西安市地下铁道有限责任公司 陕西 西安 710018
摘要：通用环管片是盾构隧道衬砌结构的一种形式，即每一环都是楔形环。它利用不同拼装点位具有不同的管片超前量，进行拟合设计线路中的直线和曲线要素。本文从盾构姿态、管片姿态、设计轴线三者之间的空间关系出发，结合通用环管片基本参数，研究了盾构纠偏过程中的管片排版，提出分类纠偏思路，对现场实际纠偏操作具有指导作用。
关键词：盾构隧道；通用管片；排版；纠偏。
一、引言
目前国内地铁盾构隧道衬砌管片主要有两种形式，即普通环形式和通用环形式，通用管片形式在欧洲得到普遍应用，并逐渐成为国内大中型盾构隧道设计中优先考虑的衬砌形式[1]。根据通用环管片的特性，它可以在三维空间内对线路进行环环拟合，不需要采用楔形贴片来拟合竖曲线，故而能使隧道线路更加平顺自然。
二、工程概况
栎社新村站～鄞州大道站区间设计起点里程为SK2+693.500，终点里程为SK4+154.774，全长1461.274双线米，采用日本小松6250盾构机进行施工，导向系统为演算工坊测量系统。隧道埋深5.8m～21.6m，线间距13～15m，线路最大纵坡为27‰，最小平曲线半径380m，隧道外径6.2m。
本区间采用通用环管片为隧道的衬砌结构，内径为5500mm，外径为6200mm，厚度为350mm，环宽为1200mm。隧道衬砌采用错缝拼装方式，楔形衬砌环设计为双面楔形环，最大楔形量为37.2mm，每环楔形角20'37.59"，共有16个拼装点位(如图1所示)，管片环缝采用凹凸榫槽结构。
根据通用环管片的设计参数可以推算出其基本参数，如表1所述：
三、影响纠偏的因素
盾构隧道在施工时，往往会因为某些原因，造成施工线路与设计线路存在偏差，这时就需要进行纠偏作业。在研究纠偏之前，首先须明确隧道设计轴线、管片成型轴线、盾构施工轴线之间的空间几何关系（图2）。其次，根据现场实际状况分析具体问题，制定出可操作的纠偏措施。
纠偏措施通常考虑以下方面：
1、盾尾间隙。盾尾间隙是影响管片拼装的重要因素，它反映了盾构机与已安装管片的空间关系，而不同点位的管片环对盾尾间隙的影响是不同的。因此，在管片选型过程中，需要根据盾尾间隙进行选优。
2、盾构机推进油缸、绞接油缸的行程。可以由PTS导向系统的盾构机操作界面获得。盾构机的油缸行程类似与盾尾间隙，反映了盾构姿态与管片姿态之间的关系。
3、盾构机测量姿态（偏差和趋势）。这些数据需要从盾构机测量系统获得。盾构机测量姿态反映了盾构机与设计轴线的相互关系，决定了下一阶段的管片趋势以及纠偏措施。
4、已安装管片环的类型。这个基本参数主要是考虑错缝拼装的要求，决定后续管环可以安装的类型。
5、纠偏环数。盾构机姿态反映了盾构机中轴线与隧道中心线的相互关系，从平面位置和高程位置来分析，可有两个参数，分别是绝对偏差和偏差趋势。综合考虑两个参数，考虑到纠偏的缓和平稳原则，可以以纠偏环数n为纠偏控制指标（一般而言，n≥5）。纠偏环数在一定程度上是指盾构机从当前姿态回到设计轴线所需的纠偏管环数量，即在n环纠偏环的范围内，盾构机逐步回归到设计轴线上。当盾构机姿态较差时，相应地需要较长的纠偏距离，即更多的纠偏环数。
四、纠偏方案的制定
（一）获取数据（依据小松6250盾构机）
首先获取当前盾构机姿态（中心坐标）、千斤顶行程、盾尾间隙等数据，用坐标模拟出当前盾构机轴线（三维空间的几何关系计算，可以分步投影到水平面和垂直面上来进行），与设计轴线坐标比较，得出当前盾构施工轴线、隧道设计轴线、管片成型轴线之间的关系（如图3所示）。
图中α为成型管片中心线与盾构机夹角，β为设计中心线与盾构机夹角，θ为设计中心线与成型隧道中心线的夹角。
根据几何关系可得：管片成型轴线与设计轴线的夹角为，，。
注：A1为盾构机中点姿态、A2盾构机后点姿态、B1、B2为对应的千斤顶行程，h为油缸所形成圆的直径，L为中点和后点的距离。
如将θ投影到水平和垂直方向上，该公式可简化为：
θ水=（中水-后水）/h+（左-右）/D θ垂=（中垂-后垂）/h+（上-下）/D
注：上、下、左、右分别为对应的油缸行程。
（二）纠偏曲线
在实际的纠偏过程中，因圆曲线的计算和理解相对比较简单，且符合缓纠、勤纠、持续纠偏的原则，所以一般采用圆曲线拟合设计线路，也是盾构施工中常见的方式。
纠偏圆曲线的半径可由盾构姿态、纠偏距离计算得到，其中纠偏距离为自行设定的长度，当纠偏距离确定后，就可生成相应的盾构纠偏曲线。
原理为：
上述公式所计算的夹角为末端管片面与设计线路之间的夹角，可以将其投影在水平和垂直方向上。根据通用环管片的基本特性，不同的拼装点位有不同的管片超前量，也有不同的中心线偏转角，可计算待拼装管片中心轴线与设计线路之间的几何关系，依次类推形成一条纠偏线路，即管片排版计划。如图4和以下公式所示：
其中：Δ为管片单侧楔形量，n为管片拼装点位，N为通用管片拼装点位总数，D为管片直径。
（三）纠偏类型
采用圆曲线模拟盾构纠偏曲线时，可根据末端管片轴线与设计路线之间夹角类型，可将纠偏分为三种情况进行（如下所示）：
1、当管片轴线和设计轴线成小夹角时（0<θ1<90°）：
由以上三种类型的纠偏可知：
第一类：管片轴线向着设计轴线拟合的趋势已经形成，纠偏相对较简单，只需沿着目前的趋势进行掘进，即可拟合到设计轴线。
第二类：管片轴线趋势同设计轴线趋势平行，纠偏较第一种情况稍难，需增加向设计轴线拟合的趋势，采取措施后，基本可立即看到纠偏效果。
第三种：管片轴线和设计线路的趋势背离，存在大夹角的情况下，即使采取有效的纠偏措施，盾构姿态仍会继续恶化一段距离，随后偏差才会逐渐缩小，此时切忌因纠偏效果不明显，随意更改纠偏路线和掘进方案，以免造成管片破损、错台等。
（四）纠偏线路
理论上我们根据盾构机显示的基本数据和管片的参数，按照拟定允许隧道偏差范围，可获得两条极限纠偏路线，如下图所示，而实际操作中，我们选择纠偏线路时，需要考虑盾尾间隙、千斤顶最大行程差、管片应力、拼装平整度等方面的要求，才能选择较为合理的纠偏路径。
国内目前对通用管片向已知轴线拟合排版的方法研究比较多，如李伟平等采用竖曲线上的坐标法定点算法、线路上理想点的二分法求值算法、以及空间任意点绕任意轴旋转的计算机图形学算法 [1]；沈壁辉采用空间向量的方法[4]，拟合排版的理论研究已经比较成熟，在此不再叙述。
结语:
1、本文对盾构隧道所包含的三条轴线，即盾构机轴线、设计轴线、成型隧道轴线进行了分析和几何研究，揭示了三方之间的关系，并以此为基础对盾构纠偏进行分类研究和理论数据分析，现场施工过程中，可根据具体情况分别对待。
2、在纠偏过程中，遇到设计线路线性发生变化，应提前参考盾构机推进姿态，制定详细掘进计划，模拟盾构后续掘进，且不可随意更改纠偏方案。避免因设计线路线性的改变，而出现盾体姿态、管片姿态与设计线形无法拟合，盾构机过量的蛇形运动，造成管片环面受力不均匀，出现开裂破损现象。
3、盾构机的纠偏原则是要缓慢平稳，建议姿态变化幅度控制在2～5mm/环。正常掘进时严格控制盾构机每环油缸行程差在30mm以内，当油缸行程差大于40mm时，必须及时进行调整。
参考文献：
[1] 李伟平,邓国平.盾构隧道通用锲形管片排版系统的核心算法研究[J].现代隧道技术，2008，45（5）：34～37
[2] 宋瑞恒,黄醒春,罗汉中,朱继文. 盾构隧道通用管片排版及纠偏软件开发研究[J]. 地下空间与工程学报，2009，5（3）：557～562
[3] 胡珉,韩占伟,孙向阳,滕丽. 隧道通用锲形管片封顶块位置优选研究[J]. 现代隧道技术，2009，46（5）：13～22
[4] 沈碧辉. 盾构通用管片拟合排版技术应用[J]. 西部探矿工程，2010，（3）：177～179
[5]张文翠,穆世旭.盾构隧道通用管片排版设计与纠偏研究[D]。施工技术, 2013年7月上,第42卷第13期,89～92
作者简介:
汪凯；1984年10月；男；中级工程师；毕业学校：辽宁工程技术大学 专业：测绘工程
论文作者:汪凯,杨飞
论文发表刊物:《防护工程》2017年第5期
论文发表时间:2017/7/12
标签：管片论文; 盾构论文; 轴线论文; 隧道论文; 姿态论文; 夹角论文; 线路论文; 《防护工程》2017年第5期论文;