调整，但几乎没有效果，这时就必须在安装管片与注浆的工艺上加强要求，安装管片时要保证推进油缸足够大的推力，注浆时要保证浆液的饱满程度与凝结时间，凝结时间应该与掘进的速度配合。2、 盾构主机的下沉。主机在由硬地层进入软弱地层时主机不可避免要下沉，在安装管片时如果推力不足也会造成主机下沉，主机如果在较弱的地层中停机时间过长其下沉会更明显。主机偏离DTA达到一定程度与盾尾间隙变的很小时就要考虑盾构的纠偏，纠偏要从掘进控制与管片选型两个方面入手。在盾构工程施工中，掘进的姿态控制与管片选型绝对是影响施工的主要技术问题。有人误认为掘进控制与管片选型是互不相干的两个内容，掘进机只要严格安装DTA掘进，管片选型能满足掘进的线路要求就可以了，但这只是一种美好的意愿。在实际施工中人不可能时刻控制一切，例如在刀具磨损严重时盾构的掘进将会很困难，当纠正方向时主机将变得极为迟钝，这时要在管片选型与方向控制时综合考虑掘进机的状态。又例如当地质情况变化剧烈时，主机会突然偏向一边很大的数值，这时又常伴随盾尾间隙的急剧变小，这时更要在管片安装与掘进方向上综合考虑，避免出现过激的纠偏以至造成大错台，甚至破坏管片。掘进控制与管片选型在盾构施工中唇齿相依，不能分开对待。下面分别以直线、曲线与一些特殊情况下的施工为例介绍掘进控制与管片选型的方法。第二节 直线段掘进的姿态控制与管片选型直线段掘进控制与管片选型的方法比较简单，因为在直线段每掘进一环不会产生油缸行程差，在管片选型与掘进控制出现少量失误时不至于立刻造成大的问题，纠正起来也相对简单一些。下面要介绍几个重要概念，这几个概念在管片选型中贯穿始终。一、 主机趋势与油缸行程。 我们已经知道主机的趋势实际就是主机前后参考点的坐标差对前后参考点距离的比值。主机趋势与油缸行程的关系为： 例如如果主机水平趋势在掘进前后的数值变化为1mm/m，则水平位置油缸产生的行程差为5.7mm，实际计算时可近似取为6mm。需要说明的是，这个公式只使用于直线掘进。二、 管片超前与盾尾间隙。 当油缸行程比较大时，安装的管片对盾尾间隙会产生相当明显的影响。例如，主机左右油缸行程差为30mm，现在安装一环标准环，则油缸行程较小一侧的盾尾间隙就会减少因此，油缸行程与盾尾间隙之间有一个简单的近似公式: 三、 纠偏量的控制与纠偏能力 盾构纠偏量在盾构掘进时是一个十分重要的控制标准，如果这个标准制定的比较宽松，即允许主机有较剧烈的蛇行，则掘进时管片的损伤会增加，隧道的超挖也会增加，对控制管片的质量与注浆的质量都不利；如果这个标准制定的较严格，则施工时会大大增加控制的难度，有时会很容易“超标”，造成标准失效。合适的纠偏量标准是随施工的不同阶段与不同的地质环境而有所变化的，如在施工的初始阶段，这个标准可以宽松一些，在正常施工时就要严格一些；在地质情况很好时可以严格一些，在地质情况恶劣主机掘进难以控制时可以稍微宽松一些。但随着施工熟练程度的提高，这个控制标准也应该是逐步提高的。 人们有时候很容易把盾构主机的纠偏能力与纠偏标准混淆，以为纠偏能力就是纠偏的标准，这是不正确的，纠偏的能力是站在盾构掘进的方面来说的，而纠偏标准是站在控制隧道线形质量的方面来说的。一般情况下纠偏能力远远大于纠偏的标准。 在盾构纠偏能力确定的方法上人们也有不同的认识，有人认为盾构纠偏能力以盾构最小掘进半径确定，例如一台最小掘进半径为300米的盾构，其纠偏能力应该就是能满足300米半径隧道的开挖的能力。这种认识在实际施工中是很危险的，因为这种能力的曲线半径太小，管片的楔形量不足以拟合出如此小半径的曲线隧道，有时即使能够拟合，管片也会因过激的转弯而大量破裂错台与渗漏。盾构的纠偏能力应该以在使用某种管片时施工实践中满足隧道质量要求所拟合出的的最小半径来确定。例如一台盾构在施工实践中用某种管片顺利完成了最小曲线半径400米的隧道，而且质量能够得到保证，那么这个400米半径才是在使用这种管片时主机的纠偏能力。对于一种新型的管片，从来没有在实践中使用过，那么纠偏能力应该用管片拟合试验与受力计算来确定。一般情况下先做拼装拟合试验，以管片能自由模拟的最小半径为半径，然后做考虑注浆的情况下掘进时的管片受力计算，如计算结果能保证管片的质量，则可以确定纠偏能力。 纠偏量的确定只有在施工中确定，仍然以本文所引用的隧道施工为例，其最小曲线半径400米，在正常施工中制定的纠偏标准为每环趋势改变量为12mm/m，一般不大于2mm/m，同时主机前后参考点的坐标值的变化掘进前后不大于9mm。这个控制标准在实际施工时被证明是合适的，很好的控制了隧道的质量，而且控制了超挖，对保护主机与控制成本都有利。 四、 掘进与管片选型公式。 知道了主机趋势与油缸行程的关系，也知道了油缸行程与盾尾间隙的关系，我们就可以预测出未来几环主机的趋势、盾尾间隙的状况以及管片的类型。所有这些工作我们在一个公式上进行： 首先介绍公式的各个部分与运算步骤： 1、从导向系统上记录主机位置与姿态的所有信息，以及盾尾间隙的数据； 2、列出公式的首部分：趋势、油缸行程差与盾尾间隙； 3、计算掘进完成的趋势与油缸行程差； 4、预测管片的类型与安装点位； 5、计算安装完成后的油缸行程与盾尾间隙；6、把趋势与油缸行程以及盾尾间隙作为初始条件列入下一个计算循环。 下面举例介绍具体的公式与算法，首先看下面的VMT屏幕：人工测量得到如下数据：油缸左侧行程比右侧大35mm,上部比下部大20mm；左侧的盾尾间隙为60mm，右侧的盾尾间隙为90mm，上部盾尾间隙为55mm，下部盾尾间隙为95mm；刚刚安装好的一环管片为标准环12：00。 这时一个非常典型的难题，从图上看主机偏向DTA的左下侧，但左侧的盾尾间隙比较小，而且从油缸行程看还有更加减小的趋势，非常危险；上部的盾尾间隙虽然十分小，比较危险，但从油缸行程看上部盾尾间隙有增大的趋势，而且主机的趋势也是向上。这时第10环的管片选型与掘进控制公式如下：No.10: 这是一个典型的管片选型与姿态控制的计算公式，下面来介绍这个公式的详细使用方法。 公式有三个数据块与两个箭头组成。每一个数据块又分为头与尾两个部分，头部分记录了上下左右油缸行程差的数值，这两个数值用水平与数值方向的两个小箭头来标明行程差的位置，如上面的公式第一个数据块的头部分告诉我们掘进开始之前左边的油缸行程比右边的油缸行程大35mm，上面的油缸行程比下面的油缸行程大20mm。箭头的方向也代表管片在盾尾内部相对运动的方向，上例中的小箭头很直观的告诉我们，要安装的管片将会在盾尾内部向左与向上移动，这将会加大右侧与下侧的盾尾间隙。数据块的尾部记录了主机的趋势值与最小盾尾间隙值。H为水平趋势，V为数值趋势，L代表左侧